DG420/13.7-Ⅱ2无烟煤锅炉的设计及结构特点
作者：东方锅炉集团 刘学良 罗孝成
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摘　要：介绍东方（集团）股份有限公司首台135MW自然循环四角切圆燃烧超高再热机组锅炉的设计特点、结构和系统布置。
关键词：135MW机组煤粉锅炉；系统布置；技术特点
20世纪90年代中后期，国内电力建设速度放缓，市场竞争机制逐步建立。为了满足我国电力工业发展的需要和部分电厂对新型、高效135MW机组锅炉的需求，东方锅炉(集团)股份有限公司(以下简称“东锅公司”)于1998年8月开始市场调研及产品开发，在总结公司200MW自然循环锅炉的设计制造成功经验的基础上，对国内已投运的135MW机组锅炉进行分析研究，结合国内电厂特点进行技术创新，开发了国产新一代135MW等级燃煤机组锅炉。在开发研制中大量借鉴和采用了该公司大容量机组锅炉先进成熟的结构和设计方法，因此，东锅公司新开发的135MW机组锅炉在安全可靠性、经济性、结构合理性等方面与国内同容量等级锅炉相比均有较大改善。
东锅公司于日签定了广东云浮发电厂(B厂)3＃、4＃135MW机组锅炉合同，并于～17日一次性通过72h试运行，锅炉运行参数及性能完全达到或高于设计值。
2　锅炉设计
DG420/13.7－Ⅱ2型锅炉为超高压自然循环汽包炉、单炉膛、一次中间再热“П”型布置(见图1)，燃烧器四角布置，采用切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、管式空气预热器、露天布置、钢筋混凝土构架，过热蒸汽温度调节采用两级给水喷水调温，再热蒸汽温度调节采用烟气挡板调温，喷水作为细调。
2.1　锅炉设计条件
2.1.1　主要参数
锅炉最大连续蒸发量/t·h－1
420
过热蒸汽压力/MPa·g13.7
过热蒸汽温度/℃
540
再热蒸汽流量/t·h－1 348
再热蒸汽压力（进口/出口）/MPa·g2.52/2.35
再热蒸汽温度（进口/出口）/℃
314/540
给水温度/℃
236
省煤器进口给水压力/MPa·g 45.68
2.1.2　燃料
锅炉燃煤按无烟煤设计，点火及助燃油为0＃轻柴油(表1)。3　锅炉基本结构及设计性能数据
见图1。锅炉炉膛为光管加焊扁钢组成的膜式水冷壁。炉膛顶部、尾部竖井包墙及水平烟道底包墙均为膜式壁包墙过热器，全大屏过热器布置在炉膛上部，屏式过热器布置在炉膛出口窗处，折焰角上部布置一级（高温）过热器，水平烟道内布置热段再热器。尾部竖井由中隔墙过热器分为前烟道和后烟道，前烟道内布置上级省煤器，后烟道内布置冷段再热器，下级省煤器布置在两级空气预热器之间。空气预热器采用管式结构，由上、下两级组成。
锅炉的膨胀中心设置在炉膛中心线与顶棚的交点，锅炉的炉膛、水平烟道及尾部竖井包墙、过热器、再热器、上级省煤器均通过吊挂装置悬吊于锅炉顶板梁上，整体向下膨胀。空气预热器、下级省煤器用支承结构，通过支承梁支承在尾部构架上。锅炉尾部竖井悬吊部分与支承部分的膨胀差由尾部布置的非金属膨胀节吸收。
3.1　水循环系统
DG420/13.7－Ⅱ 2型锅炉为自然循环汽包炉。其水循环系统（图2）主要由锅筒、集中下水管和下水连接管、水冷壁上升管、汽水引出管及各循环回路的水冷壁集箱组成。整台锅炉的水循环系统分为14个回路。经水循环计算，B?MCR负荷下整台锅炉循环倍率约为5.2，各循环回路中最低循环倍率为4 624，上升管最低循环水速1.28m/s，集中下水管最低循环水速2.776m/s，水循环系统安全可靠。锅筒内径1 600mm，壁厚95mm，总长约14 110mm，采用13MnNiMo54(即BHW35)钢板卷制而成。锅筒用直径为170mm的两根U形吊杆悬吊在锅炉顶梁上。
