摘要摘要：在总结国内330MW和600MW循环流化床(circulating fluidized bed boiler，CFB)锅炉开发研制及工程经验基础上，进行了蒸汽温度为700℃的350MW超超临界CFB锅炉方案设计，并对工质流程及关键部件结构进行分析计算和设计研究。具有先进蒸汽参数的350MW超超临界CFB锅炉采用H型整体布置，4个蒸汽包覆式旋风分离器布置在炉膛两侧，配有相应的紧凑型气动均流换热床。锅炉水冷壁为低质量流速垂直管圈结构。双回路给煤系统可保证均匀可靠地向炉内送入燃料。
关键词700℃蒸汽温度;循环流化床锅炉;先进超超临界参数
0前言300 MW 级亚临界循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉目前国内已有 60 余台投入运行，我国首台自主研发的 600 MW 超临界 CFB锅炉 2013 年 4 月在四川白马循环流化床示范电站成功投入运行，各项性能指标良好。10 余台 350 MW 超临界 CFB 锅炉机组正处于建设阶段。在国外，波 兰瓦基莎(Lagisza)电厂的 460 MW 超临界 CFB 锅炉 机组 2009 年 6 月投入商业运行，该台世界首台超 临界 CFB 锅炉良好和稳定的运行性能，实现了将 CFB 锅炉的燃烧过程和本生垂直管圈直流锅炉技 术的成功结合[1-2]。继瓦基莎电厂 460 MW 超临界 CFB 锅炉机组之后，韩国 Smacheok 绿色电力项目 正在建设 4 台 550 MW(1 575/1 283 t/h，25.7/5.3 MPa， 603/603 ℃)超临界 CFB 锅炉机组 [3] 。近期法国 ALSTOM 还设计了蒸汽 参数为 27 MPa/600 ℃ / 620 ℃的 660 MW 超超临界 CFB 锅炉方案。CFB 锅 炉技术正在不断向大型化和超临界参数发展[4-13]。
采用更先进的蒸汽参数以提高供电效率和减少污染物的排放量，仍然是CFB锅炉继续研究的重要方向，CFB锅炉未来的发展目标是过热蒸汽温度和再热蒸汽温度达到700℃[5]。美国福斯特•惠勒公司对蒸汽温度为700℃/720℃的800MW超超临界CFB锅炉方案进行了研究，提出了800MW先进超超临界CFB锅炉技术方案。已有的研究表明，700℃先进超超临界机组的设计发电效率可达到50%甚至更高。[15-17]为此，中国华能集团清洁能源技术研究院(CERI)开展了蒸汽参数700℃的350MW先进超超临界CFB锅炉的研究工作，在已投运的330MW和600MWCFB锅炉设计制造及工程经验的基础上，对先进超超临界(AUSC)350MWCFB锅炉进行了设计研究，形成了蒸汽温度为700℃的350MW超超临界CFB锅炉技术方案，为后续的研究开发及工程示范奠定了技术基础。
1炉型方案
AUSC 350MW CFB锅炉的整体结构如图1，锅炉整体布置采用H型结构，即4个蒸汽包覆式旋风分离器分置于炉膛两侧，锅炉为超超临界参数变压运行垂直管圈直流炉，其主要设计参数见表1。
锅炉基本尺寸见表2，炉膛为单炉膛结构，炉膛底部为水冷布风板，布风板上布置环形稳流风帽，炉膛四周为一次上升垂直管圈水冷壁，采用低质量流速技术，材料为12Cr1MoV，水冷壁参数见表3，炉膛高度56m，截面积242m2，截面热负荷设计值为3.3MW/m2。炉膛内与两侧墙垂直布置10片屏式过热器。
锅炉炉膛下部为大锥段结构，锥段高度9.5m。锥段四周水冷壁上敷设耐磨耐火材料。耐火防磨层与水冷壁交接面处的水冷壁采用具有防磨功能的勺形弯管结构，以避免下降边壁流在转向时对水冷壁的冲刷磨损。锥段四周开有二次风口共40个，分2层布置，两侧墙共8个循环灰回料口。由于CFB锅炉的炉膛出口温度较煤粉炉低，当蒸汽温度提高到700℃时，为保证有足够的传热温差，将炉膛出口设计温度提高至915℃。锅炉的旋风分离器内径8.2m，其壳体采用了图2所示的由膜式壁构成的蒸汽包覆式结构，为保证分离器有足够高的分离效率，其芯管为变截面锥台结构。
旋风分离器出灰口下部为立管，立管下部分别与4台紧凑型气动均流换热床(compactpneumaticuniform-flowheatexchanger，CHE)相连接。CHE通过气动控制原理将来自旋风分离器的循环灰分流成2部分，分别流入布置受热面的换热床和炉膛内。流入换热床的循环灰经低速流化换热后送回炉膛。CHE的结构如图3所示，CHE内的受热面结构见图4。CHE内循环灰与受热面的传热系数约为炉内屏式受热面的2倍以上，因此当高温级受热面布置在CHE内时，可减少镍基合金材料的用量约50%。在已运行的江西分宜发电厂330MWCFB锅炉上进行的专项试验表明，当换热床床温在770℃时，其热力性能是稳定的，这一温度水平可以满足蒸汽温度700℃时受热面传热所需要的传热温差[17]。
