100 MW循环流化床锅炉长周期安全高效运行研究

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(中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆 克拉玛依市 833600)

0 引 言

循环流化床燃烧是近些年快速发展并在国内大规模应用的一种洁净煤利用技术，其具有燃料适应性广、负荷调节性好、燃烧效率高、污染物排放水平低等优点[1-4]。但是，受到设计经验的欠缺以及运行水平的限制，国内目前投运的不少循环流化床锅炉也暴露出一些问题。其中炉内磨损一直是影响CFB锅炉长周期安全稳定运行的关键问题[5-7]。

为此，这个国产410 t/h CFB锅炉开展了防磨综合治理工作，分别完成了主动多阶防磨梁安装、冷态试验、热态试验、运行优化调整，最终获得了良好的应用效果。实践证明防磨综合治理技术可以有效保证锅炉长周期安全稳定高效运行。

1 锅炉设备规范

这个#4锅炉为DG410/9.81-II1型CFB锅炉，锅炉总图见图1，采用单汽包、自然循环、循环流化床燃烧方式，紧身封闭布置，锅炉由一个膜式水冷壁炉膛，两台汽冷式旋风分离器和一个由汽冷包墙包覆的尾部竖井(HRA)三部分组成。

锅炉主要技术规范见表1，锅炉设计煤种及校核煤种参数见表2。

图1 锅炉总图

表1 锅炉主要技术规范

2 冷态试验研究

冷态试验包括：风量标定试验(一次风、二次风及高压流化风风量标定试验)、流化特性试验(布风板阻力、料层阻力、临界流化风量和布风均匀性试验)。其主要目的是保证风量数据的真实可靠，并为运行人员提供锅炉点火启动和正常运行所必需的重要参数。

2.1 风量标定试验

风量测量装置的标定，是使用皮托管和数字微压计，按照网格法测量实际风量，然后比较实际风量与DCS显示风量的差别，通过热工控制系统对DCS显示风量进行修正。

表2 设计煤种参数

试验结果表明：

(1)左、右侧一次热风分支管上的风量测量元件流量标定系数K均基本稳定，基本能满足锅炉运行的要求，其中，左侧热一次风支管的流量标定系数K为1.065，右侧为0.985。

(2)左右侧二次风主风管上的风量测量元件流量标定系数K均基本稳定，基本能满足锅炉运行的要求，其中，左侧热二次风主风管的流量标定系数A0为1.583，右侧为1.629。

(3)左侧、右侧返料风的流量标定系数K分别为1.044、1.134；左侧、右侧松动风的流量标定系数K依次为1.031、1.406。

2.2 布风板阻力特性及料层阻力试验

测量不同风量下布风板的空床阻力可以了解布风板阻力特性，借助冷态布风板阻力试验可以推导出热态时的布风板阻力特性计算公式，为运行人员根据风室压力判断料层厚度提供参考。图2给出了冷态和热态下的布风板阻力特性曲线。当锅炉运行流化风量为180 000 Nm3/h，冷态和热风温度186 ℃时，布风板阻力分别为2 304 Pa和3 871 Pa，而同类型机组运行时的布风板阻力一般为4～5 kPa，因此该锅炉的布风板阻力偏低，可能会出现风室漏渣和流化不均等问题，应加以关注。

图2 冷态和热态时的布风板阻力特性曲线

开展料层阻力特性试验时，料层厚度为880 mm，通过调节一次风量、记录风室压力等参数做出了总阻力特性曲线和料层阻力特性曲线如图3所示。

图3 料层阻力特性曲线

2.3 临界流化风量及布风均匀性试验

从图3中可以确定临界流化风量为60 000 Nm3/h。建议将运行中最小运行控制风量确定为80 000 Nm3/h，此风量对锅炉安全运行有足够的余度布风均匀性试验是将流化风量增大到一定程度后瞬间关闭流化风，观察炉膛内床面的平整程度来确定锅炉布风均匀情况。在料层厚度为880 mm，流化风量为75 000 Nm3/h的条件下，停风机后进入炉内观察，床面均匀性较好。

3 热态试验研究

热态试验的主要目的是检测锅炉的空预器漏风情况及排烟温度场，为运行优化调整打好基础。本次试验主要进行了空预器入口氧量测定、空预器漏风测定和排烟温度测定。

锅炉采用管式空气预热器，分三组布置在尾部烟道。对空预器前氧量场进行了测量，测量结果显示，氧气浓度在空气预热器前的烟道中分布略有差异，左右两侧氧浓度均值相差0.14%；左右两侧表盘氧量指示值与真实值略有偏差，左侧氧量显示值偏小0.17%，右侧氧量显示值偏小0.16%。

