简约型660MW超超临界循环流化床锅炉设计开发_吕俊复

第 34 卷 第 5 期中国电机工程学报Vol 34 No 5Feb 15 2014 2014 年 2 月 15 日Proceedings of the CSEE 2014 Chin Soc for Elec Eng 741 DOI 10 13334 j 0258 8013 pcsee 2014 05 005文章编号 0258 8013 2014 05 0741 07中图分类号 TK 22 简约型660 MW超超临界循环流化床锅炉设计开发 吕俊复 1 张缦1 杨海瑞1 刘青1 刘志强2 赵勇纲2 1 清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室 北京市 海淀区 100084 2 神华国能 神东电力 有限责任公司 北京市 东城区 100010 Conceptual Design of a Simplified 660 MW Ultra supercritical Circulating Fluidized Bed Boiler L Junfu1 ZHANG Man1 YANG Hairui1 LIU Qing1 LIU Zhiqiang2 ZHAO Yonggang2 1 Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education Tsinghua University Haidian District Beijing 100084 China 2 Shenhua Guoneng Shendong Dianli Co Ltd Dongcheng District Beijing 100010 China ABSTRACT The design consideration of a 660 MW ultra supercritical circulating fluidized bed CFB boiler was discussed The conceptual design of simplified 660 MW ultra supercritical CFB boiler was suggested In this boiler there is only one distributor to avoid the bed inventory overturn between pant legs All the heating surface in the loop are located in the uppers of the furnace instead of external heat exchanger The front water wall is embattlement shape the water wall surface is enlarged compared with that the normal one because the length of the wall is expended for the same furnace sectional area And the height of the furnace is only 48 2 m The secondary air nozzles are located in the trough to the furnace of the embattlement shape wall the distance between the front wall and rear wall is decreased to improve the Oxygen diffusion in the gas solid two phase flow There is an embattlement in the rear wall between the adjacent cyclones And the furnace alone the width direction is divided into four units Thus this design is unit design The operation practices shows that the