超臨界燃褐煤塔式鍋爐技術

　　能源研究與信息超臨界燃褐煤塔式鍋爐技術于強，顧瑋倫（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）采用自主技術設計的國內首臺660MW等級超臨界塔式褐煤鍋爐技術特點。同時，針對塔式褐煤鍋爐運行數據，結合性能，進行經濟分析；該技術也為今后燃褐煤發電機組高效率、低NOx排放設計提供了寶貴的經驗；通過對比分析，此技術各項指標已經達到國內領先水平，并實現國內燃褐煤塔式鍋爐零的突破，為將來更好地利用國內褐煤奠定了基礎。

　　近幾年電力工業高速發展，我國電力工業的裝機總容量在2009年末已達8億kW，居世界第一位，超過了美國總的裝機容量。但煤炭總產量中火力發電廠用煤占50%以上，從我國火力發電全年煤耗的構成看3/4以上為煙煤。隨著裝機容量進一步增加，由于煙煤在全部煤貯藏量中所占比例不到70%左右，且煙煤開采歷史悠久，許多著名煙煤礦區已進入老年期甚至枯竭的狀態，而新煙煤礦的開發周期較長、開發運輸比較困難，已跟不上電力工業發展的速度。

　　此時必須充分利用煤炭總儲量約16.24%的褐煤，但由于我國褐煤儲藏主要在內蒙古及東北地區，礦區集中，儲量大，大部分適宜于露天開采，因此東北地區建設大容量、高效的燃褐煤電站，既充分利用了褐煤資源，避免了褐煤長途運輸帶來安全和經濟問題，大大降低發電成本而且也促進了本地區的經濟發展，同時可以網調到京津唐和華北、華東等地區。

　　哈爾濱鍋爐廠有限責任公司在吸收和借鑒多臺成功運行的大容量燃褐煤鍋爐的基礎上，響應國家“十一五”能源規劃及產業結構調整和節能降耗的號召，自主設計開發高參數、高效率、低污染物排放的配風扇磨的塔式燃褐煤超臨界鍋爐一華能九臺電廠2x660MW超臨界鍋爐。

　　1鍋爐設計條件與設計參數華能九臺電廠2x660MW超臨界燃煤發電機組鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、緊身封閉塔式布置。鍋爐采用低NOx燃燒器系統，40只燃燒器為八角切圓布置，8套MB3600/1000/490風扇磨煤機直吹式制粉系統，6運1備1檢修。燃用煤質參數見表1，鍋爐主要技術參數見表2.表1煤質參數項目設計煤校核煤全水分M/1%空干基水分Mad/%收到基灰分Ar/%干燥無灰基揮發分Fdaf/%可磨性系數HGI灰變形溫度or/°c灰軟化溫度>r/°c流動溫度FT/C表2鍋爐主要技術參數名稱過熱蒸汽流量At.h-1）過熱器出口蒸汽壓力/MPa過熱器出口蒸汽溫度/c再熱蒸汽流量At.h-1）再熱器進口蒸汽壓力/MPa再熱器出口蒸汽壓力/MPa再熱器進口蒸汽溫度/c再熱器出口蒸汽溫度/c省煤器進口給水溫度/c 2鍋爐主要特點2.1概述該鍋爐是超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱，采用切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構、緊身封閉塔式布置。爐膛采用膜式水冷壁。上部爐膛為二次垂直管圈，下部爐膛為螺旋管圈。爐膛上部沿煙氣流程依次布置一級過熱器、三級過熱器、二級再熱器、二級過熱器、一級再熱器、省煤器，尾部出口煙道布置兩臺二分倉回轉式空氣預熱器。

　　2.2省煤器及水冷壁系統流程高加出口引來的鍋爐主給水管道在省煤器入口通過三通變為水平橫向布置的管道。管道的兩端再向上由兩側被引入省煤器入口集箱，然后經過省煤器管組加熱后進入省煤器出口集箱。

　　水從省煤器出口集箱經外部兩根連接管合并為一根下降管被引入位于爐膛灰斗下部的水冷壁下集箱，然后沿爐膛向上依次經過冷灰斗、鍋爐下部螺旋水冷壁，經位于爐膛中部的混合過渡集箱后進入上部二次垂直水冷壁。汽水混合物或蒸汽由水冷壁出口集箱，經連接管進入汽水分離器。當鍋爐在本生點以下的負荷以再循環方式運行時，被汽水分離器分離出的水流入貯水箱，由再循環泵重新送入省煤器入口集箱進行再循環。

