350 MW 超臨界CFB 鍋爐長周期運(yùn)行的優(yōu)化與分析

李麗鋒，苗 苗，孔 皓，張 縵，楊海瑞

（1.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000；2.清華大學(xué)能源與動力工程系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

0 引言

與傳統(tǒng)燃煤方式相比，循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便快捷、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、污染物排放少、灰渣綜合利用方便等重要優(yōu)點(diǎn)［1-8］。流化床燃燒技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)對我國化石燃料的改進(jìn)，對其能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有重要意義。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，流化床燃燒技術(shù)的研究和應(yīng)用正朝著大規(guī)模發(fā)展的方向發(fā)展［9-14］。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，CFB 相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)整技術(shù)也日趨成熟，運(yùn)行水平得到了很大提升，目前存在的一個主要問題是運(yùn)行周期較短［15］。為驗(yàn)證機(jī)組長周期連續(xù)運(yùn)行結(jié)果，山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司2#機(jī)組鍋爐于2019 年4 月21 日至2020 年3 月17 日期間實(shí)施連續(xù)安全環(huán)保運(yùn)行，共計332 天。本次運(yùn)行可為350 MW 級超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行管理提供經(jīng)驗(yàn)、樹立行業(yè)標(biāo)桿，推動我國循環(huán)流化床發(fā)電行業(yè)健康有序發(fā)展。

1 影響長周期運(yùn)行的影響因素

根據(jù)其構(gòu)造設(shè)計和運(yùn)行原理的特點(diǎn)，循環(huán)流化床鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時容易產(chǎn)生流化不均勻、料層吹穿、燃燒不穩(wěn)定、熄火等情況。因此，只有找到其關(guān)鍵的可控因素，才能確保循環(huán)流化床鍋爐在動態(tài)負(fù)荷下長期穩(wěn)定地運(yùn)行。通過技術(shù)研究、分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的可控因素主要集中在煤顆粒粒徑及濃度、流化風(fēng)速、料層差壓等三個方面。

1.1 顆粒粒徑及濃度

防止出現(xiàn)異常工況的核心是保持低床溫穩(wěn)定燃燒。煤粒徑增大后，為了保證床料的流化狀態(tài)，需要增加一次風(fēng)量，這進(jìn)一步導(dǎo)致密相區(qū)燃燒份額增大。循環(huán)灰濃度和循環(huán)比的增加會加劇水冷壁管磨損，會使料層差壓增大，增加底渣含碳量；嚴(yán)重時，可導(dǎo)致床溫下降，因此，煤的粒度直接關(guān)系到鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［16］。

循環(huán)灰是循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的傳熱載體，是保證煤正常燃燒的必要途徑，但它也是造成鍋爐磨損的根本原因之一。當(dāng)灰分濃度不足時，床溫會升高，負(fù)荷較低；當(dāng)灰濃度過高時，床溫降低，但鍋爐磨損加快。通過調(diào)整煤種、粒徑、風(fēng)量、料層高度、返料量、爐膛負(fù)壓，或者適當(dāng)排放多余的循環(huán)灰，可以很好地調(diào)節(jié)其濃度，繼而改變循環(huán)比例，通過這種方式可以減少鍋爐磨損，延長運(yùn)行周期［17］。

1.2 流化速度

通常，循環(huán)流化床鍋爐爐膛下部物料粒徑和濃度都比較大，在物料自身重力、氣流向上驅(qū)動力和物料間摩擦力的共同作用下，大顆粒物料沿水冷壁管向下流動，在水冷壁管受熱面上產(chǎn)生摩擦力，從而磨損水冷壁管受熱面。由于管壁磨損量與煙氣流速和物料濃度成正比，因此在高負(fù)荷下，隨著循環(huán)流化床鍋爐燃料、物料濃度和煙氣流量的增加，管壁的磨損越發(fā)嚴(yán)重。當(dāng)管壁局部磨損過薄，無法承受管內(nèi)汽水混合物的壓力時就會爆裂，導(dǎo)致鍋爐驟停，因此提高管壁的耐磨性是防止水冷壁爆管的關(guān)鍵［18］。

1.3 料層差壓

料層差壓是表征流化床料層高度的物理量，如果料層壓差較小，床層溫度會升高，負(fù)荷降低，底渣含碳量增加，容易影響流態(tài)化狀態(tài)，導(dǎo)致局部結(jié)渣。同時，不完全燃燒會使?fàn)t渣含碳量高，增加爐渣的熱損失；當(dāng)料層壓差較大時，鍋爐負(fù)荷較高，蓄熱能力增強(qiáng)，底渣含碳量降低。但是，為了確保良好的流化狀態(tài)，一次風(fēng)量將被迫增加，沉積底部的大顆粒可能會危害鍋爐安全運(yùn)行，降低鍋爐熱效率。在運(yùn)行過程中，可以通過布風(fēng)板的阻力特性參數(shù)、爐膛壓力和料層上部壓力等數(shù)據(jù)綜合判斷料層的差壓［15］。

