于 龙
（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨市三大动力路309号，150046）

摘要：开发更为高效环保和具有自主产权的超超临界锅炉是我国电力工业的重要发展方向。针对国产首台600MW超超临界燃煤发电机组，全面评价和分析了锅炉设计技术特点。对super304H和25Cr20Ni材料在高温受热面上的使用进行了分析。最后对锅炉的运行情况及整体性能进行了总结。
Abstract: it is the important purpose of our country electric power industrial to develop the Ultra Critical (USC) boiler with higher efficiency and independence property right. The design technology character of the 600MW USC coal-fired boiler unit first made in China has been evaluated and analyzed completely. The use of super304H and 25Cr20Ni material in high temperature pressure parts has been analyzed. In the end, there is a summarization for the boiler operation instance and entire performance.
关键词： 锅炉、超超临界、600MW
Keyword: Boiler、USC、600MW

我国煤电机组平均发电煤耗为374克/千瓦时，高于世界先进水平55克煤，因此提高机组效率，节约煤炭资源，是未来燃煤发电机组的重要目标，是实现煤电可持续发展的重要保障。提高电厂煤炭利用效率的途径，主要是通过提高发电设备的蒸汽参数，提高机组效率。以600MW 的燃煤机组为例, 如果能将蒸汽参数由超临界压力机组通常采用的24.2MPa(a)、566℃/566℃提高到25MPa(a)、600/600，机组的煤耗可降低1.5%～2%。为满足中国电力市场对超超临界发电设备的需求，2004年8月，华能公司经过严格的技术调研和论证，将营口电厂600MW超超临界锅炉的供货合同交给哈尔滨锅炉厂有限责任公司。经过近三年的设计、制造、安装及调试，2007 年8 月31 日，华能营口电厂三号机组——我国首台国产600MW超超临界发电机组，正式投入商业运行，2007年10月，华能营口电厂四号机组投入商业运行，国产600MW超超临界机组的顺利投运。是在国产首台1000MW超超临界机组顺利投运之后在技术上的又一重大突破。标志着我国已完全掌握了当今世界最先进的火力发电技术，促进了自主创新和产业升级，有利于节能和环保。
1 哈锅超（超）临界技术研发及储备
在此之前哈锅进行了大量的有关超临界锅炉技术的研究工作，并承担了国家“十五”863 计划“超超临界燃煤发电技术研究”课题中有关超超临界锅炉关键技术部分的研究工作，主要包括百万千瓦等级超超临界锅炉方案设计和计算程序改进，新钢种25Cr20Ni、超级304H、TP347HFG、P92、E911、T24等的材料特性复核，焊接试验，弯管试验等，为实现营口工程所有受压元件的国产化奠定了基础。营口#3、#4炉的所有受压部件全部为哈锅自行生产。
由于哈锅在超（超）临界技术上长期的研发与储备，使哈锅在极短的时间之内完成了超超临界锅炉技术的引进与转化，在玉环1000MW超超临界锅炉的基础上，顺利完成了华能营口电厂600MW超超临界锅炉的设计、制造、安装、调试任务，为营口电厂顺利进入商业运行奠定了良好的基础。
2 锅炉设计条件

本锅炉设计条件是与华能营口600MW超超临界燃煤锅炉技术规范书中提出的技术要求和国际上及我国燃煤电站的发展趋势一致的。
设计煤种和校核煤种为山西晋北烟煤。
锅炉出口蒸汽参数为26.25MPa(a)/605℃/603℃，对应汽机入口参数为25MPa(a)/600℃/600℃，锅炉给水温度293℃。
锅炉由哈锅与三菱重工（MHI）联合设计，哈锅制造，汽轮机由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司与日本三菱公司联合设计与制造。
超超临界机组相对于常规超临界机组经济性的改善是明显的。26.15MPa/605℃/603℃与25.4MPa/571℃/569℃的蒸汽参数相比，汽机热耗约可降低2.5%，供电煤耗降低13.96g/KWh。
机组承担基本负荷，能参与调峰，采用定滑定运行方式。
锅炉在燃用设计煤种时，不投油最低稳燃负荷为35%BMCR。
锅炉有良好的启动特性和负荷变化适应性，锅炉的动态特性能满足机动性的要求。
本锅炉在25%至100%负荷范围内以纯直流方式运行，在25%负荷以下以带循环泵的再循环方式运行，启动系统用以保证启动的安全可靠性和经济性。
要求锅炉出口NOx排量不超过400mg/Nm3（干烟气，6%O2）。
3 锅炉总体布置及主要设计技术特点
本锅炉采用单炉膛、П型布置、全悬吊、紧身封闭结构。燃烧器布置在四面墙上，采用切园燃烧方式。锅炉整体布置示意见图1，
锅炉的汽水流程以内置式汽水分离器为分界点，从水冷壁入口集箱到汽水分离器为水冷壁系统，从分离器出口到过热器出口集箱为过热器系统，另有省煤器系统、再热器系统和启动系统，并预留SCR脱硝装置。