cut size of the fly ash is not upward trend when thecyclonediameterincreases Thisindicatesthatthe collection efficiency of the cyclone does not decrease when the cyclone diameter increases which proves the feasibility of the cyclone with 10 85 m diameter in this design The structure of the simplified 660 MW supercritical CFB boiler was described and the performance was also predicted KEY WORDS 660 MW ultra supercritical circulating fluidized bed boiler design simplified 摘要 分析了 660 MW 超超临界 CFB 锅炉的设计原则和依 据 提出了简约型 660 MW 超超临界 CFB 锅炉方案 采用 基金项目 十二五 科技支撑计划项目 2012BAA02B01 National Science Technology Pillar Program during the Twelfth Five year Plan Period 2012BAA02B01 单布风 消除翻床现象 不设置外置式换热器 能够满足性 能要求 前水冷壁采用锯齿形结构 在截面积不变的条件下 扩大周界长度 确保一次上升水冷壁的面积 炉膛高度仅为 48 2 m 二次风在齿凹处给入 降低了二次风处炉膛实际深 度 利于改善炉膛中心区的供氧 后墙水冷壁在两个分离器 之间设置一个锯齿 将炉膛大体上分为 4 个单元 形成单元 设计 根据目前的运行实践 随着分离器直径的增加 飞灰 的中位径基本上没有上升趋势 说明分离器直径放大并不能 引起分离效率的显著下降 因此布置 4 个直径为 10 85 m 的 分离器是完全可行的 介绍了简约型 660 MW 超超临界循环 流化床锅炉结构 并对其性能进行了预测 关键词 660 MW 超超临界 循环流化床锅炉 设计 简 约型 0引言 循环流化床 circulating fluidized bed CFB 锅炉 以其在低成本污染排放控制及煤种适应性等方面 的优势 在国际上被公认为是商业化程度最好的清 洁煤燃烧技术之一 1 近年来 国外循环流化床锅 炉技术快速地往大型化和高参数方向发展 目前 国外循环流化床锅炉的设计制造主要集中在 Foster Wheeler 和 Alstom 两大集团 均有 300 MW 等级以 上的 CFB 锅炉商业运行业绩 而且 循环流化床锅 炉的检验规程和安全规程已列入美国 ASME 标准 这是其技术成熟的一个重要标志 Alstom 公司为法国 Gandanne 电厂设计制造的 250 MW CFB 锅炉已于 1996 年投运 FW Ahlstrom 公司为美国 Jaeksonville 电厂制造的 300 MW 级 CFB 锅炉亦已在 2002 年内投运 在更高容量方面 Foster Wheeler 公司设计制造的安装在波兰 Lagisza 742中国电机工程学报第 34 卷 电厂的 460 MW 超临界 CFB 锅炉于 2009 年投入商 业运行 是世界首台超临界参数循环流化床锅炉 为了进一步提高机组效率并降低排放水平 Alstom Foster Wheeler 等国际知名锅炉制造商都开发了 600 MW 等级的超临界循环流化床锅炉技术方案 并进行了大量的基础研究和工业化试验 以确保产 品的可靠安全 2004 年 Foster Wheeler 公司受西 班牙 Endesa Generacion 电力公司委托进行 800 MW 超临界直流循环流化床锅炉的概念设计参数分别 为 31 MPa 605 620 和 36 5 MPa 700 700 我国电力工业要保持可持续发展 对火电机组 来说就是要降低煤耗 提高效率 减小排放 因此 提高单机容量和蒸汽初参数 发展超临界和超超临 界机组成为必然 超临界发电技术是我国洁净煤发 电技术的主要发展方向 是解决电力短缺 