循環(huán)流化床鍋爐大直徑鐘罩式風(fēng)帽優(yōu)化

黃中，張述國

(1.中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209；2.大唐黑龍江發(fā)電有限公司，哈爾濱市 150028)

循環(huán)流化床鍋爐大直徑鐘罩式風(fēng)帽優(yōu)化

黃中1，張述國2

(1.中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209；2.大唐黑龍江發(fā)電有限公司，哈爾濱市 150028)

某循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐使用的大直徑鐘罩式風(fēng)帽出現(xiàn)了大面積的整體錯位、外罩磨損、小孔堵塞和芯管斷裂問題，由此引起布風(fēng)板阻力分區(qū)和流化不良，多次發(fā)生漏渣、結(jié)焦等惡性事故，嚴(yán)重影響鍋爐的正常運行?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)檢修及安裝不當(dāng)是造成風(fēng)帽出現(xiàn)問題的主要原因，結(jié)合該廠鍋爐運行情況設(shè)計了風(fēng)帽改造方案，整體更換了新型風(fēng)帽。改造后的運行結(jié)果顯示，新設(shè)計安裝的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)新穎、阻力特性良好、便于檢修維護(hù)。

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐；大直徑鐘罩式風(fēng)帽；磨損；漏渣；改造

0 引 言

大直徑鐘罩式風(fēng)帽是循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐普遍采用的一種風(fēng)帽形式，其抗磨損性強，特有的迷宮式結(jié)構(gòu)可以有效防止床料漏入風(fēng)室[1]。大直徑鐘罩式風(fēng)帽的阻力主要由芯管小孔和外罩小孔決定，由于可以通過芯管小孔調(diào)節(jié)阻力分布，避免了單純依靠外罩小孔出口速度產(chǎn)生阻力的弊端，大大降低了風(fēng)帽的磨損，因此在大型CFB鍋爐中廣泛采用[2-3]。

但是部分CFB鍋爐在使用過程中也頻繁出現(xiàn)大直徑鐘罩式風(fēng)帽磨損嚴(yán)重、風(fēng)帽芯管斷裂和脫落、風(fēng)室漏渣等問題[4-5]，受到風(fēng)帽外罩小孔堵塞影響，造成部分區(qū)域流化不良，嚴(yán)重影響鍋爐運行[6]。針對上述問題，常用的CFB鍋爐風(fēng)帽改造方式包括加裝阻力元件[7]、部分替換等[8-9]，但是這些技術(shù)手段直接應(yīng)用于大直徑鐘罩式風(fēng)帽均存在一定的技術(shù)風(fēng)險，可能影響改造效果。為此，本文對風(fēng)帽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，得出結(jié)構(gòu)新穎、阻力特性優(yōu)良的新型風(fēng)帽，該型風(fēng)帽便于檢修維護(hù)，抗磨損性能好、使用壽命長，對于CFB鍋爐長期、安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 鍋爐設(shè)備及風(fēng)帽參數(shù)

1.1 鍋爐設(shè)備

某電廠2臺150 MW機組采用哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的HG-480/13.7-L.YM26型CFB鍋爐，其結(jié)構(gòu)主要由爐膛、高溫絕熱分離器、自平衡“U”形回料器和尾部對流煙道組成。燃燒室蒸發(fā)受熱面采用膜式水冷壁，爐內(nèi)布置雙面水冷壁來增加蒸發(fā)受熱面，爐膛上部布置屏式Ⅱ級過熱器和屏式熱段再熱器。鍋爐主要技術(shù)規(guī)范見表1。

表1 鍋爐主要技術(shù)規(guī)范

1.2 風(fēng)帽參數(shù)

鍋爐設(shè)計有水冷布風(fēng)板，大直徑鐘罩式風(fēng)帽安裝在水冷布風(fēng)板上，大直徑鐘罩式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體包括芯管和外罩兩部分。芯管頂部為貫通結(jié)構(gòu)，同時在芯管上部的管壁上還開有2排小孔，外罩上則均等設(shè)置小孔用于出風(fēng)。芯管中部有螺紋，便于不同開孔率上芯管和下芯管固定，以滿足工程需要[10]。

圖1 風(fēng)帽結(jié)構(gòu)

