摘 要： 700℃蒸汽参数超超临界火电技术作为下一代超超临界发电技术，可以得到较高的供电效率。对于煤炭资源的节约、发电机组的经济性以及环境改善，都显示了相当的优越性。发展700℃超超临界火电技术，可以大量替换国内的小型机组，有效节约资源，并改善小型机组污染严重的问题。提出了700℃超超临界锅炉整体设计方案，提出针对性解决措施，为后续工程持续优化提升做好技术储备。
关键词: 700°C等级;超超临界;锅炉;总体方案;偏差控制;
Abstract： The next generation of ultra supercritical power generation technology, 700℃steam parameter ultra supercritical thermal power technology can obtain higher power supply efficiency. For the saving of coal resources, the economy of generating units and the improvement of environment, it shows considerable advantages. The development of 700℃ ultra supercritical thermal power technology can replace a large number of domestic small units. It can effectively save resources and improve the serious pollution of small units. The overall design scheme of 700℃ ultra supercritical boiler and targeted solutions is puts forward, so as to make technical reserves for the continuous optimization and upgrading of subsequent projects.
Keyword： 700℃ grade; ultra-supercritical; boiler; overall scheme; deviation control;
近年来，我国大量自主研发620℃高效超超临界及二次再热机组已成功投产运行，使我国高参数火电技术达到了世界先进水平。欧洲、日本和美国等国家已将下一步的发展目标定位与蒸汽参数达到700℃及以上的更先进的超超临界机组，并制定了相应的发展计划。为提高我国火电机组技术水平，形成从材料到火电机组成套技术的自主知识产权，国家能源局在2010年组织成立了“国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”，遇到700℃高温镍基材料研发困难和700℃超超临界机组性价比的问题，700℃超超临界机组的建设和投运将会处在一个较长的时期。
发展700℃高参数超超临界燃煤空冷机组不仅有利于提高机组热效率，降低发电煤耗，缓解今后煤炭供应日趋紧张的局势，同时也是减少有害气体SO2和NOx等排放的重要途径。研发更高参数超超临界机组将使我国的大容量超超临界火电技术实现跨越式发展，为700℃超超临界锅炉用新型耐热材料的全面应用和国产化提供技术依据，实现高层次的产业升级。同时该技术可以使低煤耗、低排放、高效燃烧的大容量超超临界火电锅炉大规模进入我国燃煤发电行业，为我国节能降耗、建设节约型社会做出实质性贡献。
1、 700℃等级锅炉总体方案设计
本方案是超超临界参数变压运行直流炉，炉膛采用熔焊膜式水冷壁壁，正方形断面，炉膛断面尺寸为18047.3 mm×18047.3 mm。采用切圆燃烧方式，一次中间再热。锅炉总图如图1所示。过热器三级布置，再热器两级布置，其中末级再热器和低温再热器之间设有事故减温器，在锅炉正常运行时通过尾部烟气调节挡板调节再热蒸汽汽温，再热汽温控制范围从50%BMCR～100%BMCR。喷水减温仅用作事故减温，但在锅炉负荷快速变化时，也可用于精确快速地控制汽温。当锅炉负荷稳定后再热器喷水量应恢复到零。
2 、锅炉关键技术难点分析及应对措施
2.1 、燃烧系统开发及炉内空气动力场的研究
在700℃等级机组中，传承多种调温方式的优化耦合汽温控制策略；采用全炉膛热态数值模拟，深度耦合蒸汽侧与烟气侧偏差控制技术；与优化烟气再循环系统相耦合的新型低NOx燃烧技术。
2.1.1、 燃烧系统开发
完成了700℃超超临界锅炉的制粉系统、燃烧器的布置的总体方案，初步确定了制粉系统和燃烧系统的关键参数，拟采用四角切圆结构，摆动式燃烧器，并采用了水平浓淡燃烧器与（SOFA）分离式燃尽风相结合的低NOx技术。
图1 锅炉总图
2.1.2 、炉内空气动力场的研究
