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1、 1 自主知识产权自主知识产权 600MWe 超临界循环流化床锅炉超临界循环流化床锅炉 吕俊复1 于龙2 张彦军2 岳光溪1 李振宇2 吴玉新1 1 清华大学热能工程系 100084 北京 2 哈 尔滨锅炉有限责任公司 哈尔滨 150040 摘摘 要 要 超临界循环流化床 CFB 燃烧技术作为下 一代CFB技术 综合了超临界蒸汽循环高效率和循 环流化床低成本实现低污染排放两方面的优势 具 有重要的发展前景 本文介绍了国内外超临界CFB 锅炉研究工作的最新进展 基于对超临界循环流化 床锅炉的关键问题的研究 完成了自主知识产权的 600MWe超临界CFB锅炉设计 关键词 关键词 600MWe 超临
2、界 循环流化床锅炉 设 计 0 引 言 循环流化床燃烧技术是目前比较现实的商 业化程度比较好的洁净煤发电技术 现在 亚临 界循环流化床电站锅炉无论在容量 效率和可用 率方面 均已达到基本上可以和煤粉炉相近的水 平 但是 根据中国的情况 在未来的相当长的 时间内 新安装的煤粉炉会主要是高效率 低煤 耗的超临界和超超临界机组 加上烟气处理系统 使其排放达标 这些新的超临界煤粉炉机组在经 济上 性能上和排放上均比亚临界的循环流化床 锅炉更具有竞争性 因此循环流化床锅炉面临着 提高发电效率的挑战 1 超临界参数发电在发电效率方面具有优势 在超临界煤粉炉中 由于炉膛中燃烧比较集中 热负荷分布不均 工质的
3、热偏差较大 水冷壁部 件的冷却能力是关键之一 而循环流化床锅炉炉 膛内的温度和热流比煤粉炉低得多 见图 1 2 降低了对水冷壁冷却能力的要求 循环流化床炉 膛内的热流密度在炉膛底部最大 且随着炉膛高 度的增加而逐渐减小 所以热流最大值出现在炉 膛底部附近 刚好处于工质温度最低的炉膛下部 区域 有利于水冷壁金属温度的控制 而对于煤 粉炉 炉膛内热流曲线的峰值对应的工质温度较 高 循环流化床锅炉的低温燃烧使得炉膛内的温 度水平低于一般煤灰的灰熔点 再加上炉膛内较 高的固体颗粒浓度 所以水冷壁上基本没有积灰 结渣 保证了水冷壁的吸热能力 与煤粉炉相比 循环流化床锅炉炉膛内的温度非常均匀 尤其是 宽度
4、和深度方向上的热负荷分布比煤粉炉均匀 得多 因而水冷壁沿宽度和深度方向的吸热也更 加均匀 可见 循环流化床所具有的特性使其更 适合与超临界循环相结合 1 3 0 0100 200 300 400 热流 kW m2 煤粉炉 炉膛高度 循环流 化床炉 耐火材 料涂层 图 1 循环流化床锅炉与煤粉炉水冷壁热流密度比较 1 超临界循环流化床直流锅炉水冷壁采用低 质量流速 使得水冷壁的流动阻力减小 从而减 少了给水泵的电耗 因而降低了电厂的净热耗 4 循环流化床锅炉的另一个优点是无须采用烟 气净化设备而具有低的污染物排放的能力 对于 大容量的火力发电厂来说 烟气脱硫装置和选择 性催化烟气脱硝系统的投资和
5、运行成本是相当 可观的 在采用循环流化床锅炉时 可以直接采 用石灰石 脱硫副产品是干态的 相对成本较低 而低 NOX排放是其本身特点 没有成本 如果 比较绝对效率 循环流化床锅炉还达不到煤粉炉 的燃烧效率 但是 由于循环流化床锅炉可以达 到较低的排烟温度 从而补赏了略低的燃烧效率 的不足 虽然循环流化床锅炉因为固体床料流态 化而需消耗更多的辅机电耗 但循环流化床锅炉 不须磨煤机 以及没有烟气脱硫脱硝装置 因此 烟气阻力较小 这些系统的耗电量约相当于循环 流化床锅炉本身需要增加的电力 2 随着循环流化床锅炉技术的日益成熟 超临 界蒸汽循环和循环流化床燃烧技术相结合具有 突出的优点 面对这一情况