能源利 用率低以及环境污染问题的最现实和最有效的途 径 循环流化床燃烧技术由于其特殊燃烧方式而使 它特别适合于与超临界参数技术结合 最近 10 多年来 我国循环在机组大型化方面 取得了突破性的进展 在引进 300 MW 循环流化床 锅炉技术的基础上 针对其存在的主要问题如厂用 电率高 可靠性有待提高等 开发了具有自主知识 产权的 300 MW CFB 锅炉 2 进而将循环流化床燃 烧和超临界蒸汽循环结合起来 开发了 600 MW 超 临界 CFB 锅炉 3 白马 600 MW 超临界循环流化床 锅炉的初步运行实践表明 该创新技术在发电效率 等方面得到显著改善 迄今为止 除了 Foster Wheeler 安装在波兰 Lagisza 电厂的 460 MW 超临界 CFB 锅炉之外 仅 有我国自主开发的白马 600 MW 超临界 CFB 锅炉 由于设计 运行经验有限 随着对超临界循环流化 床锅炉研发工作的深入 600 MW 超临界 CFB 锅炉 的整体布置仍有进一步改进的空间 炉膛作为主循 环回路的关键部件 其型式及尺寸的选取对炉膛内 部受热面的布置 二次风穿透 水动力安全性 燃 料和床料的供给以及横向扩散均有很大影响 优化 炉膛结构形式 提高锅炉效率和运行可靠性是发展 方向 本文在已有研究成果的基础上 4 7 提出了简 约型 660 MW 超超临界 CFB 锅炉的方案 1整体方案的设计原则 1 1整体布置 关于双布风板结构和换热床设计存在的问题 已经有详细的分析 8 10 为了系统简化和降低成本 本文提出的660 MW超超临界CFB锅炉为简约型布 置 即单布风板 无换热床的布置 在双布风板布置中 炉膛下部密相区被分隔为 两个相互独立的部分 一次风各自独立引入 炉膛 两侧的气固两相流不可避免地存在差异 在两侧之 间静压梯度的作用下 物料从一侧流向另一侧 9 从而引起一次风量的正反馈变化 直至一侧吹空而 另一侧无法流化 发生双布风板的翻床 11 见图 1 两侧炉膛内存料量的动态变化过程近似地具有对 称关系 为了抑制翻床现象的发生 将一次风机的 压头选择的较高 正常运行中将压力在挡板中损失 一部分 作为控制翻床的调节手段 因此双布风板 设计中一次风机电耗较高 8 采用单布风板则完全 不存在翻床的问题 t s p kPa 0 0 2 3 5 4 400800 1 200 1 左炉膛 右炉膛 图 1双布风板炉膛左右两侧压力的动态变化 Fig 1Dynamic changes of the pressure in Pantleg Furnace 由于采用单布风板 为了保证前后墙之间的距 离足以满足二次风穿透扩散的需要 实现高效燃 烧 目前的经验是炉膛深部不宜超过 11 5 m 12 在 此条件下 为了保证炉膛水冷壁的磨损在可接受范 围内 流化风速存在上限 13 因此截面积有下限 在此截面积下限的约束下 炉膛宽度比较大 从而 使得炉膛的宽深比较大 大于 3 5 大宽深比流化 床的横向动态不稳定性的问题也是值得我们高度 注意的问题 见图 2 由于是单布风板 流动是单 向激发 因此设计中要高度注意密相区气固两相流 系统的固有频率与返料波动频率 风系统的压力波 动频率错开 14 外置式换热器由于具有较高的换热系数 15 可 以有效地解决受热面的布置问题 在床温控制上也 具有一定的优势 但在 300 MW 等级 CFB 锅炉上 由于其结构复杂 制造 运行及维护费用高等问题 第 5 期吕俊复等 简约型 660 MW 超超临界循环流化床锅炉设计开发743 t s p kPa 0 0 12 8 150 450 600 4 左侧墙 右侧墙 300 图 2锅炉 A 床压横向波动 Fig 2Transverse bed pressure fluctuation in BoilerA 而缺乏市场竞争力 特别是在锅炉 MFT DCS 或 电厂失电的情况下 由于循环灰和耐磨耐火材料蓄 热量大 为保护外置式换热器内受热面 需要增设 柴油机驱动的紧急补给水系统 单台炉电厂初投资 增加上千万元 16 因此 我国开发的简约型 300 MW 循环流化床锅炉均取消了换热床的设计 运行实践 表明 简约型设计完全能够满足性能要求 在单布风板设计中 由于采用单布风板结构 分离器可以方便地布置在炉膛和尾部竖井之间 炉 膛前墙区域没有宏观的横向流动 是布置翼型受热 面的理想位置 