二次再热锅炉再热器调温方式对机组热经济性的影响

姚向昱，蒋德勇，朱佳琪，李 林，陈仁杰

（1.华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.国电泰州发电有限公司，江苏 泰州 225327）

二次再热锅炉再热器调温方式对机组热经济性的影响

姚向昱1，蒋德勇2，朱佳琪1，李 林1，陈仁杰1

（1.华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.国电泰州发电有限公司，江苏 泰州 225327）

针对我国二次再热锅炉采用不同的再热器调温方式进行研究，分析各种调温方案的特点。研究不同的再热器调温方式对整个机组热经济性的影响。

再热器调温；热经济性；锅炉；二次再热。

二次再热发电技术可以提高火电厂的发电效率，减少发电煤耗，对我国节约能源、降低污染物和二氧化碳排放具有重大意义。目前，二次再热技术已成为燃煤火电技术的发展方向之一。二次再热锅炉是二次再热技术发展中的关键设备，需要进行深入的研发。

对于二次再热锅炉，再热器的调温方式是锅炉设计的重点之一。目前，我国各锅炉制造厂研发的超超临界二次再热锅炉采用不同的再热器调温方案，各种调温方式各具特点，对整个机组的热经济性也具有不同的影响。

1　二次再热锅炉再热器的调温方式

再热汽温的调节方法可分为烟气侧调节和蒸汽侧调节两大类。蒸汽侧调节是指通过改变蒸汽的焓值来调节汽温；烟气侧调节是指通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热比例或通过改变流经受热面的烟气量来调节汽温。蒸汽侧调温装置主要包括喷水减温、蒸汽旁通、汽-汽热交换器等。烟气侧的调温装置有烟气挡板、改变火焰中心位置（如燃烧器摆动）、烟气再循环等。

目前，对于国内主要锅炉制造厂研发的二次再热煤粉锅炉，再热器调温拟选用的方式主要包括：分隔烟道挡板调温、改变火焰中心位置调温及烟气再循环调温。

1.1分隔烟道挡板调温

分隔烟道挡板调温是通过改变烟气流量的办法来调节汽温，见图1。

图1　烟气挡板调节再热汽温

尾部烟道分隔成两个并联的烟道，分别布置一次低温再热器及二次低温再热器。调节烟气挡板，可以改变流经两个烟道的烟气分配比例，从而调节二级再热的汽温。为防止挡板变形，应将其置于烟温不超过400℃的区域内，并注意尽量减少烟气量对挡板的磨损。平行烟道的隔墙要注意密封，最好采用膜式壁结构。

采用烟道挡板调温的主要优点是：结构简单、操作方便，在调节二级再热的汽温时对炉膛的燃烧工况影响较小，且调节幅度较大；其缺点是汽温调节的延迟时间太大，挡板的开度与汽温变化不成线性关系，大多数挡板只在0～40%开度范围内比较有效，挡板开得较大时易引起磨损，开得较小时又易引起积灰。

1.2改变火焰中心位置调温

改变火焰中心位置可以改变炉膛中沿高度方向上的最高放热区，从而改变炉膛出口的烟温，达到调节汽温的目的。改变火焰中心位置常用的方法是摆动式燃烧器，切换上下排燃烧器、改变各层燃烧器的负荷等。

摆动式燃烧器大多用于四角布置、切向燃烧的炉膛，见图2。燃烧器可以上下摆动20°～30°，炉膛出口烟温变化约110℃～140℃，理论上调温幅度达40℃～60℃。

图2　摆动式燃烧器调节再热汽温

此种方法的优点是调节灵敏，惯性小，不需要增加额外的受热面和功率消耗。但对于低灰熔点燃料，为防止结渣，其调温幅度受到限制。运行中要加强维护保养，以免燃烧器摆动不灵活，甚至不能摆动。对于摆动式燃烧器，燃烧器摆角长期运行在非0°位置，相邻燃烧器受烟气涡流影响，易造成冲刷磨损。

