国产第一台UP型直流锅炉改造

马俊伟

(平顶山姚孟电力工程有限责任公司，河南 平顶山 467099)

1 机组存在的问题及改造的必要性

姚孟发电公司#1锅炉是七十年代初由原上海锅炉厂开发设计、制造的第一台双炉膛、一次垂直上升的935t/h亚临界压力中间再热直流锅炉，以匹配300MW汽轮机发电机的需求。由于当时技术及客观条件所限，操作复杂且自动化程度低，运行中暴露出水冷壁爆漏频繁、调峰能力低两大致命弱点。1992年，#1机组经能源部电力司和其它8个单位的20名专家初步核定出力为270MW。

为提高锅炉的配套发电能力和提高锅炉效率，使其适应电网的调峰需求，2001年委托由英国三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock EnergyLimited，简称MB)重新设计改造的单炉体、双炉膛π型布置、四角切圆燃烧、固态排渣、低质量流速、具有正流量响应的垂直管水冷壁、亚临界压力、中间再热直流锅炉。

1.1 姚电公司四台机组目前的调峰状况

随着电网容量不断增加，电网竞争也越来越激烈，对发电厂机组调峰能力的幅度要求越来越大，对不适应这一形势的发电机组进行调峰技术研究与设备改造已迫在眉睫。由于历史原因和技术水平所限，#1锅炉在设计和制造方面存在着诸多先天不足，已不能满足电网调峰及连续安全运行的要求。

1.2 #1锅炉改造前存在的问题

姚电公司#1锅炉属国产第一台300MW亚临界中间再热直流锅炉，由于当时技术及客观条件所限，出现了由于采用一次垂直上升技术必然会造成炉管管径小，水动力稳定性差，应力工况差，热敏感性强，易出现过热、变形、爆漏等先天性的严重缺陷。同时锅炉的水动力工况与燃烧方式的匹配方面也存在较大问题，而且在燃烧器区域产生较严重的高温腐蚀。燃烧器属于量原始的CE技术直流燃烧器，其煤种适应性和低负荷稳燃性均较差。同时由于采用前后墙布置，炉膛出现了冷、热角现象，因而造成锅炉投运后，热角结焦、水冷壁超温等安全运行方面的问题。综上所述，该锅炉不具备低负荷下的电网调峰运行。因此改造前后#1炉垂直管圈水冷壁的水动力特性就是改造是否成功的关键。

2 #1锅炉技术改造设计概论

2.1 设计概论

为提高锅炉的配套发电能力和提高锅炉效率，使其适应电网调峰需求，2001年委托英国三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock EnergyLimited，简称MB)将#1锅炉改造、设计为单炉体、双炉膛∏型布置、四角切圆燃烧、固态排渣、低质量流速、具有正流量响应的垂直管圈，亚临界参数的直流锅炉。该炉水循环系统是采用西门子的专利技术。

#1锅炉改造前质量流速，双面水冷壁、膜式水冷壁为：1900、1842kg/m2.s;改造后质量流速，双面水冷壁、膜式水冷壁为：690、687kg/m2.s。

运行于高质量流速。吸热增加，动态阻力损失增加而静态阻力损失减少;动态阻力损失的大幅度增加导致总阻力损失增加。由于水冷壁管子接于相同的进出口联箱，单管阻力损失取决于整组管子阻力损失的平均值，并不随单管或部分管子的吸热值大于或小于平均值而发生变化。吸热值高于平均值的管子流量减少，而吸热值低于平均值的管子流量增加。因此，高质量流速设计呈负流量响应特性。简单地说，温度最高的管子所需的冷却水流量本应最大，而实际流量最小，这就导致了金属温度升高并产生热应力。

然而，低质量流速设计呈正流量响应特性，吸热多的管子流量相应增加，吸热少的管子流量相应减少。需要冷却流量高的管子的实际流量也相对较高的特性常见于自然循环锅炉，称为自然循环锅炉的自补偿特性。这种特性可限制金属温度和热应力。将现有炉膛水冷壁改为较大直径的内螺纹管，采用低质量流速设计。在推荐的质量流速和质量含汽率条件下，采用内螺纹管保证安全运行的金属壁温。

