新建循環(huán)流化床鍋爐冷態(tài)試驗(yàn)研究

李 超

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710021)

1 引 言

近年來，循環(huán)流化床鍋爐因其潔凈的燃燒技術(shù)在我國得到了長足的發(fā)展，呈方興未艾之勢[1]。對于基建期新建的循環(huán)流化床鍋爐，在主體安裝完成、經(jīng)各分系統(tǒng)的調(diào)試、鍋爐首次點(diǎn)火啟動之前，必須進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)[2]。冷態(tài)試驗(yàn)通過全面檢查和掌握鍋爐燃燒系統(tǒng)和主要輔機(jī)的運(yùn)行性能，標(biāo)定重要的風(fēng)量測點(diǎn)，測定鍋爐的空床阻力特性和料層阻力特性，找出臨界流化風(fēng)量，以達(dá)到核查鍋爐在設(shè)計和安裝過程中是否存在影響鍋爐熱態(tài)安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素等目的。同時，冷態(tài)試驗(yàn)為鍋爐的熱態(tài)運(yùn)行提供了參考資料，為保證鍋爐安全穩(wěn)定燃燒、防止床面結(jié)焦和設(shè)備燒損奠定了基礎(chǔ)[3-5]。

某公司煤焦油深加工多聯(lián)產(chǎn)綜合利用項目配套相應(yīng)的動力站，主要利用洗煤廠洗選出的煤泥和煤矸石，摻燒化工區(qū)副產(chǎn)物荒煤氣和煤焦油，為化工生產(chǎn)供熱和供電。動力站配置3臺由無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的型號為UG-240/9.81-MQ的循環(huán)流化床鍋爐。本文針對該新建240t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了首次冷態(tài)試驗(yàn)，為鍋爐點(diǎn)火、吹管和整套試運(yùn)提供了必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對鍋爐投入商業(yè)運(yùn)行后的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2 設(shè)備概況

某公司動力站配置3臺由無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的型號為UG-240/9.81-MQ的循環(huán)流化床鍋爐，為高溫高壓，單鍋筒橫置式，自然循環(huán)、單爐膛、全焊接膜式水冷壁，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣的Π型鍋爐。鍋爐的中部是蝸殼式汽冷旋風(fēng)分離器，尾部豎井煙道布置兩級三組對流過熱器，過熱器下方布置三組省煤器及三組管式空氣預(yù)熱器。

鍋爐燃燒所需的空氣分別由一、二次風(fēng)機(jī)提供。一次風(fēng)機(jī)送出的空氣經(jīng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后由左右兩側(cè)風(fēng)道引入爐下水冷風(fēng)室后墻側(cè)，通過水冷布風(fēng)板上的風(fēng)帽進(jìn)入燃燒室；二次風(fēng)機(jī)送出的風(fēng)經(jīng)二次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后，通過分布在爐膛前后墻上的噴口噴入爐膛，補(bǔ)充空氣，加強(qiáng)擾動與混合。離開爐膛并夾帶大量物料的煙氣經(jīng)蝸殼式汽冷旋風(fēng)分離器之后，絕大部分物料被分離出來，經(jīng)返料器返回爐膛，實(shí)現(xiàn)循環(huán)燃燒。分離后的煙氣經(jīng)轉(zhuǎn)向室，高溫過熱器，低溫過熱器，省煤器，SCR，一、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器由尾部煙道排出。

鍋爐的風(fēng)室由向前彎的后水冷壁及兩側(cè)水冷壁組成，風(fēng)室內(nèi)澆注100mm厚的中質(zhì)保溫混凝土，防止點(diǎn)火時鰭片超溫，并降低風(fēng)室內(nèi)的水冷度。風(fēng)室與爐膛被布風(fēng)板相隔，布風(fēng)板系水冷壁與扁鋼焊制而成，其橫斷面為11885×2480mm，布風(fēng)板上部均勻布置風(fēng)帽。風(fēng)帽采用耐磨耐高溫鑄鋼，風(fēng)帽橫向節(jié)距為175mm，縱向節(jié)距為160mm，共1033個。一次風(fēng)通過這些風(fēng)帽均勻進(jìn)入爐膛，流化床料。

鍋爐設(shè)計燃料為荒煤氣、煤泥和煤矸石，按照30∶35∶35的比例混燒(煤泥和煤矸石按重量比)。校核煤種一：煤泥和煤矸石按50∶50的比例混燒，不摻燒荒煤氣；校核煤種二：荒煤氣和原煤按25∶75的比例混燒。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

3 冷態(tài)試驗(yàn)