1.3烟气再循环调温

烟气再循环是将一部分冷烟气通过再循环风机送入炉膛，改变辐射受热面与对流受热面的吸热量比例，以调节汽温。采用烟气再循环后锅炉的热力特性与再循环烟气量、烟气抽出位置及送入炉膛的位置等因素有关，见图3。

图3　烟气再循环调温

当再循环烟气从炉膛下部送入时，随着再循环烟气量的增加，由于炉膛温度降低，使辐射吸热量减小，但炉膛出口烟温变化不大。在对流受热面中，由于烟气量增加而使其吸热量增大，而且沿烟气流程，越往后其吸热量增加越多。再热器通常布置在烟温较低的对流烟道中，用烟气再循环调节汽温是很有效的。当锅炉负荷降低时，增加烟气再循环量，使再热器吸热量增加，保持再热汽温不变。一般每增加1%的再循环烟气量，可使再热汽温升高约2℃。如再循环率为20%～25%，则可调温40～50℃。

烟气再循环的主要优点是调温幅度大，迟滞小，调节灵敏；主要缺点是要增加再循环风机，使厂用电及维护费用增加。还会使排烟热损失有所增加，降低锅炉热效率。

2　再热器调温的方案组合及特点

目前，国内各锅炉制造厂根据自身二次再热锅炉的炉型及燃烧特点，研发了不同的再热器调温方案，主要包括： 烟气再循环+双烟道挡板调温方案、燃烧器摆动+双烟道挡板调温方案、尾部三烟道挡板调温方案等。

2.1烟气再循环+双烟道挡板调温方案

烟气再循环+双烟道挡板调温方案可用于采用旋流燃烧器、前后墙燃烧方式的锅炉，在锅炉尾部的双烟道内分别设置一次低温再热器和二次低温再热器。烟气再循环作为异步调温手段调节过热系统与再热系统的吸热比例，尾部烟道烟气挡板作为异步调温手段调节一次再热系统与二次再热系统的吸热比例。

对于采用直流燃烧器、四角切圆燃烧方式的锅炉，由于直流燃烧器具有燃烧器摆动的功能，可以采用本方案作为主调节手段，燃烧器摆动调节作为备用调节手段。

本方案中，BMCR工况下仍然需要投入一定的烟气再循环量，保证再热系统超温时具有下调的手段。因此，本方案的烟气再循环量较大，一般在BMCR下再循环烟气量的比例为10%～15%。

根据再循环烟气的抽取位置不同，目前锅炉制造厂采用以下方案见图4。

（1）方案一，再循环烟气取自省煤器出口。

该方案的优点是：抽取的烟气温度高，对于燃烧系统的影响较小；再循环烟气量不会流经预热器、脱硝装置、除尘器，因流通烟气流量减少，可降低这些设备的选型和运行成本。

该方案的缺点是：再循环风机的工作环境较差，需要选用耐高温、耐磨损的风机，成本较高；风机磨损不可避免，需定期进行维护，维护费用较高。

（2）方案二，再循环烟气取自引风机出口。

该方案的优点是：抽取的烟气经过除尘，灰含量较少，对于再循环风机和再循环管道的磨损较小，可靠性高；抽烟点压头较高（+5000 MPa左右），理论上不需要设置再循环风机。

该方案的缺点是：通过引风机的烟气量增加，使脱硝装置、除尘器及引风机等设备的初投资增加，并且使电耗大大增加，带来运行成本的增加；锅炉排烟温度极大升高，达到140～160℃，锅炉效率下降到约93%左右。

图4　再循环烟气引出方案

2.2燃烧器摆动+双烟道挡板调温方案

燃烧器摆动+双烟道挡板调温方案仅用于采用直流燃烧器、四角切圆燃烧方式的锅炉，在锅炉尾部的双烟道内分别设置一次低温再热器和二次低温再热器。燃烧器摆动作为同步调温手段调节过热系统与再热系统的吸热比例，尾部烟道烟气挡板作为异步调温手段调节一次再热系统与二次再热系统的吸热比例。

