我國自上世紀(jì)90年代引進(jìn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組技術(shù)以來，超臨界機(jī)組已得到了越來越廣泛的認(rèn)可和使用，因此在設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行等方面也積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗。同時由丁各個電廠選用的煤種以及電廠所處地域的環(huán)境特點各有不同，在具體的設(shè)備選型過程中又都存在著不同的要求。下面以新疆準(zhǔn)東2×350MW超臨界在建機(jī)組為例，具體分析有關(guān)設(shè)備選型中的一些方法和問題。
一、鍋爐的燃料特性及參數(shù)
    神華新疆準(zhǔn)東電廠一期為東方鍋爐廠引進(jìn)BHK公司技術(shù)設(shè)計生產(chǎn)的2×350MW超臨界間接空冷燃煤發(fā)電機(jī)組，配兩臺超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉布置、全鋼構(gòu)架、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)的Ⅱ型單爐膛直流鍋爐。表1為鍋爐的主要設(shè)計參數(shù)。
    煤種采用采用新疆準(zhǔn)東煤田西部礦區(qū)五彩灣井田的煙煤，煤質(zhì)分析如表2。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
二、鍋爐機(jī)組的設(shè)備選型與分析
    1．制粉系統(tǒng)。準(zhǔn)東電廠一期工程中制粉系統(tǒng)采用帶MPS磨煤機(jī)冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式系統(tǒng)設(shè)計，每臺爐配備5臺磨煤機(jī)，其中一臺備用。
    在正壓直吹制粉系統(tǒng)中，一般電廠有選用中速磨煤機(jī)的，也有選用雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的，該工程選用設(shè)計煤種HCl=102．可磨性指數(shù)較大，屬于易磨煤的范圍，且由于電廠屬坑口電站，燃煤供應(yīng)較為穩(wěn)定，故MPS中速磨煤機(jī)可以滿足煤粉細(xì)度的要求。
    此外，在煤粉細(xì)度可以保證的前提下，該工程選用MPS中速磨較雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)而言，投資成本和運行成本而言都相對較低。一方面，從制粉電耗來說，中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的電耗一般為(8-9)Kw．h，噸煤，而雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的直吹式制粉系統(tǒng)的電耗較高，一般為(14-17) Kw．h，噸煤，因此從運行成本來講，中速磨煤機(jī)更為經(jīng)濟(jì)；另一方面，從初投資來說，中速磨煤機(jī)的直吹式制粉系統(tǒng)中輔助設(shè)備數(shù)量較少，而雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的直吹式制粉系統(tǒng)輔助設(shè)備數(shù)量繁多，特別不同于其他磨煤機(jī)的是單臺雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)要配備兩臺原煤倉，兩臺給煤機(jī)，所以從初投資的角度考慮中速磨煤機(jī)的正壓直吹式制粉系統(tǒng)投資相對較低。
    2．燃燒系統(tǒng)。燃燒設(shè)備是鍋爐中最關(guān)鍵的設(shè)備，其性能優(yōu)劣不僅關(guān)系到爐內(nèi)能否組織良好燃燒、低負(fù)荷能否達(dá)到穩(wěn)燃的問題，同時也關(guān)系到能否有效降低NOx排放量的問題。該工程選用的煤種為新疆準(zhǔn)東煤田西部礦區(qū)五彩灣井田的煙煤，燃燒器采用最新型低NOx旋流燃燒器，燃燒方式采用前后墻對沖燃燒方式。燃燒器初步設(shè)計參數(shù)見表3，
