创刊60周年纪念专辑 | 吕俊复院士 等：超超临界循环流化床锅炉技术研发进展
学术
其他
2024-10-24 17:04
北京
![]()
超超临界循环流化床锅炉技术研发进展
吕俊复1，王君峰1，姜孝国2，鲁佳易3，罗勇军4，李文凯5，张守玉6，柯希玮7
（1. 清华大学能源与动力工程系, 北京市 海淀区 100084
2. 哈尔滨锅炉厂有限责任公司, 黑龙江省 哈尔滨市 1500463. 东方电气集团东方锅炉股份有限公司, 四川省 自贡市 6430014. 上海锅炉厂有限公司, 上海市 闵行区 2002455. 电力规划设计总院, 北京市 西城区 1001206. 怀柔实验室山西研究院, 山西省 太原市 0300007. 北京怀柔实验室, 北京市 怀柔区 101400）DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.240428
循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉技术起步较晚，其蒸汽参数和机组发电效率略逊于煤粉锅炉，目前行业内CFB发电机组仍以亚临界和超临界参数为主。随着技术的进步以及节能环保和碳减排的压力增加，开发性能更加优越、技术更为先进的超超临界CFB锅炉是必然趋势。世界首台蒸汽温度达到超超临界参数的CFB机组于2017年在韩国投运，由Foster Wheeler(FW)公司设计制造。我国在“十一五”期间依靠自主技术实现了对超临界CFB技术突破，国内首台600MW超临界参数CFB锅炉于2013年在四川白马电厂投运，目前还没有超超临界CFB投运项目。在“十三五”国家重点研发计划支持下，国内众多科研机构及三大锅炉厂商开展了600MW级超超临界CFB锅炉技术研发，形成了具有自主知识产权的技术方案，多个采用不同技术方案的项目已进入到工程应用阶段。
![]()
超超临界CFB锅炉面临提升运行经济性、加强污染物控制、增强可靠性和深度调峰灵活性的需求，这对锅炉方案研究和设计提出了许多技术挑战。基于对关键技术的深入研究和超临界CFB锅炉的实践经验，形成了多种超超临界CFB技术方案，多个采用不同技术方案的项目已进入到工程应用阶段，其中可靠、灵活、清洁和高效是设计中的关键考量。本文重点分析了影响超超临界CFB锅炉技术方案的关键技术，阐述了不同锅炉制造商提出的技术方案及其特点，同时也介绍了相关工程应用进展情况。针对未来超超临界CFB锅炉在提升运行灵活性及实现低碳排放方面的发展趋势进行了展望，旨在为该领域的技术进步和可持续发展提供参考。
面对新形势下开发新一代超超临界CFB锅炉的迫切需求，各锅炉厂商和科研机构开展了针对性研究，分析了超超临界CFB在流态化燃烧、水动力系统、污染物控制以及系统集成等方面的关键技术，并结合超临界CFB的开发和运行经验，提出了多样化的超超临界CFB锅炉技术路线。本文重点关注各锅炉厂商已进入到工程应用阶段的超超临界CFB锅炉技术方案。CFB炉内流态化燃烧特性受炉型及循环回路系统设计的影响很大，改善燃料和床料横向扩散、保证炉内二次风穿透性、优化外循环系统均匀性设计，是提高锅炉整体性能和运行可靠性的发展方向。660MW级超超临界CFB锅炉炉内流化燃烧具有优化条件，大尺寸锅炉为设备布置与结构优化提供空间优势，使得炉膛结构、布风板设计、旋风分离器布置等更加灵活，为改善炉内流态化燃烧提供了更多选择，为多样化的660MW超超临界CFB炉型方案开发提供了条件。相比超临界锅炉，超超临界锅炉工质压力提升约5MPa，在相变点附近时工质侧物性间差异也达到最大值，另外超超临界下水系统的自补偿特性减弱，使得水动力稳定性变差，超超临界水动力研究非常重要。与此同时，随着压力升高和蒸汽参数增加水系统设计条件也发生变化，核算水冷壁的吸热份额由超临界的43%下降到超超临界的36%，这一变化使得水冷壁布置及炉膛结构可以相对更加灵活，为优化水系统设计提供了条件。![]()
![]()
高炉膛条件下燃料的燃尽得到保证，使得二次风穿透问题不再显著，为炉内污染物排放提供了较好的条件。这说明炉膛高度为炉内O2提供了较好的扩散条件，为炉内脱硫反应提供了条件，使得炉膛出口SO2排放得到控制；同时，较高的炉膛密相区为二次风高位布置提供了空间，可在密相区创造更大的还原性气氛，利于炉内NO还原。超超临界CFB锅炉的污染物控制具有较好的条件，为新型炉膛开发提供有力支撑。大容量、高参数的超超临界CFB锅炉燃烧侧的系统和布置较为复杂，而蒸汽参数提升使得高温受热面传热温差进一步减小，对燃烧侧均匀性和调节性提出新的需求；同时，“双碳”背景下对CFB锅炉的深度调峰能力和节能降耗也提出了更高的要求。针对超超临界CFB技术需要考虑锅炉燃烧侧与蒸汽侧的耦合与系统集成问题，主要的设计思路包括增加炉内传热干预手段、提高煤水比对汽温的调节和响应特性、流态重构理论应用以及优化辅机设备的设计和选型。面对新形势下开发新一代超超临界CFB锅炉的需求，通过分析影响超超临界CFB锅炉技术方案的关键技术，各锅炉厂商和科研机构开展了针对性研究，并提出了不同的技术方案，本文主要介绍国内外各锅炉厂商已进入到工程应用阶段的超超临界CFB锅炉技术方案。![]()
