300 MW循環(huán)流化床鍋爐物料平衡系統(tǒng)性能優(yōu)化

劉玉浩，申赫男，張明河，苑廣存，楊 坤

（1.神華國能山東建設(shè)集團有限公司，濟南 250101；2.大唐清苑熱電有限公司，河北 保定 071003；3.山東石大勝華化工集團股份有限公司，山東 東營 257000）

300 MW循環(huán)流化床鍋爐物料平衡系統(tǒng)性能優(yōu)化

劉玉浩1，申赫男2，張明河1，苑廣存1，楊 坤3

（1.神華國能山東建設(shè)集團有限公司，濟南 250101；2.大唐清苑熱電有限公司，河北 保定 071003；3.山東石大勝華化工集團股份有限公司，山東 東營 257000）

穩(wěn)定的物料平衡系統(tǒng)是循環(huán)流化床鍋爐安全運行的關(guān)鍵，通過300 MW循環(huán)流化床鍋爐物料平衡系統(tǒng)的性能試驗，分析旋風(fēng)分離器、返料器、原煤破碎系統(tǒng)和排渣器對物料平衡的影響，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。減小分離器入口面積，改高壓流化風(fēng)母管供應(yīng)為獨立供風(fēng)方式，增加原煤粗碎環(huán)節(jié)，優(yōu)化排渣器入口和返料器出口結(jié)構(gòu)，以維持合理的物料平衡，降低床壓和風(fēng)機電耗，為循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)濟運行提供借鑒。

物料平衡；旋風(fēng)分離器；返料器；原煤破碎系統(tǒng)；排渣器；優(yōu)化措施

0 引言

循環(huán)流化床機組與煤粉爐機組相比，在劣質(zhì)燃料穩(wěn)定燃燒、污染物綜合治理和灰渣高效利用方面存在明顯優(yōu)勢，并迅速在大型燃煤電站領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］。通常認為循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)的床料由有效床存料（循環(huán)物料）和無效床料組成。有效床存量是可參與外循環(huán)的細顆粒床料，決定爐膛上部的燃燒份額和傳熱能力，是鍋爐帶負荷能力的重要保證；無效床存料是指無法被氣流帶出爐膛的大顆粒床料，這部分床料沉積于爐膛底部，它們對爐膛內(nèi)燃燒和傳熱的貢獻很小?？梢?，有效床存量在總存料量中的比重決定了床料質(zhì)量的高低以及床溫、床壓控制的難易程度。為此，根據(jù)已有研究資料和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準［4］，采用現(xiàn)場試驗和理論計算相結(jié)合的方式對300 MW CFB鍋爐的物料平衡系統(tǒng)進行研究，分析各主要影響因素與循環(huán)物料平衡之間的關(guān)系，提出設(shè)備和運行優(yōu)化改進方案，以期獲得較高的經(jīng)濟性。

1 設(shè)備概況

某電廠300 MW亞臨界循環(huán)流化床機組鍋爐型號為DG1177／17.5-Ⅱ3，為自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的Π型汽包爐。鍋爐設(shè)計燃料為煙煤，校核燃料為煙煤加矸石。其主要熱力參數(shù)見表1。輔機系統(tǒng)包括：2臺動葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機、2臺離心式雙吸雙支撐二次風(fēng)機、2臺離心式雙吸雙支撐一次風(fēng)機和3臺多級離心式高壓頭流化風(fēng)機。輸煤系統(tǒng)包括2臺德國生產(chǎn)的KRC12×26錘式碎煤機和2臺GS1610滾軸篩。

表1 鍋爐主要熱力參數(shù)

2 性能試驗分析

循環(huán)流化床物料系統(tǒng)的性能分析主要從旋風(fēng)分離器性能、返料器性能、排渣系統(tǒng)性能和原煤系統(tǒng)4方面進行研究，通過現(xiàn)場試驗，分析各組成的影響因素，提出優(yōu)化方案。

2.1 旋風(fēng)分離器性能

循環(huán)流化床鍋爐的物料平衡在很大程度上取決于旋風(fēng)分離器對床料顆粒特別是有效床料顆粒的分離捕集能力［5-6］。分離器分離效果越好，物料平衡能力越穩(wěn)定，鍋爐負荷調(diào)節(jié)性能越好。此外，物料平衡還有利于床溫和床壓的控制，提高鍋爐運行經(jīng)濟性。