研究试验证明，锅炉水动力特性由负流量响应特性过度到正流量响应特性，质量流速的临界点约为1000Kg/m2.s，此项技术受西门子公司支持，并予以专利授权研制。三井巴布科克对#1锅炉低质量流速正流量响应扬长避短，与改造前的UP型小管径负流量响应特性比较研究，并经理论计算、试验台试验证明此方案可行。

2.2 锅炉调峰技术改造及目标

1)恢复#1锅炉额定蒸发量＞950t/h的铭牌出力，使汽轮发电机出力恢复300MW。

2)机组调峰能力达到50～100%BMCR(力争40～100%BMCR)。

3)锅炉不投油最低稳定负荷为40%BMCR。

4)机组应具有良好的变负荷能力，正常负荷调节范围内变负荷率不＜3%BMCR/min。

5)燃用设计煤种(按低位发热值)，在负荷为80% ～100%BMCR时，保证锅炉热效率不低于91.25%。

2.3 锅炉启动系统

改造后锅炉启动系统采用内置式分离器加炉水循环泵形式，可保持炉膛水冷壁的最低流量保护管子，锅炉停运、启动初期或低负荷运行，通过炉水再循环泵实现强制循环，到“本生负荷”时以纯直流方式运行。给水及炉水循环采用自动控制，将保证水冷壁流量与锅炉燃烧率相匹配，可实现快速启动。锅炉采用滑压运行。

2.4 低质量流速，正流量响应特性的水动力设计

本次锅炉水冷壁改造范围包括全部四周水冷壁、双面水冷壁和水冷壁进、出口联箱。水冷壁改造依托西门子具有自补偿特性的低质量流速理论为技术支持，为改善工质流动特性，加强传热效果，水冷壁管全部选用优化内螺纹管，由三井巴布可科公司从英国本土加工采购。

改造后双面水冷壁与四周水冷壁并联，三井巴布可科公司通过对不同质量流速、不同热负荷工况下内螺纹管流量响应和温度响应模拟计算和相关试验，通过对同一水冷壁管的不同热负荷区域和不同位置的水冷壁管(热负荷不同)选用不同规格的优化内螺纹管，确保并联的各水冷壁管流量和热负荷分配相一致。

为保证水冷壁各管间进出口压差一致，实现水冷壁自补偿特性，水冷壁进、出口联箱都有压力平衡管连接，同时在标高28.7米处加装水冷壁中间混合联箱，确保各水冷壁管进口、中间段、出口压力平衡。

为保证锅炉炉墙刚度，在水冷壁改造的同时，三井巴布可科公司对锅炉刚性梁进行了改造，主要方案是部分利用现有刚性梁，在基本保持原有H型钢性梁密度的同时，在各H型刚性梁中间增加较小规格的横梁和立柱，同时也对刚性梁原有连接件进行设计更新，确保锅炉刚性梁整体框架的刚度。

在压力低于200bar时，内螺纹管能保证优良的传热性能，尤其在低质量流速条件下。这个特点允许锅炉本生负荷点可降到20%，主蒸汽仍保持较高的温度运行，这样可以避免调峰机组的频繁启停，蒸发系统压力损失降低可相应降低机组的热耗和煤耗。低于本生负荷时，通过再循环泵使膛水冷壁维持该流量。所有的管子都是湿的，因而没有危险。

姚电#1锅炉在100%BMCR负荷时，改造前下炉膛外墙水冷壁的质量流量约1800kg/m2.s，而中间分隔墙水冷壁的质量流速约1900kg/m2.s。MB的设计方案采取双面水冷壁和外墙水冷壁并联布置，为了保证水冷壁管的低质量流速，使炉膛中的每根管子都具有正的流量响应，所有水冷壁管采用了SKWU研究的优化内螺纹管，以保证在低质量流速下的核态沸腾。在100%BMCR负荷时，下炉膛外墙水冷壁的质量流量小于700 kg/m2.s，中间分隔墙水冷壁的质量流速小于690 kg/m2.s。其最佳水质流速是通过选择水流量、管子尺寸和节距的正确组合来实现的。三井巴布科克已和西门子共同对水冷壁回路的流动不稳定性及脉动进行了核算，并确认其稳定性。

