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能源研究與信息超臨界燃褐煤塔式鍋爐技術(shù)于強(qiáng)，顧瑋倫（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）采用自主技術(shù)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)660MW等級(jí)超臨界塔式褐煤鍋爐技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)塔式褐煤鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合性能，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析；該技術(shù)也為今后燃褐煤發(fā)電機(jī)組高效率、低NOx排放設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)；通過對(duì)比分析，此技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，并實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)燃褐煤塔式鍋爐零的突破，為將來更好地利用國(guó)內(nèi)褐煤奠定了基礎(chǔ)。
近幾年電力工業(yè)高速發(fā)展，我國(guó)電力工業(yè)的裝機(jī)總?cè)萘吭?009年末已達(dá)8億kW，居世界第一位，超過了美國(guó)總的裝機(jī)容量。但煤炭總產(chǎn)量中火力發(fā)電廠用煤占50%以上，從我國(guó)火力發(fā)電全年煤耗的構(gòu)成看3/4以上為煙煤。隨著裝機(jī)容量進(jìn)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(qū)已進(jìn)入老年期甚至枯竭的狀態(tài)，而新煙煤礦的開發(fā)周期較長(zhǎng)、開發(fā)運(yùn)輸比較困難，已跟不上電力工業(yè)發(fā)展的速度。
此時(shí)必須充分利用煤炭總儲(chǔ)量約16.24%的褐煤，但由于我國(guó)褐煤儲(chǔ)藏主要在內(nèi)蒙古及東北地區(qū)，礦區(qū)集中，儲(chǔ)量大，大部分適宜于露天開采，因此東北地區(qū)建設(shè)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(zhǎng)途運(yùn)輸帶來安全和經(jīng)濟(jì)問題，大大降低發(fā)電成本而且也促進(jìn)了本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)可以網(wǎng)調(diào)到京津唐和華北、華東等地區(qū)。
哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司在吸收和借鑒多臺(tái)成功運(yùn)行的大容量燃褐煤鍋爐的基礎(chǔ)上，響應(yīng)國(guó)家“十一五”能源規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能降耗的號(hào)召，自主設(shè)計(jì)開發(fā)高參數(shù)、高效率、低污染物排放的配風(fēng)扇磨的塔式燃褐煤超臨界鍋爐一華能九臺(tái)電廠2x660MW超臨界鍋爐。
1鍋爐設(shè)計(jì)條件與設(shè)計(jì)參數(shù)華能九臺(tái)電廠2x660MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉塔式布置。鍋爐采用低NOx燃燒器系統(tǒng)，40只燃燒器為八角切圓布置，8套MB3600/1000/490風(fēng)扇磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，6運(yùn)1備1檢修。燃用煤質(zhì)參數(shù)見表1，鍋爐主要技術(shù)參數(shù)見表2.表1煤質(zhì)參數(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(fā)分Fdaf/%可磨性系數(shù)HGI灰變形溫度or/°c灰軟化溫度>r/°c流動(dòng)溫度FT/C表2鍋爐主要技術(shù)參數(shù)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(jìn)口蒸汽壓力/MPa再熱器出口蒸汽壓力/MPa再熱器進(jìn)口蒸汽溫度/c再熱器出口蒸汽溫度/c省煤器進(jìn)口給水溫度/c 2鍋爐主要特點(diǎn)2.1概述該鍋爐是超臨界參數(shù)變壓運(yùn)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(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、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?zé)煔饬鞒桃来尾贾靡患?jí)過熱器、三級(jí)過熱器、二級(jí)再熱器、二級(jí)過熱器、一級(jí)再熱器、省煤器，尾部出口煙道布置兩臺(tái)二分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。
