哈锅1000MW超超临界锅炉设计

October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会1KS8:何振东哈尔滨锅炉厂有限责任公司副总工程师（1964-）男硕士、研究员级高工，主要从事锅炉性能设计工作。报告题目：哈锅1000MW超超临界锅炉设计、制造技术探讨HeZhendongDirectorengineerof---HaerbinBoilerWorksCo(1964-)Manmaster,professorofengineering,isengagedinthedesignworkofboilerperformancemainly.Titleofhispresentation:Discussionondesignandmanufacturingtechnologiesof1000MWultra-supercriticalboilerofHaerbinBoilerWorksCo.October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会2KS8:哈锅1000MW超超临界锅炉设计、制造技术探讨何振东（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨，150046）摘要：本文阐述了中国首台1000MW超超临界燃煤锅炉的设计特点并对所采用的蒸汽参数、炉膛尺寸、燃烧方式、水冷壁设计、高热强钢材、新材料制造等作了探讨与分析。关键词：锅炉；超超临界；低NOx燃烧；垂直管圈；金属材料；Abstract:ThispaperillustratesthedesignfeaturesofChina’sfirstcoal-firedultra-supercriticalutilityboiler.Discussionandanalysishavebeenmadeconcerningthesteamparameters,firingmethod,waterwalldesign,highheatresistantsteel,start-upsystem,etc.inthispaper.Keyword:BoilerUltrasupercriticalLowNOxcombustionVerticalwaterwallMetalmaterialStart-upsystem0引言目前，我国煤电机组平均发电煤耗为374克/千瓦时，高于世界先进水平55克煤，因此提高煤转化效率，节约煤炭资源，是未来煤电发展的重要目标，是实现煤电可持续发展的重要保障。提高电厂煤炭利用效率的途径，主要是提高发电设备的蒸汽参数。随着科技的进步，煤电的蒸汽参数已由超高压、亚临界、超临界发展到超超临界，发电净效率也由亚临界机组的38%提高到了超超临界机组的45%左右。为满足中国电力市场对超超临界发电设备的需求，2003年5月，哈尔滨锅炉厂有限责任公司经过严格的技术调研和论证，选定三菱重工业株式会社做为技术支持方共同完成了玉环项目的标书编制及澄清工作并最终获得了玉环项目合同。通过玉环项目的执行，哈锅最终选择了三菱重工业株式会社作为超超临界技术转让方并于2004年9月与三菱公司签订技术转让合同。到目前为止，哈锅共签订1000MW级超超临界锅炉合同6台，600MW级超超临界锅炉合同10台。本文全面介绍了中国首台1000MW超超临界燃煤锅炉的设计、制造特点，并对设计、制造中采用的新技术、新材料进行探讨。1锅炉设计条件本锅炉设计条件是与华能玉环电厂1000MW超超临界燃煤锅炉技术规范书中提出的技术要求和国际上及我国燃煤电站的发展趋势一致的。1.1设计煤种设计煤种为内蒙神府东胜煤，校核煤种为山西晋北烟煤。1.2蒸汽参数华能玉环电厂1000MW机组选定锅炉出口蒸汽参数为27.56MPa(a)/605/603℃℃，对应汽机的入口参数为26.25MPa(a)/600/600℃℃，锅炉给水温度298℃。华能玉环电厂1000MW超超临界机组的锅炉由哈锅与三菱重工（MHI）联合设计与制造，汽机October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会3则由上海汽轮机公司与Siemens公司联合设计与制造。超超临界机组相对于常规超临界机组经济性的改善是明显的。27.56MPa(a)/605/603℃℃与25.4MPa(a)/571/569℃℃的蒸汽参数相比，预计汽机热耗约可降低2.5%，供电煤耗降低13.96g/KWh。1.3运行方式和工况要求机组承担基本负荷，但能参与调峰，采用定滑运行方式。锅炉在燃用设计煤种时，不投油最低稳燃负荷为35%BMCR。锅炉有良好的启动特性和负荷变化适应性，锅炉的动态特性能满足机动性的要求。本锅炉在25%至100%负荷范围内以纯直流方式运行，在25%负荷以下以带循环泵的再循环方式运行，启动系统用以保证启动的安全可靠性和经济性。低的NOx排放，锅炉出口NOx排量不超过360mg/Nm3（干烟气6%O2）。2锅炉设计2.1炉型锅炉采用超超临界参数，变压运行垂直管圈水冷壁直流炉、一次中间再热，再热汽调温采用尾部烟气档板，锅炉采用八角双火球切园燃烧方式，平衡通风、固态排渣，全钢悬吊构架，露天布置燃煤锅炉。