1、概述
河北建投沙河發(fā)電有限公司2臺600 MW超臨界空冷機(jī)組工程（簡稱“沙河工程”）是由河北省建設(shè)投資公司投資建設(shè)的火電廠工程。該項(xiàng)目安裝2臺600 MW國產(chǎn)超臨界參數(shù)直接空冷機(jī)組，目前正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2011年投產(chǎn)發(fā)電。該工程在電力系統(tǒng)中承擔(dān)基本負(fù)荷，并滿足電廠調(diào)峰的需要。該電廠為凝汽式電廠，不需要供熱，富通新能源生產(chǎn)銷售
生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒
木屑顆粒機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
該機(jī)組鍋爐為超臨界直流、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Ⅱ型鍋爐，空氣預(yù)熱器為三分倉回轉(zhuǎn)式，燃燒方式為前后墻對沖，采用“高能電火花一輕油一煤粉”的點(diǎn)火方式和機(jī)械霧化方式，過熱器為噴水減溫調(diào)節(jié)，再熱器為擋板調(diào)溫，噴水減溫僅用于事故工況。鍋爐主要性能數(shù)據(jù)有：過熱蒸汽流量2 015 t/h．過熱器出口壓力25.4 MPa，過熱器出口溫度571℃，再熱蒸汽流量1643t/h，再熱器出口溫度569℃，空氣預(yù)熱器入口一次風(fēng)溫28℃，空氣預(yù)熱器入口二次風(fēng)溫23℃，排煙溫度（未修正）130℃，鍋爐效率（BRL工況，保證值）92. 0%。
在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，按照節(jié)能減排、降低投資、提高效益的原則，對整個(gè)電廠的設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面優(yōu)化。下面對電廠鍋爐煙風(fēng)道設(shè)計(jì)優(yōu)化的情況進(jìn)行分析，以期對同類電廠設(shè)計(jì)工作提供參考和借鑒。
2、煙風(fēng)道設(shè)計(jì)的優(yōu)化
煙風(fēng)道設(shè)計(jì)的優(yōu)化一般主要包括道體形狀優(yōu)化和布置優(yōu)化。道體形狀優(yōu)化主要是將矩形道體改為圓形道體，從而降低道體單位長度的材料耗量；布置優(yōu)化是指通過優(yōu)化主廠房布置方案，減少機(jī)組占地，相應(yīng)縮短煙風(fēng)道長度以及沿程阻力，達(dá)到減少材料耗量，節(jié)約初投資及運(yùn)行費(fèi)用的目的。
2.1 道體形狀的優(yōu)化
矩形煙風(fēng)道的優(yōu)點(diǎn)在于斷面長寬比可以任意調(diào)整，在電站有限的空間內(nèi)布置方便，故長期以來電站的煙風(fēng)道采用矩形道體居多。DL/T 5121- 2000《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（簡稱“《煙規(guī)》”）雖然推薦在1000t/h以下的鍋爐上采用圓形煙風(fēng)道，但規(guī)程及其配套計(jì)算方法還是涉及矩形斷面的居多。
隨著機(jī)組容量增大，煙風(fēng)道的斷面也隨之增大，如600 MW等級機(jī)組，煙道母管斷面為35～40m2。在抗內(nèi)（外）爆炸壓力條件下矩形道體為平板受力，要使變形不超過規(guī)定范圍，需設(shè)置相當(dāng)多的內(nèi)撐構(gòu)件和外加強(qiáng)構(gòu)件，不但耗鋼量多，也增加了設(shè)計(jì)難度。
《煙規(guī)》規(guī)定，300 MW及以上機(jī)組的煙風(fēng)道按抗爆炸壓力設(shè)計(jì)。由于脫硫、脫硝裝置的加入，煙道負(fù)壓甚至超過通常士8.7 kPa的抗爆炸壓力。對于正壓直吹式制粉燃燒系統(tǒng)，一次風(fēng)壓達(dá)到10～20kPa，磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)道受磨煤機(jī)內(nèi)爆炸沖擊波波及的范圍，需要按磨煤機(jī)抗爆炸壓力等級0. 35 MPa設(shè)計(jì)。這種情況下，矩形煙風(fēng)道平面受力的缺點(diǎn)愈加突出。圓形截面煙風(fēng)道只要合理解決布置問題，其高質(zhì)量、低造價(jià)、低運(yùn)行成本的優(yōu)越性就可得以充分發(fā)揮。
在同樣通流面積時(shí)，圓形煙風(fēng)道有下列優(yōu)勢：
a．風(fēng)道斷面周長比矩形風(fēng)道小，無內(nèi)撐桿，加固肋也少得多，節(jié)省用料；
b．風(fēng)道直徑比采用正方形時(shí)的邊長要大，且上下左右都需要同樣大的空間；圓形風(fēng)道與矩型風(fēng)道相比，空間適應(yīng)性稍差；