2.2省煤器及水冷壁系統(tǒng)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?yōu)樗綑M向布置的管道。管道的兩端再向上由兩側(cè)被引入省煤器入口集箱，然后經(jīng)過省煤器管組加熱后進(jìn)入省煤器出口集箱。
水從省煤器出口集箱經(jīng)外部?jī)筛B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(jīng)過冷灰斗、鍋爐下部螺旋水冷壁，經(jīng)位于爐膛中部的混合過渡集箱后進(jìn)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(jīng)連接管進(jìn)入汽水分離器。當(dāng)鍋爐在本生點(diǎn)以下的負(fù)荷以再循環(huán)方式運(yùn)行時(shí)，被汽水分離器分離出的水流入貯水箱，由再循環(huán)泵重新送入省煤器入口集箱進(jìn)行再循環(huán)。
主給水管道上設(shè)置過熱器減溫水總管、循環(huán)泵過冷管、省煤器再循環(huán)管路及鍋爐啟動(dòng)時(shí)省煤器入口流量測(cè)量裝置。該流量測(cè)量裝置主要用于鍋爐啟動(dòng)及停爐期間，鍋爐運(yùn)行負(fù)荷低于本生點(diǎn)處于再循環(huán)運(yùn)行方式的情況下，精確測(cè)量和控制省煤器的工質(zhì)流量（給水流量+再循環(huán)流量），確保給水流量不低于30%BMCR工況的工質(zhì)流量，以保證水冷壁運(yùn)行安全。
2.3啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)是為了鍋爐在啟動(dòng)過程中和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐水冷壁管內(nèi)工質(zhì)流量維持在高于最小流量的水平，避免管子過熱超溫。啟動(dòng)系統(tǒng)的回路設(shè)置是：水從省煤器入口集箱進(jìn)入，經(jīng)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(huán)泵再次送入省煤器；分離出來的蒸汽進(jìn)入過熱器吊掛管，然后依次流經(jīng)一級(jí)過熱器、二級(jí)過熱器和末級(jí)過熱器，最后由主汽管道引出。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到本生點(diǎn)以上（30%BMCR負(fù)荷）時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)將被關(guān)閉進(jìn)入熱備用狀態(tài)，鍋爐處于直流運(yùn)行狀態(tài)。
2.4爐膛熱力結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的選取根據(jù)制粉系統(tǒng)的特性，采用獨(dú)有的正方形燃褐煤爐膛、切圓燃燒技術(shù)方案。哈鍋結(jié)合褐煤煤質(zhì)的特性，選用比較低的爐膛容積熱負(fù)荷（57.29kW.m-3）和爐膛截面熱負(fù)荷（3.893kW.m-2）。
同時(shí)考慮到抽煙口位置布置的獨(dú)特性，選用較高的燃盡高度（34m）。這些參數(shù)的選取完全符合大容量燃褐煤鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)的范疇，爐膛出口溫度942°C也遠(yuǎn)低于1 159°C的灰變形溫度。
2.5鍋爐受熱面的布置特點(diǎn)根據(jù)塔式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受熱面均要求采用水平布置，由一級(jí)過熱器吊掛管進(jìn)行吊掛，各受熱面的橫向節(jié)距則以倍數(shù)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧煙氣流速的影響。而且受熱面進(jìn)出口集箱均布置于水冷壁前后墻水冷壁，受熱面的橫向節(jié)距必須滿足水冷壁的布置要求。
