Research on same height design of bo

　　工程设计学报锅炉与汽轮机等高设计研究尧国富，李建锋，李斌（中国电力企业联合会科技开发服务中心，北京100055）采用等高布置的设计理念，即在火电机组的设计建设过程中，尽可能保证锅炉的过热器出口、再热器进出口的标高与汽轮机蒸汽出入口的标高相同。采用该种布置方式，在地形起伏较大的地区，可以依地势的高低把锅炉建在低处，而汽轮机则安装在高处，因此该等高设计理念可以用来指导电厂的选址。如果是在平原地带，则可以采用锅炉下沉的布置方式来缩短蒸汽管道长度，尽管增加了土建开挖的能耗，但是却减少了输煤的能耗，估算表明，锅炉运行5a（年）左右两者的能量即可达到平衡。锅炉下沉的布置方式还带来了其他的一些优点，比如降低电厂噪音等。：锅炉；汽轮机；等高设计；压力损失；蒸汽管道；投资成本；超（超）临界目前的火力发电厂中锅炉与汽轮机布置采取各自独立的方式，中间用主蒸汽管道和再热蒸汽管道进行连接。但随着锅炉容量的不断增加，现代锅炉的高度也越来越高，国外燃用褐煤的1000MW超超临界塔式锅炉的高度已经达到了160m，我国燃用烟煤的1000MW超超临界塔式锅炉的高度也达到了129m.锅炉的主蒸汽、再热蒸汽管道越来越长，压损越来越大，温度损失也越来越高，因此各项管道损失所占比例越来越大，需要引起一定的重视。

　　现在先进的1000MW超超临界发电机组的主蒸汽管道和再热蒸汽管道长度都超过了1m，因为这些管道都是用特殊材料制作，价格昂贵，这大大增加了系统的投资费用，见表1.从表1中可以看出，锅炉的主蒸汽管道与再热蒸汽管道总投资额相当昂贵，对于今后进一步发展更高参数的机组来说，蒸汽管道的造价会更高。另一方面，因为管道的加长，蒸汽压力损失和热损失也随之增加，压力高有超过1MPa的降幅，温度的降幅也超过了5°C，见表2.因此对整个机组的发电效率影响较大，从表2中可以看出，1000MW机组因为管道加长，蒸汽的作功能力损失超过了27MW，接近影响发电效率3.所以，如何降低这部分的能量损失成了系统设计中的一个重要课题。

　　表1 1000MW超超临界塔式锅炉机组蒸汽管道投资额管道材料尺寸长度/m单价总价主蒸汽管道八主蒸汽弯管八再热热段管道八再热热段弯管八再热冷段管道八注：1）尺寸一栏数字为管道小内径X小壁厚。

　　表2某1000MW超超临界机组BMCR工况下设计参数参数单位锅炉汽机参数单位锅炉汽机主蒸汽流量汽轮机排汽压力主蒸汽温度高压缸排汽焓主蒸汽压力高压缸排汽焓降主蒸汽焓值高压缸排汽姻主蒸汽焓降高压缸排汽姻降主蒸汽姻再热蒸汽焓值主蒸汽姻损失再热蒸汽焓降再热蒸汽流量再热蒸汽姻值再热汽进口温度再热蒸汽姻损失再热汽出口温度管道总热损失再热汽进口压力管道总姻损失再热汽出口压力1锅炉下沉式设计如所示为常规的锅炉岛设计，锅炉0m处为地面。汽轮机布置在汽机平台，中间用较长的管道连接，来自煤场的原煤经过多级皮带输送至50m高处的锅炉煤仓，然后下落至地面的磨煤机中研磨成煤粉，经过管道送入锅炉。如前所述，这样的系统一方面会增加管道的热损失和娟损失，还会增加较多的输煤电耗。

