某油頁(yè)巖電站CFB 鍋爐流渣原因分析及應(yīng)對(duì)措施

何文鋒，白 鋒，雷 宇，張 保

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華南電力試驗(yàn)研究院有限公司，廣東 廣州 510799)

0 引言

某2×235 MW 油頁(yè)巖電站項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“該油頁(yè)巖電站項(xiàng)目”)滾筒冷渣器通過循環(huán)流化床鍋爐(以下簡(jiǎn)稱“CFB 鍋爐”)排出的灰渣進(jìn)行冷卻，將灰渣物理熱回收進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，既提高了燃料的熱量利用率，又完成了對(duì)灰渣的輸送[1]。該油頁(yè)巖電站項(xiàng)目自整套啟動(dòng)以來，2 臺(tái)鍋爐的40 臺(tái)滾筒冷渣器均出現(xiàn)了不同程度的流渣問題，尤其是在機(jī)組變負(fù)荷期間，大量底渣快速進(jìn)入冷渣器，冷渣器超負(fù)荷跳停，無(wú)法重新啟動(dòng)，對(duì)于鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅[2]。同時(shí)，大量熱渣未經(jīng)冷卻快速?zèng)_入下游的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)和斗提機(jī)，超出設(shè)計(jì)溫度，容易造成部件變形導(dǎo)致排渣系統(tǒng)故障[3]。爐內(nèi)熱渣在短時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入冷渣器，會(huì)使鍋爐床壓短時(shí)間內(nèi)快速下降，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐保持穩(wěn)定料層厚度非常不利[4]。同時(shí)，冷渣器流渣需要打開冷渣器進(jìn)行處理，污染廠區(qū)環(huán)境，而且高溫檢修作業(yè)時(shí)可能對(duì)人身和設(shè)備安全構(gòu)成威脅[5]。

本文分析該油頁(yè)巖電站項(xiàng)目循環(huán)流化床鍋爐滾筒冷渣器流渣原因，提出相應(yīng)的解決措施。

1 流渣原因分析

1.1 燃料分析

油頁(yè)巖是一種高灰分、高揮發(fā)分、低熱值的劣質(zhì)燃料。該油頁(yè)巖電站燃料消耗量大，在最惡劣工況下物料處理能力達(dá)1 600 t/h，燃料工業(yè)分析與元素分析結(jié)果見表1 所列。

表1 油頁(yè)巖燃料工業(yè)分析及元素分析結(jié)果

該油頁(yè)巖電站鍋爐燃料粒徑質(zhì)量占比在設(shè)計(jì)規(guī)劃上并未與物料處理工藝及產(chǎn)量進(jìn)行匹配，未給極端情況下留有足夠可變范圍，實(shí)際運(yùn)行過程中燃料粒徑質(zhì)量占比與設(shè)計(jì)偏差較大，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表2 所列。

表2 油頁(yè)巖燃料粒徑質(zhì)量占比設(shè)計(jì)參數(shù)

某時(shí)段油頁(yè)巖入爐前粒徑篩分分析結(jié)果見表3 所列。

表3 油頁(yè)巖粒徑篩分分析結(jié)果

燃料經(jīng)二級(jí)破碎后進(jìn)入爐膛，由于物料系統(tǒng)處理能力未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致入爐燃料粒徑與設(shè)計(jì)值偏差較大呈粗細(xì)兩極分化。

對(duì)比冷渣器流渣和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)段所用油頁(yè)巖，結(jié)果顯示：油頁(yè)巖相對(duì)于煤的燃燒爆裂特性較弱，油頁(yè)巖粒徑過粗容易導(dǎo)致燃燒不充分，排渣過程中發(fā)生二次燃燒，底渣結(jié)塊從而導(dǎo)致落渣管堵塞；燃料粒徑過細(xì)會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)密相區(qū)和稀相區(qū)分層不明顯，同時(shí)粒徑過小會(huì)導(dǎo)致底渣流動(dòng)性增強(qiáng)，從而難以在冷渣器下渣管處形成渣封(渣封是指渣顆粒在鍋爐排渣管出口處堆積的料柱)，對(duì)流動(dòng)起阻礙作用，且與管內(nèi)渣形成的料柱共同起到對(duì)氣體的密封作用，以抵消爐膛與冷渣器筒內(nèi)之間的差壓達(dá)到穩(wěn)定連續(xù)的渣流，容易造成渣流噴射從而引發(fā)流渣。