2 機(jī)組長周期運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.1 機(jī)組相關(guān)參數(shù)

2#機(jī)組鍋爐型號為DG1184/25.31-Ⅱ1，表1 為該鍋爐的主要參數(shù)，鍋爐主蒸汽出口壓力25.31 MPa（g），配套的是350 MW 超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組。鍋爐為超臨界變壓直流鍋爐，全鋼架結(jié)構(gòu)，整體支撐和懸掛在鍋爐鋼架上，單爐膛，平衡通風(fēng)，半露天M 型布置，一次中間再熱。

表1 鍋爐主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of boiler

2.2 鍋爐整體結(jié)構(gòu)

鍋爐汽水系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，鍋爐本體由三部分組成：第一部分為主循環(huán)回路，包括爐膛、回料器、冷卻旋風(fēng)分離器、高溫過熱器、中溫過熱器、屏式再熱器等；第二部分布置尾部煙道，包括中溫過熱器、低溫再熱器、低溫過熱器和省煤器；第三部分是空氣預(yù)熱器。

圖1 鍋爐汽水系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of boiler steam water system

該系統(tǒng)的水冷壁采用低質(zhì)量流量全焊接垂直升膜管板，爐膛采用光滑管（中間隔墻采用內(nèi)螺紋管）。爐體下部設(shè)有單個配風(fēng)板，配風(fēng)板上方為水冷風(fēng)室，水冷風(fēng)室周圍有水冷壁管。該爐還配有6 個屏式再熱器管屏、12 個屏式過熱器和5 個水冷隔板。燃料從熔爐前面的給煤口輸送到熔爐。爐后壁設(shè)六個鼓式冷渣器。爐后壁鋼架內(nèi)設(shè)三臺冷卻旋風(fēng)分離器，每臺旋風(fēng)分離器下設(shè)一臺回料機(jī)。回程給料機(jī)分為兩種結(jié)構(gòu)。每個旋風(fēng)分離器分離的物料通過兩個回流管直接返回爐膛。在汽冷包墻包覆的尾部煙道內(nèi)設(shè)置了中隔墻包覆過熱器，將后煙井分隔成前后兩個煙道，前煙道布置低溫再熱器，后煙道布置中溫過熱器和低溫過熱器。省煤器布置在前后煙道合并后的豎井區(qū)域，空氣預(yù)熱器是管式空氣預(yù)熱器，一二次風(fēng)道分開布置，沿爐膛寬度方向雙進(jìn)雙出。

一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)均設(shè)置兩臺50%容量（變頻調(diào)節(jié)）雙吸入離心式送風(fēng)機(jī)，三臺多級離心式高壓流化風(fēng)機(jī)并聯(lián)布置，每臺容量為50%。正常情況下，兩臺使用，一臺備用。鍋爐啟動系統(tǒng)由啟動分離器、儲水箱、水位控制閥、常壓閃蒸罐、疏水泵等組成，當(dāng)負(fù)荷大于最小直流負(fù)荷后，該系統(tǒng)的直流運(yùn)行一次上升，啟動分離器入口有一定程度的過熱。

2.3 主要指標(biāo)完成情況

山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司2#發(fā)電機(jī)組2019 年4 月21 日至2020 年3 月17 日安全穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行時間為7 925.7 h。運(yùn)行期間，該機(jī)組的污染物排放實(shí)施全程超低排放控制，符合《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）要求，表2 為發(fā)電機(jī)組主要指標(biāo)完成情況。

表2 山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司2#發(fā)電機(jī)組主要指標(biāo)完成情況表Tab.2 Main indicators of 2# generation unit of Shanxi Hepo Power Plant Co. ，Ltd.

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 低床壓優(yōu)化運(yùn)行控制

山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司超臨界循環(huán)流化床機(jī)組燃用煤種為當(dāng)?shù)責(zé)o煙煤，由于無煙煤揮發(fā)分較低等原因，低床壓運(yùn)行較燃用煙煤、褐煤較難實(shí)現(xiàn)，其對燃煤粒徑、有效床料控制等方面的要求更高。目前提高床料質(zhì)量，降低床存量的手段主要為改進(jìn)分離器分離效率、改進(jìn)物料回送裝置流動特性、控制燃料粒度等。對于已經(jīng)建成的循環(huán)流化床鍋爐，如果在改進(jìn)分離器分離效率等方面開展低床壓運(yùn)行工作，投資大且存在改進(jìn)失敗的風(fēng)險。

