660MW超超临界塔式锅炉优化设计

董师宏

摘 要： 在总结660 MW超超临界Π型锅炉和1 000 MW超超临界塔式锅炉的设计经验及实际运行情况，比较Π型锅炉和塔式锅炉的主要特点的基础上，结合具体工程要求和容量等级，对660 MW超超临界塔式锅炉的汽水流程、燃烧系统、汽温偏差、空气预热器等方面进行了设计优化，研制了660 MW超超临界塔式锅炉，并通过了实际运行机组的验证.

关键词： 660 MW塔式锅炉； 超超临界； 优化设计

中图分类号： TK 229.2 文献标志码： A

Abstract： Based on the summary of the designing experience and actual operations of 660 MW ultrasupercritical twopass type boiler and 1 000 MW ultrasupercritical towertype boiler in our company，as well as the comparison of their main properties，optimized design of watersteam flow，combustion system，steam temperature deviation，air preheater，and so on in 660 MW ultrasupercritical towertype boiler was conducted by taking considerations of specific project requirements and capacity grade.660 MW grade ultrasupercritical towertype boiler was developed and validated by the actual running unit.

Keywords： 660 MW towertype boiler； ultrasupercritical； optimized design

从2003年全面引进超临界技术开始至今，600 MW及1 000 MW等级超超临界机组已成为我国发电行业的主力机组.在超临界技术全面引进之前，我国发电机组多采用Π型锅炉，仅针对某些特定煤质有少量进口的塔式锅炉.塔式锅炉相比于Π型锅炉有诸多优势.上海锅炉厂有限公司（简称“上锅”）在2004年引进了1 000 MW等级的塔式锅炉技术，设计生产了一批1 000 MW超超临界塔式锅炉产品，已投运塔式锅炉以外高桥三期1 000 MW超超临界塔式锅炉为代表.该锅炉以其优良的性能广受用户好评.塔式锅炉已成为上锅优势产品.上锅是国内三家主要电站锅炉设备供应商中唯一一家可提供成熟塔式锅炉技术的供应商.凭借塔式锅炉的技术优势，上锅在

1 000 MW超超临界锅炉市场的占有率一直处于领先地位.开发660 MW超超临界塔式锅炉产品，可将这种优势延伸至660 MW超超临界锅炉市场，对上锅发展具有极其重要的意义[1-2].

在总结660 MW超超临界Π型锅炉和1 000 MW超超临界塔式锅炉的设计经验及实际运行情况的基础上，结合具体项目要求和容量等级，对660 MW超超临界塔式锅炉进行了优化设计.

1 塔式锅炉相对型锅炉的优势

已投运的1 000 MW超超临界塔式锅炉在安全性和经济性方面具有一系列优势.

（1） 塔式锅炉烟温偏差小，对于同等级的材料，受热面具有更高的安全裕度.

Π型锅炉由于有折焰角，在炉膛内旋转的烟气在炉膛出口转向水平道时必然发生90°的旋转，使烟气流场复杂.而塔式锅炉的所有受热面都布置在第一烟道，炉膛出口烟温相对较均匀，这在相同的选材情况下带来了更大的安全裕度，提高了运行的安全性.

塔式锅炉烟气流速较低且更加均匀，而且粒子受重力方向与烟气流向相反，可大大降低对流受热面的磨损.

塔式锅炉所有受热面水平布置于第一烟道，该布置方式优点为：受热面内部的积水可通过疏水管完全排放，减少了锅炉冲管时间和启动时间；受热面可以进行酸洗，提高管内抗氧化能力，提高锅炉运行的安全性.

塔式锅炉由于所有受热面呈水平布置，水平长管处于同一烟温范围，各段管道膨胀差小，氧化皮不易脱落.即使有少量脱落，水平布置的受热面中的氧化皮也很容易被冲出管道，从凝汽器排走，能有效防止氧化皮堵塞爆管，并避免固体颗粒侵蚀汽轮机叶片.

（2） 塔式锅炉结构简单，固有热容量小，能适应快速启停要求，更好地满足电网调度要求.

塔式锅炉的蛇形管受热面都在炉膛上方，锅炉的膨胀中心在炉膛正中且只有一个，热膨胀工况简单，适应负荷快速升降的变化.

（3） 塔式锅炉炉膛出口烟气.

温度相对较低，在燃用低灰熔点煤时，可以更有效地防止锅炉结渣.

（4） 塔式锅炉能获得更低的厂用电率.

塔式锅炉的烟气系统阻力明显低于其他炉型.

同等条件、燃用相同煤种情况下，塔式锅炉烟气侧阻力都略低于同容量等级的Π型锅炉，因此在设计选型时可以降低风机的容量要求，并可以降低实际运行中风机电耗.

对于同步配置脱硝设备的机组，塔式锅炉由于其尾部烟道的布置特点，其烟气侧阻力的降低更为明显，运行经济性体现得更为突出.

塔式锅炉相比Π型锅炉，没有复杂的包覆系统，一次汽阻力远低于Π型锅炉.