3 #1锅炉改造后的性能状况

姚电#1机组调峰技术改造完工后，为考核#1机组性能指标是否达到合同要求，并真实准确地评价#1机组改造后的运行性能，由国电热工研究院(下简称TPRI)于2002年7月21日至8月8日对#1机组进行了考核试验。

3.1 改造前后锅炉性能对比

为了客观地评价#1锅炉改造的效果，下面将改造前后锅炉的主要运行性能作对比分析。改造前的性能数据来自于TPRI在1999年10月提出的《平顶山姚孟发电有限责任公司#1号锅炉性能试验报告》。

1)最大出力

同改造前相比较，锅炉的最大出力至少提高了66.3t/h，电负荷由280.6MW提高到了323.0MW，相差42.4MW。

2)锅炉热效率

改造前在270MW负荷下进行了两次平等工况的热效率测试，而此次是在300MW负荷下进行了两次平等工况的热效率考核试验，虽然电负荷略有差异，但锅炉的主蒸汽流量比较接近，因而具有可比性。

通过分析比较可知，由于飞灰可燃物含量降低较多，使得固体未完全燃烧损失下降近1个百分点，排烟温度改造前后变化不大，因而排烟热损失的降低幅度也比较小，改造后试验的煤质发热量要比改造前试验的煤质发热量低约2500kj/kg，这对于锅炉的热效率影响比较大，若以改造前的试验煤质估算改造后的锅炉热效率，则改造后的锅炉热效率由90.3%提高到91.4%，比改造前高出了1.66个百分点，节能效果明显。机组的热耗由每千瓦时8833千焦下降到了7858千焦。

3.2 #1锅炉性能考核试验结论

国电热工院TPRI此次对姚孟发电有限责任公司#1锅炉进行了考核，考核的最终结果表明，本次改造#1炉的各项指标均达到或超过设计要求，改造是卓有成效的。

4 经济效益分析

参与电网调峰效益，根据改造后不投油调峰稳燃负荷计算，#1机组改造后在校合煤种下，可实现不投油助燃调峰负荷可达50%BMCR(有时可达40%BMCR)，投入调峰运行时间每年按1000小时估算，则改造后#1机组调峰可创造直接经济效益达880万元人民币以上，且调峰的幅度越大，投入调峰运行的时间越长，调峰机组的经济性越好。

间接效益：改造后，机组的可靠性，安全性和经济性将有很大的提高，因锅炉“四管”爆漏的停机次数大大减少，有效延长了机组连续运行周期。

此次技术改造后，机组出力由改造前的270MW提高到320MW，相当于净增一台50MW装机容量等效于降低供电煤耗约6.5g/kw.h，每年节约标准煤1.1万吨，折合人民币240万元。

5 结论

此次技术改造方案的实施，使姚电公司#1机组原来几乎不能参与调峰、原来核定出力为270MW的机组，经过改造后最大连续稳定出力达到了310MW，最小无油助燃稳定出力可以达到150MW。一台被一些专家判为“死刑”的300MW机组起死回生。为“国产UP型直流锅炉技术协作网”同类锅炉的技术改造提供参考和借鉴，开创了锅炉水循环技术概念锅炉的成功典范。

[1]Mitsui Babcock.Yaomeng Boiler No.1 Refurbishiment to YPGL.2002.12

[2]《姚孟电力》

[3]中国电力企业联合会教育培训部-《热力发电厂》

[4]《姚孟电厂#1炉锅炉运行规程》

[5]金维强编《大型锅炉运行》

[6]南京工学院/西安交大-电厂锅炉原理.1979.12

[7]国电热工研究院.姚孟发电有限责任公司No.1机组锅炉性能考核试验报告.2002.8

[8]国电热工研究院.姚孟发电有限责任公司No.1机组大修前锅炉性能试验报告.1999.10

[9]国电热工研究院.姚孟发电有限责任公司No.1机组锅炉燃烧优化调整试验报告.2002.9

[10]国电热工研究院.姚孟发电有限责任公司No.1机组锅炉水动力试验报告.2002.9

[11]唐人虎.国产UP直流炉水冷壁改造方安分析.热能动力工程，2002.17(11)：641-643