　　如果将汽轮机的位置抬高，可以降低管道长度，从而降低系统的损失，但是因为汽轮机为高速旋转设备，所以对其基础的稳定性要求很高，因此抬高汽轮机位置会大大增加汽轮机基础的施工难度和成本，对系统的可靠性可能会产生不利的影响。当然，如果在山区，因为地势本身就不平，所以可以依照地形，把汽轮机建设在高处，自然缩短蒸汽管道长度，这可以作为指导电厂选址的依据之一，见。但在平原地带，考虑到极端情况，如果能够采用锅炉下沉式设计，则可能是解决这一问题更有效的方法，系统图见。

　　在锅炉下沉式设计中，锅炉的0m处在地面以下，根据锅炉的总体高度合理取值，这样大部分的锅炉炉膛会埋在地面以下。而汽轮机的高度基本维持不变，因此锅炉的过热器、再热器高度与汽轮机基本相同，此时主蒸汽管道与再热蒸汽管道大大缩短，一方面降低了管道的成本，另一方面管道的长度减小，热膨胀量也随之减少，因此热膨胀问题更好解决。

　　过热器煤仓再热器省煤器空预器来自煤场火电机组常规布置方式主蒸汽管道再热冷段管道再热热段管道再热器来自煤场磨煤机地面锅炉0依地势而建造的火电机组再热热段管道再热冷段管道主蒸汽管道过热器发1Ll机―地面磨煤机锅炉下沉式设计2锅炉下沉式设计特点分析将锅炉本体采用地下、半地下布置方式以及山体坡度顺势布置可以带来的主要优点如下。

　　2.1节约投资发展现代超（超）临界火力发电机组首先要解决材料问题。随着机组参数的不断提高，对材料的要求也越来越高，材料的价格也越来越昂贵。根据表1，进口材料为ASTM/A335P92CID349X91）的主蒸汽管道单价为10405.58美元/m，即便是国产的再热蒸汽热段管道ASTM/A335P92CID699X 43）单价也达到了人民币114452.32元/m.一台超（超）临界机组的主蒸汽、再热蒸汽管道（冷段、热段）及管件要1.3亿元人民币。采取锅炉半地下设计可以极大地节省昂贵的主蒸汽、再热蒸汽管道和管件及保温材料的投资。

　　2.2降低主蒸汽再热蒸汽压损主蒸汽、再热蒸汽管道的温降由两部分造成。一部分是由散热损失引起的主蒸汽、再热蒸汽管道温降，从理论上分析，散热损失造成的管道温降不到0.5°C.另一部分是由管道压损引起的等焓温降。由管道压损引起的等焓温降在高压区较大，低压区较小。根据计算，当主蒸汽管道压损为5时，等焓温降对超高压、亚临界和超临界参数机组分别为2. 2，3.2和45C，目前我国的主蒸汽压损按设计规范取值为5，在此压降下超临界机组主蒸汽管道的等焓温降为5C.我国的再热蒸汽压损按目前的设计规范取值为高压缸排气压力的10，其中：再热器压降占5；再热蒸汽管道（包括冷段和热段）压降占5，其中冷段再热蒸汽管道压力降为2.0，热段再热蒸汽管道压力降为3.再热热段管道压降为3. 5时的等焓温降则不到1C，在此压降下热段再热蒸汽管道选择2C的温降再热系统的压降每降低1，汽轮机热耗约下锅炉地下、半地下布置方式以及山体坡度顺势布置设计会大大缩短主蒸汽、再热蒸汽管道（冷段、热段）长度，起到降低主蒸汽、再热蒸汽压损与等焓温降，可以提高发电机组效率12.从节能的角度来说，火力发电组如果采用二次再热，将会较大幅度地提高机组效率，见表3.但是在目前的常规设计方式下，二次再热机组的管道能量损耗会更大。因此，如果采用锅炉与汽轮机的等高设计，可以大大降低整个机组的管道损耗，也更有利于二次再热机组的推广和应用。