    每組燃燒器總高度為7.77m（不含燃盡風(fēng)），燃燒器數(shù)量為4x5（布置l層微油油槍和l層常規(guī)油槍）。常規(guī)油槍單只出力約1500 kg/h微油點火的單只油槍出力不大于100 kg/h。
    對于東方鍋爐廠設(shè)計的超臨界機(jī)組，所采用的最新型低NOx旋流燃燒器一方面具有煤粉燃燒溫度和煤種適應(yīng)好的特點，另一方面同時降低了NOx的排放量。其主要工作原理是在一次風(fēng)管內(nèi)裝置煤粉濃縮器，煤粉濃縮器使煤粉氣流產(chǎn)生徑向分離，濃煤粉氣流從一次風(fēng)管圓周外側(cè)經(jīng)過一次風(fēng)管出口處的穩(wěn)焰齒環(huán)進(jìn)入環(huán)形回流區(qū)著火燃燒；淡煤粉氣流從一次風(fēng)管中心區(qū)域噴入爐內(nèi)，并進(jìn)入內(nèi)回流區(qū)著火燃燒。同時將傳統(tǒng)的二次風(fēng)分為兩部分：內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，這兩股風(fēng)均布置有各自的調(diào)風(fēng)器，以便于在運行調(diào)整風(fēng)量和旋流強(qiáng)度。
    低NOx旋流燃燒器采用“火焰內(nèi)NOx還原”的思想，實現(xiàn)了單噴口分級燃燒，在不降低火焰溫度的同時使得NOx的排放急劇減少；同時整個爐膛內(nèi)燃盡風(fēng)占近20%的總風(fēng)量的設(shè)置，將整個爐膛分為燃燒器區(qū)、還原區(qū)、燃盡區(qū)，組織了全爐膛的分級燃燒，在這兩方面的共同作用下使得NOx排放的減少和未燃燼碳損失的增加這一矛盾得到了很好的解決，既可以達(dá)到高效率燃燒，同時又實現(xiàn)了低NOx排放。
    對于煤粉鍋爐而言，煤粉和燃燒空氣由燃燒器給入，風(fēng)粉氣流的燃燒是在爐膛內(nèi)的流動過程中完成的。爐內(nèi)的燃燒過程相當(dāng)復(fù)雜，從而使得爐膛布置、燃燒器結(jié)構(gòu)以及燃燒過程間的關(guān)系更為復(fù)雜，同時還需要考慮燃料燃燒特性和灰分特性等問題。該工程中選用的煤種特點是揮發(fā)分高，水分大，具有一定的結(jié)渣傾向，綜合考慮以上因素并參考其他投運的超臨界機(jī)組，最終確定了爐膛的尺寸，爐膛寬15101.2mm，深13678.8mm，高58000，在設(shè)計煤種B-MCR工況下，其截面熱負(fù)荷為4.47 MW/m2，容積熱負(fù)荷為86.80 kW/m3，燃燒器區(qū)域面積熱負(fù)荷為1.49 MW/m2。
3．水冷壁系統(tǒng)。該工程水冷壁結(jié)構(gòu)采用全焊接的膜式水冷壁，分為上下2部分，內(nèi)螺紋管螺旋管圈位于爐膛下部組成膜式水冷壁，圍繞爐膛螺旋上升，從而使得在爐膛中的吸熱量比較均勻，爐膛內(nèi)熱負(fù)荷沿高度、深度和寬度的分布不均勻?qū)�管壁的熱偏差問題基本影響不大，爐膛上部通過中間過渡段水冷壁轉(zhuǎn)換成垂直上升管，可保證必要的工質(zhì)流速和受熱均勻性，特別適用于變壓運行。具體參數(shù)如表4。
    超臨界機(jī)組螺旋管圈水冷壁較垂直管圈水冷壁可以更容易地滿足變壓運行的要求。由于管子根數(shù)少，采用了較高的質(zhì)量流速，在所有的負(fù)荷范圍內(nèi)均能保證管壁溫度不超過允許溫度，并且在壓力較低時水動力也十分穩(wěn)定。同時由于水冷壁管圈繞爐膛周界盤旋上升，各根管子受熱較均勻，使得水冷壁出口溫度偏差小，下部螺旋管圈采用內(nèi)螺紋管，提高了水冷壁安全裕度，不需在水冷壁入口處加設(shè)節(jié)流圈。
    此外水冷壁布置和燃燒設(shè)備的選型二者并不是孤立的。燃燒對水冷壁工質(zhì)吸熱有影響、水冷壁的布置反過來又會對燃燒設(shè)備的安裝及正常運行產(chǎn)生影響，對于螺旋管罔型水冷壁選擇旋流燃燒器較直流燃燒器更易于設(shè)備的布置和安裝。
    4．過熱器、再熱器系統(tǒng)。過熱器采用3級布置，即低溫過熱器、屏式過熱器和末級過熱器；再熱器為兩級布置，即低溫再熱器和末級再熱器。具體參數(shù)如表5、6所示
    過熱器配置二級噴水減溫裝置，且左右能分別調(diào)節(jié)。一級噴
水減溫的位置在后屏過熱器前，二級噴水減溫位于高溫過熱器前。再熱器主要采用擋板調(diào)溫。正常工況再熱蒸汽不采用噴水減溫，事故上況下減溫器的噴水量約3%再熱蒸汽流量。
