東鍋300MW循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)優(yōu)化

王宗仁

（福建華電永安發(fā)電有限公司，福建永安 366013）

東鍋300MW循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)優(yōu)化

王宗仁

（福建華電永安發(fā)電有限公司，福建永安 366013）

東方鍋爐股份有限公司自主研發(fā)的DG1025／17.4-Ⅱ18型循環(huán)流化床（CFB）鍋爐在實(shí)際應(yīng)用中存在爐內(nèi)受熱面磨損、屏式受熱面超溫、排煙溫度高、飛灰可燃物高等問(wèn)題，福建華電永安發(fā)電有限公司在2臺(tái)300MW CFB鍋爐建設(shè)中不斷開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出了具體的優(yōu)化措施，解決了東鍋300MW CFB鍋爐存在的問(wèn)題，提高了機(jī)組投運(yùn)后的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性及可靠性。

循環(huán)流化床鍋爐；屏式過(guò)熱器；磨損；排煙溫度；飛灰可燃物；廠用電率

0 引言

福建華電永安發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)永安發(fā)電公司）采用燃煤變化適應(yīng)性較強(qiáng)的循環(huán)流化床（CFB）潔凈煤燃燒技術(shù)，建設(shè)規(guī)模為2×300MW中間再熱亞臨界燃煤供熱發(fā)電機(jī)組，采用東方鍋爐股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)東鍋）自主研發(fā)的DG1025／17.4-Ⅱ18型CFB鍋爐。

東鍋300MW CFB鍋爐為當(dāng)前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的單機(jī)容量最大的CFB鍋爐，與ALSTOM引進(jìn)型CFB鍋爐的主要區(qū)別是采用不帶外置式換熱器（或INTREX）的單爐膛結(jié)構(gòu)，鍋爐整體布置簡(jiǎn)單，降低了鍋爐啟、停，甩負(fù)荷和主燃料跳閘（MFT）等工況下的熱慣性；同時(shí)，爐后布置了3個(gè)汽冷高效旋風(fēng)分離器，大大減少了耐火材料的用量，更有利于鍋爐的啟、停和調(diào)幅。但該鍋爐在設(shè)計(jì)上仍存在一些不足，如爐內(nèi)受熱面磨損、屏式受熱面超溫、排煙溫度高、飛灰含碳量高等。目前該爐型已在廣東寶麗華電力有限公司、湖北宜昌東陽(yáng)光發(fā)電有限公司、廣東韶關(guān)市坪石發(fā)電廠有限公司、福建龍巖坑口火電廠等投運(yùn)。

1 同類(lèi)型300MW CFB鍋爐存在的主要問(wèn)題

1.1 爐內(nèi)屏式受熱面超溫

在點(diǎn)火及低負(fù)荷工況時(shí)，由于蒸汽流量較小，屏式過(guò)熱器容易發(fā)生超溫。廣東寶麗華電力有限公司在鍋爐啟動(dòng)過(guò)程和試運(yùn)行期間，屏式過(guò)熱器多次出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，其中以爐膛中間兩片管屏超溫最嚴(yán)重，管屏壁溫最高時(shí)達(dá)到555℃（允許值為545℃），＃3機(jī)組曾出現(xiàn)屏式過(guò)熱器出口聯(lián)箱處爐管爆管的現(xiàn)象。屏式再熱器在高負(fù)荷時(shí)超溫嚴(yán)重，額定工況下管壁溫度有時(shí)高達(dá)660℃。福建龍巖坑口火電廠機(jī)組運(yùn)行2個(gè)多月后出現(xiàn)屏式再熱器超溫爆管。爐內(nèi)屏式受熱面超溫已嚴(yán)重影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 爐內(nèi)受熱面磨損

由于CFB鍋爐特有的燃燒方式，運(yùn)行中爐內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自下而上的大量緊貼垂直水冷壁管表面及管間凹槽的貼壁灰流，這些貼壁灰流不斷循環(huán)沖刷垂直水冷壁管，造成嚴(yán)重磨損，特別是爐內(nèi)澆筑料過(guò)渡區(qū)、鰭片不平整處、各開(kāi)孔處、測(cè)點(diǎn)讓管處等磨損尤為嚴(yán)重。廣東寶麗華電力有限公司鍋爐水冷壁管在運(yùn)行約3個(gè)月后就出現(xiàn)整體嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，給煤口保溫磨損及脫落，造成該部位水冷壁磨損爆管。近年內(nèi)，國(guó)內(nèi)外投運(yùn)了上百臺(tái)大型CFB鍋爐，普遍存在水冷壁受熱面磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，鍋爐頻繁出現(xiàn)磨損爆管，尤其是鍋爐燃用劣質(zhì)煤時(shí)問(wèn)題更加突出，給電廠帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 排煙溫度高

