中国清洁煤发电技术案例-1000MW超超临界煤粉燃烧锅炉和600MW超临界循环流化床锅炉

岳光溪清华大学

冯伟忠上海外高桥第三发电厂

背景

0

Cap

acity

(GW

)

200

400

600

800

1000

1200

year

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

:Total :Thermal power

0.0

Ann

ul c

oal c

onsu

mpt

ion

(Bill

on to

n)

0.6

1.2

1.8

2.4

3.0

3.6

year

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

:Total :Thermal power

ws

Tem

pera

ture

T

wp

Q2

4

23

1

1 2

1 4

= h hh h

η ′−−

Entropy S

Q1

2’

5

• 中国尚处于工业化时期• 电力需求快速增加.• 主要能源来自煤炭• 中国面临大量燃煤带来的严重污

染• 解决污染的关键是发展清洁煤技

术• 燃煤电厂超临界化是大规模减少

燃煤污染的主要技术途径

Rapid development of power generation capacity in China

Coal consumption for power generation in China

Thermal-power conversion efficiency

案例一， 上海外高桥三期超超临界1000MW发电机组

自2003年后，中国开始引进国外超临界和超超临界燃煤发电技术。主要技术源：锅炉： MITSUI BABCOCK, ALSTOM, MITSUBISHI汽机： HITACHI, MITSUBISHI, TOSHIBA, SIEMENS上海外高桥三期项目是我国采用引进技术制造的首批百万千瓦超超临界发电机组示范之一。锅炉：属于超超临界，单燃烧室，塔式布置四角切圆燃烧，干排灰形式。汽轮机： 为单轴四缸四排气型式。上海外三的技术和性能是当前世界一流的。但外三的工程师们仍然对设备和运行方式进行了改进，以充分发挥其先进性能，甚至提高了它的性能。

Waigaoqiao boiler

Waigaoqiao steam turbine

1.防止汽轮机进口叶片颗粒冲蚀（SPE) 的系统性改进技术

超超临界机组过热器再热器氧化，氧化皮冲蚀汽轮机进口调节阀门芯和进口一级叶片是全世界此参数机组的共性问题。它降低了汽轮机效率。至今没有好的解决方法。外三电厂系统分析了过热器再热器管内产生氧化的原因，采用系统全面治理措施加以解决。措施一， 增加一级高温回热，把给水加热到饱和，使冷启动锅炉过程避免过热器再热器干烧。措施二，采用100%高旁，65%低旁给大蒸汽量冲洗提供条件。措施三，采用塔式炉，过热器水平布置，消除冲洗死角。效果： 30个月运行，过热器管道清洁，汽轮机叶片光滑如新。汽机效率不变。

Blocked superheat tube and eroded blades and valve

Waigaoqiao superheater tubes and turbine blades

2. 选择性催化脱硝（SCR）宽负荷运行

0

De-

NO

x ef

ficie

ncy

(%)

20

40

60

80

100

Temperature (℃)

100 150 200 250 300 350 450400

C1 C2 C3 C40

De‐NOx efficiency (%

) 

20

40

60

80

100

Operation hours

0  4000 8000 12000 16000 20000 2800024000

NH3 Slip: 3ppm wet

Guarantee efficiency

Operation efficiency in WP‐III

To boiler

Final Feedwater Heater

Fres

h St

eam

Additional feedwater Heater

HP

200

Feed

wat

er te

mpe

ratu

re (℃

)

220

240

260

280

Load (%)25 40 55 8570

Additional heating

300

100

百万超超锅炉在省煤器和空预器之间设置SCR，保证NOx<350mg/Nm3

但是外三机组必须参加调峰，部分负荷运行时，SCR运行温度超出最佳温区。传统办法是省煤器部分烟气旁路，或在设计阶段更换SCR位置。 这对已运行的外三机组不适合外三的解决方案： 附加高温回热，在较宽负荷范围控制省煤器给水温度为290度定温。使SCR总在合理温区运行。效果:催化剂超设计寿命运行效率不变。在经常变负荷条件下年均排放25mg/Nm3, 远低于国家最新标准(100 mg/Nm3), 甚至低于燃气电厂标准(50 mg/Nm3).深度回热同时带来部分负荷运行时汽机效率提高。在50%负荷时汽机汽耗率降低57kJ/kWh