大量的计算表明 因为炉膛深度的 约束 采用炉膛 分离器和尾部竖井顺列布置条件 下 均可以实现将受热面全部位于炉膛的设计 从 而取消外置换热器 因此本文设计的 660 MW 锅炉 中 将部分过热器和再热器受热面以屏的形式布置 在炉内 从而实现简约型布置 屏式受热面在常规 流化床技术中应用广泛 技术成熟可靠 从混合的角度来看 给煤和回灰布置需要仔细 考虑 回灰数量是分离器个数的 2 倍 即采用一进 二出返料阀 分离器的个数可以选择 4 个 这在后 面会详细分析 则回灰点的数量为 8 个 返料分布 的均匀性能够保证 给煤可以采用炉前给煤 也可 以炉后返料腿给煤 还可以炉前炉后同时给煤 仅 仅考虑燃料在炉内的扩散 采用炉前 12 个给煤点 给煤就足够了 每个点的出力为 12 5 若考虑可 靠性 也可以在炉后再设置 4 点回料腿给煤 则炉 前 12 点每个点的出力 8 3 炉后 4 点每个点的出 力为 12 5 1 2水冷壁布置 采用单布风板的核心问题是水冷壁的布置 由 于炉膛周界长度比较小 布置足够多的水冷壁除了 提高炉膛高度之外 只能采用双面受热的水冷壁 从燃烧的角度 炉膛高度超过 45 m 后对燃烧效率 的改善就不大了 尾部对流竖井的高度要求炉膛高 度超过35 m即可 因此应该尽量使炉膛高度在45 m 以内 采用双面受热的水冷壁是缓解水冷壁布置矛 盾的有效措施 这在自然循环条件下完全是安全 的 但是在超临界条件下 考虑到并联管屏之间的 热负荷差异 应该尽量避免采用双面受热水冷壁 为此 需要设法在截面积不变的条件下扩大周界长 度 锯齿形结构很好的解决了这一问题 17 对于宽度为 B 的水冷壁 若将其改为锯齿形设 计 设置 n 个锯齿 锯齿高度为 b 见图 3 则其 周界长度由 B 扩展为 B 2nb 采用锯齿形水冷壁 有效增加了水冷壁的布置数量 而不必在炉内布置 双面受热的中隔墙 既避免了中隔墙的振动隐患 也不必采用成本较高的内螺纹管 18 此结构可大幅 度降低炉膛高度 660 MW 的超超临界 CFB 锅炉炉 膛高度仅为 48 2 m 不但保证了炉膛上部的传热 而且降低了锅炉的造价 B b B 图 3锯齿形水冷壁 Fig 3Embattlement shape water wall 炉膛前墙断面采用锯齿形设计 二次风在齿凹 处给入 降低了二次风处炉膛实际深度 利于改善 炉膛的中心区的供氧 12 后墙水冷壁也可以采用类 似的设计 为了避免出现横向流动产生磨损 在两 个分离器之间设置一个锯齿 贯穿整个炉膛高度 将炉膛大体上分为 4 个单元 而炉膛密相区是完全 连通结构 且每个单元内受热面数量基本相当 从 而保证了床温及炉膛出口温度的均匀性 14 1 3分离器个数及其直径的问题 根据炉膛的结构及烟气流量 在燃烧室与尾部 对流烟道之间布置有 4 个直径为 10 85 m 的旋风分 离器 每个分离器对应一个单元 分离器直径对其效率的影响人们进行过大量 的研究 这些研究都是以化工为对象 在直径比较 小的条件下进行的 研究的普遍结论是直径越大效 率越低 但是对于分离器直径超过 5 m 以后直径变 化对分离效率的影响并没有系统的研究 在多台使 用不同旋风分离器的循环流化床锅炉上进行了实 验数据分析 尽管分离器的设计导则各家并不相 同 燃料的成灰特性也影响到飞灰的粒度分布 但 744中国电机工程学报第 34 卷 是飞灰颗粒的中位径的大小基本上能够发映出分 离器的分离效率的变化趋势 飞灰取样分析结果表 明 相同锅炉厂不同容量亦即分离器直径不同 随 着分离器直径的增加 飞灰颗粒的中位径基本上没 有上升的趋势 大体上呈现下降的趋势 见图 4 这基本能够说明分离器直径放大并不能引起分离 效率的显著下降 分离器标称直径 Do m 飞灰中位径 d50 m 15 3 20 25 30 5 9 117 锅炉厂 A 锅炉厂 B 锅炉厂 C 锅炉厂 D 锅炉厂 E 锅炉厂 F 图 4各种分离器直径变化对其飞灰粒径的影响 Fig 4Kinds of separator diameter changes on the influence of fly ash particle size 目前世界上投运的循环流化床锅炉中 旋风分 离器最大直径为 10 374 m 14 在波兰的 Tur w 电厂 235 MW 的循环流化床锅炉上 该锅炉燃用褐煤 烟气量与一般烟煤 300 MW 