中國政府高度重視超超臨界發電技術的開發研究，己將“超超臨界燃煤發電技術”列入國家"863計劃”，本文全面介紹了中國首批600 MW超超臨界燃煤鍋爐的設計特點，并對設計中采用的新技術進行探討。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、鍋爐設計條件
本鍋爐設計條件是與廣東河源電廠600 MW超超臨界燃煤鍋爐技術規范書中提出的技術要求和國際上及我國燃煤電站的發展趨勢一致的。
1.1設計煤種
設計煤種為安徽淮南煙煤，校核煤種1為山西保德煙煤，校核煤種2為晉北煙煤。表1列出了設計和校核煤種的煤質特性。
由表1可見，安徽淮南煙煤和山西保德煙煤均是低鈣、低鈉、低硫、高灰熔點、高揮發分、易燃盡同時不易結渣的動力用煤：而晉北煙煤相比之下則極易結渣。
1.2蒸汽參數
廣東河源電廠600 MW機組選定鍋爐出口蒸汽參數為26.15 MPa(g)/605c/603℃，對應汽機的入口參數為26MPa(a)/600 0C/600℃，鍋爐給水溫度293℃。
廣東河源電廠600 MW超超臨界機組的鍋爐由哈鍋與三菱重工(MHI)聯合設計與制造，汽機則由哈爾濱汽輪機公司與三菱重工(MHI)聯合設計與制造。
1.3運行方式和工況要求
(1)機組承擔基本負荷，但能參與調峰，采用定一滑一定運行方式。
(2)鍋爐在燃用設計煤種時，不投油最低穩燃負荷為35% BMCR。
(3)鍋爐有良好的啟動特性和負荷變化適應性，鍋爐的動態特性能滿足機動性的要求。
(4)本鍋爐在25%至100%負荷范圍內以純直流方式運行，在25%負荷以下以帶循環泵的再循環方式運行，啟動系統用以保證啟動的安全可靠性和經濟性。
(5)低的NO。排放，鍋爐出口NO。排量不超過400mg/Nm3（干煙氣6%02）。
2、鍋爐設計
2.1爐型
鍋爐采用超超臨界參數，變壓運行，垂直管圈水冷壁直流爐、一次中間再熱，再熱汽調溫采用尾部煙氣擋板，鍋爐采用強化單切圓燃燒方式，平衡通風、固態排渣，全鋼懸吊構架，露天布置燃煤鍋爐。
蒸汽流量：
主蒸汽流量：1795 t/h (BMCR)，1633 t/h (BRL)：
再熱汽流量：1464 t/h (BMCR)，1339 t/h (BRL)；
蒸汽壓力：
過熱器出口：26.15 MPa.g (BMCR);
再熱器入口：4.83 MPa.g (BMCR);
再熱器出口：4.59MPa.g (BMCR);
蒸汽溫度：
過熱器出口：605℃(BMCR);
再熱器入口：350℃(BMCR);
再熱器出口：603℃(BMCR);
給水溫度293℃(BMCR)。
鍋爐熱力參數如下：爐膛容積熱負荷84 MW/m3；爐膛截面熱負荷4.6 MW／rri2;爐膛出口煙溫970℃；屏底煙溫1300℃；鍋爐保證效率93.32%(BRL)。
2.2燃燒方式和爐膛尺寸
廣東河源電廠600 MW超超臨界鍋爐采用了MHI墻式布置切圓燃燒方式，它具有爐膛熱負荷分布均勻、溫度偏差小、火焰和煙氣流場穩定、煤種適應性強等優點。
本鍋爐爐膛斷面尺寸為17666 mm（寬）x17628 mm（深），爐膛全高為63.3 m，爐膛截面熱負荷為4.6 MW／m2，爐膛容積熱負荷為84 MW/m3，這些數據均低于MHI己投運的數臺600 MW燃煤超超臨界鍋爐的數據，符合規范書的規定。爐膛的高度基本上取決于爐膛出口煙溫和保證煤粉的燃盡，根據經驗和規范書的要求，對于灰熔點低、易結渣的設計和核煤煤種，其爐膛出口煙溫為970℃，比灰分軟化溫度低150以上。綜上所述，爐膛的設計較為保守，可以確保在爐膛內和對流受熱面不結渣，安全運行。
2.3燃燒系統
燃燒系統設計的主要任務是：良好的燃盡、低負荷穩燃、低NO。排放和防止結渣。
