一种提高亚临界机组蒸汽参数的燃煤改造锅炉

1.本技术涉及锅炉受热面优化的技术领域，更具体地，涉及一种提高亚临界机组蒸汽参数的燃煤改造锅炉。

背景技术：

2.我国常规能源资源以煤炭为主，这也决定了我国的电力生产结构以煤炭为主的特点。为了提高燃煤电厂的热效率，燃煤发电技术从亚临界机组向超临界(超超临界)机组方向发展。相比于亚临界机组，超临界(超超临界)机组具有更高温度压力的工质参数，这也提高了机组的运行效率。然而，目前我国依然有大量的亚临界机组参与发电。截至2018年，我国投入运行发电的亚临界机组总装机容量约为350gw。其中，单台机组装机容量平均为320mw，其运行工质额定参数为540℃/17mpa。虽然，亚临界机组运行效率较低，但是，使所有机组过早退役并投资建造新机组会给相关电厂企业带来巨大的经济压力。并且，受我国电力发展规划的影响，我国大力发展清洁能源发电，为平衡清洁能源发电的不稳定性，大部分燃煤机组长期保持低负荷运行，这种运行方式无法满足大部分超临界(超超临界)机组的最低额定运行负荷，不仅无法保证机组运行效率，也会危及机组的安全运行。因此，通过保留额定负荷较低的亚临界机组以满足低负荷调峰的稳定运行。为满足目前对燃煤机组高效运行的需求，需要对亚临界机组合理优化设计，提高机组运行效率，减缓其淘汰年限，减少机组退役对电厂企业带来的经济损失。
3.提高工质参数是提高亚临界机组运行效率最有效的手段，根据朗肯循环原理，锅炉工质温度每提高20℃会提高1％的电厂热效率。这种提高运行效率的方式可以基于机组原有的设计金属材料，不仅减少了机组优化成本，也能降低受热面金属材料更换带来的技术风险。燃煤锅炉受热面吸收炉内热量将工质加热到能够在汽轮机做功的设计参数。提高工质温度需改变炉内各受热面的传热分布，因此，根据锅炉受热面的布置情况，对炉内不同位置的受热面传热分布进行合理调整设计，提高运行工质温度，进而提高电厂运行效率。
4.现有技术中，cn111911903a提供了一种将燃煤锅炉工质温度参数升至650℃的受热面布置结构。该设计利用原锅炉厂房、钢结构及部分低温受热面，通过热力计算重新确定锅炉各级受热面热负荷分配，调整锅炉各级受热面面积，对高温受热面材料升级，通过在炉膛上部水冷壁表面布置墙式过热器减少水冷壁吸热量，增加过热系统吸热量，提高燃煤发电机组主/再热蒸汽温度至650℃(蒸汽压力维持原参数不变)，提高机组的运行效率。该设计方案需要对原有锅炉受热面的总体布置做较大改动，并需要加强高温受热面金属材料耐高温强度。而本专利的设计仅对锅炉受热面的局部系统进行调整，且不需要对受热面金属强度进行大幅度的调整，有效控制了优化成本。
5107543144a提供了一种用于提高常规亚临界汽包锅炉主蒸汽温度的系统。该系统增加末级过热器并将其布置在遮挡部分水冷壁的炉内区域，借以减少水冷壁吸热量同时增加过热系统吸热量，提高主蒸汽温度至600℃进而提高锅炉运行效率。由于该专利新添加的末级过热器管内工质温度偏高，需要更高的金属强度的材料以减少末级过热器的爆管事
故。而本专利添加的墙式过热器在过热系统中位于低温过热器上游，受热面管内工质温度偏低，对受热面管壁有更好的冷却效果，避免使用价格昂贵的耐高温合金作为墙式过热器管壁材料。
6.因此，现有技术亟需一种能优化受热面布置、提高过热/再热蒸汽温度以提高电厂运行效率的技术方案。