锅炉相当 设计中只采 用 2 个分离器 经过 10 余年的运行 运行过程中 未出现因分离器效率引起的问题 这一经验表明 旋风分离器的直径在 11 m 以内没有风险 当然应 该尽量提高分离效率 使得运行具有更大的灵活 性 因此本文设计中在分离器的关键性能参数和局 部结构上进行了进一步的优化 因此 10 85 m 的 分离器直径应用于工程实践是完全可行的 1 4多分离器的不均匀性问题 目前世界上尚无4 个旋风分离器并联布置的大 型循环流化床锅炉 但是 3 个并联的设计在我国有 数十台的运行经验 多台分离器并联后 由于并联 管路中分离器阻力的非单调特性 19 导致各回路之 间在炉膛中混合足够好条件下可能是不均匀的 本 文设计中采用单元回路的概念 单元式设计在很大 程度上能够抑制偏流问题 这已经在 3 个分离器并 联布置的 300 MW 上得到验证 5 8 因此 4 个分离器 布置是安全的 2简约型 660 MW 超超临界循环流化床锅 炉设计 根据上述原则 进行了简约型 660 MW 超超临 界循环流化床锅炉的设计开发 锅炉的主要设计参 数依据汽轮机确定 见表 1 表 1锅炉主要参数 Tab 1Main parameter of the boiler 名称数值 主汽流量 t h 2 000 主汽压力 MPa g 26 15 主汽温度 603 再热蒸汽流量 t h 1639 再热器入口 压力 MPa g 4 91 温度 347 再热器出口 压力 MPa g 4 71 温度 605 给水温度 C294 在燃用优质燃料条件下 锅炉选型一般为煤粉 炉 在劣质燃料条件下 循环流化床锅炉更具优势 因此本文的设计燃料为低热值煤 由煤炭洗选加工 产生的洗矸 煤泥和洗中煤混合而成 其成分分析 见表 2 表 2燃料元素分析 Tab 2Ultimate analysis of coal 名称数值名称数值 w Car 36 66w Aar 48 44 w Har 2 12w Mar 6 66 w Oar 4 67w Vdaf 37 03 w Nar 0 58Qar net MJ kg 14 19 w Sar 0 87 本文开发的 660 MW 超超临界 CFB 锅炉 为超 超临界参数 一次中间再热 变压运行 整体布置 见图 5 锅炉主要由炉膛 4 个高效绝热旋风分离 器 4 个双路回料阀 尾部对流烟道 8 台滚筒冷 渣器和 2 个回转式空预器等部分组成 采用单布风 板炉膛结构 炉膛宽度为 41 806 m 炉膛深度最大 尺寸为 11 23 m 采用垂直管圈一次上升膜式水冷 壁 在炉膛内沿宽度方向上下贯穿布置有 3 个向内 凹陷延伸受热面 与炉膛上部屏式受热面结合 将 炉膛上部分成四个 单元 水冷壁质量流速为 730 kg m2 s 低质量流速可减小流动摩擦压降并提 高重位压降所占总压降的比例 充分利用垂直管屏 水冷壁中由于热偏差形成的流量自补偿特性 在满 足较低质量流速的同时保证锅炉的安全运行 20 炉 内前墙布置有 12 片再热器屏 14 片末级过热器屏 和 12 片中温过热器屏 在炉膛和尾部对流竖井之间布置 4 个内径为 第 5 期吕俊复等 简约型 660 MW 超超临界循环流化床锅炉设计开发745 图 5锅炉总体布置 Fig 5General arrangement of the boiler 10 85 m的高效绝热旋风分离器 每个分离器回料 腿下布置一个双路回料阀 分离器分离下来的高温 物料 经回料阀重新送回炉膛 而经分离器净化过 的烟气进入尾部烟道 尾部对流竖井上部采用双烟道布置 前烟道中 布置低温再热器 后烟道布置低温过热器 双烟道 部分为膜式壁包墙过热器所包覆 合并单烟道后为 轻型炉墙结构 其中布置有省煤器 省煤器出口烟 道与2台回转式空气预热器连接 过热蒸汽的温度主要由煤水比调节 并配合布 置在各级过热器之间的两级喷水减温器细调 减温 水来自锅炉给水 再热汽温通过双烟道出口的烟气 挡板调节 在低温再热器入口布置有事故喷水减温 器 再热器事故喷水来自给水泵抽头 锅炉启动系统采用带泵启动系统 4只内置式 分离器布置在炉膛前侧 水冷壁出口产生的全部工质 通过导汽管引入分离器内 在锅炉负荷小于30 锅 炉最大连续工况 boiler maximum continuous rating B MCR 最低直流负荷时 分离器起汽水分离作用 