Temperature window of de-NOx catalyst of SCR

Catalyst efficiency & life

Additional heat extract for feed water

Extract heat control

3.1000MW超超临界机组的节能措施

Con

dens

e W

ater

Feedwater Heater

from

nei

ghbo

r tur

bine

Feedwaterpump

Deaerator

Stea

m

RH

SH

Eco

Boiler

Recirculationpump

Drainage water pump

To condenser Wat

er-s

team

s

epar

ator

W

ater

tank

Flas

h ta

nk

Wat

er

tan

k

（1）深度回热在启动时的应用

措施：锅炉冷启动前，邻机抽汽加热给水

将锅炉水冷壁内水温，锅炉省煤器，燃烧室内空气均加热到饱和水温。.

效果: 节约启动油料90%，启动煤10%，启

动电耗80%。

179.6

15

0

50

100

150

200

250

300

350

400

900MW 1000MW W Phase-III

Oil

cons

umpt

ion

for s

tartu

p (t)

253

199.4

0

50

100

150

200

250

300

350

400

900MW 1000MWW Phase-III

Coa

l con

sum

ptio

n fo

r sta

rtup

(t)

1000MWW Phase-III

386.7

80.5

0

50

100

150

200

250

300

350

400

900MW 1000MWW Phase-III

Pow

er c

onsu

mpt

ion

for s

tartu

p (G

M⋅h

)

The additional extract heat system

Energy saving for boiler cold start

（2）广义回热

Heat feedwater

GenaratorSteam turbine

Boiler

Combustor

Exaust gas heat loss Condenser

Heat the primary air including pulverized coal particle

Heat the secondary air

外高桥将回热概念应用到部分负荷运行SCR，锅炉冷启动，甚至用于热风，和燃料加热。效果：改善了运行效果也节约了发电煤耗。

generalization of extract heat cycle

（3）辅机集中变频电源（CFCP）的开发

Axt

ract

stea

m

Condenser

Genarator

M1 M2 M3 M4

Mother line of frequency conversion power

Mother line of working frequency

Turbine and generator for CFCPS

CFCPS system

机组部分负荷运行时，辅机往往处于性能低效区。传统解决方法之一是采用变频电源驱动辅机优点；操作简单。缺点：大功率变频电源价格高，且不可靠。传统解决方法之二是采用小汽轮机驱动优点：可靠。缺点：系统复杂管理困难.外高桥方案：小汽轮机驱动共用变频发电机电源将传统两种方案的优点结合。效果: 系统简单操作简单，及其可靠。目前已带两个机组6台风机，2个凝结水泵，2个循环水泵。

外高桥百万超超超临界机组综合节能效果

270

272

274

276

278

280

282

284

286

288

290

2008 2009 2010 2011 2012year

Net

coa

l con

sum

ptio

n fo

r pow

er g

ener

atio

n ge

c/(k

W⋅h

) R=

75%

R=

74%

R=

75%

R=

81%

R=

77%

R: load rate

该机组综合节能措施是机组净供电效率（含脱硫脱硝）达到了46.5%。2011-2012年年均供电煤耗为 276.02 gec/(kW⋅h), 而且这个结果是在年均负荷

率81% 和 77%下实现的。远高于设计值，达到了世界领先水平

The year average Net coal consumption for power supply in Waigaoqiao

Energy saving for all improvements in Waigaoqiao Phase-III

案例二 600MW 超临界循环流化床锅炉燃烧发电示范

1. 中国循环流化床燃烧发展历程回顾

由于中国需要处理大量劣质煤和洗煤矸石，二循环流化床是处理劣质煤的最佳方式。所以中国与世界同步从1980年代就开始研究循环流化床燃烧。1995年后，循环流化床燃烧进入发电市场。循环流化床锅炉的大型化和高参数化就成为发展方向。中国锅炉厂引进了135-150MW再热循环流化床锅炉技术，进而引进了300MW亚临界循环流化床锅炉技术。但中国看到了国外技术的不成熟性和对中国煤种的不适应性，同时也加紧研究循环流化床燃烧的基础理论和开发适合中国煤种的国产化循环流化床锅炉，以满足市场需求。

