基于可靠与灵活运行的超超临界二次再热锅炉炉烟循环系统

基于可靠与灵活运行的超超临界二次再热锅炉炉烟循环系统

摘要：本文介绍了国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉的炉烟循环系统设计、系统特点及运行方式，针对目前炉烟循环系统典型布置情况与热炉烟循环系统设计及运行问题提出几点建议，以供参考。
关键词：灵活运行超超临界二次炉烟循环系统设计
一、超超临界二次再热锅炉的热力特性
我国是一个贫油和贫气的国家，但又是一个能源需求大国，长时间以来只能以储量丰富的煤炭作为主要能源，尽管目前开发了大量的水电和风电、太阳能等可再生能源，但以煤炭为主的能源格局依然存在。为了降低火力发电厂的能耗，我国自2010年以后研发更高效率的燃煤发电机组，超超临界二次再热机组就是这个时期的产物。2015年6月，国内第一台超超临界二次再热机组在华能安源电厂建成发电，开启了超超临界二次再热机组建设的先河。
随着2015年9月和2016年12月泰州二期及华能莱芜1000MW超超临界二次再热机组的投产，国内对超超临界二次再热机组的认知进一步深入。超超临界二次再热机组由于多了一级再热，其热量分配与一次再热有明显的区别，受热面布置设计也较一次再热复杂得多。经过三个项目的建设经验表明，超超临界二次再热机组非额定负荷运行条件下都存在着不同程度的再热器欠温现象，而目前国家能源政策是要增加可再生能源发电份额，减少火力发电电量，因此燃煤机组日后调峰为主在非额定工况运行方式将成为新常态。再热汽温非额定负荷条件下欠温减弱了超超临界二次再热机组的节能效果，成为目前超超临界二次再热锅炉设计新课题。
超超临界二次再热锅炉由于热量分配要权衡水冷壁、过热器、一次再热器、二次再热器四个对象，设计非常复杂。国电宿迁2×660MW超超临界二次再热机组的受热面设计先后经历了无炉烟系统纯凝工况、无炉烟抽汽工况、有炉烟纯凝工况、有炉烟抽汽工况等几个阶段的热力设计。因非额定负荷条件下再热器布置区域低温受热面烟气流速的急剧下降，其吸热量明显不足，上述工况计算对比也表明，超超临界二次再热机组要实现灵活调峰运行不欠温，必须配置炉烟循环系统，抽汽供热的存在可以显著改善再热汽温的欠温问题。
二、炉烟循环系统典型布置
典型的炉烟循环系统布置有热炉烟和冷炉烟两种方式，热炉烟循环系统的抽气点在空预器前，冷炉烟抽气点在引风机出口。热炉烟循环系统在国内目前用于配合制粉系统改造居多，主要目的是提高制粉系统煤种适应性，用于调温的案例较少。采用?崧?烟循环系统作为汽温调节运用在运的超超临界二次再热机组为华能安源电厂2×660MW机组，该厂锅炉为哈尔滨锅炉厂的HG-1938/32.45/605/623/623-YM1型锅炉，配置4台重庆通用风机厂离心风机作为炉烟风机。采用冷炉烟系统作为再热器调温使用的超超临界二次再热锅炉为华能莱芜2×1000MW机组，该锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的塔式锅炉，采用南通大通宝富风机厂2台风机作为炉烟风机。
热炉烟循环系统主要存在的问题是风机磨损导致的系统运行可靠性降低，好处是宽负荷范围内锅炉效率较高。经相关项目设计热力计算对比，相同锅炉负荷条件下，热炉烟循环锅炉较冷炉烟循环锅炉效率高0.5-3%，且负荷越低，两者效率差值越大，即冷炉烟循环锅炉负荷越低，锅炉效率下降越多，热炉烟循环系统锅炉效率对负荷降低不敏感。冷炉烟循环系统运行的主要问题是烟风电耗高，设备投资费用高，且锅炉效率对锅炉负荷较为敏感，同时腐蚀问题突出，优势在于系统处于低飞灰环境，风机磨损小。综合对比，居于从改善超超临界二次再热锅炉再热汽温适应性和保证锅炉效率稳定来讲，选择热炉烟循环系统是必然选择，国电宿迁电厂超超临界二次再热锅炉机组也采用这种布置方式。
三、热炉烟循环系统运行存在的难题
（一）风机动静部件磨损，系统运行可靠性低
炉烟风机的早期应用失败，很大程度上是风机的叶轮及蜗壳磨损问题没有得到有效解决，蜗壳穿孔漏烟气、炉烟中飞灰对叶轮的不均匀磨损引起炉烟风机剧烈振动频繁发生，严重影响运行可靠性。2015年以前为掺烧而配套改造的马鞍山电厂及华能井冈山电厂炉烟风机投运后的一年内也出现过类似问题。
（二）风门档板泄漏，锅炉运行期间在线检修困难
此问题主要风门档板设计选型不合理所致。部分炉烟循环系统出口门设计选用单档板圆风门，在运行过程中边缘逐渐磨损导致关闭不严，或是采用多叶片矩形档板门，又没有其他措施，无法保证严密隔断，造成炉烟循环系统可用率低，甚至影响锅炉运行行可靠性。
四、国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉炉烟循环系统的设计