3.1 風(fēng)量標(biāo)定

試驗(yàn)前，在風(fēng)量測量裝置所在風(fēng)道的位置開設(shè)測試孔，之后對爐膛進(jìn)行大風(fēng)量吹掃。吹掃時間不少于30min，同時注意監(jiān)視風(fēng)機(jī)振動、軸承溫度等變化情況，并對爐膛和風(fēng)煙系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查。

風(fēng)量標(biāo)定時，用靠背管和電子微壓計測試并計算一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)量，并與對應(yīng)DCS表盤顯示數(shù)值進(jìn)行對比，求得該測風(fēng)裝置的修正系數(shù)。

試驗(yàn)選取4個風(fēng)量測點(diǎn)(即左一次風(fēng)風(fēng)量、右一次風(fēng)風(fēng)量、左二次風(fēng)風(fēng)量和右二次風(fēng)風(fēng)量)分別對75000Nm3/h、60000Nm3/h和45000Nm3/h的工況進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

風(fēng)量計算公式為：

(1)

式中，qv為流量測量截面處體積流量(標(biāo)態(tài)下)，Nm3/h；K為靠背管系數(shù)；pd為流量測量截面處均方根動壓，Pa；A為流量測量截面的面積，m2；pa為環(huán)境大氣壓力，Pa；ps為流量測量截面處靜壓，Pa；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；t0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，℃；t為流量測量截面處空氣溫度，℃；ρ為流量測量截面處的空氣密度，kg/m3，按式(2)計算：

(2)

式中，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度，kg/m3。

經(jīng)過測量與計算，3個工況下的表盤風(fēng)量、實(shí)測風(fēng)量和修正系數(shù)如表2、表3所示。其中，左一次風(fēng)風(fēng)量按照平均修正系數(shù)進(jìn)行修正，右一次風(fēng)風(fēng)量由于表盤風(fēng)量數(shù)值和實(shí)測風(fēng)量數(shù)值偏差不大，修正系數(shù)較小，因此不進(jìn)行實(shí)際修正。

表2 左一次風(fēng)風(fēng)量標(biāo)定數(shù)據(jù)表

表3 右一次風(fēng)風(fēng)量標(biāo)定數(shù)據(jù)表

同理，對左二次風(fēng)風(fēng)量和右二次風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行了相同方法的測量與計算。由于這兩個表盤風(fēng)量和實(shí)測風(fēng)量均偏差不大，修正系數(shù)較小，因此不對表盤風(fēng)量進(jìn)行實(shí)際修正，相關(guān)數(shù)據(jù)在此略去。

3.2 空床阻力特性試驗(yàn)

空床阻力特性試驗(yàn)即布風(fēng)板阻力試驗(yàn)，是在布風(fēng)板不鋪床料的情況下，啟動引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)，調(diào)整一次風(fēng)量，記錄不同風(fēng)量下布風(fēng)板的阻力(水冷風(fēng)室與爐膛的差壓)，繪制冷態(tài)的一次風(fēng)量與布風(fēng)板阻力關(guān)系曲線，通過溫度、壓力的修正，可得出熱態(tài)的一次風(fēng)量與布風(fēng)板阻力關(guān)系曲線。

試驗(yàn)時，啟動引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)，從風(fēng)機(jī)最小風(fēng)量開始，逐漸加大一次風(fēng)量，并調(diào)整引風(fēng)量，維持爐膛負(fù)壓為-50Pa左右；記錄不同風(fēng)量下對應(yīng)的布風(fēng)板阻力，直至風(fēng)門全開；然后從最大風(fēng)量開始，逐漸減小風(fēng)量，直至風(fēng)門全關(guān)，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。根據(jù)上行和下行的兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出一次風(fēng)量與布風(fēng)板阻力的關(guān)系曲線。本次試驗(yàn)獲得的空床阻力特性曲線如圖1所示。

圖1 空床阻力特性曲線

由圖1可知，隨著一次風(fēng)量的增加，空床阻力隨之增加，且曲線近似一條通過原點(diǎn)的拋物線。事實(shí)上，空床阻力主要包括風(fēng)帽進(jìn)口的局部阻力、風(fēng)帽通道的沿程阻力和風(fēng)帽出口的局部阻力，考慮到上述3項阻力均與風(fēng)速的平方成正比，而風(fēng)量與風(fēng)速的一次方成正比，因此空床阻力也與風(fēng)量的平方成正比，這與實(shí)際測量并繪制的空床阻力特性曲線的變化趨勢一致。