c．管道采用卷扳機(jī)卷制，加固肋少，因此焊縫少，加工工作量�。�
d．管道道體較輕，節(jié)省支吊架和土建費(fèi)用；
e．管道無內(nèi)撐桿，可以減少管道流通阻力；
當(dāng)需要設(shè)插板門時(shí)，圓風(fēng)道可能要特殊訂貨。
因此，得出煙風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則是：在布置空間允許的前提下優(yōu)先采用圓形風(fēng)道。
2.2布置方案
2.2.1除塵器進(jìn)口煙道優(yōu)化
在常規(guī)的煙道布置方案中，空氣預(yù)熱器出口煙道首先向上進(jìn)入橫向布置的大風(fēng)箱，然后在大風(fēng)箱內(nèi)進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)向爐側(cè)，再進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎，最后經(jīng)過一個(gè)“Y”形管進(jìn)入除塵器。該布置方案中，由于煙氣經(jīng)過2次直角轉(zhuǎn)彎，同時(shí)伴隨著通流面積強(qiáng)烈地?cái)U(kuò)散和收縮，不但增大了煙氣阻力，同時(shí)極易引起煙氣湍流，導(dǎo)致煙道在運(yùn)行中發(fā)生振動。
由于煙氣中飛灰的慣性作用，這種布置方案會導(dǎo)致電除塵器2個(gè)室的含塵量不均勻，原因是當(dāng)灰在煙道中拐彎時(shí)，由于慣性的作用灰在彎道的外側(cè)濃度增加，內(nèi)側(cè)濃度減少。如圖1所示，實(shí)際運(yùn)行中電除塵器2個(gè)室中靠鍋爐外側(cè)的煙氣含塵量較大。由于電除塵器各個(gè)室的集塵面積相同，勢必造成一側(cè)工作超負(fù)荷，而另一側(cè)則不能滿負(fù)荷工作。
工程同步建設(shè)脫硝裝置時(shí)，要求鍋爐最外排柱必須從0m直達(dá)爐頂，用于支撐脫硝裝置。如圖1所示，該布置方案將導(dǎo)致鍋爐最外排柱被煙道遮擋，且難以避讓。另一個(gè)缺點(diǎn)是矩形大風(fēng)箱體積龐大。由于此處煙氣處于負(fù)壓狀態(tài)，同時(shí)需要考慮積灰荷載，因此需要加大加固肋和內(nèi)撐桿的規(guī)格。與圓形煙道相比，常規(guī)矩形風(fēng)道的材料費(fèi)用高、加工復(fù)雜、工期長。
鑒于常規(guī)煙道的以上缺點(diǎn)，對沙河工程的煙道布置進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，確定沙河工程的煙道布置方案。
優(yōu)化后的煙道在鍋爐出口處先布置一個(gè)90°矩形彎頭，把煙氣流向轉(zhuǎn)為向上，為送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)的布置騰出空間，然后緊接2個(gè)方圓節(jié)將煙氣流道一分為二，同時(shí)將矩形截面煙道變?yōu)閳A形截面。由于圓形管道空間轉(zhuǎn)角非常方便，因此方圓節(jié)后的煙道布置自由度很大，以煙道最短、阻力最小為原則。
除塵器進(jìn)口煙道優(yōu)化方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
a．保證除塵效率。由于煙道從鍋爐出來后很快被分隔成2根，避免了煙道經(jīng)過多個(gè)拐彎后，煙塵的濃度在不同煙道內(nèi)分配不均，使進(jìn)入除塵器不同通道的煙氣含塵濃度差別大，保證了除塵效率。
b．減小煙道阻力。優(yōu)化后的煙道阻力比常規(guī)布置方案的阻力更小，常規(guī)布置方案除塵器進(jìn)口前的煙道大風(fēng)箱流態(tài)很差，阻力較大，優(yōu)化后的煙道布置方案取消了大風(fēng)箱，用圓形煙道的緩轉(zhuǎn)彎頭和直段把煙道出口的煙氣分送到除塵器的進(jìn)口，氣流順暢，阻力較小，減少了引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電耗。
c．減少工作量。由于采用圓形煙道，煙道的受力結(jié)構(gòu)比矩形煙道好，能節(jié)省大量煙道加固肋和內(nèi)撐的用量，減少鋼材及焊條耗量，減少加工工作量，縮短工期。
d．方便空間轉(zhuǎn)彎。由于除塵器前煙道需要頻繁轉(zhuǎn)彎，采用圓形截面煙道將使布置更加簡便，對于其它300 MW機(jī)組、l 000 MW機(jī)組的煙道布置也有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
沙河工程的煙道布置方案經(jīng)過優(yōu)化后，可優(yōu)化煙氣的流態(tài)，節(jié)省材料用量，縮短煙道的加工工期，實(shí)現(xiàn)“高速度、高質(zhì)量、低成本”的基建方針。