完成了700℃超超临界燃煤锅炉的制粉系统、燃烧器的布置的总体方案，初步确定了制粉系统和燃烧系统的关键参数，完成锅炉额定负荷燃用设计煤种时不同一次风率下燃烧器的初步方案设计计算以及燃校核煤种时的初步校核计算。根据700℃锅炉初步设计，开展了全炉膛数值模拟工作，探究炉内燃烧特性、温度分布、速度分布以及燃尽效果的影响规律，同时研究了一次风率、主燃区二次风配风方式对炉内燃烧特性的影响规律。
研究表明：燃尽风率增加会使主燃区温度水平降低，燃尽区及其以上区域的温度水平有所提高，同时使得主燃区氧气浓度水平降低、CO浓度增大，炉膛出口NO的排放降低，焦炭燃尽情况变差，综合考虑建议选取26.7%的燃尽风率；不同燃尽风位置下炉内温度和焦炭分布规律以及主燃区喷口区域的O2和CO的分布情况均相似，燃尽风位置上移，炉膛最高温度区域向上移动，炉膛出口NO排放浓度降低，焦炭的燃尽情况变差，综合考虑NO排放和煤粉燃尽情况，最上层一次风喷口至OFA中心距离为6 m时最佳；当燃尽风速增加时，燃尽风和主燃区烟气的混合加剧，炉膛出口的焦炭含量降低，但是沿炉宽方向的烟温偏差增大，所以燃尽风速不宜过大；在选择不同的一次风率时，炉膛内流场的分布情况是相似的，一次风率的改变对于炉内的焦炭燃尽影响不是很明显，但一次风率增加气流刷壁的可能性增大，并使NOx排放增加，当一次风率为30%的条件下，炉膛出口污染物NOx排放量较低；在配风方面，综合考虑主燃烧器区域的热角结渣、焦炭燃尽以及NO排放量这几个因素，正确选择配风方式下的工况最优。数值模拟表明，采用浓淡燃烧器技术联合炉内整体空气分级技术可以大幅度降低NOx排放，达到任务合同书预期的技术指标。同时着手700℃超超临界锅炉炉内空气动力场的冷态模化试验和数值模拟验证工作。
图2 炉内空气动力场模拟结果
2.2、 水循环系统优化设计及布置方案
对700℃等级锅炉来说，变压运行方式使其工作条件变得更为复杂。相比成熟的的620℃机组，700℃机组温度水平大幅度提高。现有炉型要适应该参数，需要攻克的技术瓶颈和制造难度较多，需要研究材料和工艺路线较复杂，需要研究揭示的热力规律较多，在国际上尚属空白，可借鉴资料很少。为保证在各种运行工况下水冷壁运行的安全性，П型切圆700℃一次再热超超临界锅炉在最大连续负荷（B-MCR）工况下螺旋管圈水冷壁的质量流速大于2637 kg/m2s，最低直流负荷时的质量流速大于832 kg/m2s，至于其它负荷（≥30%所有负荷），因水冷壁的质量流速裕度更大，螺旋管圈水冷壁的工作更为安全，即实际热负荷与最大允许热负荷之间的差值较大。至于在超临界区运行时可能出现的类膜态沸腾，因它可能出现于热负荷较低的垂直管圈(即在炉膛出口处的垂直管圈)，由于在垂直管圈中也采用了较高质量流速，因此不会出现类膜态沸腾。
2.2.1 、水动力计算边界条件
表1 水冷壁运行热力参数
2.2.2 、水冷壁系统结构参数
初选700℃一次再热超超临界锅炉水冷壁边界条件见表1。根据上述水动力计算边界条件，通过与高校联合开发的方式，对螺旋管圈水冷壁进行了传热及阻力试验研究，获得了螺旋管圈对工质水的传热特性、阻力特性，总结了换热系数、临界热负荷、临界含汽率等试验关联式和阻力计算关联式。在此基础上，研发出适用于700℃超超临界锅炉的水动力计算程序。建立水循环系统模型，并进行初步水动力计算。通过水动力计算结果修正700℃一次再热超超临界锅炉水冷壁结构参数选取的合理性。通过核算确定出可用于水冷壁的选材范围为：15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-213T23、SA-213T22、SA-213T24、SA-213 T91、SA-213 T92。针对目前设计工况700℃一次再热锅炉分离器出口温度525℃左右，冷灰斗至最下层燃烧器可采用12Cr1MoVG等级材料；最下层燃烧器标高以上对应的水冷壁的最高壁温超出12Cr1MoVG材料使用极限，因此，初选12Cr1MoVG、SA-213 T91作为700℃方案水冷壁备选材料。
2.2.3 、水冷壁系统结构特性
炉膛由膜式壁组成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式见图3。螺旋管圈与垂直管屏采用中间混合集箱的过渡形式如图4所示。
相比传统的分叉管方式相比，中间混合集箱更能保证汽水两相分配的均匀性，而且结构上不受螺旋管与垂直管转换比的限制。
图3 水冷壁系统
图1 中间混合集箱结构图
3 、结论
本文通过对700℃超超临界燃煤发电关键设备研发及应用示范的研究，攻克了700℃超超临界锅炉的研发技术，确定了700℃超超临界燃煤锅炉的总体方案设计：确定了水冷壁选材及壁温控制技术；采用数值模拟对炉内燃烧动力场评估分析；形成炉膛、受热面吸热特性最佳配比和技术指标优越的锅炉方案，并对锅炉方案进行了评审和优化，为后续工程持续优化提升做好技术储备。
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