分离器出口蒸汽进入尾部包墙过热器 水则通过连 接管进入贮水箱 再由水联通管排入循环泵 作为 再循环工质与给水混合后进入省煤器系统 采用床上和床下结合的启动点火方式 床下布 置有6只启动燃烧器 锅炉布置有8台滚筒冷渣器 分别与位于炉膛前墙的排渣口相连 锅炉设计针对满负荷工况 B MCR 进行 B MCR下的关键性能参数见表3 设计中对锅炉各 种工况下进行性能预测 B MCR下锅炉效率 91 46 各处温度计算结果见表4 表 3锅炉 B MCR 下的主要性能参数 Tab 3Main boiler performance parameter at B MCR 炉膛温度过量空气系数流化速度飞灰底灰比 890 1 25 4m s50 50 表 4锅炉 B MCR 下的主要温度计算结果 Tab 4Main calculation result at at B MCR 项目温度 炉膛床温890 炉膛出口烟气温度890 分离器出口烟气温度922 低温再热器出口烟气温度447 低温过热器出口烟气温度507 省煤器出口烟气温度335 空预器出口烟气温度135 省煤器入口工质温度294 省煤器出口工质温度335 水冷壁出口工质温度420 低温过热器出口工质温度484 中温过热器出口工质温度535 高温过热器出口工质温度603 低温再热器入口工质温度347 低温再热器出口工质温度509 高温再热器出口工质温度605 3结论 锯齿形水冷壁可以在截面积不变的条件下扩 大周界长度 确保一次上升水冷壁的面积 据此提 746中国电机工程学报第 34 卷 出了单布风板 四旋风筒 无换热床的简约型 660 MW超超临界循环流化床锅炉方案 在保证二 次风穿透的前提下 有效避免了裤衩腿炉膛结构带 来的翻床以及一次风机压头过高的问题 而且炉膛 高度大幅度降低 既保证了炉膛上部的传热又减少 了锅炉的造价 同时 有利于降低厂用电 简化运 行操作程序 减少锅炉的设计制造以及运行维护成 本 根据目前实际运行的循环流化床锅炉效果 发 现随着分离器直径的增加飞灰颗粒的中位径基本 上没有上升的趋势 说明分离器直径放大并不能引 起分离效率的显著下降 因此布置有4个直径为 10 85 m的分离器是完全可行的 锅炉采用M型带 有4个分离器的布置形式 在保证分离器的分离效 率不受影响的同时 使锅炉的结构更加紧凑 参考文献 1 Yue Gangxi Yang Hairui L Junfu et al Latest development of CFB boilers in China C Proceedings of the 20th International Conference on Fluidized Bed Combustion Xi an Beijing Springer Press 2009 3 12 2 李建锋 郝继红 吕俊复 等 中国 300 MWe 级循环 流化床锅炉机组运行现状分析 J 锅炉技术 2010 41 5 37 41 47 Li Jianfeng Hao Jihong Lv Junfu et al 300 MWe class circulating fluidized bed boiler unit operation situation analysis in China J Boiler Technology 2010 41 5 37 41 47 in Chinese 3 Li Yan Nie Li Hu Xiukui et al Structure and performance of a 600 MWe supercritical CFB boiler with watercooledpanels C Proceedingsofthe20th International Conference on Fluidized Bed Combustion Xi an Beijing Springer Press 2009 132 136 4 吕俊复 于龙 张彦军 等 600 MW 超临界循环流化 床锅炉 J 动力工程 2007 27 4 497 501 L Junfu Yu Long Zhang Yanjun et al A 600 MW supercritical 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