900MW超临界塔式锅炉技术特点及分析1.docx
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900MW超临界塔式锅炉技术特点及分析1
900MW超临界塔式锅炉技术特点及分析
冯伟忠
（上海外高桥第三发电有限责任公司，上海邮编200137）
【摘要】：
介绍了外高桥电厂二期900MW超临界塔式锅炉的基本情况。
对塔式布置承压受热面的特点作了较详细的分析，采用水平布置的对流受热面及螺旋水冷壁，能减少水冷壁的面积且受热均匀，能进行过热器及再热器的酸洗甚至取消冲管，有利于解决固体颗粒侵蚀（SPE）问题，对流受热面传热均匀且具有较高的传热利用系数和材料安全裕度，具有相当低的对流受热面磨损率和较低的烟风系统阻力，尤其是辐射（蒸发）和对流受热面比例的任意性，特别有利于高效超临界技术的发展。
锅炉采用的燃烧器分组，双一次风喷嘴和浓淡分离及设置偏置风和燃尽风等技术，降低了燃烧中心温度峰值和NOX的生成，在降低燃烧区域热负荷的同时却提高了整个辐射受热面的平均热负荷，降低了水冷壁及炉膛出口的结焦风险。
【关键词】：
超临界参数；塔式锅炉；螺旋水冷壁；燃烧器
【中图分类号】：
0、项目简介
外高桥电厂二期2×900MW工程，利用世界银行贷款，采用国际竞争性公开招标方式进行设备岛采购。
整个电厂分为汽轮发电机岛、锅炉岛、仪控岛、GIS岛、出灰岛等。
其中汽轮发电机岛、仪控岛分别由德国SIEMENS和日本日立公司中标。
而在锅炉岛的竞标中，德国ALSTOM—EVT的塔式炉方案以最低的价格及优良的性能最终胜出。
其中，锅炉的承压受热面主要由上海锅炉厂生产，钢结构部分则主要由上海冠达而公司分包。
按照合同，承包商负责整个设备岛范畴的设计、供货以及安装和调试的监督指导，并对整个岛内的设备和系统的技术和运行性能负责。
而业主方则负责安装和调试以及项目实施的协调。
两台机组已分别于2004年4月20日及9月22日投入商业运行。
机组投产后，运行稳定，可靠性高，调峰能力强。
目前，2台锅炉已先后通过性能考核试验，效率分别为94.65%及94.13%，远优于合同保证值93.75%。
1、锅炉型式及基本参数
型式：
塔式，超临界，一次再热，扩容式启动，分离器内置，螺旋水冷壁，滑压运行，单炉膛四角切圆燃烧，露天布置，平衡通风，固态排渣煤粉锅炉。
如图1，这是目前世界上最大的烟煤单炉膛锅炉。
基本设计参数：
过热蒸汽流量：
774.7kg/S（2788T/h）；
过热蒸汽压力/温度：
25.76MPa/542℃；
再热蒸汽流量：
687.6kg/S（2476T/h）；
再热器进口蒸汽压力/温度：
5.92MPa/319.3℃；
再热器出口蒸汽压力/温度：
5.74MPa/568℃；
给水温度：
272.6℃；
排烟温度：
130℃；
设计煤种：
神府-东胜
2、承压部分
2.1启动系统
锅炉采用简易式疏水扩容启动系统，不设启动炉水循环泵，亦无疏水加热器。
启动汽水分离器疏水的50%回收至除氧器（后改为30%回收）。
这种设计的特点是系统简单，可靠性高，造价低，维护工作量小。
但启动时间较长且在启动过程中的汽水损失较大，特别是在热态启动过程中这种缺点尤为明显。
鉴于900MW级机组的年启动次数很少，这一问题的负面作用并不大。
2.2承压受热面
图1900MW塔式锅炉布置图