通过测量空预器出口的氧量，并与空预器入口氧量进行对比，计算可得：左侧烟道的漏风系数为0.022、漏风率为1.60%，右侧烟道的漏风系数为0.090、漏风率为6.72%，整个空气预热器的平均漏风系数为0.055、平均漏风率为4.11%，右侧漏风较左侧严重。

排烟温度的测量结果显示，出右侧实测排烟温度高出左侧实测排烟温度2.6 ℃，右侧DCS显示排烟温度高出左侧DCS显示排烟温度31.8 ℃，左侧实测排烟温度低于DCS显示值24.0 ℃，右侧测试排烟温度高出DCS显示值10.4 ℃，现有DCS温度测点取样代表性不佳，需要更换。

4 燃烧优化调整研究

在冷态试验和热态试验的基础上，通过调整锅炉主要运行操作参数(如总风量、一二次风比例、床温、床压)，研究运行参数对锅炉性能的影响，找到锅炉高效、安全、环保运行的合理方式，为运行人员提供运行指导。

研究表明，随着总风量的减少，氧量明显降低，固体未完全燃烧热损失的变化不明显，而排烟热损失明显降低，锅炉效率提升，并且有助于降低NOx排放浓度。随着一次风比率的增加，固体未完全燃烧热损失略有上升，锅炉效率略有下降。随着床压的增加，固体未完全燃烧热损失有所降低，会引起一次风机电流的增长。

试验结果表明，经过运行优化调整后，该锅炉的锅炉效率可以达到92.97%，较运行优化调整之前提高了0.75%。

5 主动多阶防磨梁的设计与安装

5.1 炉内防磨装置技术原理

CFB锅炉水冷壁磨损机理示意图如图4(a)所示。从图中可以看出：CFB锅炉炉膛内物料基本呈两种运动方式：在炉膛中心物料自下往上运动，在炉膛四周物料以近似自由落体的方式自上往下贴壁运动。正是因为炉膛四周贴壁向下运动(贴壁流)的物料不断冲刷水冷壁，从而形成磨损。而且，随下降高度的不断增加，贴壁流物料的速度与浓度不断增加，磨损也越来越严重。因此，密相区上部浇筑料分界线处水冷壁的磨损最为严重，爆管概率最大。

为了有效降低贴壁流物料的速度与浓度，可以在炉膛四周安装炉内防磨装置。从图4(b)可以看出，安装该防磨装置后，物料沿四周自由落体的高度被防磨装置分隔成几段。物料贴壁运动的速度不再是一直增大的过程，由于受到一定的阻碍，自由落体的高度被大大缩减，这样贴壁流的速度将明显降低。沿炉膛四周落到上一层防磨装置的物料受到其阻碍，改变了四周物料的运动方向，不再是垂直向下流动，而是按一定角度向炉膛中心流动。

图4 CFB锅炉水冷壁防磨机理

5 结 论

为实现循环流化床(CFB)锅炉的长期安全稳定运行，对某厂国产410 t/h CFB锅炉进行了防磨综合治理改造。在此基础上，进行了冷态试验、热态试验和运行优化调整。通过此次试验和运行优化调整，修正了锅炉设备的风量、氧量、温度测量元件，为运行人员提供了可靠翔实的数据，减少了运行的盲目性。通过运行优化调整试验，实现了锅炉效率的提升，相比调整前提高了0.75%。

通过分析比较了加装炉内防磨装置前后锅炉的运行状况，结果显示炉内防磨装置可显著降低磨损，同时未对锅炉运行产生不利影响，为锅炉的长周期安全高效运行创造了良好条件。

[1] 孙献斌，黄 中. 大型循环流化床锅炉技术与工程应用[M].中国电力出版社，2009.

[2] 蒋敏华，肖 平. 大型循环流化床锅炉技术[M].中国电力出版社，2009.

[3] 杜鹏东.生物质固化成型机控制系统的综述[J].森林工程，2013，29(5)：76-78.

[4] P.巴苏，S.A.弗雷泽. 循环流化床锅炉的设计与运行[M].科学出版社，1994.

[5] 黄 中，时正海，李志伟，等. 国产150 MW CFB 锅炉试验研究与运行优化调整[J].电站系统工程，2008.

[6] 张 敏, 王智微, 王鹏利, 等. 分宜发电公司首台国产100 MW CFB锅炉运行实践[J].热力发电，2005.

[7] 哈尔滨普华煤燃烧技术开发中心. 循环流化床锅炉燃烧设备性能设计方法[M].电站系统工程编辑部，2007.