国内外开展工程应用的超超临界CFB锅炉厂商有四家，国外仅有FW公司一家，其余三家为国内三大锅炉厂商。FW公司设计制造的世界首台550MW超超临界参数的CFB锅炉，其在技术方案上基本延续了首台460MW超临界CFB锅炉的设计思路，采用一次上升水动力系统；东锅在660MW级超超临界CFB锅炉上先后分别采用了H型双布风板结构和M型单布风板结构两种炉型方案，其中H型双布风板结构的炉型延续了600MW超临界CFB锅炉设计思路，M型单布风板结构的炉型除了炉膛型式和旋风分离器设置不同之外还取消了外置床结构，两种炉型水动力均为炉膛水冷壁并联水冷隔墙的一次上升方案；上锅采用M型布置8台旋风分离器方案，不设置外置床，采用炉膛水冷壁炉内串联折转水冷屏的二次上升水动力系统，哈锅采取M型4台旋风分离器，设置外置床，采用炉膛水冷壁炉外串联水冷屏的二次上升水动力系统。另外，各锅炉方案在尾部烟道结构、配风系统、给煤系统及受热面布置等方面也存在较大差异。在超超临界CFB技术方案开发上，结合超临界CFB上的开发运行经验以及相关技术研究，各锅炉制造商提出了各具特色的多样化超超临界CFB锅炉技术方案。3）超超临界CFB项目进展。
国外虽然于2017年投运了首个超超临界CFB项目，但后续发展较慢，目前没有在建项目。我国自2019年开始陆续批复了多个超超临界CFB项目，国内共有6个超超临界CFB发电项目进入到建设阶段，按计划在近两年内将陆续投产。其中陕西彬长项目是国内目前进展最快的项目，已于2024年7月份开始调试并已实现满负荷运行，其他项目预计在2024年底开始陆续进入调试。表2 超超临界CFB项目情况汇总表
![]()
4）超超临界CFB锅炉的发展新动力。
碳中和背景下，煤炭作为保底能源在电力系统安全托底中不可或缺。相比煤炭的各种燃烧方式，循环流化床锅炉具有燃料适应性广、污染物控制成本低以及负荷调节范围宽等优势。多样化的超超临界CFB技术为机组运行灵活性、低碳燃料燃烧、可靠性研究提供更好的条件，有望在新形势下可以发挥更重要的作用。首先，新型电力系统下需要煤电发挥灵活性调峰的作用，CFB锅炉可以进行压火热备，通过运行时的压火和扬火操作可以实现机组的近零出力和快速启停，从而实现全负荷调峰，具有优于煤粉机组的运行灵活性；其次，低碳/零碳燃料替代高碳煤燃料是一种极具潜力的火电机组碳减排技术，对我国实现由高碳电力快速、平稳过渡至低碳及零碳电力具有重要意义，CFB锅炉具有优异的燃料适应性，这为低碳/零碳燃料在CFB锅炉中燃烧提供了条件，可以相对较为容易地燃烧氨、氢气及工业副产气等低碳/零碳燃料；此外，基于CFB燃烧技术的发展现状及未来需求分析，清华大学提出了面向新型电力系统的粉煤CFB燃烧技术，该技术可使CFB锅炉在负荷调节速率、深度低负荷、原始污染物控制、受热面磨损等方面得到进一步提升，为未来CFB锅炉技术向高可靠、灵活性、低排放方面的进一步发展提供了新动力，该技术成功应用后必将助力CFB技术在大型高参数发电市场的推广。
近年来，我国的多个超超临界CFB项目锅炉出口蒸汽参数均达到高效超超临界参数等级，燃料涵盖无烟煤、褐煤、烟煤、煤泥、矸石等多种煤质，且各项目采用了各具特点的炉型结构和水动力技术，正按计划建设，预计从2024年将开始陆续投入运行。项目投运后，我国将建成世界最高参数、容量最大的超超临界CFB锅炉，并在不同燃料类型和技术方案上进行示范应用。
CFB锅炉在向高参数和大型化上快速发展的同时，在压火热备灵活性、低碳/零碳燃料应用、高可靠粉煤技术等方面也取得了显著进步，这些进步将成为超超临界CFB未来发展的新动力。在新形势下，超超临界CFB机组展现较好的发展前景，并将在能源转型和碳减排方面发挥更加重要的作用。
引文信息
吕俊复，王君峰，姜孝国，等．超超临界循环流化床锅炉技术研发进展[J]．中国电机工程学报，2024，44(17)：6883-6899．
LYU Junfu，WANG Junfeng，JIANG Xiaoguo，et al．Research and development of ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6883-6899(in Chinese)．
![]()
吕俊复，中国工程院院士，清华大学教授，北京怀柔实验室首席科学家，主要从事洁净煤燃烧技术方面的研究。连续主持或参加了“九五”以来6个五年计划有关循环流化床燃烧方面的“863”计划、“973”计划和国家科技攻关/支撑/重点研发计划项目，以及国家自然科学基金和多项国际合作研究项目。发表论文500余篇，主编著作5部。曾获国家科技进步奖一等奖1项和二等奖1项。
![]()
王君峰，高级工程师，哈尔滨锅炉厂有限责任公司副总专业师，怀柔实验室山西研究院研究员，清华大学在职博士研究生，主要从事循环流化床技术研究。先后参与“十二五”国家科技支撑计划和“十三五”国家重点研发计划项目，负责国家示范项目世界首台660MW超超临界循环流化床锅炉和公司首台350MW超临界循环流化床锅炉的方案开发。
责编：胡琳琳
审核：乔宝榆
声明
本文为原创作品，所涉文字及图片版权均属《中国电机工程学报》编辑部所有，根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编我编辑部的作品，务必请提前联系我编辑部。个人请按本微信原文转发、分享。
![]()
![]()
