超临界循环流化床锅炉

科技术语

循环流化床燃烧技术具有优良的环境排放特性，其劣质燃料的适应性和低成本污染控制能力是其它技术无法匹敌的。超临界参数蒸汽循环可以有效改善蒸汽循环火电厂的发电效率。循环流化床锅炉及超临界蒸汽循环均是成熟技术，超临界循环流化床锅炉将二者结合起来，同时具备了低成本污染控制及高发电效率两个优势，在现有燃料价格、材料成本、制造水平情况下，具有巨大的商业潜力，是清洁煤燃烧技术中一个异军突起的新方案。

贡献

超临界循环流化床锅炉兼具循环流化床燃烧的低成本污染控制和超临界蒸汽循环能源高效利用的优点，是循环流化床燃烧技术的重要发展方向，对于我国劣质煤的高效清洁利用具有重要意义。与超临界煤粉炉已发展了50多年不同，超临界循环流化床锅炉在国际上没有先例。在没有工程参考的条件下，中国独立自主开展了超临界循环流化床锅炉技术的研发，创新形成了超临界循环流化床锅炉设计理论和关键技术体系，发明了系列的关键部件创新结构，率先研制了600超临界循环流化床锅炉，研发了成套辅机、仿真、控制和安装调试技术，完成了世界首台600MW超临界循环流化床示范工程（四川白马超临界循环流化床示范电站）的系统集成，创建了安全运行技术体系。与国际同期研制的也是中国之外唯一商业运行的波兰460MW超临界循环流化床的性能相比，白马600MW超临界循环流化床锅炉的性能更优。在600MW超临界循环流化床锅炉技术的基础上，中国进而推广研发了350MW超临界循环流化床锅炉。中国制造的产品占领了全部中国市场和此后出现的国际市场，标志着中国在超临界循环流化床技术领域达到国际先进水平。

技术难点及突破

中国的超临界循环流化床锅炉研究开发与国外同期开展，没有先例和任何参考资料。开发600MW超临界循环流化床锅炉的关键难点来自水动力和气固流动两个方面。

超临界锅炉的关键是水冷壁技术。从亚临界压力突破到超临界压力，二者水动力截然不同：亚临界锅炉多采用自然循环，无需外力，利用汽水密度差驱动管内工质流动冷却管子，流速与热负荷正相关，因此不太关心热流；超临界锅炉必须采用强制循环，用泵克服流动阻力，不具受热适应性，热流分布至关重要。同时，出于防磨考虑，循环流化床锅炉必须采用垂直管圈水冷壁，工质流速远低于煤粉炉的螺旋管圈水冷壁，无法借用超临界煤粉炉的水冷壁知识和经验。与此同时，600MW超临界循环流化床锅炉的炉膛高度、床截面积、分离器回路数量均已超过了已有的研究和实践范围，容量跨越后的气固两相流动情况缺乏研究了解，而流动影响到传热，因此容量跨越进一步加大了参数突破的技术难度和技术复杂程度。

清华大学吕俊复教授率领国内多家单位构成的团队，对相关问题逐一进行深入系统的研究。通过详细的研究，发现了超高炉膛物料浓度纵向分布和超大床面物料浓度横向分布的规律，建立了计算模型，提出了局部换热系数计算模型，耦合上述物料浓度分布模型，获得了可靠的热流分布，纠正了国际上对热流密度角部低的认识错误，为水冷壁安全设计提供了关键数据；建立了低热流下超临界水管内流动的换热和流动模型，发现了循环流化床水冷壁中的质量流速下限，突破了传统的认知范围和经典判据；揭示了循环流化床双床翻动的传质驱动机理和同床波动发生的结构条件、操作条件，并提出了抑制措施；发现了多循环回路并联流动的静态不均匀性、动态不稳定性的发生机理，并提出了控制手段。在此基础上创建了完整的关键技术体系，全面创新了超临界循环流化床锅炉设计理论，开发了整体布置技术、性能计算方法；发明了系列的关键部件，如低质量流速一次上升垂直管水冷壁、非连续双面受热膜式水冷壁；开发了全逆流受热面布置方式和热力流程，解决了低温燃烧的汽温问题；研制了世界首台600MW超临界循环流化床锅炉，结构上创造了诸多世界第一。

为了建设运行示范工程，提出了即燃碳的概念和软测量方法，用于示范工程控制，解决了循环流化床热惯性大的世界控制难题，实现了汽温的精准控制和负荷自动调节；基于机理模型，研制了600MW超临界循环流化床机组仿真机，用来培训运行人员，并为控制逻辑检验和启动调试提供指导；创建了系统集成技术和运行技术，研制了系列的性能优异的成套辅机，形成了辅机选型技术及辅机设计制造技术；开发了600MW超临界循环流化床安装技术、启动调试技术，形成了相关的安装标准、施工工法，进行600MW超临界循环流化床锅炉的工程示范，2013年4月14日通过168h运行。

四年的商业运行证实，白马600MW超临界循环流化床锅炉具有优异的性能。所有汽水和烟气参数与设计值完全吻合，表明受热面设计计算精确。与国外同期开发的460MW超临界循环流化床锅炉相比，白马项目的锅炉容量、参数、效率和排放等各项指标更优。白马项目实现了亚临界向超临界的参数突破，及300MW到600MW的容量跨越，国际能源组织认为这是国际循环流化床技术发展的里程碑。这也标志着我国的循环流化床锅炉技术达到世界领先水平。

白马成功投运后，中国迅速出现了350MW超临界循环流化床锅炉市场。350MW超临界循环流化床锅炉采用单炉膛无外置换热器M型简约布置。炉膛前上部悬吊末级屏式过热器和屏式高温再热器。炉膛和尾部烟道之间布置有3个汽冷旋风分离器，每个分离器下设置一个回料器。尾部竖井上部是双烟道，前烟道布置低温再热器，后烟道布置中温过热器和低温过热器。前后烟道合并后布置省煤器和空气预热器。不同设计的差异性主要是水冷受热面的质量流速以及水冷屏的流程设计：与水冷壁并联或者串联。由于这些结构均在白马的600MW上先期验证过，因此投产非常顺利。2015年9月18日，第一台350MW超临界循环流化床锅炉在山西国金通过168小时运行。此后，山西神华河曲、山西华电朔州、山西格盟国际河坡、徐州华美热电等350MW超临界循环流化床相继投入商业运行，另有60余台350MW超临界循环流化床正在安装，包括4台出口海外。四川白马的600MW超临界循环流化床锅炉和批量的350MW超临界循环流化床锅炉顺利运行，中国制造的产品占领了全部中国市场和此后出现的国际市场。

国家科技部在“十三五”国家重点研发计划中对“超超临界循环流化床锅炉技术研发与示范”项目予以支持。660MW超超临界循环流化床锅炉相比于白马的600MW，主要的变化是蒸汽参数提升：过热蒸汽压力提高到29.4MPa，过热蒸汽温度605℃、再热蒸汽温度623℃。660MW超超临界循环流化床锅炉的开发需要满足超低排放（NOx<50 mg/m3、SO2循环流化床燃烧低排放潜力实现，相应地需要开展超超临界循环流化床锅炉关键技术、污染物低排放技术、低能耗技术、锅炉本体设计技术和运行技术五方面的研究。预期建立超低排放、低能耗的660MW高效超超临界循环流化床锅炉及系统等关键技术体系，研制660MW高效超超临界循环流化床锅炉并进行工程示范，计划2020年前建成。

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