2.1.1 旋風(fēng)分離器性能評估方法

旋風(fēng)分離器的評估通常采用對空氣預(yù)熱器入口煙道處飛灰進行粒度分布測定的方法。飛灰粒度用“篩余份額”和“分布份額”表示，其中“篩余份額”是指在某一粒徑以上的飛灰顆粒所占的比例，“分布份額”是指在某一粒徑附近的顆粒所占的比例。飛灰“篩余份額”數(shù)據(jù)可以采用Rosin-Rammler分布函數(shù)［7］來擬合，該函數(shù)的標(biāo)準形式為

式中：R（dp）為飛灰的篩余份額，%；dp為飛灰顆粒粒徑，μm；de為特征顆粒粒徑，即篩余份額為36.8%時對應(yīng)的粒徑，μm；n為均勻性系數(shù)。de和n作為描述飛灰顆粒粒度分布的兩個特征參數(shù)，分別反映顆粒特征粒徑的大小和分布范圍的寬窄，可用來定量評價分離器的分離性能。分離器的分離效率越高，飛灰粒度分布對應(yīng)的de越小，n越大。

2.1.2 旋風(fēng)分離器性能評價

鍋爐的飛灰擬合篩余份額曲線如圖1所示，其特征粒徑de為29.8 μm，均勻性系數(shù)n為1.04。研究表明，具有高效分離性能的分離器在額定工況下運行時，飛灰粒度分布數(shù)據(jù)對應(yīng)的de應(yīng)不大于20 μm［8］。由圖1中飛灰的分布份額曲線，可看出飛灰存在兩個峰值，其相對較小峰值位于3 μm區(qū)域，另一較高的分布峰值分布于40 μm附近，表明飛灰的粒徑分布不好，較粗和較細部分所占比例較大，相應(yīng)的該旋風(fēng)分離器分離效果不盡理想，與設(shè)計值存在一定差距。

圖1 鍋爐空預(yù)器入口飛灰粒度分布

此外，旋風(fēng)分離器入口煙氣流速也影響分離器效率。在對旋風(fēng)分離器尤其是入口煙氣流速設(shè)計選型時，保證旋風(fēng)分離器處在較高效率區(qū)域內(nèi)。綜合考慮鍋爐燃盡特性、排煙損失和輔機電耗，鍋爐運行總風(fēng)量控制在900 km3／h以下，對應(yīng)爐膛出口過量空氣系數(shù)為1.05（其爐膛出口過量空氣系數(shù)設(shè)計值為1.20），折算到分離器入口煙氣流速比設(shè)計值減小約12.5%，已遠離旋風(fēng)分離器運行的高效區(qū)域。

在實際額定工況（300 MW）下，選定兩個不同總風(fēng)量工況進行試驗，采集飛灰樣品進行粒度分析，結(jié)果如表2所示。由表2可發(fā)現(xiàn)，隨著運行總風(fēng)量由866 km3／h增加到947 km3／h，分離器入口煙氣流速相應(yīng)增大，出口飛灰特征粒徑由29.8 μm減小到28.0 μm，均勻性系數(shù)由1.04增加到1.09，分離器分離效率進入高效率區(qū)，即旋風(fēng)分離器分離效率隨著入口風(fēng)速的增大而升高。

表2 入口煙氣流速對旋風(fēng)分離器性能指標(biāo)的影響

2.2 返料系統(tǒng)性能

返料器的作用是將旋風(fēng)分離器捕集到的有效床料及時返回爐膛，同時抑制爐膛內(nèi)的煙氣反竄進入分離器，性能高低是影響循環(huán)物料平衡穩(wěn)定的關(guān)鍵［9］。

在爐膛差壓分別為1.0 kPa和1.2 kPa的工況下，測試鍋爐的返料穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)返料器的返料腿流化風(fēng)減小時，旋風(fēng)分離器的立管壓力并未發(fā)生明顯變化，說明在大循環(huán)流率條件下，返料系統(tǒng)仍可以保持穩(wěn)定運行。此外，現(xiàn)運行工況下配給的返料腿流化風(fēng)量遠大于返料器的實際需求，返料系統(tǒng)還具有一定的節(jié)能空間。

在290 MW負荷工況下，對鍋爐爐膛內(nèi)壓力變化進行檢查時，發(fā)現(xiàn)爐膛A、B側(cè)爐膛床壓發(fā)生往復(fù)擺動現(xiàn)象，俗稱為“翻床”［10-11］，床壓變化如圖 2所示。A、B兩側(cè)爐膛床壓此消彼長，呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，表明爐膛內(nèi)流動不穩(wěn)定，造成后果是爐膛出口溫度和汽包壓力的波動幅度明顯增大，單側(cè)物料循環(huán)量增大，另一側(cè)循環(huán)物料量減小，兩側(cè)差距逐漸增大，可能最終導(dǎo)致停爐。經(jīng)分析造成該現(xiàn)象的原因是該鍋爐采用大寬深比爐膛和多分離器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，加上返料系統(tǒng)高壓流化風(fēng)供風(fēng)方式為母管制供風(fēng)，在高負荷時易造成床壓的往復(fù)擺動。