Fig.1Layoutof900MWTowerBoiler
锅炉采用了典型欧洲风格的（半）塔式结构。
整个承压受热面为一个垂直整体，其横截面为21.5×21.5的正方形，分为上下两部分，以标高63m为界，下方为螺旋水冷壁及螺旋冷灰斗包覆的炉膛。
上方是由四面垂直水冷壁包覆的烟道及对流受热面，包括省煤器、过热器和再热器。
整个承压受热面全部悬挂于炉顶大板梁框架，大板梁顶部标高为114.5m。
采用塔式布置，使得整个承压受热面的结构变得非常简洁、规整和紧凑，其水冷壁的工质流程为从冷灰斗底部沿四周一次上升直达炉顶，而后再引出至内置式汽水分离器。
而对流受热面全部依次水平布置在炉膛上部。
这样的结构，除显而易见的膨胀系统简单及便于对流受热面疏水等特点外，还存在其它诸多方面的优点：
2.3塔式布置及螺旋水冷壁的优点
2.3.1较少的锅炉表面积
与П型炉相比，对于同容量、相同设计条件的塔式锅炉，其表面积即水冷壁的总面积明显减少，约为80%甚至更少（见表1），相应的，锅炉的散热损失也随之减少。
当然，若不采取措施，则会出现水冷壁吸热量不足的问题。
2.3.2水冷壁受热均匀
由于炉膛采用了倾角26.2°的螺旋水冷壁及冷灰斗，且炉膛截面为正方形，使水冷壁的受热均匀性达到相当好的水平，故可不使用内螺纹管，更不必设置节流圈。
通常情况下，水冷壁出口的最大与最小点温差不超过25℃。
各相邻两根管子的温差可以忽略。
不存在如其他炉型局部相邻管子由于流程的不同而存在的较大温差，管间鳍片及相邻管子出现较大的应力而危及管子安全的情况。
在以往的认识中，总以为螺旋水冷壁及冷灰斗的安装困难较大且容易结焦，但本工程的安装过程中并没觉得特别困难。
另外，在历次停炉检查中，均未发现水冷壁及冷灰斗处有明显的结焦现象，冷灰斗也未有焦块砸损水冷壁产生明显凹坑的现象。
2.3.3能进行过热器和再热器的酸洗
所有的对流受热面均为水平布置，能排尽管内积水，使锅炉对过热器和再热器的酸洗成为可能，辅之以大流量水冲洗及带旁路启动，德国已做到取消调试期间的锅炉冲管。
这在中国尚难以想象。
2.3.4有利于解决固体颗粒侵蚀（SPE）问题
SPE问题，一直是超（超）临界机组的梦魇，相关的研究论文汗牛充栋。
但这一问题较少出现于欧洲的大型超临界机组。
除得益于其配置的大容量旁路及相应的启动方式外，塔式炉水平布置的对流受热面也功不可没。
SPE较多发生在锅炉启动阶段，因锅炉受热面受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离并形成固体颗粒，使汽轮机调节级和高、中压缸第1级叶片产生侵蚀。
美、日等国在这方面都有很多经验教训，许多超临界大机组在投产若干年后，由于严重的SPE而不得不更换调节级和中压缸第1级动、静叶。
对于布置有垂直过热器及再热器的锅炉，在启动及低负荷阶段，低流量的蒸汽动量不足以将氧化铁剥离物及大的金属颗粒带出垂直管段，直到高负荷阶段，这些物体才可能被冲出，此时的蒸汽动量所携带的硬质颗粒对汽轮机叶片所产生的侵蚀性最大。
对于塔式炉，对流受热面水平布置，启动阶段产生的氧化铁剥离物及金属颗粒极易被蒸汽冲走，并被旁路系统直接送入凝汽器。
按德国规范，只有当凝结水合格，包括含铁量达标后才能冲转汽轮机，故SPE也就不再成为问题。
2.3.5对流受热面受热均匀
