二次再热塔式炉再热蒸汽调温方案设计研究

　　摘要：针对国电宿迁电厂二次再热塔式锅炉特点，研究660MW超超临界二次再热塔式锅炉的再热器调温方式。通过分析二次再热锅炉再热器温度调节的难点，优化二次再热锅炉的结构及受热面设计，同时结合宿迁工程具有宽泛抽汽供热的需求，分析供热对再热器调温的影响。参考并对比国电泰州电厂二次再热锅炉的设计，提出适合工程实际的再热器调温方式。宿迁电厂在75%THA负荷以上运行时，通过燃烧器摆动及调节烟气挡板，再热蒸汽可达到额定汽温。在50%THA～75%THA负荷运行时，辅助以烟气再循环的调温方式以保证再热汽温达到额定值。烟气再循环采用抽取锅炉省煤器后的烟气。再热器调温方案的设计为同类型的二次再热机组提供参考和借鉴。

　　关键词：塔式锅炉;抽汽;供热;二次再热;调温方式;烟气挡板;烟气再循环

　　电力论文投稿刊物：《热力发电》杂志由中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司联组的西安热工研究院有限公司与中国电机工程学会主办，为国家热能动力科学技术专业刊物，中国发电技术重要刊物，主要报道国内热能动力科学技术的基础研究和热力发电(火力、核能、地热及其它可再生能源发电)技术的开发利用，包括：化石燃料及其清洁燃烧、热力设备及热力系统、电站辅机、电站自动控制、电厂化学、电厂金属材料、电力环境保护及综合利用等。

　　0引言

　　近年来，超超临界二次再热锅炉已成为国内重点发展的产品。二次再热机组不但可使电站机组获得较高的经济性，而且具有较好的环保效果，是一种成熟、高效、低污染的燃煤发电技术[1]。国电宿迁电厂二期工程二次再热机组采用31.0MPa/600℃/620℃/620℃的参数，机组的热效率可提高约2%，煤耗可显著降低。由于锅炉增加一级再热器，二次再热锅炉的再热器蒸汽温度控制调节相对复杂。国内已经有文献对塔式锅炉二次再热汽温的调节进行了研究[2-6]。

　　国电宿迁电厂二期的二次再热机组要求对外供热，宽泛的抽汽供热对高参数、大容量机组的安全性、经济性产生一定影响[7-9]，使得二次再热锅炉的再热器温度调节更趋复杂化。因此结合宿迁工程宽泛的抽汽供热需求，分析研究抽汽供热与二次再热锅炉再热器受热面的布置、基准点的关系，以及不同抽汽负荷对二次再热温度控制的影响，是工程设计的关键，是保证机组能够可靠、高效运行的前提。本文旨在研究宽泛抽汽供热需求下，高效宽负荷二次再热锅炉运行的再热器调温方案。

　　1机组条件

　　国电宿迁电厂二期为2×660MW的大容量、高参数的超超临界二次再热机组，锅炉主要参数见表1。机组建成后替代原超高压2×135MW机组对外供热，供热的热负荷为：额定供热压力：1.5MPa额定供热温度：350℃额定供热流量：156t/h单台机组额定供汽量按156t/h考虑，全厂机组具备312t/h最大对外供汽能力。

　　2再热蒸汽温度控制难点

　　二次再热机组相对一次再热机组在系统结构与蒸汽参数上都发生了巨大的变化，因此对二次再热机组汽温系统的控制和调节提出更高的要求。尤其国电宿迁工程，机组的抽汽供热使得再热蒸汽流量变化较大，二次再热锅炉汽温调节更具有复杂性。1)二次再热增加了一套再热系统。相比一次再热锅炉，各个热力系统的蓄热能力和比例发生较大的改变，各个子系统之间的耦合性更强[10]。因此二次再热锅炉各受热面的设计和布置难度增加了，同时整个汽温系统控制的难度增加，机组协调控制的更具复杂性。2)二次再热机组的一次再热与二次再热汽温达到或超过了620℃，减小了蒸汽温度控制的裕度，为保证锅炉受热面材料的安全，蒸汽温度的控制要求更高。3)一次再热蒸汽和二次再热蒸汽的流量随供热负荷的影响而变化，供热负荷的变化影响锅炉各个子系统的吸热比例，增加了再热蒸汽温度调节控制的复杂性，且要求再热蒸汽的温度调节不能降低机组运行的热经济性。