锅炉炉膛、CHE及尾部烟道内热量分配如图5所示。当锅炉负荷减小时，整个炉膛及CHE的吸热量下降，但由于流经CHE内的灰流量可以调节，因此可使炉膛温度在变负荷过程中维持在最佳燃烧和脱硫温度范围内。
合理分配CHE的热量可在锅炉变负荷时维持受热面传热所需要的传热温差。江西分宜发电厂330MWCFB锅炉的运行特性表明，CHE的传热温差得益于如图6所示的循环灰温度随锅炉变负荷时平缓的变化特性，即锅炉负荷降低时，仍能维持循环灰具有较高的温度水平。在70%锅炉负荷时，循环灰温度为885℃，该温度即为CHE换热室入口的灰的温度，换热室的受热面设计成工质为逆流方式布置时，工质的高温端对应于灰的高温端，因此，即使高温再热器工质出口温度设计值为723℃时，仍然有162℃的传热温差。工程实践表明，在设计时适当提高进入CHE的循环灰的流量份额，也是提高CHE床内温度水平和传热温差的重要技术措施。国家“十二五”科技支撑计划课题“CFB锅炉燃用难燃煤种的研究”已进行的研究表明，将炉膛出口温度提高到950℃以上而形成高温型CFB锅炉燃烧方式时，不但可提高燃烧效率，同时高温过热器及高温再热器的受热面布置更具灵活性，既可布置在CHE内，也可布置在炉膛内[18]。
AUSC 350MW CFB 锅炉尾部烟道出口设有一台四分仓回转式空气预热器。2汽水系统AUSC 350MWCFB锅炉汽水系统见图7，锅炉共布置有四级过热器。I级过热器布置在尾部烟道，II级过热器布置在炉膛内，III、IV级过热器布置在CHE内，过热器系统设有三级喷水减温器。
再热器系统分三级布置，设有一级事故喷水减温器。I级再热器布置在尾部烟道内，其管径为d57mmX6mm，材料为15CrMoG。II、III级再热器布置CHE内，管径d63.5mm 7.3mm，材料为TP347HFG和In617。虽然镍基合金In617材料的高温性能(高温强度、耐烟气腐蚀性、抗蒸汽氧化性等)仍在研究和验证阶段，700℃超超临界锅炉高温受热面的材料选择尚属技术难题有待解决[19-23]，但可以肯定的是，由于CHE内无燃烧过程，可不必考虑烟气高温腐蚀问题，因此和正在研究开发的700℃超超临界煤粉锅炉相比，相对减小了高温级受热面管材选择和国产化研制的技术难度。
AUSC 350MWCFB 锅炉所选用的受热面材料见表4。
CHE的出口蒸汽联箱布置在约23m标高处，典型的汽轮机基础高度是12m，二者的高差仅11m，如将汽轮机平台标高提高至CHE的出口蒸汽联箱标高，则还可再减小过热蒸汽及再热蒸汽管道长度约11m，最终可将锅炉和汽机之间的蒸汽管道长度控制在38m以内，以最大程度减少昂贵的镍基合金材料的用量，降低机组造价[9]。3锅炉辅助系统3.1点火系统点火系统采用床上及床下联合点火启动方式，其系统及布置方式如图8所示。点火系统总的热功率24%BMCR，床下设置4台风道燃烧器，热功率为4X3%BMCR;床上设置6个启动燃烧器作为辅助点火装置，热功率为6X2.0%BMCR，布置在两侧墙上，距布风板高度2.5m。
3.2 起动系统锅炉起动系统见图 9，为带有再循环泵的内置 式起动系统。锅炉炉前沿宽度方向垂直布置 2 台 d 610 mm *85 mm 的立式汽水分离器，水冷壁流出的 工质经 12 根引入管以 15°倾角沿圆周切向引入启 动分离器。当机组启动，锅炉负荷低于最低直流负 荷 30% BMCR 时，蒸发受热面出口的介质经过汽 水分离器进行汽水分离，蒸汽从汽水分离器上部管 接头进入旋风分离器入口烟道壳体的联箱，而水通 过汽水分离器下部管道流至贮水箱。3.3给煤系统AUSC 350MWCFB锅炉炉前共布置4个圆形煤仓，配置了4台刮板给煤机。每侧有2台给煤机，即双回路给煤系统，锅炉共有8个给煤点，给煤口设在CHE的回料斜管上，并设有密封用的环风管，煤和循环灰通过回料斜管流入炉内，如图10所示。
3.4冷渣器
AUSC 350MWCFB锅炉共设6台膜式壁滚筒冷渣器，每台膜式壁滚筒冷渣器出力为25t/h。冷渣器长度10.5m，筒体直径2m，布置在锅炉的左侧，如图11所示。冷渣器采用凝结水将灰渣冷却至150℃以下，冷却水在膜式壁滚筒冷渣器内与底渣换热后，返回热力系统使热量得到回收。冷却后的灰渣经链斗式输渣机及提升斗输送至底渣仓。
4结论蒸汽参数700℃的350MW先进超超临界CFB锅炉的技术方案，采用紧凑型气动换热床具有较大优越性，其高效传热的特点可大幅减小高温级受热面面积和重量，并将蒸汽出口联箱标高降低至23m标高，使锅炉和汽机之间的蒸汽连接管道可缩短至38m以内，节省镍基合金材料的用量，降低机组造价。该技术方案具有较高的技术和经济优势，可为未来先进超超临界CFB锅炉的开发研制及工程应用奠定技术基础。
原标题：循环流化床发电