　　主給水管道上設置過熱器減溫水總管、循環泵過冷管、省煤器再循環管路及鍋爐啟動時省煤器入口流量測量裝置。該流量測量裝置主要用于鍋爐啟動及停爐期間，鍋爐運行負荷低于本生點處于再循環運行方式的情況下，精確測量和控制省煤器的工質流量（給水流量+再循環流量），確保給水流量不低于30%BMCR工況的工質流量，以保證水冷壁運行安全。

　　2.3啟動系統啟動系統是為了鍋爐在啟動過程中和低負荷運行時，鍋爐水冷壁管內工質流量維持在高于最小流量的水平，避免管子過熱超溫。啟動系統的回路設置是：水從省煤器入口集箱進入，經過省煤器、爐膛到汽水分離器；分離下來的水通過分離器下部的貯水箱由再循環泵再次送入省煤器；分離出來的蒸汽進入過熱器吊掛管，然后依次流經一級過熱器、二級過熱器和末級過熱器，最后由主汽管道引出。當機組負荷達到本生點以上（30%BMCR負荷）時，啟動系統將被關閉進入熱備用狀態，鍋爐處于直流運行狀態。

　　2.4爐膛熱力結構數據的選取根據制粉系統的特性，采用獨有的正方形燃褐煤爐膛、切圓燃燒技術方案。哈鍋結合褐煤煤質的特性，選用比較低的爐膛容積熱負荷（57.29kW.m-3）和爐膛截面熱負荷（3.893kW.m-2）。

　　同時考慮到抽煙口位置布置的獨特性，選用較高的燃盡高度（34m）。這些參數的選取全符合大容量燃褐煤鍋爐設計參數的范疇，爐膛出口溫度942°C也遠低于1 159°C的灰變形溫度。

　　2.5鍋爐受熱面的布置特點根據塔式結構特點，受熱面均要求采用水平布置，由一級過熱器吊掛管進行吊掛，各受熱面的橫向節距則以倍數關系進行設計，同時兼顧煙氣流速的影響。而且受熱面進出口集箱均布置于水冷壁前后墻水冷壁，受熱面的橫向節距必須滿足水冷壁的布置要求。

　　2.6鍋爐爐膛漏風系數選取由于該鍋爐采用干式除渣，因此在設計時要考慮一部分空氣漏入鍋爐爐膛中。漏風系數取6%，漏風加大后，使通過空預器的風量減少，空預器的傳熱面積加大，有利于降低排煙溫度，提高鍋爐效率。

　　2.7低NOi燒系統磨煤機采用8臺風扇磨，風扇磨的占地面積大，檢修困難。塔式鍋爐爐膛四面墻均抽取煙氣，風扇磨圍繞爐膛四周輻射布置，抽煙管道的形式更加合理，并保證磨煤機的四周的檢修空間，現場方便打擊輪的抽出進行檢修，使設計更加人性化。

　　燃燒器設計方面，應用了自主研發的配風扇磨制粉系統的八角切圓燃燒技術，并在燃燒器正上方采用了SOFA風室，降低了NOx的排放，同時提高鍋爐對褐煤的適應性。

　　燃燒器采用八角切圓布置在螺旋管圈水冷壁區域。對于燃燒器的布置、燃燒器防止結焦、燃燒器自身降低N0X排放量均給予高度重視，并采取有效的措施。燃燒器分組布置，實現分級燃燒，在燃燒器上方6 m左右的位置布置SOFA風室，使燃燒區形成低過剩空氣系數，造成弱還原性氣氛燃燒，從而使NO還原成為N2，減少“燃料型”氮氧化物。燃燒器拉開布置降低燃燒器區域壁面熱負荷，使火焰溫度降低，抑制了“熱力型”NOx的生成。同時燃燒器將部分二次風由燃燒后期送入爐膛，剩余的空氣由每只一次風噴嘴上下配置的一個二次風噴嘴送入爐膛，形成均等配風。

　　3運行分析與經濟對比3.1工程造價比較根據對九臺工程的概算，九臺一期工程項目靜態投資49.22億元，千瓦造價3729元；項目計劃總投資51.87億元，千瓦造價3 930元，工程投產后年發電量將達到72.6億kWh，年創產值21億元，創稅收3億元。

　　根據對伊敏二期亞臨界工程的概算，伊敏二期工程項目靜態投資37.302億元，千瓦造價3109元；項目計劃總投資41.431億元，千瓦造價3453元。

　　根據對伊敏三期超臨界工程的概算，伊敏三期工程項目靜態投資40.576億元，千瓦造價3381元；項目計劃總投資43.032億元，千瓦造價3586元。

　　根據比較，n型布置的褐煤風扇磨機組若采用超臨界參數，千瓦造價比亞臨界褐煤風扇磨機組增加133元；而采用塔式布置的褐煤風扇磨超臨界機組比采用n型布置的褐煤風扇磨超臨界機組，千瓦造價增加344元。