　　3塔式锅炉二次再热的调温方式

　　宿迁工程采用塔式锅炉，根据塔式锅炉的受热面布置特点，塔式锅炉再热蒸汽常采用的汽温调节方法主要有：摆动喷燃器、烟气挡板、烟气再循环，以及喷水减温等。

　　3.1摆动燃烧器

　　摆动燃烧器调温主要是改变火焰中心位置，使炉膛中火焰位置抬高或降低，从而改变热量在炉膛、过热器和再热器之间的分配。燃烧器摆动可以控制由于负荷变化引起的炉膛出口烟温变化，补偿积灰对水冷壁吸热变化的影响。具有调温幅度大、调节灵敏、设备简单的特点[11]。

　　3.2烟气挡板调温

　　塔式锅炉尾部烟道分隔成两个并联的烟道，在主烟道中布置再热器。调节烟气挡板，可以改变流经两个烟道的烟气分配比例，从而调节一次再热和二次再热的汽温。烟气挡板作为平衡一次再热和二次再热的调节手段。烟气挡板调温结构简单、操作方便，在调节再热汽温时对炉膛的燃烧工况影响较小，且调节幅度较大。其缺点是汽温调节的延迟时间太大，挡板的开度与汽温变化不成线性关系，调温反应时间较长。

　　3.3烟气再循环调温

　　烟气再循环是将一部分冷烟气(通常是省煤器与空预器之间温度为250℃～350℃的烟气)通过再循环风机送入炉膛，改变辐射受热面与对流受热面的吸热量比例，烟气再循环的主要优点是可以降低炉膛热负荷，防止蒸发系统的膜态沸腾和抑制NOx的形成。主要缺点是要增加再循环风机，使厂用电及维护费用增加，还会使排烟热损失有所增加，略微降低锅炉热效率。

　　3.4喷水减温

　　再热器调温一般不宜采用喷水减温作为正常的汽温调节措施，因为喷入再热器中的减温水要变为中压蒸汽在汽轮机的中、低压缸做功，增加了汽轮机中、低压缸的发电份额，在机组相同的功率下减少了高压缸的做功份额，这种调节方式降低了机组整体的循环热效率。

　　4工程调温方案的确定

　　4.1锅炉受热面布置及优化

　　二次再热机组由于拥有两级再热蒸汽，与一次再热相比再热蒸汽的做功能力增强，超超临界二次再热机组锅炉的给水温度、蒸汽吸热比例等发生较大的变化，这对二次再热锅炉的设计提出挑战。二次再热锅炉再热器级数和再热器吸热量增加，再热蒸汽吸收热量所占比例也相应增加。常规660MW一次再热锅炉，省煤器和水冷壁的总吸热为过热器、再热器总吸热量的54%左右。

　　而二次再热超超临界锅炉，省煤器和水冷壁的吸热量仅为锅炉蒸汽侧总吸热量的40%左右，二次再热的辐射吸热明显减少[12]。水冷壁的吸热主要为炉膛辐射换热，过热器、再热器的吸热主要为对流换热。因此合理布置相应的辐射及对流受热面来满足各级受热面吸热量要求是一个难点。锅炉辐射、对流受热面吸热与二次再热汽水吸热需求相匹配是解决二次再热锅炉再热器温度欠温的关键。锅炉设计上需从炉膛的尺寸和受热面的优化布置两方面着手。

　　4.1.1减小炉膛尺寸

　　对于二次再热锅炉，锅炉设计上需尽量提高屏底烟温和增加对流受热面的烟气量，从而增加锅炉的对流换热量和换热比例。减小炉膛尺寸、降低炉膛吸热量能有效减少炉膛的辐射换热。受煤质变换以及结焦的影响，炉膛断面不能太小，做太大变动不现实。宿迁工程在设计优化中炉膛高度减小3m，在充分燃尽的情况下选取相对合理的高度，防止炉膛结渣的同时使整个炉膛辐射吸热相对减少，增加再热器对流吸热，使得锅炉受热面设计更符合二次再热的吸热比例要求。

　　4.1.2增加再热器辐射受热

　　锅炉厂在受热面的布置中将高温再热器的部分冷段受热面提到低温过热器屏之后。作此变动可提高再热器的辐射特性，当锅炉燃烧器摆动时，火焰中心位置向上或向下移动改变炉膛吸热量，使得屏底烟气温度发生变化，能有效调节再热器汽温。