锅筒内设有两级汽水分离装置，48只?315导流式旋风分离器及百叶窗为一级分离元件，二级分离元件为均汽孔板。旋风分离器上部装设有平板式蒸汽清洗装置，清洗水为锅炉给水，锅筒内件见图3。炉膛为光管加焊扁钢的膜式水冷壁，炉膛断面尺寸为9 584mm(宽)×8 864mm(深)，四周有442根60×7的水冷壁管，材质20G，节距80mm，炉膛容积达2 508m3。为保证无烟煤的着火、稳燃、燃尽，炉膛燃烧器区域敷设约239m2，厚度为60mm的卫燃带。为加快锅炉启动过程，在水冷壁下集箱装有邻炉蒸汽加热装置。
从锅筒引出的4根?426×40集中下水管悬垂在锅筒下部，在集中下水管下端分配集箱共引出44根133×13的下水连接管与水冷壁下集箱连接。从水冷壁上集箱共有46根?133×13的管子汽水引出管连接到锅筒前后侧。
3.2　制粉系统及燃烧器
锅炉燃烧设备包括煤粉燃烧器、燃油装置、大风箱及炉前燃油系统等。
锅炉制粉系统采用钢球磨煤机中间储仓式热风送粉系统，每台锅炉配2台DTM320/580磨煤机。锅炉燃烧设备采用百叶窗式水平浓淡燃烧器，组织浓淡偏差燃烧。煤粉燃烧器布置于炉膛4个切角，喷嘴固定，采用双圆布置方式，假想切圆直径分别为630mm和509mm。每角燃烧器共布置有9层喷口：由上至下为OFA—3—2—1—2(油)—1—2—1—2(油)。燃烧器上部布置一层顶二次风(OFA)喷口(见图4)，有利于煤粉的燃尽及降低NOx排放。燃烧器与角部水冷壁之间采用法兰高强螺栓连接，并随水冷壁一起膨胀。3.3　过热器系统和再热器系统
过热器系统采用辐射－对流型，过热器系统依蒸汽流程共分为4级：顶棚及包墙过热器、全犬屏过热器、屏式过热器和一级(高温)过热器，过热蒸汽流程见图5。过热器系统共布置有两级喷水减温器，各级受热面间均采用大口径连接管，并做多次混合，两次左右交叉，过热器系统采用了蒸汽旁路系统以减少过热器系统阻力。
再热器系统为对流型，共分二级：冷段再热器、热段再热器，其流程见图6。再热蒸汽温度，用布置于尾部竖井前烟道的上级省煤器出口的烟气挡板调节再热器侧的烟气量为主要手段来进行调节，布置于热段、冷段再热器间的二次汽(备用)喷水减温器作为细调，在冷段再热器的入口管道上布置有事故喷水装置保护再热器受热面。为减少再热器系统的热偏差，热段、冷段再热器之间采用大口径连接管，蒸汽进行了一次左右交叉。
3.4　省煤器及空气预热器
省煤器由下级省煤器、上级省煤器和省煤器吊挂管组成，其流程见图7。上、下级省煤器之间通过?108×10的8根20G管子连接，上级省煤器到省煤器吊挂管进口集箱之间通过?219×25的2根20G管子连接。空气预热器采用管式预热器，分上、下级立式布置。上级空气预热器及下级上组空气预热器采用螺旋槽管，在可能发生低温腐蚀的下级下组管箱中采用考登钢管。为防止管箱振动，在每级空气预热器管箱中装有防振隔板，管箱上表面装有拆卸式防磨短管，便于电厂更换。
3.5　锅炉构架
DG420/13.7－Ⅱ2型锅炉炉架为钢筋混凝土炉架，炉体重量悬吊在锅炉顶板上，再由顶板传给钢筋混凝土炉架。顶板为钢结构，由主梁、次梁、梁格及支撑系统组成。主梁通过支座按铰接方式支承在钢筋混凝土柱顶上。下级省煤器及空气预热器支撑在尾部钢构架上，尾部钢构架为框架结构，由4根柱5层梁组成，柱和梁均采用钢板焊接箱形截面。锅炉运转层标高为9m，为混凝土大平台。
4　锅炉设计特点
(1)DG420/13.7－Ⅱ 2型锅炉燃用煤属无烟煤，设计煤种可燃基挥发分为10.6％，校核煤种为8.4％，煤的燃尽特性和着火稳定性差，另外锅炉的燃用煤又具有一定的结焦性。为解决着火稳定和低负荷稳燃方面及锅炉效率、高可靠运行等问题，锅炉设计主要采取了以下措施：
1选取合适的断面热负荷和容积热负荷；
2燃烧器区域敷设卫燃带239m2，提高燃烧区域的烟气温度，确保锅炉低负荷稳燃能力；