6、国内外的同行早已 看到 发展更大容量和超临界蒸汽参数的循环流 化床锅炉技术就必然成为循环流化床燃烧技术 下一步发展的主要方向 1 已经受到关注 4 5 展 开了大量的研究 6 7 和开发探索 8 9 1 超临界循环流化床锅炉现状超临界循环流化床锅炉现状 为了开发超临界循环流化床燃烧技术 现在 世界各国包括中国均在进行不懈的努力 其中 进展最为突出的是福斯特惠勒 FW 公司 完成 了多台不同容量燃烧不同煤种的超临界循环流 化床锅炉的概念设计 2001 年 波兰 Lagisza 电厂该公司要建一台 460MWe 超临界燃煤直流锅炉 该项目建设中 对于采用低质量流速本生垂直管的煤粉燃烧和 循环流化床
7、燃烧进行比较 包括对投资和运行费 用 通过比较和评估 发现采用循环流化床燃烧 方案 无需对于煤粉炉必须安装的烟气脱硫装置 和选择性催化脱硝装置 电厂的总投资低 采用 循环流化床燃烧技术的电厂净效率和先进的烟 气冷却系统可比煤粉炉方案高 0 3 电厂的性 能更好 燃料的灵活性为电厂今后的发展带来了 有用的安全余地 最后选定了循环流化床燃烧方 案 2002 年底 FW 得到了这一目前世界上最大 的也是唯一的超临界循环流化床锅炉合同 预计 2007 年投入商业运行 Lagisza 的 460MWe 超临界循环流化床锅炉 设计中 采用本生技术 水冷壁质量流率选择在 400 和 700kg m2 s 之
8、间 从而使得蒸发受热面的 阻力在分配点和各个系统及分离器入口之间的 流动阻力在满负荷时仅为 0 27MPa 该设计的标志性结构是方形分离器及其下 面的整体式再循环热交换器 INTREX 紧凑设 计 锅炉从 35 负荷直至 100 负荷 26 5MPa 的 全压时按线性滑压方式运行 亚临界向超临界的 转折点大约在 75 负荷 设计中充分吸收了 Turow 的 4 6 炉的经验 采用两侧布置四个冷 却式方形分离器的布置 再热蒸汽调温主要通过 调节进入 INTREX 灰流量的比例以及尾部双烟 道调节挡板的位置来实现 分离器和 INTREX 均由膜式壁构成 它与炉膛一体紧凑式布置 工 质从四面墙的底部
9、进入炉膛 然后向上流动至布 置在炉膛顶部的出口联箱 炉膛底部水冷壁为光 滑管 以降低流动阻力 中间和上部水冷壁采用 内螺纹管 以防止在低负荷时处于亚临界条件 下 蒸汽质量流量较低产生传热危机 图 2 为 agisza 超临界循环流化床锅炉的设计布置 10 图 2 Lagisza 460MWe 超临界循环流化床锅炉 10 从汽水分离器出来的蒸汽 首先流经炉膛顶 棚的第一段过热器 然后依次进入作为支持管的 过热器和对流段过热器 I 过热器 II 位于固体床 料浓度低的上炉膛 其下端采取防磨保护措施 在过热器 II 以后 蒸汽进入构成过热器 III 的 8 个平行的固体床料分离器 该分离器为膜式壁
10、上面覆盖有薄层高导热系数的防磨耐火材料 过 热器 IV 为末级过热器 位于分离器下的 INTREX 中 INTREX 的两侧墙作为炉膛一部分 的 主蒸汽温度由两级喷水减温控制 再热蒸汽 温度通过蒸汽侧旁路进行调节 锅炉运行方式是 跟随汽轮机进行滑压运行 因此 在 75 低负 荷时 主蒸汽压力低于临界压力 但在高负荷时 锅炉在超临界压力下运行 根据设计计算 该 460MWe 超临界参数电 厂的供电效率在净出力为 430MWe 时为 43 3 由于超临界循环流化床锅炉的优势 法国电 力公司 EDF 非常看好这一技术 委托 FW 进行 600MWe 超临界直流锅炉的设计研究 主蒸汽参 数为 31MP
11、a 593 C 图 3 所示为该设计的立体 效果图 11 图 3 FW 为 EDF 设计的 600MWe 超临界 CFB 锅炉 11 3 对超临界循环流化床直流锅炉的分析表明 该技术的发展前景非常乐观 因此美国和欧洲相 继开展了更高参数的循环流化床直流锅炉的研 究开发 在美国的能源部资助下 FW 公司进行 参数分别为 1 400MWe 31 1Mpa 593 593oC 2 600MWe 31 1Mpa 593 593oC 3 600MWe 37 5MPa 700 700oC 的超超临界参数的循环流化 床锅炉研究开发 由来自芬兰 德国 希腊和西 班牙的六家公司合作研究 800MWe 30 9M