2.6鍋爐爐膛漏風(fēng)系數(shù)選取由于該鍋爐采用干式除渣，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮一部分空氣漏入鍋爐爐膛中。漏風(fēng)系數(shù)取6%，漏風(fēng)加大后，使通過空預(yù)器的風(fēng)量減少，空預(yù)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(tǒng)磨煤機(jī)采用8臺(tái)風(fēng)扇磨，風(fēng)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(fēng)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(jī)的四周的檢修空間，現(xiàn)場(chǎng)方便打擊輪的抽出進(jìn)行檢修，使設(shè)計(jì)更加人性化。
燃燒器設(shè)計(jì)方面，應(yīng)用了自主研發(fā)的配風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)的八角切圓燃燒技術(shù)，并在燃燒器正上方采用了SOFA風(fēng)室，降低了NOx的排放，同時(shí)提高鍋爐對(duì)褐煤的適應(yīng)性。
燃燒器采用八角切圓布置在螺旋管圈水冷壁區(qū)域。對(duì)于燃燒器的布置、燃燒器防止結(jié)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(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒，在燃燒器上方6 m左右的位置布置SOFA風(fēng)室，使燃燒區(qū)形成低過�？諝庀禂�(shù)，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(qū)域壁面熱負(fù)荷，使火焰溫度降低，抑制了“熱力型”NOx的生成。同時(shí)燃燒器將部分二次風(fēng)由燃燒后期送入爐膛，剩余的空氣由每只一次風(fēng)噴嘴上下配置的一個(gè)二次風(fēng)噴嘴送入爐膛，形成均等配風(fēng)。
3運(yùn)行分析與經(jīng)濟(jì)對(duì)比3.1工程造價(jià)比較根據(jù)對(duì)九臺(tái)工程的概算，九臺(tái)一期工程項(xiàng)目靜態(tài)投資49.22億元，千瓦造價(jià)3729元；項(xiàng)目計(jì)劃總投資51.87億元，千瓦造價(jià)3 930元，工程投產(chǎn)后年發(fā)電量將達(dá)到72.6億kWh，年創(chuàng)產(chǎn)值21億元，創(chuàng)稅收3億元。
根據(jù)對(duì)伊敏二期亞臨界工程的概算，伊敏二期工程項(xiàng)目靜態(tài)投資37.302億元，千瓦造價(jià)3109元；項(xiàng)目計(jì)劃總投資41.431億元，千瓦造價(jià)3453元。
根據(jù)對(duì)伊敏三期超臨界工程的概算，伊敏三期工程項(xiàng)目靜態(tài)投資40.576億元，千瓦造價(jià)3381元；項(xiàng)目計(jì)劃總投資43.032億元，千瓦造價(jià)3586元。
根據(jù)比較，n型布置的褐煤風(fēng)扇磨機(jī)組若采用超臨界參數(shù)，千瓦造價(jià)比亞臨界褐煤風(fēng)扇磨機(jī)組增加133元；而采用塔式布置的褐煤風(fēng)扇磨超臨界機(jī)組比采用n型布置的褐煤風(fēng)扇磨超臨界機(jī)組，千瓦造價(jià)增加344元。
3.2煤耗比較（168試運(yùn)期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行核算）運(yùn)行期間九臺(tái)、伊敏、烏沙山三臺(tái)機(jī)組的主要性能參數(shù)對(duì)比見表3.表3九臺(tái)、伊敏、烏沙山3臺(tái)機(jī)組主要性能參數(shù)對(duì)比項(xiàng)目名稱九臺(tái)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(shù)對(duì)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(duì)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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益九臺(tái)工程采用超臨界參數(shù)，相對(duì)于亞臨界的燃用褐煤配風(fēng)扇磨鍋爐，其煤耗量將大大減少。下面以九臺(tái)工程機(jī)組相對(duì)于伊敏二期機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行具體分析。
3.3.1年節(jié)省燃煤成本供電煤耗節(jié)省16.68g.kWh-1，按照每年6800h可利用時(shí)間、平均電負(fù)荷為500MW計(jì)算，單臺(tái)超臨界機(jī)組每年可以節(jié)省標(biāo)煤56 712t；兩臺(tái)機(jī)組年節(jié)省標(biāo)煤113424t；標(biāo)煤按500元-t-1計(jì)算，年節(jié)省5670萬元；因此，九臺(tái)工程2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行一年，相對(duì)于伊敏二期亞臨界機(jī)組可以節(jié)約燃料費(fèi)用約5 670萬元。
