王 志
（华能玉环电厂，浙江省玉环县，317604）

摘 要：环境和能源是关系到我国21世纪可持续发展的重要战略问题，节约环保已成为全世界人民共同愿望和强烈呼声。锅炉行业为适应节约环保要求的日益提高，需要大力开展煤清洁燃烧和新发电技术的研究。为了提高能源利用效率，提高火力发电设备的可靠性、经济性和环保性，华能集团敢为人先，率先在我国发展超超临界百万千瓦机组，提高了机组热效率，降低了发电煤耗，大幅度减少了污染物的排放。本文重点介绍了玉环电厂超超临界百万千瓦机组直流锅炉的运行特点。
关键词：锅炉、超超临界、节约环保
1 锅炉概况
1.1玉环电厂超超临界锅炉型号为HG-2953/27.46-YM1，由哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三菱重工株式会社（Mitsuibishi Heavy Industries Co. Ltd）技术设计制造，采用П型布置、单炉膛、低NOx PM燃烧器和MACT燃烧技术，反向双切圆燃烧。锅炉采用一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，设计燃用神府东胜煤和晋北煤。
1.2锅炉炉膛断面尺寸为32084mm（宽）×15670mm（深），炉膛全高为65500mm，采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁，并在水冷壁集箱的出口管接头安装节流圈。
1.3采用MHI的PM型燃烧器和MACT燃烧系统，风粉混合物通过入口分离器分成浓淡两股分别通过浓相和淡相二只喷嘴进入炉膛，PM主燃烧器上方增设四层AA（附加风）喷嘴。PM型八角反向双切圆布置的摆动燃烧器，在热态运行中一、二次风均可上下摆动，最大倾角为±30°。
1.4过热器采用四级布置，即低温过热器（一级）、分隔屏过热器（二级）、屏式过热器（三级）和对流过热器（四级）；再热器为二级，即低温再热器（一级）和高温再热器（二级）。其中低温再热器和低温过热器分别布置于尾部烟道的前、后竖井中，均为逆流布置。在上炉膛、折焰角和水平烟道内分别布置了分隔屏过热器、屏式过热器、对流过热器和高温再热器，由于烟温较高均采用顺流布置，所有过热器、再热器和省煤器部件均采用顺列布置，以便于检修和密封，防止结渣和积灰。
1.5过热器各段进出口集箱间的连接采取按1/2炉宽混合并在汇集总管上设置三级喷水减温器，每级喷水又分成左右两路。再热蒸汽温度可采用烟气分配挡板和摆动燃烧器两种方式，入口集箱前设置有事故减温喷水，总设计流量为3.5% BMCR工况再热蒸汽流量。
1.6省煤器管束采用无缝光管顺列布置，管束与四周墙壁间装设防止烟气偏流的阻流板，管束上还设有可靠的防磨装置。省煤器为自疏水式，进口联箱上装有疏水、锅炉充水和酸洗的接管座，并带有相应的阀门。省煤器入口联箱（包括该联箱）至过热器出口的工质总压降不大于3.6 MPa。
1.7制粉系统采用中速磨正压直吹式系统，配备6台带动态分离器的HP1163/Dyn型磨煤机，BMCR工况下5台运行，1台备用。每台磨煤机出口有4根粉管，每根粉管分成两根分管连接至同层相邻的燃烧器，每台磨供1层共8只燃烧器。
1.8锅炉配有两台半模式、双密封、三分仓容克式空气预热器，立式布置，烟气与空气以逆流方式换热。预热器型号为34-VI（T）-1800-SMR，转子直径为Φ16400，传热元件总高度为1800mm。空气预热器采用径向、轴向和环向密封系统。为防止空气预热器低温腐蚀，设有热风再循环系统。
1.9锅炉设内置式启动系统，由启动循环泵、汽水分离器、贮水箱、疏水扩容器、疏水泵、水位控制阀、截止阀、管道及附件等组成。汽水分离器为圆形筒体结构，设计上除考虑汽水的有效分离，还考虑启动时汽水膨胀现象。
1.10锅炉除渣采用刮板捞渣机机械除渣装置，过渡渣井采用悬挂布置。过渡渣井下部插入捞渣机，水槽内的水封板采用不锈钢材料。
1.11锅炉性能计算数据表
表1：锅炉性能计算表（设计煤种：神府东胜煤）