已投產(chǎn)同類(lèi)型鍋爐運(yùn)行情況表明，在滿(mǎn)負(fù)荷工況時(shí)排煙溫度高達(dá)170～180℃，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值130℃，而排煙溫度每升高15～20℃將導(dǎo)致排煙熱損失增加1.0百分點(diǎn)，鍋爐效率降低0.5～0.6百分點(diǎn)，煤耗增加1.5～2.0 g／（kW·h），因此，排煙溫度高會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.4 飛灰含碳量較高

廣東寶麗華電力有限公司、福建龍巖坑口火電廠燃燒煤種與永安發(fā)電公司相同，均為福建無(wú)煙煤。CFB鍋爐雖然具有燃燒煤種適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，但由于床溫較低，相對(duì)于傳統(tǒng)的煤粉鍋爐，飛灰含碳量較高（15%～17%），對(duì)鍋爐效率影響較大。

1.5 廠用電率高

由于CFB鍋爐燃燒流化需要，配套設(shè)置了高壓頭的一次／二次風(fēng)機(jī)、高壓流化風(fēng)機(jī)、播煤增壓風(fēng)機(jī)等高能耗設(shè)備，使得CFB鍋爐機(jī)組廠用電率比一般煤粉鍋爐機(jī)組高出2%左右。東鍋300MW CFB鍋爐配置有2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)、3臺(tái)高壓流風(fēng)機(jī)和1臺(tái)播煤增壓風(fēng)機(jī)，總功率約為11665 kW。

2 東鍋300MW CFB鍋爐設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)

2.1 防止屏式受熱面超溫的措施

（1）屏式過(guò)熱器管屏超溫。爐內(nèi)前墻共布置有12片屏式過(guò)熱器管屏，為保證蒸汽的質(zhì)量流速，12片管屏串聯(lián)布置，即其中6片管屏內(nèi)蒸汽由上向下流動(dòng)，另外6片管屏內(nèi)蒸汽由下向上流動(dòng)，在管屏下部轉(zhuǎn)彎區(qū)域設(shè)置有耐磨耐火澆筑料。由于超溫嚴(yán)重，鍋爐生產(chǎn)廠家對(duì)屏式過(guò)熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，6片上行的屏式過(guò)熱器中間分配集箱采用節(jié)流圈結(jié)構(gòu)，以均衡工質(zhì)分配，即在第1，3，5，8，10，12共6片過(guò)熱器管屏中間分配集箱的引出短管處采用節(jié)流圈結(jié)構(gòu)，以確保低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)上行的屏式過(guò)熱器各管屏內(nèi)介質(zhì)流速均勻，防止因流速不均造成局部管屏過(guò)熱而超溫爆管。

（2）屏式再熱器管屏超溫。爐內(nèi)布置的屏式再熱器共有6片管屏，每片管屏由44根管子組成，超溫主要發(fā)生在每片管屏靠爐前的第1—3根管區(qū)域，這3根管壁溫比其他管高60～100℃。該工程在易超溫的爐前第1—3根管段全部敷設(shè)耐磨耐火材料，以減少該區(qū)域吸熱量，能夠有效防止管屏超溫。

2.2 爐內(nèi)防磨措施

大量的試驗(yàn)研究表明，在循環(huán)流化床內(nèi)，固體顆粒濃度具有環(huán)形流特征，即沿床層截面可分為2個(gè)區(qū)域：邊壁附近的高濃度顆粒主體下行區(qū)（邊壁環(huán)形區(qū)），中心區(qū)域的低濃度顆粒主體上升區(qū)（中心核心區(qū)），形成典型的環(huán)-核兩區(qū)流動(dòng)。不同爐膛高度處，邊壁層內(nèi)顆粒下降流的流速不同，越遠(yuǎn)離爐頂，邊壁層內(nèi)顆粒的下降流速越大。

該工程采取主動(dòng)多階式爐內(nèi)防磨裝置，在沿爐膛水冷壁或雙面水冷壁高度方向，以一定間距水平或傾斜布置防磨凸臺(tái)，通過(guò)耐熱銷(xiāo)釘以及其他固定裝置將耐火耐磨澆筑料固定在水冷壁上，從而顯著降低了爐膛貼壁流的速度和顆粒濃度，使邊壁層內(nèi)顆粒下降流速始終維持在-2m／s（流速為負(fù)表示向下的流速）左右，從根本上避免了水冷壁磨損。