燃烧烟气在炉膛上部的对流受热面中径直向上，其速度场及温度场分布均匀，不存在流场的不均匀造成的传热偏差。
其切向燃烧方式在炉膛出口处（屏底）的烟气残余旋流在水平对流受热面的整流作用下迅速耗散。
且残余旋流矢量与烟气的宏观速度矢量垂直，并不会造成屏间的不均匀传热。
当然，尚未耗散的旋流会在单根管子的对称点产生局部较高的热通量，但布置在炉膛出口处的受热面为一级过热器，管内蒸汽温度相对较低，局部较高的热通量不会导致管壁的超温。
2.3.6较高的材料安全余度
由于在对流受热面中烟气侧的速度场及温度场分布均匀，传热均匀。
高温过热器及高温再热器壁面没有局部的高温区域，使得在相同蒸汽参数及相同管子材料的前提下，塔式炉与其他炉型相比，具有较高的安全裕度。
这种特点对于高参数机组，特别是超临界及超超临界机组尤为可贵。
2.3.7提高对流受热面的传热利用系数
均匀的烟气速度场及温度场及避免了烟气的折向运动，提高了对流受热面的传热利用系数，与其他炉型相比，在对流受热面的进、出口烟气和蒸汽参数相同的条件下，塔式炉的对流受热面的传热面积可明显减少。
（见表1）
2.3.8大大降低对流受热面的磨损
对流受热面的磨损，与烟气中灰粒运动速度的三次方成正比。
对于切圆燃烧的П型炉而言，在炉膛出口处的烟气残余旋流会造成水平烟道烟速的左右不均匀，即使采用消旋措施或采用旋向相反的双炉膛，也只是降低不均匀程度而已。
另外，其炉膛出口的烟气转折会造成水平烟道内烟速的上下不均匀，而进入尾部的烟气转折又会导致垂直烟道内烟速的前后不均匀。
这使得烟速较高区域的磨损大大增加。
特别是在炉膛出口的水平烟道处，其上下左右的烟速不均匀，使得最高烟速处的磨损速率远远高于平均值。
另外，烟气在转弯过程中，烟灰在离心力的作用下会产生分离，造成烟道沿截面上烟灰浓度分布的不均匀，更加剧了局部磨损。
与此相比，塔式炉均匀的烟气速度场，使得其对流受热面的磨损速率远低于其它炉型。
在П型炉中，尾部垂直烟道内的灰粒，由于其重力的原因，其运动速度高于烟速。
而在塔式炉中，由于烟速向上，与灰粒的重力方向相反，灰粒运动速度低于烟速。
（前西德曾做过实测，塔式炉的烟灰速度比烟气速度平均降低1m/s）因此，即使在烟速相同的情况下，塔式炉的磨损速率也远低于其它炉型。
而灰粒的这种运动特点也有利于燃尽。
在相同煤粉细度的情况下，塔式炉的燃尽率要高于其他炉型，本工程2台锅炉的运行实绩及性能试验结果也证实了这点。
另外，由于塔式炉对流受热面的较高的传热效率，使其可选择相对较低的烟速，这更使塔式炉的磨损速率远远低于其它炉型，而这对于高参数的大型锅炉尤为重要。
塔式炉的这种低磨损率的特点尤其适合于燃用高灰份的煤种。
2.3.9较低的烟风系统阻力
上部与炉膛等截面的大烟道及均衡的烟气流场，相对较少的对流受热面，使得整个锅炉的烟风系统阻力明显低于其他炉型（总阻力约为同比П型炉的5/6），从而降低了风机的耗电率。
目前从运行的情况来看，在满负荷时锅炉的厂用电率约为1.78%，这尚且是在空预器漏风率明显超标的情况下，（机组厂用电率约为3.2%）。
2.3.10有利于高效超临界技术发展
随着高效超临界发电技术的不断发展，蒸汽参数越来越高。