　　4.2抽汽供热对锅炉再热汽温调节的影响

　　国电宿迁工程具有抽汽供热需求，抽取点为一次低温再热器出口蒸汽。综合考虑供热、二次再热调温以及锅炉宽负荷运行的需求，锅炉受热面设计基点为75%汽轮机热耗率保证工况(turbineheat-acceptance,THA)负荷时，一次低温再热器出口抽汽100t/h的工况。尽管宿迁工程的二次再热汽温为620℃，比泰州工程高10℃，但在设计基准点下，宿迁工程再热蒸汽吸热比例相对下降，相比泰州工程再热器吸热比例降低2.4%。

　　可见，宿迁工程供热抽汽后，一次再热器和二次再热器蒸汽流量降低，减少了对流受热面的吸热比例，有利于再热蒸汽的汽温调节，减少再热器欠温。此外，在不同的抽汽工况下，一次再热蒸汽和二次再热蒸汽的蒸汽量有较大变化，导致两个烟道内再热器的吸热比例不断发生变化，需要调节烟气挡板来调节两个烟道的烟气量，进而调整吸热量。烟气挡板调节具有延迟性和非线性的特点，因此对一次再热汽温和二次再热汽温的精准控制提出更高的要求。

　　4.3再热器调温方案设计

　　在充分理解锅炉设计理念以及研究抽汽供热对锅炉再热器温度控制影响的基础上，提出宿迁工程的再热器调温方案为：以燃烧器摆动调节为主，烟气挡板调节作为一次再热和二次再热平衡手段，低负荷下采用烟气再循环方式调节，事故或紧急工况下考虑喷水减温。在75%THA负荷以上，通过燃烧器摆动及挡板调温可使两次再热蒸汽均达到额定再热汽温。由于宿迁工程抽汽量变化较大，一次和二次再热蒸汽流量随抽汽量的变化有较大的变动，为了能在各个抽汽工况下调节再热汽温，宿迁工程在50%THA～75%THA负荷辅助以烟气再循环的调温方式以保证再热汽温达到额定值。

　　4.4烟气再循环方案设计

　　烟气再循环能够降低炉膛的辐射换热量，改变锅炉辐射与对流受热面的吸热量比例，达到调节汽温的目的[13-15]。炉膛温度随再循环烟气量增加而降低，使辐射吸热量减少，但炉膛出口烟气温度变化不大。而对流受热面的吸热量却随烟气量增加而增加。考虑二次再热机组的目的主要是为了提高机组效率，引风机后抽取再循环烟气的方案调节效果较差，且会严重影响机组效率。宿迁工程烟气再循环采用方案一，抽取省煤器后烟气的方式，省煤器后烟气温度300℃～380℃，热量较高，对炉膛出口烟温影响小，调节效果好;循环烟气在锅炉界限内部，不影响空预器出口烟温，不影响锅炉效率;但在除尘器上游，循环烟气带尘，再循环风机容易磨损，影响可用率;抽烟气口负压高于烟气送入口，可能发生高温烟气回灌，烧毁烟道。

　　5结论

　　对于二次再热锅炉调温方式，在锅炉设计上降低炉膛高度以尽量较少炉膛的辐射换热量，同时将部分再热器受热面布置在辐射换热区，提高了燃烧器摆动的调节效果。宽泛的抽汽供热对锅炉调温带来一定影响，抽汽供热使得再热蒸汽流量减少，有利于再热器受热面的布置和温度调节。宿迁工程的再热器调温方案设计为以燃烧器摆动调节为主，低负荷下采用烟气再循环方式调节，烟气挡板调节作为平衡手段，事故或紧急工况下考虑喷水减温。由于抽汽工况变化大，为满足低负荷各种抽汽工况下，锅炉再热器温度不超温，不欠温，在50%THA～75%THA负荷辅助以烟气再循环的调温方式。烟气再循环采用抽取锅炉省煤器后的烟气。

　　参考文献：

　　[1]朱军.1000MW二次再热超超临界机组技术特点及经济性[J].电力勘测设计，2013(6)：24-29.

　　[2]王月明，牟春华，姚明宇，等.二次再热技术发展与应用现状[J].热力发电，2017，46(8)：1-10.

　　[3]高昊天，范浩杰，董建聪，等.超超临界二次再热机组的发展[J].锅炉技术，2014，45(4)：1-3.

　　[4]殷亚宁.二次再热超超临界机组应用现状及发展[J].电站系统工程，2013，29(2)：37-38.