（5） 塔式锅炉占地面积更小.

综上所述，塔式锅炉具有安全性更高、运行经济性更优的特点.

2 660 MW塔式锅炉相对1 000 MW塔式锅炉的优化

在充分吸取1 000 MW塔式锅炉设计运行经验的基础上，結合设计容量等级变化，对660 MW塔式锅炉进行了优化设计.endprint

2.1 660 MW塔式锅炉管道引出数量比1 000 MW塔式锅炉少，汽水偏差得到优化

受热面引入引出管道数量的选择需要综合考虑受热面集箱和引出管道的合理口径，保证受热面具有较小的流量偏差.集箱管道口径选取过大会引起其壁厚同比增加，受压元件壁厚过厚既不经济也不利于制造.1 000 MW超超临界塔式锅炉由于蒸汽量较大，只能采用增加引出管、增大流量分配因子以平衡管道与集箱口径和受热面流量偏差.660 MW塔式锅炉容量等级较1 000 MW减小，有条件对引入引出管道数量进行优化.

图1（a）、（b）分别为典型1 000 MW超超临界塔式锅炉、660 MW超超临界塔式锅炉过热器系统流程.由图中可见，与1 000 MW超超临界塔式锅炉过热器系统相比，660 MW超超临界塔式锅炉采用简化的过热器系统连接管道，即：三级过热器出口为一个集箱两端引出；二级过热器和三级过热器之间的连接管道由原来的四根变为两根；一级过热器采用单端引出方式连接至二级过热器进口集箱；上一级与下一级间仍采用内外侧交叉形式，进一步降低了携带偏差.

图2（a）、（b）分别为典型1 000 MW超超临界塔式锅炉、660 MW超超临界塔式锅炉再热器系统流程.由图中可见，660 MW超超临界塔式锅炉与1 000 MW超超临界锅炉相比，一级再热器和二级再热器之间的连接管道由原来的四根变为两根，因此，原来需对四根引入、引出管道进行汽温偏差控制，简化后仅需控制两根管道的汽温偏差.

2.2 优化燃烧器切圆大小，减小燃烧偏差

660 MW超超临界塔式锅炉一次风采用对冲设计，即采用如图3所示的“对冲同心正反切圆燃烧系统”.该燃烧系统一次风/煤粉气流的假想切圆直径接近于0，切圆燃烧的组织依靠偏置的部分二次风带动，从而形成“风包粉”的空气动力场结构，防止煤粉气流冲刷水冷壁.

塔式锅炉过热器、再热器等炉内受热面水平布置于炉膛上方.受热面管屏平行于左、右侧墙，在左右方向上排列.由于没有型锅炉的烟气转向，其受热面的吸热偏差较小.但在实际运行中，发现各屏受热面出口温度并非完全均匀，而是呈马鞍形分布.这主要是因为对于采用四角切圆燃烧技术的锅炉来说，煤粉气流在炉内旋转燃烧，形成一个如图4所示的环状区域.环状区域内的烟气温度、速度较高，而炉膛中心和靠近炉膛四周水冷壁的区域，烟气温度、速度均较低.各受热面管屏中，穿过环状区域面积多的屏，吸热多；中心的屏和炉膛两侧的屏，穿过环状区域的面积少，吸热少.这就使得各屏吸热呈马鞍形分布.该环状区域的大小及强弱主要和燃烧设备有关.因此，各受热面屏的吸热偏差也受到燃烧设备的影响[3].660 MW超超临界塔式锅炉一、二次汽温偏差相比1 000 MW锅炉明显减小，过热器、再热器的壁温分布也更加均匀.

常规1 000 MW超超临界塔式锅炉，一次风相对炉膛对角线偏6°，形成了一个较大的切圆，即使采用分离燃烬风进行消旋，在炉膛出口处仍存在较大的残余旋转.这使得靠两侧墙的受热面吸热较多，靠炉膛中心的受热面吸热较少.一、二次汽温存在“外高内低”现象，偏差较大.过热器、再热器的壁温也存在较大偏差，严重时会限制汽温的提升，在一定程度上影响机组效率.

3 某工程660 MW超超临界塔式锅炉设计优化及实际运行验证

3.1 针对煤质特点，合理选择炉膛大小，合理分配受热面比例，保证低负荷再热汽温

炉膛结构尺寸和热负荷指标的正确合理选取是防止炉膛及受热面发生严重结焦、沾污的根本所在.而锅炉炉膛尺寸选择取决于燃煤特性.

采用普华煤燃烧技术开发中心煤质分析法[4]判断某工程的燃煤特性，判断结果如表1所示.

综合国内对燃煤特性判断可知，该工程燃煤具有以下特性：

（1） 设计煤种和校核煤种均具有较好的着火稳定性，设计煤种具有中等燃烬特性，校核煤种易燃烬；

（2） 综合灰熔点温度、酸碱比等指标判断，设计煤种和校核煤种结渣性轻微、沾污性中等；

（3） 从灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量以及磨损指数等综合判断，设计煤种和校核煤种具有严重磨损特性.