1.12锅炉设计煤种和校核煤种分别为神府东胜煤和晋北煤，煤质分析数据如下：
表2：燃煤煤质分析

2 超超临界直流锅炉运行特点
2.1双切圆燃烧
锅炉采用三菱开发的PM（Pollution Minimum）型燃烧器，共分六层，配以六台HP型中速磨煤机，每台磨煤机出口四根一次粉管，每根一次粉管在炉前又一分为二，各带两个角。炉膛截面为矩形结构，采用无分隔墙的八角双切圆燃烧方式，全摆动式燃烧器。燃烧器采用前后墙布置，两个切圆余速相互抵消，保证了燃烧室良好的空气动力场，两侧对称点间的烟温偏差小于50℃。炉膛出口和水平烟道沿炉宽烟速偏差不大于20%。沿炉宽各管间热偏差系数小于1.2。由于水冷壁按炉膛热负荷分布装设不同节流孔圈控制流量，使每根水冷壁管吸热情况基本相同，出口工质温度偏差很小。燃烧器数量增加，单只燃烧器热功率低，有效地防止了炉膛结焦。

燃烧器分布 前墙
图1 ：炉膛双切圆示意图
2.2 PM型燃烧器低NOX、MACT燃烧特性
锅炉是目前应用最广泛的能源终端利用技术，也是大气中污染物排放的主要来源。燃烧过程中排放的污染物，如二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等都将会引起环境的变化。
华能玉环电厂1000MW超超临界锅炉采用了MHI的PM型燃烧器和MACT燃烧系统，有效抑制了氮氧化物(NOx)的产生。PM型的燃烧器见图2，风粉混合物通过入口分离器分成浓淡二股分别通过图2 PM燃烧器简图

浓相和淡相二只喷嘴进入炉膛，由图3可以看出浓相煤粉浓度高，所需着火热量少，利于着火和稳燃；由淡相补充后期所需的空气，利于煤粉的燃尽，同时浓淡燃烧均偏离了NOx生成量高的化学当量燃烧区，大大降低了NOx生成量，与传统的切向燃烧器相比，NOx生成量可显著降低。PM燃烧器由于将每层煤粉喷嘴分开成上下二组，增加了燃烧器区域高度，降低了燃烧器区域壁面热负荷，有利于防止高热负荷区结焦。

图3 PM燃烧器NOx生成量示意图

MACT燃烧系统，就是在PM主燃烧器上方一定高度增设二层AA风（附加风）喷嘴达到分层燃烧目的，这样整个炉膛沿高度分成三个燃烧区域，即下部为主燃烧区，中部为还原区，上部为燃尽区，这种MACT分层燃烧系统可使NOx生成量减少25%，MACT燃烧技术原理见图4。

图4 MACT燃烧技术原理图
由于在炉膛的主燃烧区燃料是缺氧燃烧，炉膛过量空气系数为0.85，但在燃烧器喷口附近，由于燃烧率较低，需要的氧量较少，因此在燃烧器喷口附近的区域内是氧化性气氛，这时燃料氮氧化后生成NOx，在炉膛中间的主燃烧区，空气量仅为燃烧理论空气量的0.85，因此燃烧的过程也是一个还原的过程，主燃区的化学反应过程如下：
N+ O2------›NO
CnHm+O2------›CO2+H2O
在燃烧器的上部通过OFA喷嘴加入部分空气，使进入炉膛的空气量达到理论燃烧空气量的水平，形成一个还原脱NOx区，此还原区的化学反应过程如下：
CnHm+O2------›CO+H2 +CnHm
NO+CnHm ------›NHi+N2+CnHm
在OFA喷口的上方，是AA风喷口，通过AA风喷口喷入炉膛的风量为总风量的15%，在此燃尽区内的化学反应过程如下：
CnHm+O2------›C O2+H2O
O2+CO+H2------›C O2+ H2O
NHi +O2 ------›NO +N2
根据三菱公司现已运行机组经验，采用三菱公司特有的MACT燃烧技术，烟气排放NOx含量实测值约为270~290mg/Nm3，满足我国环保标准。
2.3 锅炉蒸汽压力高，机组热耗率低
根据不同国家，不同厂商的测算，采用常规超临界参数的机组比亚临界参数的机组其净热耗率约可下降1.7～2.5%，而超超临界机组，根据不同的参数，将比常规超临界机组再下降0.7～5.5%。
由于超临界机组于压力高的原因，其低压缸的排汽湿度比同样进汽温度的亚临界机组要大，玉环电厂汽轮机应用了独特的抗水蚀和抗腐蚀技术。为了满足机组主蒸汽和再热蒸汽高压力的要求，玉环工程采用了美国材料试验标准P92的金属材料。这种材料焊接技术要求高、难度大，而且国内没有这种金属的材料标准和焊接工艺标准。华能公司组织有关科研机构、高校和供货商、施工单位联合攻关，破解一道道技术难题，在技术上保证了工程的顺利进行。
玉环电厂锅炉过热蒸汽压力27.46 MPa，对应汽机主汽压力为26.25MPa，再热蒸汽压力5.94 MPa，对应汽机中缸进汽压力为5.56MPa，机组热耗7316 kJ/kW.h，大大低于超临界和亚临界机组。
2.4锅炉蒸汽温度高，机组效率提高
根据《工程热力学》原理，热力循环过程中，热源参数越高，那么工质做功的效率也就越高，蒸汽温度的提高将大大提高机组的效率，下表列举了蒸汽温度升高10℃机组效率的提高情况
表3：蒸汽温度升高10℃机组效率变化表：