按照美国能源部（DOE）计划，到2015年，蒸汽参数的目标为760℃/760℃/760℃，而欧盟的AD-700计划的目标为720℃/720℃/720℃，届时，主、再热蒸汽的过热度大大增加，加之烟温不能相应上升的前提，对流受热面的传热平均温压将显著下降，这就需要大大增加对流受热面的面积，同时，对于同等的容量，由于效率的上升（>55%），热负荷大大下降，其辐射受热面反而大幅减少。
对于П型炉，这种对流受热面与辐射受热面比例的大幅变化，其布置的难度将骤然增加，但对于塔式炉而言，这根本不是问题。
3、燃烧部分
3.1燃烧器
锅炉采用了四角切圆直吹式燃烧方式，共配有六台SM28/17液压加载中速磨，在BMCR工况下为5用1备。
燃烧器沿高度方向共分为三组。
如图，每组对应两台磨煤机。
燃烧器喷嘴摆动角度为±30°，用于改变火焰中心位置的高度，调节再热蒸汽温度（设计汽温调节幅度为±（40～50）℃，实际并达不到），燃烧器上摆主要用于低负荷时调节再热汽温，下摆主要用于调节炉膛出口温度以防止结焦；该燃烧器系统主要有四个特点：
双一次风喷口，过燃风和偏置风及燃烧器分组。
设计燃烧热负荷如下：
炉膛容积热负荷76.7kW/m3
炉膛断面热负荷5.31MW/m2
燃烧器壁面热负荷1.07MW/m2
3.2．一次风
一次风燃烧器自下而上分别为A、B、C、D、E和F层，每层四角4个燃烧器，每个燃烧器由2个燃烧器喷嘴组成（由一根煤粉管在炉前经F型分配器导入上下一次风喷嘴），共48个一次风喷嘴，每只容量4.32-10.8kg/s。
一次风设计风率为17％，风速28m/s。
采用双一次风喷嘴，存在多方面的好处。
图2燃烧器布置图
Fig.2LayoutofBoilerBurners
①与单喷嘴相比增加了一次风的周界面，有利于着火，又使一次风喷嘴高宽比减小，增加了一次风刚度，减轻了煤粉气流的偏斜及水冷壁的结渣倾向；②降低热负荷集中度，有利于直流炉水动力稳定；③加强了一、二次风的混合，对提高燃尽率有利。
另外，一次风喷嘴内带有波纹状钝体。
使靠近喷嘴出口的煤粉气流中建立起一个回流区，卷吸前端已着火的气流。
促进煤粉气流的着火稳定。
每只燃烧器喷嘴的四周有周界风通道。
其风速和风温均高于煤粉气流，随煤粉气流的大小同步增减。
周界风增大了煤粉射流的刚度，遏制了煤粉颗粒的离析，也向煤粉气流补充着火所需要的氧量，并冷却了一次风喷嘴。
为确保热态一次风速的平衡，在每个风管内配有一个节流孔板，ALSTOM采用CFD技术对其热态带粉状态进行计算，根据阻力的差异配置不同的孔板孔径。
从而保证了燃烧切圆的正确，防止了一次风管的堵粉和自燃。
3.3．二次风及偏置风
每个燃烧器的二次风喷嘴由底部风，中间风和上部偏转风组成。
中间二次风喷口带油枪，其喷嘴中心还装有旋流式稳燃器，以确保燃油时着火的稳定性。
在负荷较高停油枪时，喷口仍起到二次风作用。
二次风设计风速60.2m/s，风率为58.6%。
图3一、二次风及偏置风示意图
Fig.3IllustrationofPrimary,SecondaryandOffsetair
上二次风/偏置风形成一个偏置风（offsetair）切圆（图）。
这在炉膛水冷壁附近形成高过量空气和富氧区域，从而避免贴壁燃烧及还原性气氛对水冷壁造成的侵蚀。
这种二次风的分配以及径向风的分段，在炉膛中心区域形成欠氧燃烧并降低了燃烧温度，从而降低了NOx的生成率。
3.4．燃尽风
为使煤粉在炉膛内完全燃尽，在燃烧器上面增加了过燃风，通过这种二次风的轴向分段，实现了二级燃烧，在控制NOx的生成量的前提下减少不完全燃烧损失。