1.3 風(fēng)帽實際使用情況

整個布風(fēng)板上安裝有大直徑鐘罩式風(fēng)帽715個，風(fēng)帽之間的水平節(jié)距和垂直截距均為270 mm。大直徑鐘罩式風(fēng)帽外罩直徑為159 mm，外罩開孔8個，開孔直徑22.5 mm。外罩與芯管采用螺紋連接。芯管開有2排小孔，每排小孔8個，直徑15 mm。外罩材質(zhì)為HH，芯管材質(zhì)為CPH20。

這些大直徑鐘罩式風(fēng)帽在實際使用過程中出現(xiàn)的主要問題包括：外罩小孔磨損和堵塞、外罩破裂、芯管斷裂和脫落錯位，具體如圖2所示。風(fēng)帽是歷次停爐檢修維護(hù)的重點，消耗了大量備件，影響了檢修工期。據(jù)統(tǒng)計，近2年鍋爐更換的風(fēng)帽數(shù)量已經(jīng)超過800個，維護(hù)成本居高不下。

圖2 風(fēng)帽存在的問題

2 風(fēng)帽問題成因分析

大直徑鐘罩式風(fēng)帽存在的問題與現(xiàn)場安裝、運行控制和日常檢修息息相關(guān)[11-12]。大直徑鐘罩式風(fēng)帽安裝時要求外罩小孔對沖布置，以減少灰渣沉積，防止氣流直接沖擊相鄰風(fēng)帽的壁面[13]。大直徑鐘罩式風(fēng)帽芯管與外罩接觸部分有安裝螺紋，可以通過螺紋調(diào)節(jié)風(fēng)帽高度并對風(fēng)帽進(jìn)行更換。由于風(fēng)帽所處工作環(huán)境惡劣，螺紋之間容易卡死、變形。因此，實際使用中并不能保證大直徑鐘罩式風(fēng)帽的完全對沖布置，這就造成了大量風(fēng)帽外罩小孔的沖蝕磨損。

此外，在進(jìn)行檢修更換時，受到現(xiàn)場施工條件的限制，更換后的新風(fēng)帽與原有舊風(fēng)帽之間存在安裝高度差，無法調(diào)整到同一平面(圖3所示)，而芯管的高度又是固定的，這就造成芯管和風(fēng)帽外罩之間存在較大空隙。這些空隙會改變大直徑鐘罩式風(fēng)帽的阻力特性，造成風(fēng)帽阻力的顯著下降(最大下降幅度甚至超過40%)。

在上述二者的共同作用下，造成布風(fēng)板阻力分區(qū)，即某些區(qū)域的阻力小、風(fēng)量大，風(fēng)帽磨損加重；某些區(qū)域的風(fēng)量小，出現(xiàn)流化死區(qū)，甚至結(jié)焦。為了避免結(jié)焦，運行人員往往采用大風(fēng)量運行，這又進(jìn)一步加劇了風(fēng)帽的磨損，進(jìn)入惡性循環(huán)。

圖3 風(fēng)帽安裝產(chǎn)生高度差

3 改造方案及設(shè)計優(yōu)化

為解決現(xiàn)有風(fēng)帽存在的問題，根據(jù)鍋爐實際運行情況設(shè)計了風(fēng)帽改造方案，改造后風(fēng)帽結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了同類改造工程的驗證，可靠性高[14-15]。設(shè)計方案選取了較低的風(fēng)帽外罩小孔速度以降低外罩磨損，通過芯管小孔調(diào)節(jié)布風(fēng)板阻力以保證布風(fēng)板具有良好的阻力特性。針對現(xiàn)有風(fēng)帽外罩磨損嚴(yán)重的問題，對外罩小孔出口區(qū)域壁面進(jìn)行了加厚，以提高其耐磨性和使用壽命，同時還將風(fēng)帽外罩風(fēng)孔向下傾斜20°，以減少相鄰風(fēng)帽之間的擾動，避免床料反竄。新設(shè)計風(fēng)帽外罩和芯管的焊接點在芯管頂部，便于安裝施工。材質(zhì)方面采用鑄造方式進(jìn)行加工，外罩材質(zhì)為ZG40Cr25Ni20，芯管材質(zhì)為CPH20。