　　3.2煤耗比較（168試運期間的運行數據進行核算）運行期間九臺、伊敏、烏沙山三臺機組的主要性能參數對比見表3.表3九臺、伊敏、烏沙山3臺機組主要性能參數對比項目名稱九臺超臨界伊敏亞臨界烏沙山超臨界主蒸汽壓力/MPa（g）主蒸汽溫度/°c再熱蒸汽溫度/°c鍋爐熱效率/%c電廠效率/%廠用電率/%最低不投油A%bmcr）通過表3參數對比可以看出，超臨界燃褐煤鍋爐與超臨界燃煙煤鍋爐相比，鍋爐的效率相差1.5%左右，而電廠效率差別約0.59%，供電煤耗差別約4.23g.kWh-1.相對于亞臨界燃褐煤鍋爐，電廠效率和鍋爐效率明顯提高，供電煤耗大大降低。

　　3.3經濟效益和社會效益九臺工程采用超臨界參數，相對于亞臨界的燃用褐煤配風扇磨鍋爐，其煤耗量將大大減少。下面以九臺工程機組相對于伊敏二期機組的經濟效益進行具體分析。

　　3.3.1年節省燃煤成本供電煤耗節省16.68g.kWh-1，按照每年6800h可利用時間、平均電負荷為500MW計算，單臺超臨界機組每年可以節省標煤56 712t；兩臺機組年節省標煤113424t；標煤按500元-t-1計算，年節省5670萬元；因此，九臺工程2臺機組運行一年，相對于伊敏二期亞臨界機組可以節約燃料費用約5 670萬元。

　　3.3.2啟動耗水量以九臺工程不帶循環泵啟動為例，按照設計時最小流量要求為25%BMCR流量，約525t-h-1.現根據九臺工程的運行情況，水冷壁的最小流量可以控制到280t-h-1，水冷壁流量減少了245t-h-1.按此計算，鍋爐從冷態清洗帶直流負荷，其耗水量見表4.表4耗水量參數項目數值冷態清洗時間/h熱態清洗時間/h到汽輪機沖轉時間/h到直流負荷時間/h兩臺機組節水量/t兩臺機組可節省費用（設啟動4次。年-1，水價3.0元-t-1）/元3.3.3節省燃油根據九臺機組168期間的統計，1號機組設計燃油量為2 688t，實際燃油量只用了26.267t；2號機組實際燃油量只用了0.8t（采用微油點火系統），1、2號機組節油量分別為2661.733t、2687.2t.按照每t燃油3500元計算，168期間2臺機組共節省費用1870萬元。

　　根據設計，每只油槍的出力為2200kg-h-1，每角3只。目前九臺工程機組2、6角為小油槍點火燃燒器，油槍容量為100 kg-h-1，每角5只。從鍋爐點火到不投油負荷，機組采用燃油助燃。

　　根據初步計算，從點火到機組穩燃負荷若采用常規油槍，需要燃油量約為250t；若采用微油點火，需要燃油量約為25對于本工程鍋爐正常啟動每次相對于采用常規油槍，單臺爐可以節省費用約80萬元。兩臺機組啟動一次總共節省費用160萬元3.3.4污染物處理費用九臺工程機組采用超臨界參數，鍋爐的排放物相對與亞臨界機組大大降低，考慮到S2與NOx排放罰款及灰渣的處理與運費，每年可以節省約500萬元。

　　4市場分析與市場前景目前，燃用褐煤的機組在火電機組中的比例逐年增加，同時大容量的褐煤機組也因市場需求容量在逐年增大。九臺工程的成功投運，解決了燃用高水分褐煤鍋爐采用單一爐型的現狀，提高了鍋爐在褐煤領域煤質變化的適應性。隨著能源的進一步利用，高水分的褐煤將大量用于發電設備，此時塔式布置的超臨界褐煤機組在煤種的適應性方面將顯現出其優勢。九臺工程的成功開發，即利用了褐煤資源，避免了褐煤長途運輸帶來安全問題，也大大降低發電成本而且也促進了經濟發展，該技術為一項市場前景十分廣闊的發電技術。

　　5結束語華能九臺鍋爐為國內首臺采用自主研發技術設計制造的超臨界參數褐煤風扇磨塔式鍋爐，通過168h試運行和性能試驗測試，均達到國際先進水平，即響應了國家自主產權的號召，又大大的節省了能源，降低了污染物排放，為今后設計更高參數和容量的褐煤鍋爐奠定良好的基礎。