　　表3二次再热机组性能参数电厂名称蒸汽参数运行效率/日本川越火电厂丹麦NY发电厂1注丹麦NY发电厂为海水冷却机组。

　　2.3减少管道中的蒸汽容积容量发电机组故障情况下，主蒸汽、再热蒸汽管道中存有大量的蒸汽，这些残留在主蒸汽、再热蒸汽管道中的大量蒸汽，一是容易造成汽轮机超速，二是在故障情况下卸掉这些蒸汽需要庞大的旁路系统，极大地增加投资造价。采取锅炉过热器出口与汽轮机等高设计方案，缩短蒸汽管道长度，可以极大地简化旁路系统，同时也提高了一次调频的响应速度。

　　2.4提高锅炉热风回收效率锅炉地下、半地下布置方式将引风机、送风机、一次风机进行地下设计，可以合理布置送风机和一次风机吸入口的位置，回收了锅炉的大部分散热损失，起到提高热量回收效率和节能的良好效果。

　　2.5节约输煤用电当输煤栈桥跨度大于24m时，预应力钢筋混凝土结构受到施工条件、场地要求等种种因素的限制，所以只能采取纵向钢桁架结构方案。

　　锅炉半地下设计输煤方式为自由落体式，节省提升燃煤的动力，也彻底解决了抗震条件及地震可能带来的损坏，同时还节省了厂用电。

　　2.6降低锅炉辅机噪声火力发电厂的噪音会对运行人员的听力甚至身体健康产生危害，所以科学治理电厂的噪音是有必要的。目前火力发电厂控制噪声对环境的影响有2种技术路线：―是从声源上治理噪声，就是转动设备的制造厂家按造国家规定的产品噪声标准来进行控制；二是从噪声传播途径上进行噪声控制，在生产现场采取对设备加装隔声罩、对外排汽阀加装消声器设备、在建筑物内敷吸声材料等措施进行噪声控制对于火力发电厂来说，对没有国家规定的产品噪声标准的设备，在向设备制造厂签订产品技术协议时，主要以下噪声控制标准：引风机（进风口前3m处）为85dB（A）；送风机（吸风口前3m处）为90dB（A）；钢球磨煤机控制在95105dB（A）；其他中、高速磨煤机控制在8695dB（A）。

　　目前我国的火力发电厂噪声控制还无法达到设计要求。锅炉半地下设计，产生的噪声被地下吸收，不能反射或传播到地面，解决了锅炉辅助设备噪声控制问题，可以消除噪声对厂界环境所产生的影响。

　　2.7解决北方地区冬季锅炉防冻的问题锅炉半地下设计，利用地下热量和锅炉本体散热等，可以解决冬季北方地区锅炉防冻的问题，不但可以节省暖通设施的投资，还可以节省供暖用汽，节能效果显著。

　　2.8防止“四管爆破”

　　锅炉“四管爆破”问题是世界上火力发电很难克服的重大难题。据统计在火力发电厂的非停事故中，锅炉的非计划强迫停运占非停的52，而“四管爆破”占锅炉的非计划强迫停运次数的8造成锅炉“四管爆破”有很多原因，其中有锅炉应力腐蚀，管壁超温，燃烧调整不当，火焰偏斜，一、二次风配比不当和燃烧中心位置过高等。

　　一般的解决措施是加强燃烧调整，保证各二次风挡板的合理开度和合适的一次风量，二次风挡板要随煤种变化及时进行调整，避免火焰中心温度偏高，防止贴壁燃烧和锅炉结焦。

　　其次是改善炉内空气动力工况，按照负荷变化，改变送风量的大小，并且随环境温度的变化要增减送风机出力，以满足锅炉合理的过剩空气系数。

　　正常运行期间保证各受热面的温度在规定范围内，变工况下或机组发生异常时，及时调整汽温，防止汽温大幅度变化和长时间超温。

　　锅炉与汽轮机等高设计方案中，由于锅炉周边取消了除氧间的设计限制，可以将磨煤制粉系统设备分层、对称、归位布置，从根本上解决空气动力不均匀、配风不当、风粉不均等造成“四管爆破”的问题。