12、pa 604 621oC 图 4 所示为该 800MWe 超超临界 循环流化床锅炉的三维视图 12 图 4 800MWe30MPa 600 C 620 C 超超临界 CFB 锅炉 12 设计中采用 INTREX 共 12 个 其中 8 个 布置第三级和末级过热器 4 个布置末级再热 器 并对再热蒸汽温度进行调节 设计排烟温度 为 90 C 冷凝器采用 18 C 的海水作为循环水 从而使得该机组的循环效率达 45 Alstom ABB 的研究也比较早 4 7 13 但由 于没有落实工程 研究进展不大 国内辛健 刘 青 吴玉新 刘静等也进行了研究 2 3 8 9 14 得 到了一些有价值的结论 我
13、们国家高度重视超临界循环流化床锅炉 的发展 先后在两个国家科技攻关中资助相关的 前期研究 跟踪国际上的最新发展动态 在 2002 年的国家高技术研究发展计划 863 中 设立了 超临界循环流化床锅炉研究 2002AA529100 项目 由清华大学和哈尔滨锅炉厂共同承担 该 项目中 形成了 800MWe 超临界循环流化床锅 炉方案 2 9 围绕超临界循环流化床锅炉的若干 关键问题 展开了详细的研究 在此基础上 完 成了自主知识产权 600MWe 超临界循环流化床 锅炉设计 2 自主知识产权自主知识产权 600MWe 超临界超临界 CFB 锅炉简介锅炉简介 设计燃料为高硫劣质烟煤 采用石灰石炉内
14、脱硫 煤质和石灰石分析见表 1 表 1 设计煤种和石灰石 Table 1 coal and limestone property 项目 结果 碳 Car 45 50 氢 Har 6 55 氧 Oar 10 37 氮 Nar 0 46 元 素 分 析 硫 Sar 2 38 固定碳 FC 32 80 灰分 Aar 28 11 水分 Mar 6 63 挥发份 Var 33 54 煤 工 业 分 析 低位发热量 Qar net p MJ kg 22 86 碳酸钙 CCaCO3 94 20 质量含量 CMgCO3 2 80 质量含量 CH2O 0 00 惰性成分 Ainert 3 00 石 灰 石 石反
15、应性 优 为使汽轮机在各种负荷下的热应力较小 简 化启动过程 减少电厂能耗 改善电厂效率 600MWe 超临界循环流化床锅炉采用滑压运行 方式 锅炉在 75 以上负荷下为超临界压力运 行 其中 82 MCR 为定压运行 50 75 为滑 压运行 50 以下为定压运行 600MWe 超临界循环流化床锅炉的参数可 以是超临界 也可以是超超临界 见表 2 两种 参数下 锅炉结构基本相同 以下以 27 3MPa 604oC 604oC 参数为主进行介绍 炉膛下部采用双裤衩腿结构 六个绝热旋风 分离器位于炉膛左右 尾部双烟道 表 2 600MWe 循环流化床锅炉不同负荷下锅炉的蒸汽参数 蒸汽参数为 24
16、 2MPa 571oC 571oC 蒸汽参数为 27 3MPa 604oC 604oC 100 100 90 78 60 40 10010090 78 60 40 锅炉负荷率 B MCR T MCR B MCRT MCR 锅炉蒸发量 t h 1812 1586 6 1414 9 1146 4909 7601 318001582 3 1408 6 1140 8 903 8 599 2 过热蒸汽温度 oC 571 571 571571571571604604604 604 604 604 过热蒸汽压力 MPa 25 3 24 49 24 1822 3218 3213 4127 2726 4925 88 24 32 19 32 14 41 再热蒸汽流量 t h 1363 2 1320 9 1167 6974 6783 1394 81357 5 1315 3 1162 6 969 1 769 6 389 3 再热蒸汽进口温度 oC 348 345 342337335348344341339 333 331 344 再热蒸汽进口压力 MPa 4 9 4 75 4 233 132 822 394