圖2 爐膛A、B兩側(cè)床壓擺動過程

針對該問題，可采取適當(dāng)增大一次風(fēng)量抑制翻床，但這會增加一次風(fēng)機電耗和NOx排放濃度，采用每臺返料器對應(yīng)單臺高壓流化風(fēng)機的獨立供風(fēng)方式，可避免在中高負荷下發(fā)生 “翻床”現(xiàn)象，保證爐內(nèi)流動的穩(wěn)定性。

2.3 原煤破碎系統(tǒng)

入爐煤的粒度分布，可影響到整個爐膛內(nèi)的燃盡程度，進而影響到整個循環(huán)物料量，乃至機組的經(jīng)濟性，入爐煤的粒度分布主要受原煤破碎系統(tǒng)性能影響。因此合理的粒度分布是機組節(jié)能運行的關(guān)鍵。

該電廠原煤破碎系統(tǒng)為一級細碎機，粒度分布主要通過細碎機間隙調(diào)節(jié)。原煤破碎系統(tǒng)性能測試是在不同的細碎機間隙條件下，測試細碎機進出口煤粒度分布和輔機電耗變化情況。試驗中輸煤系統(tǒng)帶額定負荷出力，在細碎機最大間隙（24 mm）和最小間隙（12 mm）兩個工況下，分別采集細碎機進出口煤樣品進行粒度篩分，并記錄細碎機運行電耗數(shù)據(jù)。

圖3為細碎機進出口原煤取樣篩分的結(jié)果，試驗表明，細碎機在兩種間隙下運行時，出口原煤粒度分布變化很小，如表3所示，原煤破碎系統(tǒng)對入爐煤粒度分布的調(diào)節(jié)能力不足。

此外由圖3可見，細碎機出口原煤中，4 mm以上的粗顆粒份額所占較高，特別是6 mm和8 mm以上的粗顆粒份額為設(shè)計值的兩倍以上，該部分原煤顆粒成灰粒徑主要在2 mm以上，對爐膛內(nèi)物料循環(huán)的貢獻極小。

圖3 原煤破碎系統(tǒng)性能測試中煤粒度篩分結(jié)果

表3 細碎機出口原煤粒度分布 mm

試驗發(fā)現(xiàn)暴露出該電廠現(xiàn)有的原煤破碎系統(tǒng)對原煤中粗顆粒的破碎能力相對不足，導(dǎo)致入爐煤中大顆粒比例過大，造成物料循環(huán)的穩(wěn)定性較差，鍋爐穩(wěn)定床壓較高，不利于鍋爐的節(jié)能運行。

2.4 排渣系統(tǒng)

鍋爐的排渣系統(tǒng)采用6臺改進型松靈式滾筒式冷渣器，實際運行中常出現(xiàn)冷渣器不能連續(xù)穩(wěn)定運行，易發(fā)生“流渣”故障［12-15］?！傲髟敝咐湓鲀?nèi)熱渣不受冷渣器轉(zhuǎn)速控制，短時間內(nèi)大量從冷渣器出口涌出的現(xiàn)象。“流渣”故障易造成冷渣器出口渣溫短時間超過設(shè)計的正常運行上限值（151℃），嚴重影響機組的安全運行，成為潛在隱患的危險源，此外急劇的溫升會造成設(shè)備使用壽命的縮短。

通過一段時間內(nèi)對6臺冷渣器發(fā)生流渣次數(shù)進行觀察發(fā)現(xiàn)，冷渣器轉(zhuǎn)速越高，出力越大，發(fā)生流渣的概率越大，原因是冷渣器出口顆粒中，粒徑范圍小于0.6 mm的細顆粒所占比例較大，約占總份額45.1%，使得大量循環(huán)灰隨爐膛排渣流失，同時冷渣器轉(zhuǎn)速升高，加劇排渣口附近區(qū)域大量循環(huán)灰的流入，灰渣流量增大速率變快，熱渣流出速度增大，易引起“流渣”。此外，處于鍋爐不同位置的冷渣器發(fā)生“流渣”的概率也不同。具體表現(xiàn)為靠近爐膛后壁的冷渣器易發(fā)生“流渣”，遠離爐膛后壁的冷渣器不易發(fā)生“流渣”。造成該現(xiàn)象原因是爐膛返料口與排渣口均布置在后墻水冷壁，從返料口進入爐膛內(nèi)的大量循環(huán)物料未能及時與爐內(nèi)床料充分混合就直接從就近排渣口排出，導(dǎo)致排渣中細顆粒比例偏高、粒度偏細、流動性增強，從而使冷渣器容易發(fā)生“流渣”，即冷渣器“流渣”與對應(yīng)的爐膛排渣口位置存在較強的相關(guān)性。