同時(shí)，針對(duì)入爐口保溫脫落、水冷壁管磨損的問(wèn)題，從澆筑料施工工藝上進(jìn)行改進(jìn)。爐膛密相區(qū)膜式水冷壁墻原設(shè)計(jì)全部采用耐磨可塑料，考慮到大開(kāi)孔區(qū)（如落煤口、冷渣器返灰口、雙面水冷壁連通口以及回料口等）耐火材料極易磨損，且耐磨可塑料搗打施工不便，難以保證形狀和初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此在大開(kāi)孔區(qū)周邊采用鋯鉻剛玉耐磨澆筑料成方塊澆筑施工，最窄處的寬度不小于250mm，并加密焊接0Cr25Ni20材質(zhì)的抓釘。在大開(kāi)孔區(qū)（如落煤口、雙面水冷壁連通口以及回料口等）的上半周，合理設(shè)置徑向?qū)蚺蛎浛p，以充分吸收集中應(yīng)力，保證耐火材料不脫落。大開(kāi)孔區(qū)往往是讓管集中區(qū)，水冷壁管上經(jīng)常未焊銷(xiāo)釘，耐火材料極易脫落，因此在落煤口內(nèi)部補(bǔ)焊“Y”型抓釘或扁鋼抓釘。

2.3 降低排煙溫度措施

省煤器、空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)采用蒸汽吹灰裝置，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)吹灰器周?chē)?m外區(qū)域受熱面積灰較嚴(yán)重，分析原因主要是蒸汽吹灰器有效吹灰范圍較小，在吹灰器鄰近區(qū)域存在吹灰死角，使得省煤器、空氣預(yù)熱器吸熱面積減少，排煙溫度升高。永安發(fā)電公司根據(jù)廣東寶麗華電力有限公司、龍巖坑口火電廠吹灰器的使用情況，對(duì)吹灰器布置進(jìn)行了改進(jìn)：將省煤器、空氣預(yù)熱器吹灰器數(shù)量增加了1倍，消除吹灰死角；同時(shí)，將省煤器受熱面積增加20%，進(jìn)一步提高省煤器吸熱能力，從而有效降低排煙溫度。

2.4 降低飛灰可燃物措施

福建永安無(wú)煙煤揮發(fā)分低（Vdaf＝3.8%），結(jié)構(gòu)密實(shí)，燃燒時(shí)煤粒不易破裂，內(nèi)部揮發(fā)分不易析出，四周氧氣難以向內(nèi)部擴(kuò)散，燃燒速度低，難以燃盡，因此在設(shè)計(jì)上采取了以下優(yōu)化措施。

（1）選用較小的燃料粒度（Dmax＝8.5mm，D50＝1.1mm），以增大燃料燃燒反應(yīng)的比表面積，減少燃料燃盡所需要的時(shí)間。

（2）采用較高的床溫。在保證排放要求的前提下，綜合考慮到燃料的灰熔點(diǎn)，選取了較高的床溫（920℃），提高燃料燃燒反應(yīng)的速度。

（3）延長(zhǎng)顆粒在爐膛的停留時(shí)間。永安發(fā)電公司鍋爐采用寬大的爐膛結(jié)構(gòu)，爐膛寬28.275m、深8.439m，爐膛截面積達(dá)238.6m2，降低了爐膛內(nèi)煙氣流速；同時(shí)，將爐膛高度提高為39.9m，使?fàn)t膛內(nèi)一次通過(guò)顆粒的停留時(shí)間延長(zhǎng)至8 s左右，有效提高了粒子的燃盡率，降低了飛灰含碳量。

（4）采用爐前給煤、后墻排渣方式，排渣口覆蓋范圍廣；遠(yuǎn)離前墻給煤口，避免未燃盡的煤粒短路直接進(jìn)入排渣口，從而降低了底渣含碳量。

（5）在廣東寶麗華電力有限公司等工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化下?tīng)t膛設(shè)計(jì)，改善配風(fēng)方式和風(fēng)室、風(fēng)帽設(shè)計(jì)，使燃料與風(fēng)能夠充分接觸，保證煤粒的著火和燃盡。

2.5 降低廠用電率措施

（1）一次風(fēng)機(jī)選型優(yōu)化。目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的300MW機(jī)組CFB鍋爐一次風(fēng)機(jī)選型裕量普遍偏大，如廣東寶麗華電力有限公司、云南大唐國(guó)際紅河發(fā)電有限責(zé)任公司、中電投江西電力有限公司分宜發(fā)電廠、秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司等鍋爐一次風(fēng)機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷工況下風(fēng)門(mén)開(kāi)度僅25%～30%，節(jié)流損失大，運(yùn)行效率非常低；同時(shí)，風(fēng)門(mén)開(kāi)度過(guò)小容易產(chǎn)生渦流和葉輪飛車(chē)，存在極大的安全隱患。