燃尽风设计风率20.8%，风速60.2m/s。
燃尽风分紧凑燃尽风和分离燃尽风。
紧凑燃尽风紧靠F层偏转二次风。
分离燃尽风组布置在F层燃烧器组之上6.9m，分4层喷口，可上下摆动±25°。
3.5燃烧器分组
燃烧器在高度方向分3组燃烧器，总高度为23.7m，各组间距1.71m。
相对稀疏的燃烧器布置，进一步降低了燃烧热负荷的集中程度及峰值。
不但有利于水动力的稳定，且降低了NOx的生成率。
另外，燃烧器组之间的间隔相当于平衡孔，降低了燃烧器射流两侧的差压，有利于减少燃烧射流的偏斜。
降低水冷壁结焦及腐蚀的风险。
3.6炉内温度分布及热负荷
图4900MW锅炉炉膛沿高度方向的平均温度分布图
Fig.4AverageTemperatureLayoutalongtheheightof900MWboilerfurnace
通过上述一系列的措施，使得该炉的炉膛沿高度方向上平均温度的分布相当均匀。
图为ALSTOM公司采用计算机三维数字仿真计算得到的炉膛沿高度方向的平均温度分布图。
由图可见，在额定负荷时，冷灰斗以上的整个炉膛内，温度基本上都在1100℃~1500℃之间。
没有过高的峰值区，但>1200℃的区域占80%以上，而>1400℃的较高温度区也占到约1/3。
这种温度分布，其燃烧器区域壁面热负荷仅为1.07MW/m2，远低于一般推荐的允许值1.53MW/m2。
这不但降低了水冷壁的结焦风险及NOx的生成率，有利于水动力的稳定。
更在降低局部热负荷的同时却得到了较高的全炉膛平均壁面热负荷，使得该炉能用较少的水冷壁面积达到较大的吸热量，有效的控制了
1000MW超超临界煤粉锅炉用钢对照（相对值）
炉型
塔式炉
П型炉（A）
П型炉（B）
炉膛截面m2
21.48×21.48
32.08×15.56
33.97×15.56
燃烧方式
四角切圆
双四角切圆
前后墙对冲
1
屏底温度
1232℃
1290℃
1378℃
2
省煤器
0.259
0.162
0.207
3
水冷壁
0.207
0.365
0.246
4
过热器
0.324
0.444
0.443
5
再热器
0.210
0.234
0.217
6
承压受热面总重
1.000
1.205
1.113
7
空预器
0.212
0.212
0.350
8
钢结构
1.786
1.238
1.191
9
金属总重
3.564
3.359
3.191
炉膛的出口温度。
也正是这一特点才使相对表面积最小的900MW正方形切圆燃烧单炉膛成为可能。
表11000MW超超临界煤粉锅炉用钢对照表
Sheet1theSteelComparisonSheetof1000MWSuper-supercriticalCoalFiredBoiler
在早期美国超大型锅炉的发展过程中，由于炉膛的容积和水冷壁面积分别正比于炉膛尺度的三次方和二次方。
故在容积热负荷已合理的情况下，炉膛的吸热面却仍嫌不足，为平衡这一矛盾，较多的采用了双炉膛的结构形式，以确保炉膛的吸热面积。
目前日本1000MW级П型锅炉的设计仍可见这一痕迹。
表1为3台同容量、同参数的1000MW超超临界塔式炉及П型炉的用钢量对照。
其基准值为塔式炉的承压受热面用钢总量。
需要指出的是，两台П型炉的屏底温度均远高于塔式炉，故在燃用相同煤种下的结焦风险远高于塔式炉。