3 解決與優(yōu)化手段

針對物料平衡系統(tǒng)中的分離器效率偏低，通常采用分離器升級改造來實現(xiàn)分離效率的提高。一般來說可采用對分離器入口防磨澆注料結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，調(diào)整分離器入口截面積，保證分離器入口流速在設(shè)計高效分離區(qū)，能在一定幅度上提高分離器的分離效率，延長顆粒在主循環(huán)回路內(nèi)的停滯時間，一方面可提高床料質(zhì)量，降低運行床壓；另一方面利于飛灰中殘?zhí)康娜急M?；跅钍龋?6］的工程經(jīng)驗估算，該電廠CFB有效床壓約為3.0 kPa；無效床壓約為0.8～1.4 kPa，二者相加可得優(yōu)化運行床壓為3.8～4.4 kPa，而當(dāng)前運行平均床壓約7.2 kPa，還存在2.8～3.4 kPa的降床壓節(jié)能空間，可節(jié)約一、二次風(fēng)機廠用電率約0.31～0.38個百分點。飛灰含碳量從1.2%降至設(shè)計值1.0%，可提高鍋爐效率約0.2個百分點。

由于母管制的高壓流化風(fēng)系統(tǒng)不利于中高負荷工況下物料循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，機組在中高負荷（250～300 MW）工況下運行時容易出現(xiàn)左右側(cè)爐膛床壓往復(fù)擺動，導(dǎo)致爐膛出口溫度和汽包壓力的波動幅度明顯增大。建議在高壓流化風(fēng)系統(tǒng)改造中采用風(fēng)機三運一備，單臺風(fēng)機供單個返料器的供風(fēng)方式。此外利用停爐檢修機會，安排試驗對返料系統(tǒng)正常運行所需風(fēng)量進行摸底，在此基礎(chǔ)上確定合適的高壓流化風(fēng)參數(shù)，以此作為風(fēng)機優(yōu)化選型依據(jù)。

針對原煤破碎系統(tǒng)對入爐煤粒度的調(diào)節(jié)能力差問題，建議對于成灰較硬的煤種，應(yīng)考慮增加粗碎環(huán)節(jié)，以防止床料粒度過粗，造成運行調(diào)節(jié)和檢修維護方面的困難。增加原煤粗碎可以減少入爐煤中大顆粒的份額，使入爐煤粒度分布與煤質(zhì)相適應(yīng)，在不改造分離器的條件下鍋爐運行床壓最低可降至5.5 kPa，而當(dāng)前鍋爐當(dāng)前運行平均床壓約7.2 kPa，還存在1.7 kPa的降床壓節(jié)能空間，根據(jù)實驗統(tǒng)計結(jié)果，可節(jié)約一、二次風(fēng)機廠用電率約0.19個百分點。

針對當(dāng)前的排渣系統(tǒng)存頻繁“流渣”和細顆粒物料的大量流失現(xiàn)象。建議通過返料口結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡量使循環(huán)灰遠離排渣口，減少爐膛排渣口附近區(qū)域的細顆粒份額；同時從冷渣器入口結(jié)構(gòu)著手，采取措施適當(dāng)降低冷渣器入口物料的流動性，恢復(fù)冷渣器轉(zhuǎn)速對排渣量的控制功能。

4 結(jié)語

通過對某電廠CFB鍋爐物料循環(huán)系統(tǒng)的性能分析，針對系統(tǒng)各部分存在的節(jié)能問題提出針對性優(yōu)化措施。旋風(fēng)分離器效率低，采用對分離器入口使用耐磨澆注料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證入口風(fēng)速處于分離器高效區(qū)域；針對返料系統(tǒng)在中高負荷段穩(wěn)定性差，爐膛左右側(cè)波動問題，建議變母管制高壓流化風(fēng)系統(tǒng)為單臺風(fēng)機供單個返料器的供風(fēng)方式，保證流化風(fēng)穩(wěn)定性；原煤破碎系統(tǒng)對入爐煤粒度的調(diào)節(jié)能力差，增加粗碎環(huán)節(jié)，使入爐煤粒度分布與煤質(zhì)相適應(yīng)；針對當(dāng)前的排渣系統(tǒng)存頻繁“流渣”和細顆粒物料的大量流失現(xiàn)象，建議通過返料口和冷渣器入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保持轉(zhuǎn)速對排渣量的控制功能。

通過上述優(yōu)化，可在一定程度上保證物料平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性，為降低床壓和節(jié)能優(yōu)化運行做好前期工作。

［1］程樂鳴，周星龍，鄭成航，等．大型循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展［J］．動力工程，2008，28（6）：817-826.