　　2.9减轻锅炉本体对空冷岛的来风干扰直接空冷机组对于风环境要求较高，随着锅炉本体的不断增高，其对空冷岛周围的风环境影响也越来越大。采取锅炉与汽轮机等高设计，由于消除了锅炉岛对环境风的影响作用，降低了锅炉岛对空冷机组冷却效果的影响。

　　2.10简化控制系统及改变控制方式目前火力发电厂的控制方式为机炉电协调控制方式，控制系统复杂，响应时间慢。近西门子公司研制出无主蒸汽门、无调速器门的滑压运行汽轮机。采用锅炉过热器出口与汽轮机等高设计后可以实现直接控制锅炉给煤量来达到控制发电机负荷的目地，从而实现简化控制方式及改变控制系统的目的。

　　3锅炉下沉式设计所带来问题的分析3.1综合能耗分析采用锅炉下沉式设计中，为了下沉锅炉必然会增加土方挖掘量。事实上，如果在我国西南等地势不平的地区建火力发电机组，比如按照地形走势将汽轮机建于山坡之上，而锅炉则建在山脚下，利用地形天然地形成等高布置，这是理想的状况，也应该成为火力发电厂的一个选址辅助原则。但更多的时候火电机组的厂区为平地，这样就需要根据具体的地质条件来布置锅炉本体。下面通过能耗分析的方法来论述土方挖掘量与长期输煤的能耗对比。

　　如所示，为了满足锅炉的下沉式布置，需要在地面进行土方挖掘。假定挖掘的总面积为，那么每向下挖掘d：r深度，则向上运输泥土需要的能量为：dW二W二地面2台600MW锅炉的占地总面积约为4 18X104m2，那么总的开挖面积应该不低于5X104m2.取泥土的平均密度为2 700kg/m3，那么挖掘100m深度总的运土能耗为6. 2台600MW锅炉机组每年耗煤量约为265X104t，这些煤被输送到50m高度需要消耗的能量为1.3X109k，因此，采用下沉式设计的锅炉，5a（年）的时间内锅炉输煤节能的能耗与运输坑内的泥土能耗相当。

　　3.2其他问题分析采用下沉式设计的锅炉机组，对于人员的运行与巡检几乎没有什么明显的影响，因为现在锅炉较高，基本上都安装了电梯等设备，所以下沉式设计仍然可以采用电梯设备方便运行人员巡检。另外，锅炉下沉式设计可以采用顶棚覆盖、挖设集水井、安装潜水泵等方式来防洪防汛。因为锅炉本体与周围地基之间可以留有空隙，如所示，因此可以通过该空隙给锅炉的底部进行通风，或者用于收集锅炉本体的散热。

　　所以，从以上的分析结果来看，锅炉下沉式布置方式尽管对于老旧机组的改造没有作用，但是却可以成为今后新机组系统设计中的一个有益。

　　4结论由于锅炉的蒸汽管道越来越长，所产生的压力损失和作功损失也就越来越大，因此本文提出了锅炉与汽轮机等高的设计原则。基于这一原则，可以采用锅炉下沉式设计。采用锅炉下沉式设计方案，可以有效降低蒸汽管道的能量损失，降低汽轮机超速的风险，降低机组运行过程中的输煤电耗，降低锅炉本体对空气机组空冷岛的风环境影响，降低锅炉机组的噪音水平，而且还有利于提高锅炉燃烧效率，便于锅炉调节等。另外，计算表明，因为采用下沉式设计方法而增加的泥土输送能耗可以在5a（年）之内由输煤能耗所补偿。因此，综合来看，采用锅炉下沉式设计方法可能会成为今后火力发电机组的一个基本设计准则。而且基于等高设计这一原则，可以为电厂机组的建设选址提供必要的依据。