锅炉总图见图1。图1锅炉总图2.2燃烧方式和炉膛尺寸目前，国内已投运的大容量燃煤锅炉以四角切向燃烧方式居多，制造厂与电厂对四角切园燃烧方式已积累了丰富的设计运行经验。切向燃烧方式的优点是煤种适用性强，与前后墙对冲燃烧相比，炉内NOx排放量相对较低。October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会4华能玉环电厂1000MW超超临界锅炉采用了MHI反向双切园燃烧方式，它具有炉内烟气温度场和热负荷分配较为均匀、单只燃烧器热功率较小的优点，避免了≥1000MW大型燃煤锅炉采用单切圆燃烧时炉膛尺寸上的限制。双切圆燃烧炉膛相当于二个尺寸较小的单切园炉膛的组合，对保证直流燃烧器的火焰穿透能力和改进燃烧组织均是有利的。因此这种燃烧方式适合华能玉环电厂1000MW超超临界锅炉。在华能玉环电厂1000MW超超临界锅炉的方案选择过程中，哈锅以对神华煤的理解，在锅炉炉膛断面尺寸的选择上始终处于领导地位，因此锅炉的设计更适合中国国情。表1是玉环电厂超超临界锅炉炉膛尺寸与三菱公司供货的三台1000MW超超临界锅炉炉膛尺寸比较。从比较可以看出，锅炉炉膛尺寸均大于三菱公司供货的三台1000MW超超临界锅炉炉膛尺寸。表1锅炉炉膛尺寸比较三菱1000MW燃煤锅炉华能玉环新地#2原町#1三隅#12953吨/小时3080吨/小时2970吨/小时2900吨/小时27.46MPa600/600°C24.9MPa600/600°C24.9MPa600/600°C24.9MPa600/600°C2006年1995年投入商业运行1997年投入商业运行1998年投入商业运行神府东胜煤、晋北煤美国煤、澳大利亚煤、中国煤、印尼煤、南非煤美国煤、澳大利亚煤、中国煤、印尼煤、南非煤美国煤、澳大利亚煤、中国煤、印尼煤、南非煤2.3燃烧系统燃烧系统设计的主要任务是：良好的燃尽October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会5低负荷稳燃低NOx排放防止结渣根据这些要求，华能玉环1000MW超超临界锅炉采用了MHI的PM型燃烧器和MACT燃烧系统。PM燃烧器见图2，风粉混合物通过入口分离器分成浓淡二股分别通过浓相和淡相二只喷嘴进入炉膛，由图3可以看出浓相煤粉浓度高，所需着火热量少，利于着火和稳燃；由淡相补充后期所需的空气，利于煤粉的燃尽，同时浓淡燃烧均偏离了NOx生成量高的化学当量燃烧区，大大降低了NOx生成量，与传统的切向燃烧器相比，NOx生成量可显著降低。PM燃烧器由于将每层煤粉喷嘴分开成上下二组，增加了燃烧器区域高度，降低了燃烧器区域壁面热负荷，有利于防止高热负荷区结焦。图2PM燃烧器简图图3PM燃烧器NOx生成量示意图三菱先进的燃烧系统（MACT燃烧系统），就是在PM主燃烧器上方一定高度增设二层AA风（附加风）喷嘴达到分级燃烧目的，这样整个炉膛沿高度分成三个燃烧区域，即下部为主燃烧区，中部为还原区，上部为燃尽区，这种MACT分级燃烧系统可使NOx生成量减少25%，MACT燃烧技术原理见图4。October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会6NOx还原燃烧完成高温还原AAOFABurnerλ=0.85λ～1.0(O2～0.3%)λ=1.15(O2=2.8%)＜高温＞NOxFuelN+O2NH3,HCN还原?化?化NOxCOH2ON2CO2λ＞1?化图4MACT燃烧技术原理图2.4炉膛水冷壁1000MW超超临界锅炉采用了MHI开发的世界上最先进的垂直管圈水冷壁，到目前为止采用这种垂直水冷壁的锅炉已有11台容量为700-1000MW的超临界与超超临界锅炉投运，最早投运的机组已运行14年。膜式水冷壁采用SA-213T12四头内螺纹管焊成，与螺旋管圈相比，垂直型水冷壁的主要优点为：结构简单、便于安装。不需用复杂的张力板结构，启动或负荷变化时热应力较小。较好的正向流动特性，在各种工况下保证水动力的稳定性。阻力较小，比螺旋管圈水冷壁少1/3。不易结渣在传统的一次上升垂直水冷壁的基础上，本工程中又加装了带有二级分配器的水冷壁中间集箱，以降低水冷壁出口沿炉膛周界的工质温度偏差。加装了带有二级混合器的水冷壁中间集箱后，水冷壁出口温度偏差可减少1/3以上，迄今已有6台大容量的超临界及超超临界锅炉采用此项改进。炉膛水冷壁中间混合集箱及二级混合器的示意图见图5。图5炉膛水冷壁中间混合集箱及二级混合器示意图另一项重大改进是将水冷壁入口的控制流量的节流孔圈由传统的装在水冷壁下集箱内改为装在October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会7水冷壁集箱的出口管接头上，以便于在运行和调试过程中更换节流孔圈，同时由于增加了装节流孔圈的管段直径，因此也提高流量调节的幅度。为了增加水冷壁入口节流孔圈的节流程度，将两根↓28.6×5.8的水冷壁管合并成为一根↓38.1×7.4的管子，然后再由两根↓38.1×7.4的管子合并为一根↓42.7×8.2的管子，在较粗的管子上面加装较大的节流孔圈可以起到较好的节流效果。节流孔圈的安装方式见图6。图6水冷壁入口节流孔圈同时内螺纹管的采用又进一步