圖4 風(fēng)帽設(shè)計方案的三維視圖

為了進(jìn)一步確保改造效果，還對新設(shè)計風(fēng)帽的速度場和壓力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖5所示。作為一種優(yōu)化技術(shù)手段，數(shù)值模擬可以進(jìn)一步優(yōu)化改造方案，降低改造的實施風(fēng)險[16]。從圖5中可以看出，新設(shè)計風(fēng)帽阻力的主要產(chǎn)生區(qū)域是風(fēng)帽芯管小孔和外罩小孔出口，風(fēng)帽整體阻力特性良好。

圖5 改造方案數(shù)值模擬結(jié)果

4 改造方案的實施效果

2013年初，結(jié)合機組大修，完成了風(fēng)帽的整體更換。更換時首先清除布風(fēng)板上部的澆注料，之后割除舊風(fēng)帽及芯管。再將新芯管與舊芯管對接焊接，經(jīng)確認(rèn)牢固、穩(wěn)定、無泄漏后再進(jìn)行新芯管和外罩的焊接，最后使用耐火耐磨可塑料對布風(fēng)板進(jìn)行恢復(fù)。

由于新設(shè)計風(fēng)帽外罩和芯管的焊接點位于芯管頂部，因此非常便于現(xiàn)場施工，也有利于今后檢修維護(hù)中的更換，改造后的風(fēng)帽布置如圖6所示。

圖6 改造后的風(fēng)帽布置

改造后進(jìn)行了冷熱態(tài)試驗。結(jié)果顯示，啟動期間鍋爐最小流化風(fēng)量降低至10萬m3/h，在此風(fēng)量下也不會發(fā)生風(fēng)帽漏渣，較改造前大幅度下降。由于改造方案消除了風(fēng)帽漏渣問題，一次風(fēng)量可以維持在較低水平。熱態(tài)運行時布風(fēng)板阻力約為5 kPa，阻力適中，與設(shè)計值一致。改造取得了良好效果。

5 結(jié) 論

(1)CFB鍋爐使用的大直徑鐘罩式風(fēng)帽出現(xiàn)的整體錯位、外罩磨損、小孔堵塞和芯管斷裂等問題與檢修及安裝不當(dāng)密切相關(guān)。通過整體更換改造為新型風(fēng)帽可以有效解決現(xiàn)有大直徑鐘罩式風(fēng)帽使用過程中出現(xiàn)的各種問題，避免磨損、漏渣的發(fā)生，延長CFB鍋爐運行周期。

(2)本次改造采用的新型風(fēng)帽在各種風(fēng)量下均可以安全穩(wěn)定運行，風(fēng)帽結(jié)構(gòu)新穎、阻力特性良好、抗磨損性能強，便于檢修維護(hù)，能夠廣泛應(yīng)用于新建機組及原有機組改造，對于推動循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。

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(編輯：蔣毅恒)

OptimizationofLarge-DiameterBell-TypeAirCapinCFBBoiler

HUANG Zhong1, ZHANG Shuguo2

(1. Huaneng Clean Energy Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China;2.Datang Heilongjiang Power Generation Co., Ltd., Haerbin 150028, China)

A large area of overall dislocation, cover wear, holes plugging and inner core tube rupture occurred at bell-type air cap with large diameter used in circulating fluidized bed (CFB) boiler in a power plant, which caused poor resistance partitions and fluidization of air distribution plate, slag leakage, coking and other accidents, so that seriously affected the normal operation of the boiler. Site inspection results show that the improper installation and maintenance is the main cause of these problems. Combined with the operation situation of boiler, the retrofit scheme was designed for the air caps, and all the air caps were replaced by the new type ones. The running results after retrofit show that the new type air caps have the characteristics of novel structure, better resistance and easy maintenance.

circulating fluidized bed(CFB) boiler; bell-type air cap with large diameter; wear; slag leakage; retrofit

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAA02B02)。

TM 621.2

： A

： 1000-7229(2014)05-0084-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.014

2013- 12- 09

：2013- 12- 29

黃中(1983)，男，博士研究生，高級工程師，主要從事循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)、低質(zhì)煤清潔發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)，E-mail：chinacfb@gmail.com；

張述國(1971)，男，學(xué)士，工程師，長期從事電力基本建設(shè)相關(guān)工作。