以某同類工程作為目標(biāo)工程進(jìn)行對比，根據(jù)同類工程施工圖設(shè)計(jì)，每臺鍋爐除塵器前煙道鋼材耗量為389.5 t，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，初步估算沙河工程的除塵器前煙道鋼材耗量為193.6 t。按照《火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)（2008年水平）》取值，除塵器煙道鋼材成本加上制作費(fèi)用單價(jià)為8 712元／t，2臺鍋爐除塵器煙道可節(jié)省約170.7萬元。
2.2.2熱一次風(fēng)道優(yōu)化
熱一次風(fēng)道常規(guī)配置方案為母管采用l 800mm×1 800 mm×4 mm，加固肋為槽鋼[8，間距為500 mm。經(jīng)過優(yōu)化，熱一次風(fēng)道母管采用+2 020mm×4 mm焊接鋼管，加固肋為角鋼∠50 mm×50mm×5 mm，每2 m布置1個(gè)。
對于磨煤機(jī)入口干燥風(fēng)道，根據(jù)DL/T 5203-2005《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，熱風(fēng)隔絕門后管道須按磨煤機(jī)抗爆炸壓力等級0. 35 MPa設(shè)計(jì)，如此大的內(nèi)壓已經(jīng)超出了《煙規(guī)》配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法的范圍。常規(guī)方案采用單跨梁模型進(jìn)行計(jì)算，道體選用l 200 mm×900 mm×8mm，加固肋間距為500 mm，加固肋為槽鋼[14a。改用圓形管道后，磨煤機(jī)入口干燥風(fēng)道可采用φ1 220mmX5 mm焊接鋼管，加固肋為扁鋼-50 mm×6mm，每1.5 m布置1個(gè)。
與除塵器進(jìn)口煙道鋼耗材計(jì)算方法相同，優(yōu)化后，每臺鍋爐熱一次風(fēng)道共節(jié)約鋼材166.6 t。按照《火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)（2008年水平）》取值，熱一次風(fēng)道材料費(fèi)用和制作費(fèi)用單價(jià)為9 544元／t，2臺鍋爐熱一次風(fēng)道可節(jié)省材料費(fèi)約159萬元。
2.2.3引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道優(yōu)化
將2臺引風(fēng)機(jī)橫向（風(fēng)機(jī)軸線與鍋爐對稱中心線垂直）對稱布置，2臺引風(fēng)機(jī)出口煙道合二為一，去往脫硫系統(tǒng)。
由于優(yōu)化后的除塵器前煙道不對稱布置，理論上，內(nèi)、外側(cè)煙道阻力存在偏差，而且外側(cè)煙道比內(nèi)側(cè)煙道的阻力略大（A側(cè)>B側(cè)）；對于除塵器后煙道，將引風(fēng)機(jī)進(jìn)口中心線適當(dāng)偏向外側(cè)布置，勢必外側(cè)煙道較短，內(nèi)側(cè)煙道較長，理論上，外側(cè)煙道比內(nèi)側(cè)煙道的阻力略�。–側(cè)<D側(cè)）。合并后，除塵器進(jìn)出口煙道內(nèi)、外側(cè)阻力基本達(dá)到平衡(A側(cè)+C側(cè)=B側(cè)+D側(cè))，保證了除塵器進(jìn)口煙氣的均勻分配。
2.3優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性
該工程通過煙風(fēng)道設(shè)計(jì)優(yōu)化后，經(jīng)計(jì)算每臺鍋爐節(jié)省煙風(fēng)道耗材共362.5 t，2臺鍋爐共節(jié)省725t。參照《火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)（2008年水平）》，煙、風(fēng)道材料費(fèi)用和制作費(fèi)用共約為9 000元／t，2臺鍋爐共節(jié)省材料費(fèi)約659.4萬元，優(yōu)化可取得的效益很明顯。
3、結(jié)束語
以上針對600 MW機(jī)組煙風(fēng)道存在的問題，對河北建投沙河發(fā)電有限公司600 MW工程中煙風(fēng)道的形狀及布置方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案可以節(jié)省煙風(fēng)道材料的用量、減少煙風(fēng)道占地面積，節(jié)省費(fèi)用，希望能對以后同類型機(jī)組煙風(fēng)道的設(shè)計(jì)提供參考。
相關(guān)生物質(zhì)鍋爐顆粒機(jī)產(chǎn)品：
1、
生物質(zhì)蒸鍋
2、
秸稈壓塊機(jī)
3、
木屑顆粒機(jī)