图1 锅炉总体布置图
3.1 炉膛及水循环系统
采用炉膛断面为17.666x17.628m的正方形炉膛，采用较大的炉膛断面和炉膛容积以提高锅炉对煤质的适应能力，与国内典型的600MW亚临界、超临界锅炉炉膛尺寸及主要热力数据的对比见下表：
表1 炉膛尺寸及主要热力数据对比

水冷壁为膜式水冷壁，下炉膛采用内螺纹管的垂直管圈水冷壁，由于全部为垂直管屏，因此可以不必采用结构复杂的张力板来解决下部炉膛水冷壁的重量传递问题。为了降低偏差，不仅在水冷壁入口设置了节流孔圈，同时在下炉膛出口设置了二级混合器，以保证下炉膛的偏差不被带到上炉膛，一、二级混合器的示意图见图2： 

图2 一、二级混合器原理图
为了保证节流孔圈的节流效果，在水冷壁下集箱出口通过两级三叉管过渡的方式将F28.6的水冷壁管过渡到F42（见图3）。
另外由于主蒸汽出口温度的提高（与超临界锅炉相比），分离器出口蒸汽温度也相应提高，本工程将分离器布置在包墙系统的出口，在满足分离器出口温度提高的同时，仍将水冷壁出口工质温度保持在较低的水平，水冷壁材料仍为15CrMoG材料。 

图3 水冷壁入口三叉管结构图
3.2 启动系统
为了满足直流锅炉启动及低负荷再循环运行方式的要求，超临界直流锅炉需要设置单独的启动系统。营口600MW超超临界采用内置式带再循环泵的启动系统。启动系统图见图4
 