而若要降到塔式炉的屏底设计温度，П型炉的炉膛将更大更高，并需要更多的对流受热面。
其综合用钢量将会远远高于表中数值。
4、吹灰器
锅炉的对流受热面采用了常规的蒸汽吹灰器。
但水冷壁的吹灰方式比较特别，采用了水力扫描吹灰方式。
这种吹灰器安装于水冷壁上，其射角可在X轴及Y轴的两个方向运动，喷嘴喷出的高压水射流直达对侧水冷壁。
遇水后的高温积灰或结焦会骤冷收缩并脱落。
从使用效果来看，这种吹灰方式的效果还是很不错的。
图5水力扫描式吹灰示意图
Fig.5WaterLanceBlowingSketch
5、钢结构
900MW塔式炉的主钢架侧视如图，这是欧洲塔式炉的典型结构，在其两侧还装有辅钢架，供货商称之为锅炉房。
整个锅炉的载荷，包括受热面及辅钢架的载荷等，都最终传递至主钢架，并通过四个主立柱其传递至地基，每个立柱承载约1万吨。
主立柱为箱型结构，底部截面为2.5m×2.5m，采用5cm厚钢板焊接而成。
这种结构对基础的整体性及不均匀变形要求较高，但受力特性简单，因此，可利用这一特点加快安装进程。
在德国，塔式炉的安装都是先完成整个主钢架，包括炉顶大板梁，然后就开始受热面的吊装，辅钢架的安装以不影
响安装主进程为原则，与主钢架及受热面的安装相伴随，。
采用这种安装法，需要配备大型起吊机具。
图6塔式炉主钢结构
Fig.6TowerBoilerMainSteelStructure
外高桥2台锅炉，采用自爬式1250塔吊进行吊装，每炉两台，装于锅炉两边辅钢架外侧。
受制于该起吊设备的限制，除个别外，每件钢结构的重量被限制在50T以内，在安装顺序上，鉴于该塔吊需通过中间三层撑杆支撑于辅钢架上，故只能采用辅钢架随同主钢架一同安装的方法，从而大大减缓了安装速度。
这两台锅炉从钢结构吊装到受热面开始吊装都用了11个月，而德国黑泵电厂160m高的钢结构，同比工期也只用了5个月。
为缩短工期，外高桥第三发电厂1000MW超超临界塔式炉的吊装将采用德国方式，单件吊重也将增加为93T，而大板梁单件限重达140T。
与П型锅炉相比，塔式锅炉的钢结构要求高，用料多（见表1）。
6、结语
外高桥二期工程，从招标工作开始至项目全部投产，历经8年，边学习边建设。
在这之前，我们对超临界塔式锅炉知之甚少，之所以选择塔式炉，主要因其最低的报价。
对ALSTOM—EVT公司而言，900MW超临界烟煤锅炉亦非成熟设计，该公司以前设计的最大的烟煤锅炉是德国海布隆电厂1×700MW塔式炉。
在本项目的建设阶段，遇到了包括空预器频繁故障等一系列问题，但在中外双方共同努力下，这些问题大都已得到了圆满解决，最后两台机组都比计划提前投产，机组投产后，两台锅炉显示出了相当好的运行性能和非常高的可靠性。
数十年来，我国的教学，科研，制造，包括1980年代起的技术引进，基本上都延续了П型炉的技术体系。
与之相比，对塔式炉的研究及介绍相当缺乏，而随着火电单机容量的增大及超（超）临界技术的发展，塔式锅炉日益显示出其技术经济的优越性，应引起业界的充分重视。
通过外高桥二期项目几年来的招标、设计、施工、调试、运行及性能试验等，我们对超临界塔式锅炉的许多优越的技术特点有了不断深入的认识，因此，在外高桥三期2×1000MW超超临界锅炉的选型中，我们仍选择了塔式炉。
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