技术实现要素：

7.针对上述问题，本技术提出了如下的技术方案。
8.一种提高亚临界机组蒸汽参数燃煤锅炉设计方案，包括：
9.燃烧系统，包括煤粉燃烧器；
10.省煤器；
11.汽包；
12.水冷壁；
13.过热系统和再热系统；
14.所述过热系统包括：低温过热器、前屏过热器、屏式过热器、末级过热器、布置在炉膛顶棚的顶棚过热器和布置在炉膛出口下方的墙式过热器；
15.所述再热系统包括：初级再热器以及末级再热器和布置在炉膛上部侧墙的墙式再热器；
16.其中，饱和蒸汽依次进入顶棚过热器、墙式过热器、低温过热器、前屏过热器、屏式过热器以及末级过热器加热，加热至过热蒸汽进入汽轮机的高压缸做功，带动发电机发电；
17.高压缸排汽进入再热系统，依次经由墙式再热器、初级再热器和末级再热器被再度加热，然后再热蒸汽进入汽轮机的中压缸和低压缸继续做功。
18.沿所述过热系统中的工质流动方向，所述墙式过热器布置在所述顶棚过热器的下游、所述低温过热器的上游。
19.所述替换部分水冷壁的新增墙式过热器布置位置选择在炉膛出口下方位置。
20.所述的布置在炉膛出口下方位置的墙式过热器的高度为3.6m。
21.炉膛壁面最高热流密度区域处于上端空气喷口附近，沿炉膛高度从该水平位置向上，壁面热流密度随炉内火焰温度减小而降低。
22.所述低温过热器包括依次排列的第一低温过热器、第二低温过热器、第三低温过热器、第四低温过热器和第五低温过热器。
23.本发明具有以下有益效果：基于现有亚临界燃煤电厂，设计提高其过热/再热蒸汽温度的优化方案，以提高其运行效率，满足日益严苛的运行效率要求。通过该方案能够在蒸汽压力保持在亚临界状态的情况下，将过热/再热蒸汽温度从543℃提高至600℃，同时尽可能减少优化设计对原锅炉受热面布置的改动，并避免使用价格昂贵的耐高温材料作为墙式过热器管壁金属材料，缩减优化设计成本。确定了最佳锅炉受热面优化设计方案，实现了过热/再热蒸汽温度的显著提高，与原设计锅炉相比本专利提供的优化方案使电厂运行效率约提高3％。
附图说明
24.图1是现有技术中320mw锅炉几何结构和受热面布置示意图。
25.图2是现有技术中的锅炉汽水循环流程示意图。
26.图3是本技术的炉膛壁面热流密度分布示意图。
27.图4为本技术中的过热系统和再热系统部分的平面示意图。
28.图5优化后锅炉汽水循环流程示意图。
具体实施方式
29.以优化目标电厂为一台320mw亚临界机组为例。
30.现有技术中的炉内各燃烧器及受热面布置情况如图1所示。现有技术中的锅炉汽水循环示意图如图2所示，省煤器和水冷壁的作用是将给水加热至饱和蒸汽，饱和蒸汽随即进入过热器系统被进一步加热。
31.本实施例中，燃煤锅炉的燃烧系统包括5层煤粉燃烧器。
32.过热系统由五部分组成，包括布置在炉膛顶棚的顶棚过热器、墙式过热器、各级低温过热器、前屏过热器、屏式过热器以及末级过热器。
33.沿所述过热系统中的工质流动方向，即在水侧，墙式过热器布置在顶棚过热器的下游、所述低温过热器的上游
34.饱和蒸汽依次进入顶棚过热器、各级低温加热器、前屏过热器、屏式过热器以及末级过热器加热，加热至过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功，带动发电机发电。高压缸排汽进入锅炉中的再热系统进行而再度加热。
35.再热系统由三部分组成，包括布置在炉膛上部侧墙的墙式再热器和初级再热器以及末级再热器，高压缸排汽进入再热系统依次经由墙式再热器、初级再热器和末级再热器加热，加热至再热蒸汽进入汽轮机中压缸及低压缸继续做功。
36.结合电厂实际运行情况，锅炉汽水循环系统主要的运行参数如表1所示。
37.表1锅炉主要运行参数
[0038][0039]
优化前锅炉受热面将给水加热升温至设计工质温度，为提高亚临界机组运行效率，需要将过热蒸汽/再热蒸汽由543℃/543℃提高至600℃/600℃。本实施例中重新设计了原有受热面布置，改变了各受热面吸热量分布。计划受热面传热分布的变化情况如表2。
[0040]
表2不同运行参数下锅炉受热面吸热分布
[0041][0042]
为提高过热系统吸热量，需增加过热系统各受热面的传热面积，由于炉内空间已被各种受热面占据，炉内可用空间十分有限，因此，通过取代原有受热面的方法改变各传热系统的热量分布。水冷壁布置在锅炉内温度最高的炉膛周围炉墙上，其传热环境满足锅炉系统中所有传热系统。因此，需要减少水冷壁受热管道的布置数量，并在相应区域布置墙式过热器/再热器以增加过热/再热系统的吸热量。
[0043]
这项优化方案技术核心在于优化设计受热管道的具体区域以及具体增加(减少)受热面的传热面积。由于锅炉炉膛内燃烧温度极高，为避免使用造价昂贵的耐高温合金作为墙式过热器的管壁金属材料，同时避免新布置的受热面频繁超温爆管，添加墙式过热器的区域应远离炉膛中相对高温区域。使用ansys/fluent软件对炉内燃烧流动传热过程进行cfd模拟，计算得到炉膛壁面传热分布如图3，观察可知炉膛壁面最高热流密度区域处于上端空气喷口附近，沿炉膛高度从该水平位置向上，壁面热流密度随炉内火焰温度减小而降低。本技术中，用于替换部分水冷壁的新增墙式过热器的布置位置选择在炉膛出口下方位置(如图4所示)。
[0044]
此外，为了尽可能的降低新添加的墙式过热器的运行壁温，受热管道内工质尽可能维持较低的运行温度以保证受热管道的冷却效率，因此，沿受热面水侧的过热系统中的工质流动方向，新添加的墙式过热器布置在顶棚过热器下游(如图5所示)。
[0045]
提高工质温度能够提高电厂效率。如果工质温度过高，会造成锅炉受热面热负荷过大，对耐高温金属的要求过高，造成成本过高。在工业上，对常规耐高温金属(例如马氏体钢、奥氏体钢等)的设计极限温度通常为600℃左右，如果工质温度超过该温度过多，则会造成该耐高温金属易损坏，易造成受热面泄露事故。
[0046]
因而，本技术中设计了根据受热面布置面积从小到大3种优化方案，添加墙式过热器的高度分别依次为2.1、3.6和5.1m，其中，各受热面的传热分布计算结果如表3，各受热面出口工质温度分布如表4。
[0047]
表3不同设计方案下锅炉各受热面吸热分布
[0048][0049]
表4不同设计方案下锅炉各受热面出口工质温度分布
[0050][0051]
根据参数需要确定墙式过热器的受热面积。通过构建锅炉燃烧流动传热cfd模型，计算布置不同面积的墙式过热器各受热面传热量分布及出口工质参数。根据受热面布置面积、添加墙式过热器的高度、各受热面出口工质温度进行对比。经对比，方案1的过热蒸汽和再热蒸汽温度都低于600℃，且距离600℃有一定距离，与方案2相比，热效率相对更低；方案3的过热蒸汽和再热蒸汽温度都高于600℃，且超出30℃左右，容易损坏受热面，造成受热面泄露事故。相比之下，方案2计算得到的各受热面传热量分布与预期结果更为符合，过热蒸汽和再热蒸汽温度都在600℃左右，因此，增加墙式过热器的高度为3.6m的优化方案为相对最优方案，布置在炉膛出口下方位置的墙式过热器的相对合理高度为3.6m。
[0052]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0053]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的。不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化修改、替换和变型。