考慮試驗(yàn)工況為常溫而實(shí)際運(yùn)行為熱態(tài)，對圖1中的曲線進(jìn)行溫度修正[6]，得到任意溫度T(℃)時一次風(fēng)量QN(Nm3/h)與空床阻力Δp(Pa)的關(guān)系為：

(3)

在鍋爐熱態(tài)運(yùn)行時，可通過式(3)計算實(shí)際工況下的空床阻力。

3.3 料層阻力及臨界流化風(fēng)量試驗(yàn)

料層阻力特性試驗(yàn)即在布風(fēng)板上鋪設(shè)700mm厚度的設(shè)計床料(粒徑0～5mm)，啟動引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)，從風(fēng)機(jī)最小風(fēng)量開始，逐漸加大一次風(fēng)量，并調(diào)整引風(fēng)量，維持爐膛負(fù)壓為-50Pa左右。記錄不同風(fēng)量下對應(yīng)的床層總阻力，直至風(fēng)門全開；然后從最大風(fēng)量開始，逐漸減小風(fēng)量，直至風(fēng)門全關(guān)。根據(jù)上行和下行的兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到床層總阻力與風(fēng)量的關(guān)系。此時測出的床層總阻力為料層阻力與布風(fēng)板阻力之和，將床層總阻力減去對應(yīng)風(fēng)量下的布風(fēng)板阻力，就得到了料層阻力。把一次風(fēng)量和料層阻力描繪在同一坐標(biāo)系中，即得到料層阻力特性曲線。根據(jù)料層阻力特性曲線可以確定臨界流化風(fēng)量。在料層阻力特性曲線上沿料層阻力曲線上升段做一切線，沿料層阻力曲線水平段做一水平線，兩線交點(diǎn)的坐標(biāo)對應(yīng)的一次風(fēng)量為臨界流化風(fēng)量。

改變床料厚度至550mm和400mm，重新進(jìn)行料層阻力特性試驗(yàn)。本次試驗(yàn)得到的料層阻力特性曲線如圖2所示。

圖2 料層阻力特性曲線

由圖2可以看出，當(dāng)料層厚度一定時，隨著一次風(fēng)量的增加，料層阻力先增大后減小。在相同的一次風(fēng)量下，隨著料層厚度的增加，料層阻力增加。雖然料層厚度不同，但3條曲線的變化規(guī)律基本一致，且均在風(fēng)量為40000Nm3/h左右時達(dá)到料層阻力的最大值，這意味著此時的風(fēng)量恰為臨界流化風(fēng)量。另外，實(shí)際試驗(yàn)時，部分床料被吹離爐膛，爐內(nèi)的床料略微減少，這是導(dǎo)致圖2中3條曲線最終都有降低趨勢的原因。

3.4 布風(fēng)均勻性試驗(yàn)

分別在床料厚度700mm、550mm和400mm的流化狀態(tài)下，突然停止引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)，待床料靜止后，進(jìn)入爐內(nèi)觀察床料的平整程度。若發(fā)現(xiàn)床面極不平整甚至有“凸起”現(xiàn)象，應(yīng)清除此區(qū)域的床料，查找原因，采取相應(yīng)措施及時處理。

在上節(jié)中3個工況的每次試驗(yàn)之后，將一次風(fēng)總風(fēng)量調(diào)整至較大數(shù)值(保證床料完全流化)，迅速關(guān)閉引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)，打開爐門觀察，發(fā)現(xiàn)整個床面平整，沒有明顯的凹凸處，因此布風(fēng)均勻性試驗(yàn)合格，能夠達(dá)到熱態(tài)運(yùn)行的要求。

4 結(jié) 論

本文介紹了某新建240t/h流化床鍋爐冷態(tài)試驗(yàn)的內(nèi)容、方法和結(jié)果，得到結(jié)論如下：

(1)風(fēng)量標(biāo)定的結(jié)果顯示，實(shí)測風(fēng)量與表盤風(fēng)量在各個工況下均較為接近，僅對左一次風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)際修正；

(2)通過空床阻力特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)空床阻力特性曲線近似一條通過原點(diǎn)的拋物線，在此基礎(chǔ)上擬合得到了任意溫度下空床阻力與一次風(fēng)量的關(guān)系式；

(3)在料層阻力特性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)料層厚度一定時，隨著一次風(fēng)量的增加，料層阻力先增大后減小，且3個試驗(yàn)工況下臨界流化風(fēng)量均為40000Nm3/h；

(4)布風(fēng)均勻性觀察試驗(yàn)表明，迅速關(guān)閉引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)后，整個床面物料平整，沒有明顯的凹凸處，因此布風(fēng)均勻性合格，能夠滿足熱態(tài)運(yùn)行的要求