根據這些要求，廣東河源電廠600 MW超超臨界鍋爐采用了MHI的PM型燃燒器和MACT燃燒系統，PM型的燃燒器見圖1，風粉混合物通過入口分離器分成濃淡二股分別通過濃相和淡相二只噴嘴進入爐膛，由圖2可以看出濃相煤粉濃度高，所需著火熱量少，利于著火和穩燃；由淡相補充后期所需的空氣，利于煤粉的燃盡，同時濃淡燃燒均偏離了NO。生成量高的化學當量燃燒區，大大降低了NO。生成量，與傳統的切向燃燒器相比，NOx生成量可顯著降低。PM燃燒器由于將每層煤粉噴嘴分開成上下二組，增加了燃燒器區域高度，降低了燃燒器區域壁面熱負荷，有利于防止高熱負荷區結焦。
MACT燃燒系統，就是在PM主燃燒器上方一定高度增設二層AA風（附加風）噴嘴達到分級燃燒目的，這樣整個爐膛沿高度分成3個燃燒區域，即下部為主燃燒區，中部為還原區，上部為燃盡區，這種MACT分級燃燒系統可使NO。生成量減少25%。
河源工程每爐配6臺HP1003型中速磨煤機，BMCR和BRL時投運5臺，一臺備用。
鍋爐不投油最低穩燃負荷為35% BMCR，鍋爐點火和助燃采用輕柴油，油燃燒器的總輸入熱量按30% BMCR，油槍采用機械霧化式。
2.4爐膛水冷壁
600 MW超超臨界鍋爐采用了MHI開發的世界上最先進的垂直管圈水冷壁，膜式水冷壁采用15CrMoG四頭內螺紋管焊成，與螺旋管圈相比，垂直型水冷壁的主要優點為：結構簡單、便于安裝：不需用復雜的張力板結構，啟動或負荷變化時熱應力較小；較好的正向流動特性，在各種工況下保證水動力的穩定性；阻力較小，比螺旋管圈水冷壁少1/3；不易結渣。
在傳統的一次上升垂直水冷壁的基礎上，本工程中又加裝了帶有二級分配器的水冷壁中間集箱，以降低水冷壁出口沿爐膛周界的工質溫度偏差。根據MHI的經驗，加裝了帶有二級混合器的水冷壁中間集箱后，水冷壁出口溫度偏差可減少1/3以上。
超超臨界垂直管圈水冷壁與螺旋管圈水冷壁比較，具有正向流動特性，因此鍋爐水冷壁管中的流量分配與其吸熱量是匹配的。與螺旋管圈水冷壁管內質量流速相比，由于垂直管圈水冷壁管采用較低的管內的質量流速，因此水冷壁管內水的流速較低，沿程阻力與螺旋管圈水冷壁相比較小，在整個上升水冷壁管的阻力之中凈位壓頭占主導地位，因此垂直管圈水冷壁中的流量分配是正的流量特性，能與管子的吸熱量很好的匹配，使水冷壁管得壁溫更加均勻。
另一項重大改進是將水冷壁入口的控制流量的節流孔圈由傳統的裝在水冷壁下集箱內改為裝在水冷壁集箱的出口管接頭上，以便于在運行和調試過程中更換節流孔圈，同時由于增加了裝節流孔圈的管段直徑，因此也提高流量調節的幅度。
為增加水冷壁入口節流孔圈的節流程度，將兩根∮28的水冷壁管合并成為一根∮38的管子，然后再由兩根∮38的管子合并為一根舛2的管子，在較粗的管子上面加裝較大的節流孔圈可以起到較好的節流效果。同時內螺紋管的采用又進一步提高了水冷壁的可靠性，由于滑壓運行的超超臨界鍋爐的運行中要經歷啟動階段的再循環模式、亞臨界和近臨界的直流運行和超臨界直流等3個階段，內螺紋管的采用有利于防止亞臨界低干度區發生DNB（膜態沸騰）和控制近臨界高干度區發生DRO（干涸）時壁溫上升的幅度，此外還可以采用較低的質量流速以達到降低水冷壁阻力目的，近年來，內螺紋管在超臨界和超超臨界鍋爐上己被各公司廣泛采用。
對于垂直管圈水冷壁的設計一般按相鄰兩管出口溫差130℃來計算30年使用壽命，但在水冷壁入口節流孔圈經過調試后，水冷壁出口相鄰兩管的出口溫度保證控制在30℃以內，因此水冷壁的運行是安全的。
2.5承壓部件鋼材
超超臨界技術的發展是建立在材料技術進步的基礎上，提高主蒸汽參數特別是溫度時主要受影響的承壓部件為爐膛水冷壁、高溫過熱器和高溫再熱器這些部件。