中国研究者对循环流化床燃烧理论的贡献

Avoi

dage

ε

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

um umGas velocity

uf1

Gs2Gs1 Gs3Gs4Gs5

utr

uf2uf3uf5

uf4

uf0

ε 0 ε 1

ε 2

ε 3

ε 4

ε 5

uc

（1）循环流化床的气固两相流问题•确认循环流化床燃烧室内的流态是下部鼓泡床与上部快速床的结合。•确认即使在快速床流态下，也存在多个快速床状态点。.•提出了循环流化床燃烧系统是多粒度开口体系。•提出了该体系多粒度平衡取决于系统对不同粒度颗粒的分级保存效率和燃料成灰粒度特性和磨耗特性。

Multi status in fast bed regime open system in CFB

fractional accumulation efficiency of CFB

（2）循环流化床内的燃烧理论

Dim

ensi

onle

ss h

eigh

t H

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

0 0.2

Accumulation combustion fraction

0.4 0.6 0.8 1.0

Bituminous of Vdaf=34.4%Bituminous Char

Secondary air Secondary air

Lean Oxygen Core

•提出了循环流化床内燃烧份额沿高度分配的概念。.•发现了循环流化床燃烧室密相区的富氧条件下的欠氧燃烧状态。•发现了燃烧室上部存在中心欠氧区。

bubble in dense bed Lean Oxygen core in the CFB combustor

（3）循环流化床内的传热理论

`

Front Wall RightSide Wall

Left SideWall

6.6

13.13.3

14

L1

22.2

2638

L2

L3

SecondaryAir

1218

.523

Unit: m

Mod

el p

redi

ctio

n re

sult

αb W

/(m2 ⋅℃

)

130

145

160

175

190

130Measurement data αb W/(m2⋅℃)

205

145 160 175 190 205

±4%

•将复杂的传热机制简化为颗粒对流和颗粒辐射两个主要机制•依此开发了适当的传热测试探头，并开展了大规模现场试验. • 用测试数据总结出了循环流化床燃烧室传热系数半经验公式可用于工程设计。

Heat transfer measurement probes

Field test Heat transfer coefficient

（4）循环流化床流态的设计原则

6

12

18

24

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Fluidization velocity uf m/s

Soft coal

Circ

ulat

ing

mat

eria

l flu

x G

S kg/

(m2 ⋅s

) Hard coal

Fast bed limitation

C

D

E

G

H

I

B

A F

Commended

Normal condition

Cyclone of high collection efficiency with excellent ash

formation characteristic

Cyclone of excellent collection efficiency with excellent ash

formation characteristic

提出了循环流化床定态设计准则并给出了一个循环流化床流态定态图谱。该图谱可以鉴别世界各个循环流化床技术流派的流化状态。为中国煤种指出了一个适当的流态设计.点。

Fluidization status map of CFB boiler

设计理论的应用成果

2. 中国的超临界循环流化床锅炉

中国超临界循环流化床锅炉技术发展历程

2000: 清华大学第一次研究循环流化床燃烧超临界化的可能性2003: 中国科技部支持超临界循环流化床关键技术2006: 科技部和发改委十一五同时支持600MW超临界循环流化床技术和示范工程2007: 发改委批准四川白马电厂600Mw超临界循环流化床发电示范工程立项。2011: 发改委核准示范工程投资。2012 底：示范工程安装完毕。2013.4.14 完成调试和168小时满负荷试运。

超临界循环流化床研发的主要成果

发展超临界循环流化床面临三大技术挑战•流化床放大带来的流动，燃烧，传热未知挑战.•超临界循环流化床水循环安全性挑战•超临界直流锅炉与循环流化床燃烧结合后如何实现数字控制操作。.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0.94 0.96 0.98 1.00

Bed inventory Iv kg

40 50 60 70 80 90

Avoidage ε

Hei

ght H

m

uf =3.9m/s

0.98

1.00

1.02

1.04

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Dimensionless distance from side wall center

Nor

mal

ized

hea

t tra

nsfe

r coe

ffici

ent

0.96

1.06Distance from Distributor h=12.0m Distance from Distributor h=18.5m Distance from Distributor h=23.0m

（1）为此建立了60米高的试验台模拟实验超高炉膛的流动问题，回答超高炉膛物料浓度分布及床存量对分布的影响。这些数据世界上没有。数据对超临界循环流化床锅炉设计非常重要。.