3为克服燃用煤种燃尽特性差的特点，上一次风喷口中心线至屏底的距离约18m，保证了煤粉在炉内的燃尽时间；
4选用合适的炉膛容积热负荷及较高的燃烧区域温度以及足够的煤粉燃尽长度，保证了良好燃烧效率和锅炉效率(表2)。燃烧系统方面主要采用水平浓淡燃烧技术，适当降低一次风率，提高煤粉浓度，增加煤粉比表面积，以降低煤粉气流的着火温度，减少其着火热；使高温烟气回流到着火区，强化对一次风混合物的加热，以尽快升高混合物温度，并使其及早着火。考虑到煤的着火稳定性能较差，为保证不投油最低稳燃负荷，下两层一次风喷口相对集中布置且所有一次风喷口均采用水平浓淡燃烧器，提高一次风煤粉浓度，有利于煤粉迅速着火和稳定燃烧。此外，一次风喷口布置有周界风，周界风门可以实现程控操作，为低负荷时减少甚至关闭周界风创造了条件，以提高燃烧器在低负荷时的稳燃能力。并且由于在一次风喷口中采用了稳燃效果非常好的水平浓淡燃烧器，这种喷口布置型式的燃烧器的稳燃能力和负荷调节能力很强，能有效地保证实现55％B-MCR最低不投油稳燃负荷。
(2)锅炉按调峰要求设计，锅炉的重要部件及管系均进行了大量的柔性分析和应力分析计算并根据结果进行结构优化设计，使锅炉既能定压运行，又能满足调峰运行的要求。
(3)锅炉炉膛、顶棚、包墙均采用膜式壁结构，顶部穿墙管为高顶板结构，省煤器区域炉墙采用护板结构，锅炉悬吊与支撑的连接部位采用非金属膨胀节，提高了锅炉的安全性和密封性能。上述设计不但减少了工地安装工作量，而且使锅炉具有良好的密封性能，有效地减少锅炉漏风，提高了锅炉的热效率。另外，锅炉水平烟道及后竖井包墙系统全部采用汽冷包墙，从而使各墙之间因温差引起的胀差极小，保证了各墙之间连接的安全性和密封性。
(4)为了降低过热器、再热器系统阻力，提高电厂的经济效益，对过热器、再热器各部件的质量流速和部件连接方式进行了反复设计和方案比较，最终确定了在过热器采用蒸汽旁路系统，并且过热器系统中不布置低温过热器，采用大口径连接管等措施，使过热器系统阻力可控制在14kgf/cm2以下，显著降低了锅炉过热蒸汽阻力，再热器系统阻力在1.5kgf/cm2以下。
过热器、再热器系统质量流速(kg/m2·s)如下：
全大屏过热器1013
屏式过热器
1119
高温过热器
911
低温再热器
161
高温再热器
(5)在锅炉两侧燃烧器区域布置有两个大风箱，风箱高度与燃烧器高度相匹配，每个大风箱供前后两个角的燃烧器所需的二次风及周界风，由于这种对称性的布置，使得两侧的风道阻力相等，这样也就可以保证前后两个角的燃烧器在相同的状态下自然得到相同的风量，有利于保证炉膛内火焰中心不偏斜。燃烧器与角部水冷壁之间采用高强螺栓连接，所有一、二、三次风喷口均采用新型耐热耐磨铸钢制造，一次风喷口和风管可整体抽出检修。
(6)在燃烧器顶部设置顶二次风喷口(即OFA喷口)，顶二次风量约占总的二次风量的15％，这种配风方式有利于煤粉的燃尽，还可以显著地降低NOx的生成量。OFA喷口反切15度，形成逆向旋转气流，以降低炉内气流的残余旋转，减少炉膛出口处两侧烟温的偏差。
(7)对锅炉的总体布置，受压件及钢结构均进行了优化设计，结构紧凑，锅炉总重有效降低。
DG420/13.7－Ⅱ 2型锅炉为东锅公司首台135MW煤粉燃烧锅炉。实际运行和调整结果表明，锅炉设计参数合理，结构简单，锅炉的高温过热系统和再热系统设计布置合理，运行安全可靠，燃烧稳定性好，各项性能指标均达到了设计性能保证值。锅炉测试表明，在试验期间各工况锅炉效率实测均大于90.55％的保证效率，修正后的锅炉效率约92％，大于91.11％的设计效率，锅炉设备在试运机组最高负荷140MW，平均负荷132MW，各项参数均达到设计值，设备运行良好。锅炉的设计成功为今后继续完善135MW锅炉设计提供了基础。(end)
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