技术特征：

1.一种提高亚临界机组蒸汽参数的燃煤改造锅炉，包括：燃烧系统，包括煤粉燃烧器；省煤器；汽包；水冷壁；其特征是，还包括：过热系统和再热系统；所述过热系统包括：低温过热器、前屏过热器、屏式过热器、末级过热器、布置在炉膛顶棚的顶棚过热器和布置在炉膛出口下方的墙式过热器；所述再热系统包括：初级再热器以及末级再热器和布置在炉膛上部侧墙的墙式再热器；其中，饱和蒸汽依次进入顶棚过热器、墙式过热器、低温过热器、前屏过热器、屏式过热器以及末级过热器加热，加热至过热蒸汽进入汽轮机的高压缸做功，带动发电机发电；高压缸排汽进入再热系统，依次经由墙式再热器、初级再热器和末级再热器被再度加热，然后再热蒸汽进入汽轮机的中压缸和低压缸继续做功。2.根据权利要求1所述的亚临界机组燃煤锅炉，其特征是，沿所述过热系统中的工质流动方向，所述墙式过热器布置在所述顶棚过热器的下游、所述低温过热器的上游。3.根据权利要求1所述的亚临界机组燃煤锅炉，其特征是，所述用于替换部分水冷壁的新增墙式受热器的布置位置选择在炉膛出口下方位置。4.根据权利要求3所述的亚临界机组燃煤锅炉，其特征是，所述布置在炉膛出口下方位置的墙式过热器的高度为3.6m。5.根据权利要求2所述的亚临界机组燃煤锅炉，其特征是，炉膛壁面最高热流密度区域处于上端空气喷口附近，沿炉膛高度从该水平位置向上，壁面热流密度随炉内火焰温度减小而降低。6.根据权利要求1所述的亚临界机组燃煤锅炉，其特征是，所述低温过热器包括沿所述过热系统中的工质流动方向依次排列的第一低温过热器、第二低温过热器、第三低温过热器、第四低温过热器和第五低温过热器。

技术总结

本申请公开了一种亚临界机组燃煤锅炉，包括：燃烧系统，包括煤粉燃烧器；省煤器；汽包；水冷壁；过热系统和再热系统；所述过热系统包括：布置在炉膛顶棚的顶棚过热器和低温过热器、前屏过热器、屏式过热器以及末级过热器；所述再热系统包括：布置在炉膛上部侧墙的墙式再热器和初级再热器以及末级再热器；其中，饱和蒸汽依次进入顶棚过热器、各级低温加热器、前屏过热器、屏式过热器以及末级过热器加热，加热至过热蒸汽进入汽轮机的高压缸做功，带动发电机发电；高压缸排汽进入再热系统，依次经由墙式再热器、初级再热器和末级再热器被再度加热，然后再热蒸汽进入汽轮机的中压缸和低压缸继续做功。续做功。