对大尺度炉膛的热流二维分布进行了现场测试。该结果是超临界循环流化床水循环计算的核心输入参数。

Heat flux distribution along horizontal direction in CFB furnace

Voidage distribution in extreme high riser

11

22

33

44

55

300 315 330 345 360 375 390 405 420 435 450

Metal temperature of the tube tw ℃

Hei

ght t

o th

e ai

r dist

ribut

or H

m

0

75% B-MCR50% B-MCR

Prediction Operation

Tube location(the tube number from the wall corner) n

to+0

to+20

to+15

Stea

m te

mpe

ratu

re a

t th

e ou

tlet o

f No.

n ℃

150

to+20

50 100 2001

to+10

（2）建立了水循环安全计算模型对水冷壁沿高度岁负荷变化的温度分布规律进行校核，校核包括光管和内螺纹管两种情况。校核结果与真实锅炉运行结果比较完全一致。.

Tube metal temperature along the furnace height

Comparison of model prediction with measurement on the water tube outlet temperature

Supercritical CFB boiler

And steam turbine

Coal feeding rate

Air flow rate

Feedwater rate

Steam valve opening

Power Output

Fresh steam temperature

Fresh steam pressure

（3）对超临界循环流化床锅炉提出了一个三输入，四输出的控制模型。用此模型的DCS系统在工程应用中得到了成功。

4 inputs + 3 outputs model for SC CFB load control

Load control record for 600MW supercritical CFB

600Mw超临界循环流化床锅炉的设计

Separation water wall

Separation water wall

东方锅炉厂接收了所有研究结果，并承担了示范锅炉设计，制造。

锅炉设计基本参数：主蒸汽流量: 1900t/h主蒸汽参数 ： 25.4MPa 571℃/569℃锅炉效率： 92%二氧化硫排放: <300mg/Nm3，氮氧化物排放: <200mg/Nm3，锅炉设计特征: H-型布置,单燃烧室，6个

气冷分离器，6个外置换热床，6台水冷滚筒冷渣器。

燃烧室内用一个吊屏分割为二，吊屏开缝维持燃烧室两侧压力平衡。

Schematic of 600MW CFB boiler

Partition wall Furnace division

Stea

m-w

ater

se

para

tor

Wat

er

tank

Fina

l SH

cyclone

Furnace

SHII-1

EHE

EHE

EHE

SHII-2Final RH

Primary SH Primary RH

Economizer

deed

wate

r

HP MP-LP

Item UnitLoad

Ultra low load Low load Max load High Pressure Heater Out

Load MW 155 255 660 600Fresh steam rate t/h 498 734 1812 1743

Fresh steam P MPa(g) 10.2 12.99 24.6 23.9Fresh steam T ℃ 500.2 533 570 566Spray water rate t/h 14 53 143 113

Reheat steam P MPa(g) 1.03 1.61 4.08 3.91Reheat steam T ℃ 478.8 524 569 567

锅炉水系统如图所示。各个负荷时的蒸汽参数设计如图表所示。

600MW SC CFB water loop

Steam parameter for different load

600MW超临界循环流化床发电工程的运行

Item Unit NumberC content in fly ash % 4.0～6.0C content in bed ash % 1.0～2.0O2 content in flue gas % ～4.0Flue gas T ℃ 130～135Boiler efficiency (estimated) % 92.3～91.8Guaranteed boiler efficiency % 91.01SO2 emission （O2=6%） St.ar = 3.21% mg/Nm3 320～360

NO emission （O2=6%） mg/Nm3 112～164

发电厂于2013黏月通过168小时满负荷试验。运行表明主要运行参数与设计值一致。水冷壁安全性好于预期。水冷壁出口管间温差小于17度。中隔屏管间温差小于28度。满负荷床温为890度。与设计值完全一样。说明前期研究的数据可靠。排放值低于设计值。..

168 hours operation record

Emission and key performance value of 600MW supercritical CFB

600 SC CFB power plant

结束语

中国电力行业的主要任务是发展清洁煤技术。中国工程技术人员和研究人员已经在发展高效超临界发电技术方面做出了巨大努力。外高桥消化吸收改进百万超超临界煤粉燃烧发电机组和白马世界最大容量国产超临界循环流化床发电机组示范是两个典型事例。现在中国正在向·更先进的煤粉燃烧和循环流化床燃烧技术努力。