    5．鍋爐啟動系統(tǒng)。超臨界鍋爐的啟動系統(tǒng)與汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)統(tǒng)稱為啟動旁路系統(tǒng)，系統(tǒng)匹配的好壞是鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)啟停、低負(fù)荷運行的重要保證。直流鍋爐在啟動過程中必須保持最低的循環(huán)水流量，使水冷壁內(nèi)有足夠的水流量冷卻水冷壁。由于啟動初期燃料量投入的少，進(jìn)入鍋爐的水不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝�，采用�?nèi)置分離器進(jìn)行汽水分離，并由相應(yīng)管路組成啟動系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時在啟動前可作為循環(huán)清洗的回路，并在啟動過程中回收工質(zhì)和熱量。內(nèi)置式啟動分離器系統(tǒng)由于疏水回收系統(tǒng)不同，基本可分為擴(kuò)容器式、循環(huán)泵式和不帶循環(huán)泵式三種。
    該工程選用了帶擴(kuò)容器式啟動系統(tǒng)。啟動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表5。
    帶擴(kuò)容器式的啟動系統(tǒng)的熱量損失介于另兩種系統(tǒng)之間。它在啟動過程中，滿足除氧器參數(shù)時可以回收并利用大部分工質(zhì)和熱量，僅在儲水箱水位較高時有部分水排入凝汽器造成熱量損失，但工質(zhì)可以回收。該啟動系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于既可以帶基本負(fù)荷，也可以深度調(diào)峰。停爐過程中可以同收大部分熱量和全部工質(zhì)，且不用再循環(huán)泵，廠用電少，運行經(jīng)濟(jì)性較好。
    6．除渣系統(tǒng)
本工程的除渣系統(tǒng)采用的是風(fēng)冷式機(jī)械除渣系統(tǒng)，爐底除渣裝置采用風(fēng)冷式排渣機(jī)。風(fēng)冷式除渣系統(tǒng)在提高鍋爐熱效率、節(jié)約水資源、灰的綜合利用等方面具有非常明顯的優(yōu)勢。
    傳統(tǒng)的濕式排渣系統(tǒng)排渣直接落入水槽中，可燃物不能繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生機(jī)械不完全燃燒熱損失，而風(fēng)冷式排渣系統(tǒng)采用空氣冷卻熱渣，不會發(fā)生大渣和水粒化產(chǎn)生的爆炸現(xiàn)象，渣中未完全燃燒的炭在于式排渣機(jī)中再燃燒，燃燒后的熱量和熱渣中所含的熱量由冷卻風(fēng)帶入爐膛，減少熱量損失，從而提高了鍋爐的熱效率。此外風(fēng)冷式排渣系統(tǒng)采用自然風(fēng)冷卻熱渣，不需要水冷卻熱渣，可以大量地節(jié)約水資源，同時無廢水排放，不需設(shè)置水處理系統(tǒng)，可以節(jié)省占地面積和投資，利于環(huán)保。排出的干渣中氧化鈣等物質(zhì)未被破壞，可直接用作建筑材料，綜合利用率高。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
三、結(jié)論及建議
    1．準(zhǔn)東電廠350MW超臨界鍋爐設(shè)計理念較為新穎，技術(shù)先進(jìn)，綜合考慮了設(shè)計煤種水分大難著火、降低NOx排放量、減小總體電耗等多方面因素，可以為其他超臨界機(jī)組的建設(shè)提供借鑒和參考。
    2．以已投產(chǎn)的300MW、600MW超臨界鍋爐機(jī)組調(diào)試和生產(chǎn)的性能參數(shù)為依據(jù)，吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，通過精準(zhǔn)的設(shè)備選型為今后機(jī)組的運行和生產(chǎn)管理提供了較大的優(yōu)化空間。
    3．超臨界機(jī)組引進(jìn)我國已有相當(dāng)一段時間，但由于我國各地煤種、環(huán)境特點各有不同，因此在具體的設(shè)備選型過程中，不可照搬照抄，要根據(jù)各自的實際情況選擇相應(yīng)的設(shè)備，從而實現(xiàn)超臨界機(jī)組綜合效率的提升。