该方案的优点是：调节灵敏，惯性小，响应时间比较快，不需要增加额外的受热面和功率消耗。

该方案的缺点是：调节范围小。摆动燃烧器作为对再热蒸汽的调节手段，在布置有墙式辐射再热器的机组中得到大量的应用，并且取得良好的调节特性，而直流锅炉不布置墙式辐射再热器，再热器均采用对流受热面，因此摆动燃烧器在直流锅炉中调节特性受到影响。对于塔式锅炉，炉膛断面较大，百万机组均在400 m2以上，燃尽高度在25～28 m，燃烧器摆动对炉膛出口温度的影响只在10℃左右。

根据以上情况，部分锅炉厂将高温再热器的部分冷段受热面提到低温过热器屏之后，大幅提高了再热器的辐射特性，提高了燃烧器摆动对于再热温度的影响。相应结构示意见图5。

图5　部分高温再热器前置方案

尽管采用了部分高温再热器前置方案，但燃烧器摆动调温的范围仍然相对较小。因此可以在燃烧器摆动+双烟道挡板调温作为主调温手段的基础上，增加烟气再循环调温作为备用调温手段，在机组中低负荷再热汽温偏低时，启动烟气再循环以提高再热汽温。本方案中，高负荷下烟气再循环量较小，BMCR下再循环烟气量的比例为3%～5%。

再循环烟气的抽取位置也有两种方案：再循环烟气取自省煤器出口、再循环烟气取自引风机出口。

2.3尾部三烟道挡板调温方案

尾部三烟道挡板调温方案多用于π型锅炉，在锅炉尾部的三烟道内分别设置一次低温再热器、二次低温再热器和低温过热器，通过挡板来分别调节过热蒸汽、一次再热蒸汽及二次再热蒸汽的汽温。受热面布置示意图见图6。

图6　三烟道挡板调温方案

尾部三烟道挡板调温方案具有结构简单、对炉膛燃烧工况影响小、运行经济等优点；其缺点是：汽温调节的延迟时间太大，挡板的开度与汽温变化不成线性关系，大多数挡板只在0～40%开度范围内比较有效。此外，三挡板调节时容易造成过热、一次再热及二次再热调节的相互影响，调节较为复杂。

3　再热器调温方式对机组热经济性影响

采用以上的再热器调温方案后，对机组热经济性的影响是不同的，主要表现在与给水温度的关系、对锅炉效率的影响、烟气余热利用、汽轮机热耗的影响及厂用电率的影响等方面。

3.1再热器调温方式与锅炉给水温度

提高锅炉省煤器入口的给水温度可以提高工质的平均吸热温度，有效提高机组的经济性，降低机组发电煤耗。在回热级数确定的情况下，提高给水温度会加大回热系统传热温差，导致传热不可逆损失增加，存在最佳给水温度，使得回热循环效率为最优，实际给水温度选取时总是低于计算的最佳给水温度。随着初参数和机组容量逐步提高，回热级数随之增加，因而给水温度也相应提高。常规超临界锅炉省煤器入口的给水温度约280℃，提高参数的超超临界锅炉省煤器入口的给水温度约300℃。目前，二次再热超超临界锅炉的给水温度为315℃～330℃。

对于锅炉而言，较高的给水温度主要受水冷壁入口的欠焓、水冷壁材料及锅炉效率的影响。对于二次再热的π型锅炉，给水温度可以取330℃；对于塔式锅炉，由于其水冷壁行程较长、水冷壁吸热较多，为选用能避免焊后热处理的12Cr1MoVG材料，需控制水冷壁出口汽温低于480℃，受此影响，给水温度只能取315℃；当塔式锅炉采用烟气再循环作为主调温手段后，能够减少炉膛的辐射吸热量，从而降低水冷壁出口的汽温，因此在水冷壁材料选择不变的情况下，可以提高锅炉的给水温度至330℃。