永安發(fā)電公司一次風(fēng)機(jī)采用離心風(fēng)機(jī)，原設(shè)計(jì)選型風(fēng)量為96.7m3／s，風(fēng)壓為24.25 kPa，葉輪直徑為2400mm，電機(jī)功率為3000 kW，與廣東寶麗華電力有限公司一次風(fēng)機(jī)選型較接近。為確保該工程鍋爐一次風(fēng)機(jī)投運(yùn)后能夠長(zhǎng)期運(yùn)行在高效區(qū)，減少節(jié)流損失，對(duì)一次風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，明確了一次風(fēng)機(jī)優(yōu)化選型參數(shù)。與優(yōu)化前相比，風(fēng)機(jī)流量減小1236m3／h，風(fēng)壓減小2.796 kPa，電機(jī)功率減小500 kW，風(fēng)機(jī)葉輪直徑減小50mm。

（2）取消播煤增壓風(fēng)機(jī)，直接用一次風(fēng)進(jìn)行播煤。永安發(fā)電公司采用的一次風(fēng)機(jī)壓頭為18.9 kPa，比廣東寶麗華電力有限公司實(shí)際運(yùn)行時(shí)的15.4 kPa要大許多，廣東寶麗華電力有限公司運(yùn)行中已取消了播煤增壓風(fēng)機(jī)，運(yùn)行情況良好。因此，永安發(fā)電公司同樣采用一次風(fēng)，能較好地滿(mǎn)足播煤要求。

2.6 其他優(yōu)化措施

優(yōu)化煤斗并采取防堵煤措施，解決福建無(wú)煙煤黏性大極易堵煤的問(wèn)題；采用啟動(dòng)煙煤倉(cāng)，啟動(dòng)時(shí)投油點(diǎn)火至450℃后立即投入煙煤并停止投油，不僅可縮短鍋爐啟動(dòng)時(shí)間，防止鍋爐啟動(dòng)滅火，而且大量減少啟動(dòng)燃油；采用凝結(jié)水對(duì)冷渣器進(jìn)行冷卻，不僅能夠回收鍋爐底渣余熱，提高熱力系統(tǒng)效率，同時(shí)還可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)置，減少設(shè)備初投資。

3 優(yōu)化實(shí)施后的效果

永安發(fā)電公司＃7，＃8機(jī)組投產(chǎn)后，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)名列前茅，＃7機(jī)組為2012年福建省同類(lèi)型金牌機(jī)組并榮獲中電聯(lián)發(fā)電機(jī)組能效競(jìng)賽2012年度同類(lèi)型機(jī)組一等獎(jiǎng)，＃8機(jī)組實(shí)現(xiàn)無(wú)故障安全穩(wěn)定運(yùn)行223 d。

4 結(jié)論

（1）爐內(nèi)屏式受熱面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、爐內(nèi)設(shè)置防磨裝置可以有效解決CFB鍋爐普遍存在的爐膛受熱面超溫、水冷壁磨損問(wèn)題，減少鍋爐因“四管”爆漏而停機(jī)的次數(shù)，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）通過(guò)采取降低排煙溫度、飛灰可燃物優(yōu)化等措施，進(jìn)一步提高了鍋爐熱效率。

（3）對(duì)一次風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，可確保風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在高效點(diǎn)，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，降低風(fēng)機(jī)電耗；同時(shí)，取消播煤增壓風(fēng)機(jī)后，可降低廠用電率。

（4）針對(duì)福建無(wú)煙煤黏性大的特點(diǎn)，采用不對(duì)稱(chēng)大尺寸出口方煤斗，使煤在煤斗內(nèi)不易搭橋，保持煤的流動(dòng)性，徹底解決CFB鍋爐煤斗頻繁堵煤的問(wèn)題。

（5）采取煙煤倉(cāng)用煙煤點(diǎn)火啟動(dòng)、冷渣器用凝結(jié)水進(jìn)行冷卻等優(yōu)化措施，可降低點(diǎn)火油耗、提高機(jī)組熱力系統(tǒng)效率、減少工程投資。

東鍋及相關(guān)設(shè)計(jì)院在后續(xù)工程中不斷推廣應(yīng)用永安發(fā)電公司的優(yōu)化措施，進(jìn)一步提高了鍋爐運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

（本文責(zé)編：劉芳）

TK 229.6+6

B

1674-1951（2015）10-0027-03

王宗仁（1969—），男，福建永泰人，工程師，從事電站鍋爐建設(shè)、運(yùn)行與維護(hù)管理工作（E-mail：846297078＠qq. com）。

2014-12-18；

2015-08-29