国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉为上海锅炉厂设计和制造，锅炉的初步设计方案在2016年5月完成，由于长时间以来国内炉烟循环调温系统运行可靠性确实存在诸多问题，很多专家对于配置炉烟风机进行再热器调温的方案提出了质疑。针对炉烟循环系统磨损与可靠隔离两大难点，国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉炉烟循环系统设计遵循以下技术要求：
（1）炉烟循环系统在保证调温效果条件下再循环风量尽可能少，在降低系统能耗的同时，减轻系统磨损；
（2）选择合理的抽烟位置或进行飞灰初步分离，减少炉烟循环系统的飞灰含量，保证炉烟风机运行可靠性；
（3）炉烟循环系统的风速全面考虑最低冷却风量与最大流量工况，避免飞灰在系统内沉积；
（4）锅炉的安全可靠性不依赖于炉烟循环系统，在炉烟循环系统全部停运时不影响锅炉安全运行，并能可靠隔离检修。
（5）多方位考察研究炉烟风机应用情况，选择成熟、可靠的炉烟风机产品。
五、国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉炉烟循环的特点
2017年3月，国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉炉烟循环系统设计完成，其系统设计布置方案与风机设计较好的解决了上述两大难题，主要有以下特点：（一）采用低转速变频风机，风机叶轮采用法奥迪耐磨材料，蜗壳设计耐磨衬里，选择成熟、可靠的低转速炉烟风机产品，循环系统入口设置内置式惯性分离装置，炉烟风机入口烟道设置灰斗并设计飞灰输送装置，较为系统的解决了炉烟风机的磨损问题。
（二）优化结构设计，避免风机异常振动。叶片采用直叶片避免飞灰沉积在弯曲表面导致质量不均匀导致风机振动。风机叶轮采用悬臂支撑，并设置转轴水冷套，有效防止冷热态变化时大轴弯曲引起的风机振动。风机设计采用整体底座，安装与检修方便。
（三）采用大补偿量低扰动炉烟混合设计。炉烟混入点位于灰斗水冷壁上部远离燃烧器喷口，炉烟混入对燃烧影响小。同时因低负荷时炉烟循环量较大，此种设计提高了低负荷条件下锅炉运行稳定性。
（四）系统运行可靠、灵活。炉烟循环系统出口采用双隔离门，两个隔离门之间设置密封风，满足在线检修可靠隔离。同时在喷嘴侧设计有热二次风作为炉烟喷嘴冷却风源，炉烟系统切除运行时也能保证锅炉运行安全。
六、国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉炉烟循环系统的运行方式
国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉各负荷条件下炉烟循环量如下表所示，系统配置2台361249m3/h的离心式炉烟风机。
（一）纯凝工况运行
锅炉BMCR与BRL工况下只需运行一台炉烟循环风机即可，在汽机额定负荷工况至50%THA负荷时需运行2台炉烟风机。纯凝工况非额定负荷条件下再热汽汽温欠温明显，炉烟循环量较大。
为了提高效率，锅炉侧省煤器受热面面积布置相对较多，同时因锅炉低负荷时炉烟循环量较大，在50%-40%负荷范围内易发生省煤器汽化问题，为了防范此问题需大幅度减小炉烟循环量，从表一中可以看出，纯凝工况下50%负荷较40%炉烟循环量减少了近三分之二的流量，即使如此，一、二次再热器仍能达到600℃以上的水平。
（二）抽汽工况运行
抽汽工况条件下炉烟循环量相对较纯凝工况小得多，100%-30%负荷范围内仅需一台炉烟风机运行即可，相近或相似负荷条件下炉烟循环量远小于纯凝工况，在具备一定抽汽量的条件下30%负荷时一、二次再热汽温度仍能达到615℃以上。
七、结论
国电宿迁660MW超超临界二次再热锅炉炉烟循环系统通过优化设计，有效的改善了再热汽温的欠温问题，系统运行可靠、灵活，结合目前国内炉烟风机与二次再热锅炉的实际运行情况，得出以下结论：
（1）超超临界二次再热锅炉要使再热汽温在较宽范围内不欠温，采用炉烟循环作为调温手段是目前相对较为经济、有效的解决措施，推荐作为提高参与调峰超超临界二次再热机组运行灵活性改造的较优方案。同时为保证锅炉调峰运行具有相对较高的效率，推荐采用热炉烟循环方式。
（2）目前耐磨材料及防磨工艺的应用大大提高了炉烟风机的磨损性能，结合高压变频器的使用，炉烟风机的运行可靠性得到了极大的提高。同时通过华能南京、华能井冈山以及江阴苏龙电厂、华能安源电厂炉烟风运行情况研究，炉烟循环系统入口设置飞灰输送系统设计过于保守，不推荐设置。
（3）可靠的系统隔离与炉烟喷嘴冷却设计是保证炉烟循环系统故障不影响锅炉运行安全的必要措施，对于提高机组运行的灵活性具有重要意义。
（4）通过优化设计，可以保证中温炉烟风机大轴不弯曲，中温炉烟?L机的盘车装置可以不设置。
（5）抽汽供热可以有效的改善超超临界二次再热机组的再热汽欠温，能有效降低炉烟循环量，对降低炉烟循环系统的能耗有利。
（6）由于二次再热机组给水温度相对较高，设置炉烟循环系统的超超临界二次再热机组低负荷时要有防止省煤器汽化的措施。
参考文献：
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