根据汽轮机厂配合的资料，在边界条件不变的情况下，给水温度从315℃提高到330℃后，可降低汽机热耗19 kJ/kWh。

3.2再热器调温方式与锅炉效率

不同的再热器调温方式对锅炉效率的影响是不同的。

对于采用尾部三烟道挡板或燃烧器摆动作为主调温手段的锅炉，再热器调温方式不会降低锅炉的效率。

对于采用烟气再循环作为主调温手段的锅炉，当再循环烟气取自引风机出口时，锅炉排烟温度极大升高，达到140～160℃，锅炉效率下降约2%左右。

对于采用烟气再循环作为主调温手段的锅炉，当再循环烟气取自省煤器出口时，再热器调温方式不会降低锅炉的效率。

为弥补引风机出口冷烟气再循环造成的锅炉效率损失，采用该方案时往往设置空预器旁路烟气系统，降低空预器的排烟温度，从而弥补锅炉效率的损失。结合烟气余热利用技术，可设置一套深度烟气余热利用系统来降低锅炉排烟温度，提高机组的发电煤耗。深度烟气余热利用系统见图7。

图7　深度烟气余热利用方案

省煤器出口的烟气一部分进入空预器，另一部分旁路空预器。旁路部分烟气（一般20%～30%）不经过回转式空气预热器，不参与烟气与空气的热交换。这部分烟气先后与给水（给水换热器）和凝结水（凝结水换热器）进行热交换，加热给水和凝结水。凝结水换热器出口的烟气，与空预器出口烟气汇合后进入除尘器前的烟气冷却器。烟气冷却器以水作为热媒，被烟气加热的水对冷二次风进行加热。通过烟气冷却器后烟气的温度降低到90℃，冷二次风被加热后进入回转式空气预热器再次加热，最终送入炉膛。

深度烟气余热利用与烟气再循环调温方案的结合使用，将锅炉本身无法利用的烟气热量通过汽轮机的热力系统加以利用，以热力系统的收益来弥补锅炉效率的下降。以某1000MW机组的方案配合为例，考虑烟气热量的收益归锅炉或汽机，具有两种算法，见表1。

表1　烟气再循环+深度烟气余热方案热经济性计算

3.3再热器调温方式与运行电耗

不同的再热器调温方式对二次再热机组运行电耗的影响是不同的，见表2。

表2　不同的再热器调温方式对二次再热机组运行电耗的影响对比

3.4不同再热器调温方式的机组热经济性

根据国内二次再热锅炉不同的再热器调温方案，对机组的热经济性进行计算及比较。以某1000MW二次再热机组方案配合阶段为例，采用的调温方案及相关边界条件如下：

方案一：π型锅炉；尾部三烟道挡板调温作为主调温手段；为提高机组了经济性，锅炉给水温度330℃；采用深度余热技术将锅炉排烟温度降到90℃。

方案二：塔式锅炉；燃烧器摆动+双烟道挡板调温作为主调温手段；受水冷壁影响，锅炉给水温度315℃；采用深度余热技术将锅炉排烟温度降到90℃。

方案三：塔式锅炉；燃烧器摆动+双烟道挡板调温作为主调温手段；增加烟气再循环作为辅助调温手段，满负荷下烟气再循环不参与汽温调节，仅运行最小流量防止高温烟气反串，75%负荷下烟气再循环参与调温；再循环烟气取自省煤器出口；受水冷壁影响，锅炉给水温度315℃；采用深度余热技术将锅炉排烟温度降到90℃。

方案四：塔式锅炉；燃烧器摆动+双烟道挡板调温作为主调温手段；增加烟气再循环作为辅助调温手段，满负荷下烟气再循环不投运参与汽温调节，仅运行最小流量防止高温烟气反串，75%负荷以下烟气再循环参与调温；再循环烟气取自引风机出口；受水冷壁影响，锅炉给水温度315℃；为避免采用再循环烟气取自引风机出口造成的锅炉排烟温度高、锅炉效率下降问题，配套采用深度余热技术将锅炉排烟温度降到90℃。