水冷壁管材主要決定于所選用的水冷壁出口溫度，由于本鍋爐水冷壁出口溫度較低(431℃)因此仍可采用低鉻的15CrMoG管子，這種膜式水冷壁管屏不需作整屏焊后熱處理，現場安裝對接焊口也下需要焊后熱處理。
由于本鍋爐的主汽溫度和再熱汽溫度分別為605℃和603℃，在這樣高的溫度下，高溫過熱器和再熱器管的最高壁溫可達到640～650℃，除了要求鋼材有很好的熱強性外，管子內壁的蒸汽氧化和外壁的高溫腐蝕問題也不能忽視，必須采用熱強性高、抗蒸汽氧化和煙側高溫腐蝕的新型高鉻奧氏體鋼。本鍋爐的三級過熱器（屏式過熱器）和四級過熱器的蛇形管（爐內部分）均由超級304H (ASME Code Case2328)和HR3C (ASME Code Case 2115)組成，前者為含銅達3%的細晶粒奧氏體鋼，即18CrlONi3Cu，后者為含鉻達25%含鎳達20%并含有少量鈮的高鉻奧氏體鋼，即25Cr20NiNb。這兩種鋼材在日本的蒸汽溫度達600℃等級的超超臨界鍋爐已廣泛采用。三菱公司己在三隅等7臺超超臨界鍋爐中采用，并己取得了良好的運行業績。
在高溫的集箱和導管鋼材方面仍采用傳統的9CrlMo，即SA-335 P91，這種鋼材具有高的熱強性和良好的工藝性（即焊接性能）。在鍋爐過熱器出口由于蒸汽溫度己達到600℃，同時考慮蒸汽溫度偏差，最高蒸汽溫度約為6”℃左右，在此溫度下采用P91集箱的壁厚將達到140 mm．而且其抗高溫氧化的能力也大大下降，考慮以上因素后，鍋爐過熱器出口集箱材料采用含Cr量達12%的P92，解決了高溫氧化的問題。
2.6鍋爐啟動系統
通過對3種內置式啟動系統的比較，我們認為雖然帶循環泵的啟動系統初投資大，但啟動過程中能回收工質及熱量，因此采用了經濟性最好的帶循環泵的內置式啟動系統。
由于水冷壁系統的出口溫度即分離器的入口溫度為434℃，因此分離器和貯水箱均由SA335-P12制成，它們是除過熱器出口集箱外的僅有厚壁元件，每臺鍋爐配備2臺汽水分離器和一只分離器貯水箱。
為了盡可能減少啟動期間工質熱損失，由分離器貯水箱底部引出的疏水總管的3根通往疏水擴容器的支管上各裝一只大直徑的分離器疏水（水位）調節閥和節流孔板，在啟動初期包括冷態清冼、汽水膨脹和熱態清洗期間，只要水質合格就將這些擴容后的疏水全部送往冷凝器回收，若水質不合格，則排向廢水集水槽不予回收。
由于裝設了上述大直徑疏水調節閥，當再循環泵事故解列時，鍋爐也能完成正常的啟動，前提是必須裝一只容量足夠的大氣式疏水擴容器，這是由于冷凝器接收分離器疏水的數量所限制的。
由于鍋爐的最低直流負荷為25% BMCR，再循環泵的設計流量也按25% BMCR．但在啟動過程中再循環泵的最大實際流量也只有20% BMCR，其原因是在啟動過程初期鍋爐給水泵始終保持著5% BMCR的最小給水量，而整個啟動過程中水冷壁系統始終保持25% BMCR的流量不變。采用再循環泵后可以大大減少啟動初期的工質及熱量的損失。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
3、結束語
國際上600 MW容量等級超超臨界燃煤發電機組已是成熟技術，機組可用率已達到傳統的超臨界機組的水平。面對中國對電力的迫切需要和發電行業的激烈競爭以及日益嚴格的環保要求，中國已經出現對大容量超超臨界機組的市場要求。
三菱重工所提供的技術支持和所采用的各項先進技術將和我公司已有的雄厚的設計和制造方面的能力相結合，我們深信作為中國首批600 MW等級超超臨界鍋爐的河源電廠鍋爐將代表當前國際上最先進水平的超超臨界燃煤鍋爐技術，在大幅度提高中國的火力發電的經濟性、可靠性和改善環保方面將作出重大貢獻。