玉环电厂的过热蒸汽温度和再热汽温度分别为605℃和603℃，在这样高的温度下，高温过热器和再热器管的最高壁温可达到640~650℃，只有采用热强性高、抗蒸汽氧化和烟侧高温腐蚀的新型高铬奥氏体钢才能满足要求，锅炉的三级过热器和四级过热器的蛇形管（炉内部分）均由超级304H（ASME Code Case 2328）和HR3C（ASME Code Case 2115）组成，前者为含铜达3%的细晶粒奥氏体钢，即18Cr10Ni3Cu，后者为含铬达25%、含镍达20%并含有少量铌的高铬奥氏体钢，即25Cr20NiNb。蒸汽管道材质 P122/T122，P92/T92也是在国内首次使用，满足了高压、高温的要求，高材质的应用满足了锅炉过热蒸汽温度和再热汽温度高的要求，使机组热效率达到了45%，发电煤耗272g/kW.h，供电煤耗达到290.9 g/kW.h，达到国际先进水平，可大量节约煤炭资源。
2.5超超临界锅炉独特的配风方式
超超临界机组配备有较好的热工自控系统，具有良好的调节性能，其中MHI的风箱挡板控制别具特色。

2.5.1概述
风箱挡板由油风挡板、煤风挡板、相邻油和煤层燃烧器的辅助风挡板、过燃风挡板和附加风挡板组成。设置风箱挡板的目的就是使每个燃烧器获得合适的风/煤比。风箱挡板的基本控制方法叙述如下：
2.5.2 风箱挡板的配置及控制图，见图5：

图5：风箱挡板的配置及控制


2.6带启动循环泵的启动系统
对于直流锅炉来讲，在锅炉启动及直流负荷以下运行时，从水冷壁中出来的工质是单相的水或汽水混合物，因此为保证锅炉在启动及直流负荷以下的负荷运行时，能将汽水混合物分离并保证过热器中不进水，玉环电厂设置了带循环泵的启动系统满足直流锅炉的特殊要求。当机组的负荷高于其直流负荷时，启动系统串联在机组中呈干态运行，起到均衡蒸汽温度及流量的作用。启动系统示意图如下：

图6锅炉启动系统
采用带泵的启动系统的优点如下：在机组启动初期，可以很好的回收工质及热量，同时在机组冲洗过程中使用循环泵增加水冷壁内的工质流速，达到冲洗的效果，从而可以节省化水车间的制水能力。
3．结束语
由于煤炭在中国一次能源结构中的主导地位，决定了在电力生产中以煤电为主的格局在未来的几十年内不会改变。在燃煤发电技术中，超超临界锅炉的发电技术秉承了常规火电机组的特点，在技术的成熟性和大型化方面优于上述其它洁净燃煤发电技术，已成为目前国内外燃煤火电机组发展的主导方向。玉环4×100万千瓦高效洁净节约环保超超临界机组的成功长期稳定运营，是我国火力发电技术发展的又一个里程碑，对于积累超超临界机组的设计、建设、运行、管理经验，加速设备的国产化，降低机组造价，将具重要的意义。
玉环电厂的超超临界百万千瓦机组率先在国内投产，其经济指标将大大好于亚临界、超临界机组。我们将发挥大机组的优势，与国际先进电厂开展经济指标的对比工作，自我加压，寻找差距和不足，学习先进的管理理念和电力技术，永争国内最优，充分体现了华能敢为人先、敢为人所不能的精神。

参 考 文 献
1、玉环电厂超超临界锅炉技术资料，哈尔滨锅炉厂有限公司
2、沈邱农、柳惠龄等《超超临界火电机组技术选型研究》研究报告，2003.9
3、《玉环电厂锅炉性能考核报告》 西安热工院

作者简介：
王 志，男，1968年10月28日出生于辽宁锦州，1992年8月参加工作，热动、电气专业双学士学位，高级工程师职称。现工作于率先投产国内首台百万千瓦机组的华能玉环电厂，任锅炉主管。
1992年8月至2001年1月，从事火力发电厂的运行工作。2001年1月至2005年10月，从事国华绥中电厂800MW机组锅炉技术管理工作，负责超临界直流锅炉的安全与经济运行工作。在此期间，在锅炉技术领域中不断刻苦钻研，努力提高自己，解决了一个又一个超临界直流锅炉运行中所遇到的难题。2002年7月，被国华电力公司聘为厂级专业技术带头人。2005年7月，参加指导了国华太仓电厂的国产600MW机组直流锅炉的调试。目前从事四台百万千瓦机组超超临界直流锅炉的运行技术管理工作。