方案五：塔式或π型锅炉；烟气再循环+双烟道挡板调温作为主调温手段，再循环烟气量大（BMCR下再循环烟气量的比例为10%～15%）；再循环烟气取自省煤器出口；为提高机组了经济性，锅炉给水温度330℃；采用深度余热技术将锅炉排烟温度降到90℃。

方案六：塔式或π型锅炉；烟气再循环+双烟道挡板调温作为主调温手段，再循环烟气量大（BMCR下再循环烟气量的比例为10%～15%）；再循环烟气取自引风机出口；为提高机组了经济性，锅炉给水温度330℃；为避免采用再循环烟气取自引风机出口造成的锅炉排烟温度高、锅炉效率下降问题，配套采用深度余热技术将锅炉排烟温度降到90℃。

其他边界条件包括：①主机参数为31 MPa/600℃/620℃/620℃。②不采用烟气深度余热下，给水温度315℃时，TMCR工况汽轮机热耗为7086 kJ/kWh。③机组热经济计算时按烟气余热利用收益归汽机计算。

TMCR工况下，机组的热经济性比较见表3。

表3　不同再热器调温方式下二次再热机组热经济性的比较

续表3

4　结论

国内主要锅炉厂制造的超超临界二次再热煤粉锅炉采用了不同的再热器调温方案，对机组热经济性的影响是不同的。通过方案研究及比较，可以得出如下结论：

（1）尾部三烟道挡板调温及燃烧器摆动+双烟道挡板调温方案不影响机组的热经济性。但尾部三烟道挡板调温存在过热、一次再热及二次再热调节的相互影响，调节较为复杂的缺点；燃烧器摆动+双烟道挡板调温存在再热器汽温调节范围小的缺点，机组低负荷下容易造成再热汽温难以达到额定值。

（2）烟气再循环作为主调温手段时，由于再循环烟气量大，将增加机组的厂用电率。当再循环烟气从省煤器出口引出时，由于烟气的高含尘特性，再循环风机的磨损严重，降低机组运行的可靠性；当再循环烟气从引风机出口引出时，锅炉排烟温度升高、锅炉效率下降，增加了机组的发电煤耗，结合厂用电率同步增加的影响，机组的热经济性较差。

（3）采用燃烧器摆动+双烟道挡板调节作为主调节手段的塔式锅炉，受水冷壁设计及材料的影响，锅炉给水温度仅能提高到315℃，影响了机组的热经济性。

（4）对于采用燃烧器摆动+双烟道挡板调节作为主调节手段的锅炉，可以设置较小流量的烟气再循环作为辅助调节手段，烟气再循环从省煤器出口引出。机组在中高负荷工况下，通过燃烧器摆动调节再热汽温，烟气再循环不参与汽温调节，仅运行最小流量防止高温烟气反串；机组在低负荷工况下，在燃烧器摆动调节能力不足的情况下，同时运行烟气再循环，增加再热汽温的调节范围。

［1］ 徐齐胜.锅炉设备及系统［M］.北京：中国计划出版社，2015.

［2］ 张晓梅.燃煤锅炉机组［M］.北京：中国计划出版社，2014.

［3］ 蒋德勇.浅谈1000MW超超临界二次再热锅炉技术［J］.价值工程，2015，（1）.

The Double Reheat Unit Thermal Economy Research in Different Boiler Reheater Temperature Control Methods

YAO Xiang-yu1，JIANG De-yong2，ZHU Jia-qi1，LI Lin1，CHENG Reng-jie1
（1. East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.，Shanghai200063，China
2.Taizhou Power Generation Co.，Ltd. of State Grid.， Taizhou225327，China）

In China， different reheater temperature control methods are used in double reheat boiler. The characteristic is studied in these methods. And the unit thermal economies in different reheater temperature control methods are studied in the passage.

reheater temperature control； thermal economy； boiler； double reheat.

TM621

A

1671-9913（2016）03-0008-08

2016-02-17

姚向昱（1978- ），男，上海人，工程硕士，高级工程师，目前从事火力发电厂锅炉专业的设计。