图4 锅炉启动系统图
3.2.1 启动系统的主要组成部分及功能：
1）带泵的再循环管路：在锅炉湿态运行时，将由分离器分离下来的冷凝水送回到给水管道，与系统给水混合后进入省煤器进行再循环，其优点是可节约工质消耗、回收热量、并提高机组的启动速度。
2）疏水管路：在分离器贮水箱的出口管道上接一疏水管道，分两个支路，其作用是当锅炉启动发生汽水膨胀时，将膨胀出来的排入到扩容器中，保证锅炉顺利渡过汽水膨胀期。 3）暖管管路：对启动系统的各管路进行暖管，以保证锅炉处于干态运行时，启动系统能始终处于热备用状态。
4）减温水旁路管路：在干态运行时控制贮水箱水位。
3.2.2 启动系统的主要运行模式
1）初次启动或长期停炉后进行冷态和温态水冲洗。
2）启动初期（从启动给水泵到锅炉出力达到5%BMCR）：给水泵以相当于5%BMCR的流量向锅炉给水（再循环流量为20%BMCR），以保证进入省煤器的给水又足够的过冷度，确保省煤器和水冷壁不致超温，并保证水冷壁系统的水动力稳定性。
3）从分离器贮水箱建立稳定的正常水位到锅炉达到25%BMCR的最小直流负荷阶段，满足锅炉再循环方式运行的要求。
4）热备用：当锅炉达到25%BMCR最低直流负荷后，应将启动系统解列，启动系统转入热备用状态。
启动过程流量控制过程图见图5
图5 启动过程简图
3.3 过热器系统
超超临界参数锅炉主蒸汽温度达到605°C，过热汽吸热量大，过热器系统采用四级布置，以降低每级过热器的焓增，降低壁温，沿蒸汽流程依次为水平与立式低温过热器、分隔屏过热器、后屏过热器和末级过热器。
过热器系统共装有三级喷水减温，每级布置左右两点，并有较大的喷水能力，以充分消除过热汽温的左右偏差。过热器系统见图6：
去汽轮机 二级过热器 三级过热器 来自于汽水分离器 四级过热器 一级过热器 图6 过热器系统图
3.4 再热器
再热器分成低温再热器和末级再热器两级。低温再热器布置于尾部竖井前烟道，高温再热器布置于水平烟道；再热器采用挡板调温，即通过调节布置在尾部竖井前后烟道出口处的调温挡板的挡板开度，调节烟气在尾部竖井前后烟道的分配比例，以调节低温再热器的吸热量，满足在不同负荷下再热蒸汽温度的要求。同时燃烧器摆动和过量空气系数的变化对再热蒸汽温度也有较大幅度的影响。再热器系统见图7： 去汽机中压缸排汽 一级再热器 二级再热器 来自于汽机高压缸排汽 图7 再热器系统图
3.5 省煤器
在尾部竖井的前、后烟道的下部各装有一级省煤器，省煤器为顺列布置，以逆流方式与烟气进行热交换。采用防磨性能优越的H型鳍片省煤器，具体结构见图8，省煤器布置图见图9。 
图8 ‘H’型鳍片省煤器 省煤器蛇形管 省煤器中间集箱 省煤器蛇形管 省煤器中间集箱 省煤器吊挂管 出口集箱 省煤器入口管道 省煤器入口集箱 图9 省煤器布置图
3.6 高强度钢的使用
由于超超临界参数锅炉主蒸汽和再热蒸汽温度都达到600℃以上，对受热面材料提出更高的要求，高温受热面大量采用了super304H和25Cr20Ni材料。这些材料的使用不仅满足强度的要求，同时满足在较高的壁温条件下抗烟气腐蚀和蒸汽氧化的要求。super304H和25Cr20Ni抗烟气腐蚀试验数据见图10，抗蒸汽氧化试验数据见图11。
本工程super304H材料不采用内抛丸处理，虽然在内抛丸处理以后，由于其内壁硬度的增加及管子金属晶粒细度的变化，其抗蒸汽氧化能力大大加强，腐蚀量约为3-5 mg/cm2。但由于不锈钢管屏只有通过固溶化处理才能彻底消除管子冷加工及对焊过程中产生的内应力，而热处理后管子内壁晶粒细度又恢复抛丸之前的情况，因此哈锅在超超临界锅炉的高温受热面的材料选择中对管子内壁温度≥680℃的管段均采用部分25%Cr（HR3C）材料，而不同于其它公司采用超级304H管子内部抛丸的工艺，大大增加了锅炉运行的安全性。
在高温的集箱和导管钢材方面大量采用传统的9Cr1Mo（即SA-335 P91），这种钢材具有高的热强性和良好的工艺性（即焊接性能）。但在锅炉过热器出口由于蒸汽温度已达到600℃，同时考虑蒸汽温度偏差，最高蒸汽温度约为615℃左右，在此温度下采用P91集箱的壁厚将非常厚，因此锅炉过热器出口集箱及主蒸汽管道采用改良后高温性能优于P91材料的P92，与P91相比，P92中增加1.5～20%的钨，其高温强度显著提高，解决了集箱壁厚超厚的问题。
再热器出口集箱虽然蒸汽温度较高，但压力较低，仍采用P91材料。 
图10 高热强钢抗烟气腐蚀试验数据
从上图可以看出，随着材料中的Cr含量提高，材料的抗烟气腐蚀的能力明显增强，从图中可以看出，25Cr材料（图中的第16项)比SUPER304H、TP347HFG等18Cr材料（图中的第8，9项）有明显提高。
图11 高热强钢抗蒸汽氧化试验数据
上图为在材料抗蒸汽腐蚀试验数据，从图中可以看出，Super304H抛丸处理（晶粒细度10）的抗蒸汽腐蚀能力比普通Super304H（晶粒细度7）有所提高，但与25Cr( 图中2.3)相比，还是有一定差距。
3.7 燃烧设备
锅炉的制粉系统为中速磨正压直吹系统，磨煤机共6台，采用HP1063型中速磨煤机。BMCR时5台投运，一台备用。磨煤机出口煤粉细度为R90=14%。每台磨带一层燃烧器。
燃烧器采用切圆燃烧大风箱结构，全摆动燃烧器。共设六层PM型垂直浓淡一次风口，三层油风室，十层辅助风室，一层燃尽风室。整个燃烧器与水冷壁固定连接，并随水冷壁一起向下膨胀，燃烧器共24组，布置于四面墙上，形成一个大切园。燃烧器共6层煤粉喷口，每层与1台磨煤机相配，主燃烧器采用低NOX的PM型煤粉燃烧器，每只煤粉喷嘴中间设有隔板，以增强煤粉射流刚性，在主燃燃烧器的上方为OFA喷嘴，在距上层煤粉喷嘴上方约5.0m处有四层附加燃尽风喷嘴，角式布置，它的作用是补充燃料后期燃烧所需要的空气，同时既有垂直分级又有水平分级燃烧达到降低炉内温度水平，抑制NOX的生成，此燃尽风与OFA风一起构成分级送风的低NOX燃烧系统。（燃烧系统图见图12）
燃烧器装有12只机械雾化式油枪，其总容量为30%BMCR，用于锅炉点火稳燃和低负荷稳燃，每只油枪均配有高能点火装置。
侧视图水平视图炉前图炉切圆燃烧炉前图12 燃烧系统图
3.8 空气预热器
每台锅炉配有两台半模式、双密封、三分仓容克式空气预热器，立式布置，烟气与空气以逆流方式换热。预热器型号为31.5-VI（T）-2100（2300）-SMR，转子直径为φ13010mm，传热元件总高度为2100mm。
4 锅炉实际运行情况
营口#3机组于2007年8月31日通过168小时试运行，营口#4机组于2007年十月十四日通过1680小时试运，2008年1月份由西安热工研究院对营口#3锅炉进行了性能试验。
营口#3、#4机组投运以后，各级受热面的实际运行温度水平与设计值非常接近（具体数据见表2），，调节灵活，偏差小，满足电厂各种运行工况的要求，主要性能指标均达到或超过保证值（具体见表3），特别是NOx排放量大大低于国家标准，充分体现了超超临界参炉的优越性。
表2 营口电厂各受热面实际运行情况数据汇总

表3 营口电厂#3、#4机组主要性能指标

5 结论
作为中国首台600MW超超临界机组的营口电厂的成功运行，是在1000MW超超临界机组成功投运之后的又一重大突破，600MW等级机组作为我国火力发电的主力容量机组，极大的推进了中国发电设备制造业的技术升级换代，同时也将大幅度提高中国火力发电的经济性、可靠性，为整个电力能源行业减排、降耗作出重大贡献。

参 考 文 献
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