［2］駱仲泱，何宏舟，王勤輝，等．循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］．動力工程，2004，24（6）：761-767.

［3］劉德昌.流化床燃燒技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用［M］．北京：中國電力出版社，1999.

［4］孫獻斌.循環(huán)流化床鍋爐淺床運行技術(shù)及大型化分析研究［J］．潔凈煤技術(shù)，2009，16（2）：57-60．

［5］馬素霞，郭俊，武衛(wèi)紅.分離器性能對循環(huán)流化床鍋爐啟動過程中床料動態(tài)平衡的影響［J］．動力工程學(xué)報，2014，34（6）：417-420．

［6］宗濤，胡丹梅，李佳.基于CFD的循環(huán)流化床旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬［J］．上海電力學(xué)院學(xué)報，2011，27（3）：242-246.

［7］張國權(quán)．氣溶膠力學(xué)-除塵凈化理論基礎(chǔ)［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1987．

［8］劉愛成，于在海．節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐能效測試結(jié)果分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2013，31（5）：450-453.

［9］朱治平．壓力對返料器性能影響的實驗研究［J］．工程熱物理學(xué)報，2009，30（6）：1 051-1 054．

［10］楊志偉，王哲，李政，等．褲衩腿循環(huán)流化床“翻床”過程影響因素的研究［J］．動力工程學(xué)報，2010，30（12）：904-908．

［11］蔣茂慶，高洪培，鄺偉，等．300 MW循環(huán)流化床鍋爐床料翻床原因分析及運行對策［J］．熱力發(fā)電，2007，36（6）：127-129．

［12］張思海，丁瑞鋒，楊振森，等．300 MW CFB鍋爐滾筒冷渣器流渣原因及應(yīng)對措施分析［J］．沈陽工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，10（1）：11-15．

［13］鄧學(xué)志，黃長軍．流化床冷渣器的設(shè)計與故障分析［J］．鍋爐技術(shù)，2005，36（6）：56-60．

［14］趙鵬，盧嘯風(fēng)，曾兵，等．混流式流化床冷渣器返料特性的試驗研究［J］．熱能動力工程，2011，26（4）：420-423．

［15］李建鋒，呂俊復(fù)，李斌.300 MW循環(huán)流化床鍋爐機組冷渣器的能效分析［J］．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011，17（4）：355-362．

［16］楊石，楊海瑞，呂俊復(fù)，等．基于流態(tài)重構(gòu)的低能耗循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)［J］．電力技術(shù)，2010，19（2）：9-16.

Material Balance System Performance Optimization of 300 MW CFB Boiler

LIU Yuhao1，SHEN Henan2，ZHANG Minghe1，YUAN Guangcun1，YANG Kun3
（1.Shenhua Guoneng Shandong Construction Group Co.，Ltd.，Jinan 250101，China；2.Datang Qingyuan Co-generation Power Co.，Ltd.，Baoding 071003，China；3.Shandong Shida Shenghua Chemical Group Co.，Ltd.，Dongying 257000，China）

Steady materials balance system is the key to the safe operation of circulating fluidized bed boiler.Through a test on material balance system of 300 MW CFB boiler in a power plant，the effect of cyclone separation device，returned feeder，raw coal crushing system and slag discharge device on material balance is analyzed and corresponding optimization measures are proposed：reducing separation device entrance area，modifying high-pressure fluidized air header system supply into independent way air supply，increasing coal coarsely-broken process，optimizing row slag device entrance and returned feeder export structure and so on.Those can offer references for the domestic circulating fluidized bed boiler.

material balance；cyclone separation device；returned feeder；raw coal crushing system；slag discharge device；optimization measures

TK229.6

：A

：1007－9904（2017）04－0062－04

2016-11-20

劉玉浩（1988），男，主要從事電廠節(jié)能診斷、燃燒調(diào)整、機組性能試驗等電廠技術(shù)服務(wù)工作。