山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司在不增加設(shè)備改造費(fèi)用的前提下，基于流態(tài)重構(gòu)理論基礎(chǔ)［19］，摸索出了鍋爐爐膛內(nèi)物料運(yùn)動的一些規(guī)律，通過對排渣方式進(jìn)行優(yōu)化選擇，減少密相區(qū)無效床料數(shù)量的同時保證有效床料不減少、鍋爐性能不降低。如圖2 所示，風(fēng)室風(fēng)壓由10.22 kPa，逐步降至8.44 kPa，爐膛差壓數(shù)值保持基本不變。由圖3 可得某測量工況，以前的運(yùn)行方式下，風(fēng)室即時壓力為12.30 kPa、12.63 kPa，低床壓運(yùn)行方式時，風(fēng)室即時壓力為9.72 kPa、9.89 kPa。在保證有效床存量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低床層壓力仍可保持大部分顆粒處于能參與循環(huán)的范圍內(nèi)；同時，該方式可以降低顆粒終端速度，從而降低磨損率，鍋爐受熱面磨損得到極大的改善，為鍋爐實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 風(fēng)室風(fēng)壓和爐膛差壓變化對照圖Fig.2 Comparison of pressure in air chamber and differential pressure in furnace

圖3 低床壓運(yùn)行前后工況對比示意圖Fig.3 Comparison of working conditions before and after low bed pressure operation

如表3 所示，現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)鍋爐每個排渣口排出的渣塊粒徑分布是不一樣的，鍋爐兩邊的排渣口排渣顆粒偏大，中間排渣口排渣顆粒偏細(xì)。根據(jù)這一規(guī)律制定了鍋爐排渣方式，即加大鍋爐爐膛左、右兩端的排渣能力，減少鍋爐爐膛中部的排渣能力，通過選擇性排渣，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床鍋爐床料質(zhì)量和數(shù)量的優(yōu)化。在保證鍋爐參數(shù)正常、性能不受影響的情況下，低床壓運(yùn)行的實(shí)施，降低了風(fēng)室壓力，在該試驗(yàn)工況下一次風(fēng)機(jī)功率降低223 kW，一次風(fēng)機(jī)節(jié)電比例17%。

表3 不同排渣口排渣粒徑分析表Tab.3 Analysis of slag particle size at different slag discharge outlets

3.2 主動防磨措施

機(jī)組啟動前，對鍋爐水冷壁進(jìn)行全面防磨檢查并有針對性地采取措施。例如，在后墻標(biāo)高25.4 m 突出較嚴(yán)重的安裝焊口上150 mm 處，用澆注料加裝防磨梁；對易磨損的四角水冷壁管處加澆注料防磨塊；對標(biāo)高25.4 m 安裝焊口磨損嚴(yán)重的部位，消除凸起，輔助噴涂；針對其它部位安裝焊口的凸起部分，根據(jù)磨損速度、磨損程度采取輔助噴涂等相應(yīng)的措施；對尾部受熱面翻轉(zhuǎn)的防磨瓦全部進(jìn)行調(diào)整，咬邊的缺陷重新打磨后補(bǔ)焊等等，通過采用這些簡單易行、投資極少的措施的實(shí)施，為鍋爐安全運(yùn)行提供了保障。

3.3 燃料粒度在線檢測技術(shù)

入爐煤粒徑是否合格對于循環(huán)流化床鍋爐至關(guān)重要，粒徑不合格會造成鍋爐磨損加劇、流化不良、結(jié)焦等異常，嚴(yán)重的甚至?xí)斐赏t事故。

山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司和山西大學(xué)共同開發(fā)基于機(jī)器視覺的燃料粒度在線檢測技術(shù)，該技術(shù)對入爐燃料進(jìn)行粒度分析，在細(xì)碎煤機(jī)出口輸煤皮帶上裝設(shè)光學(xué)分析裝置，測量有關(guān)煤粒度分布、給煤量、平均粒徑、粒級質(zhì)量占比等實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行超限預(yù)警。入爐煤粒徑監(jiān)控為機(jī)組配煤摻燒和精細(xì)化控制爐膛粒徑提供了可靠保障。

4 結(jié)論

本文根據(jù)山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司的生產(chǎn)實(shí)踐，結(jié)合循環(huán)流化床機(jī)組的特點(diǎn)，探討了影響循環(huán)流化床機(jī)組長周期運(yùn)行的因素，并提出了相應(yīng)的措施，保障了機(jī)組的安全長期運(yùn)行，主要結(jié)論如下：

（1）基于流態(tài)重構(gòu)理論基礎(chǔ)，低床壓優(yōu)化運(yùn)行控制，降低顆粒終端速度可以減少有效鍋爐磨損。

（2）實(shí)施主動防磨措施，加裝防磨梁、防磨塊可以確保鍋爐受熱面安全。

（3）應(yīng)用燃料粒度在線檢測技術(shù)消除不合格粒徑燃料對鍋爐的磨損，可以從源頭做好鍋爐長周期運(yùn)行的燃料粒徑保障。

（4）通過優(yōu)化控制，減緩鍋爐磨損，可確保鍋爐主體設(shè)備長周期安全運(yùn)行。