3.3.2啟動(dòng)耗水量以九臺(tái)工程不帶循環(huán)泵啟動(dòng)為例，按照設(shè)計(jì)時(shí)最小流量要求為25%BMCR流量，約525t-h-1.現(xiàn)根據(jù)九臺(tái)工程的運(yùn)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(jì)算，鍋爐從冷態(tài)清洗帶直流負(fù)荷，其耗水量見表4.表4耗水量參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值冷態(tài)清洗時(shí)間/h熱態(tài)清洗時(shí)間/h到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)間/h到直流負(fù)荷時(shí)間/h兩臺(tái)機(jī)組節(jié)水量/t兩臺(tái)機(jī)組可節(jié)省費(fèi)用（設(shè)啟動(dòng)4次。年-1，水價(jià)3.0元-t-1）/元3.3.3節(jié)省燃油根據(jù)九臺(tái)機(jī)組168期間的統(tǒng)計(jì)，1號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)燃油量為2 688t，實(shí)際燃油量只用了26.267t；2號(hào)機(jī)組實(shí)際燃油量只用了0.8t（采用微油點(diǎn)火系統(tǒng)），1、2號(hào)機(jī)組節(jié)油量分別為2661.733t、2687.2t.按照每t燃油3500元計(jì)算，168期間2臺(tái)機(jī)組共節(jié)省費(fèi)用1870萬元。
根據(jù)設(shè)計(jì)，每只油槍的出力為2200kg-h-1，每角3只。目前九臺(tái)工程機(jī)組2、6角為小油槍點(diǎn)火燃燒器，油槍容量為100 kg-h-1，每角5只。從鍋爐點(diǎn)火到不投油負(fù)荷，機(jī)組采用燃油助燃。
根據(jù)初步計(jì)算，從點(diǎn)火到機(jī)組穩(wěn)燃負(fù)荷若采用常規(guī)油槍，需要燃油量約為250t；若采用微油點(diǎn)火，需要燃油量約為25對(duì)于本工程鍋爐正常啟動(dòng)每次相對(duì)于采用常規(guī)油槍，單臺(tái)爐可以節(jié)省費(fèi)用約80萬元。兩臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)一次總共節(jié)省費(fèi)用160萬元3.3.4污染物處理費(fèi)用九臺(tái)工程機(jī)組采用超臨界參數(shù)，鍋爐的排放物相對(duì)與亞臨界機(jī)組大大降低，考慮到S2與NOx排放罰款及灰渣的處理與運(yùn)費(fèi)，每年可以節(jié)省約500萬元。
4市場(chǎng)分析與市場(chǎng)前景目前，燃用褐煤的機(jī)組在火電機(jī)組中的比例逐年增加，同時(shí)大容量的褐煤機(jī)組也因市場(chǎng)需求容量在逐年增大。九臺(tái)工程的成功投運(yùn)，解決了燃用高水分褐煤鍋爐采用單一爐型的現(xiàn)狀，提高了鍋爐在褐煤領(lǐng)域煤質(zhì)變化的適應(yīng)性。隨著能源的進(jìn)一步利用，高水分的褐煤將大量用于發(fā)電設(shè)備，此時(shí)塔式布置的超臨界褐煤機(jī)組在煤種的適應(yīng)性方面將顯現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。九臺(tái)工程的成功開發(fā)，即利用了褐煤資源，避免了褐煤長(zhǎng)途運(yùn)輸帶來安全問題，也大大降低發(fā)電成本而且也促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，該技術(shù)為一項(xiàng)市場(chǎng)前景十分廣闊的發(fā)電技術(shù)。
5結(jié)束語華能九臺(tái)鍋爐為國(guó)內(nèi)首臺(tái)采用自主研發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的超臨界參數(shù)褐煤風(fēng)扇磨塔式鍋爐，通過168h試運(yùn)行和性能試驗(yàn)測(cè)試，均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，即響應(yīng)了國(guó)家自主產(chǎn)權(quán)的號(hào)召，又大大的節(jié)省了能源，降低了污染物排放，為今后設(shè)計(jì)更高參數(shù)和容量的褐煤鍋爐奠定良好的基礎(chǔ)。 |
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