根据上述煤种特性判断结果可决定炉膛的截面热负荷、燃烧器区域热负荷和炉膛容积热负荷，然后根据热负荷确定合适的炉膛尺寸.

炉膛容积热负荷与炉膛最上层燃烧器到屏底距离直接相关.在确定此高度时，必须使燃烧的煤粉在炉膛中有足够的停留时间以实现完全燃烧，同时降低炉膛出口烟气温度，减小对流受热面的积灰.进入对流受热面或炉膛垂直出口平面理想的烟气温度应小于灰分软化温度.

根据DL/T 831—2002《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》[5]，锅炉热负荷与燃烬高度比较见表2.

该工程660 MW超超临界塔式锅炉炉膛尺寸是根据成熟的煤及其灰分評价标准和本工程实际，并综合考虑用户要求确定的.选用的炉膛尺寸和热负荷可有效避免燃用该工程设计煤种和校核煤种出现严重沾污结渣，可以确保该工程的设计使得锅炉具有广泛的煤种适应性，同时获得合理的汽水系统吸热比例，保证低负荷再热汽温.

3.2 磨煤机数量优化

常规600 MW等级煤粉炉磨煤机采用“五用一备”.该工程磨煤机采用“四用一备”，磨煤机数量减少，降低了设备投资及厂用电消耗.该660 MW超超临界塔式锅炉一台磨煤机带两层煤粉喷嘴，共布置10层煤粉喷嘴燃烧器.其具有以下优势：

（1） 单只喷嘴热功率减小，有利于防止喷嘴烧坏及喷嘴区域结渣；

（2） 使炉内温度分布更均匀，降低了燃烧器区域的热负荷，有利于防止水冷壁结渣；

（3） 降低了炉内主燃区的峰值温度，有利于减少热力型NOx的生成，降低锅炉污染物排放；

（4） 炉内峰值温度降低，有利于降低水冷壁吸热偏差，提高水冷壁的安全性.endprint

3.3 空气预热器单列布置

随着电站辅机系统可靠性的提高，尤其是风机系统可靠性的提高，采用单列布置空气预热器已成为可行的选择.[6]

该660 MW超超临界塔式锅炉采用单列空气预热器布置.单列空气预热器较同等级双列空气预热器的漏风率大大降低，同时，单列空气预热器布置还具有设备造价低、运行成本小、现场占地面积小、系统布置简单、安装量少等优点.

3.4 增加受热面防磨罩和阻流板设计

针对部分电厂燃烧高灰分、强磨损性的煤种出现的低温再热器区域、省煤器区域、二级过热器穿墙管、高温再热器穿墙管等磨损问题，该工程采用以下优化措施：

① 在低温受热面区域采取更充分的防磨措施；

② 用穿墙套筒设计与低温受热面加装阻流板增强防磨能力.

3.5 实际运行情况分析

经优化设计的660 MW超超临界塔式锅炉已于2015年4月在某电厂投入运行.目前该锅炉运行情况良好，安全可靠，燃烧稳定，炉膛及受热面无严重结渣沾污，锅炉效率达到94.5%以上，脱硝装置前NOx约为200 mg·Nm-3（O2体积分数为6%），蒸汽管路温度左右偏差小于5 ℃，受热面最高壁温均远低于限定值；空气预热器漏风率约为4%；汽水阻力和烟风阻力也低于同等级其他产品.实际运行情况达到了优化设计的预期效果.

4 结 论

在总结660 MW超超临界Π型锅炉和1 000 MW超超临界塔式锅炉的设计经验及实际运行情况，比较Π型锅炉和塔式锅炉的主要特点的基础上，结合具体项目要求和容量等级，对660 MW超超临界塔式锅炉的汽水流程、燃烧系统、汽温偏差、空气预热器等方面进行了设计优化，研制了660 MW超超临界塔式锅炉.某电厂一期2×660 MW超超临界机组的成功投运表明，上锅在660 MW超超临界塔式锅炉中所做一系列设计优化是非常成功的，同时丰富了上锅的产品系列，为上锅在660 MW超超临界锅炉项目上的角逐增加了有力筹码.

参考文献：

[1] 高子瑜，徐雪元，姚丹花，等.1 000 MW超超临界锅炉塔式锅炉设计特点[J].锅炉技术，2006，37（1）：1-5.

[2] 姚丹花，徐雪元.上海锅炉厂有限公司超（超）临界锅炉主要技术特点[J].锅炉技术，2009，40（4）：1-7.

[3] 蒋欣军，王煜伟.基于吸热偏差的燃烧调整在超超临界塔式锅炉中的应用[J].華北电力技术，2015（2）：66-70.

[4] 哈尔滨普华煤燃烧技术开发中心.大型煤粉锅炉燃烧设备性能设计方法[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.

[5] 国电热工研究所.DL/T 831—2002大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则[M].北京：中国电力出版社，2003.

[6] 刘鹤忠.锅炉单列辅机配置在600 MW级机组运用探讨[J].电力勘测设计，2011（3）：27-32，40.endprint