同一冷渣器及相同發(fā)電負(fù)荷下，連續(xù)14 d每天按1 個(gè)工況，編號(hào)為工況1 至工況14，則各工況燃料粒徑與排渣情況對(duì)比分析詳見表4所列。

表4 燃料粒徑與排渣情況分析表

燃料粒徑在接近設(shè)計(jì)范圍時(shí)冷渣器排渣正常，燃料粒徑過粗排渣管容易發(fā)生堵渣，過細(xì)則冷渣器容易發(fā)生流渣。

1.2 床壓及流化風(fēng)

經(jīng)多次調(diào)整發(fā)現(xiàn)，床壓維持在4.5～5.5 kPa間運(yùn)行排渣相對(duì)穩(wěn)定，流化風(fēng)量宜在對(duì)應(yīng)負(fù)荷的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)運(yùn)行。流化風(fēng)過高容易導(dǎo)致爐床稀相區(qū)上移，密相區(qū)分層不明顯，灰渣沉降速度變慢，落渣管渣封不足容易被爐膛內(nèi)氣相裹挾固相底渣形成噴射渣流沖破渣封，大幅度增加了流渣發(fā)生的幾率，流化風(fēng)的增加也使床壓上升，流渣問題會(huì)持續(xù)惡化。

1.3 冷渣器結(jié)構(gòu)

當(dāng)冷渣器機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，鍋爐排渣通過入口斜管進(jìn)入冷渣器，在斜管出口與冷渣器內(nèi)壁之間形成穩(wěn)定的堆積椎體渣封，如圖1 所示。

圖1 冷渣器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)冷渣器滾筒連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，堆積椎體被冷渣器內(nèi)部的螺旋鰭片破壞，并向出口側(cè)移動(dòng)；移動(dòng)過程中，渣的熱量被水冷滾筒吸收。隨著新的熱渣不斷從斜管流出，和冷卻后的渣從滾筒出口離開，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)排渣降溫過程。

渣封的形成與下渣連續(xù)性、下渣速度和筒體底部渣存量有關(guān)系。如果下渣管內(nèi)不能形成連續(xù)的渣流，從爐膛進(jìn)入下渣管的風(fēng)和熱渣便會(huì)形成氣力輸送狀態(tài)，從而破壞渣封。如果下渣管中的流動(dòng)過于流暢，下渣速度過快，前面的細(xì)渣流動(dòng)快，后面的粗渣流動(dòng)較慢，中部就會(huì)形成斷流，致使下渣管出口的地方出現(xiàn)空缺，也無(wú)法形成渣封。如果筒體底部渣量過少，下渣管出口位置同樣易出現(xiàn)空缺，也難以形成良好的渣封。

導(dǎo)致滾筒冷渣器出現(xiàn)流渣的原因主要包括以下兩個(gè)因素：1)下渣管出口距離冷渣器筒體距離太大，難以形成良好的渣封，滾筒冷渣器轉(zhuǎn)動(dòng)控制滯后于爐膛排渣時(shí)，渣封被破壞，容易產(chǎn)生流渣問題；2)下渣管尺寸較短，且?guī)缀醮怪庇诶湓鬟M(jìn)口，下渣管的阻力過小，導(dǎo)致下渣門打開后排渣過快。

1.4 風(fēng)室內(nèi)落渣管結(jié)構(gòu)

循環(huán)流化床鍋爐的落渣管穿過一次風(fēng)室進(jìn)入冷渣器進(jìn)渣口，風(fēng)室內(nèi)下渣管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)室內(nèi)下渣管結(jié)構(gòu)

風(fēng)室部分的落渣管工作工況變化大，內(nèi)部有600 ℃左右的灰渣通過，外部有250 ℃左右的一次風(fēng)，落渣管上布置有清堵用的空氣炮，管道內(nèi)部出現(xiàn)堵塞情況時(shí)還可能需要人工敲擊清堵。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)：下渣管膨脹節(jié)膨脹量不夠，長(zhǎng)時(shí)間使用空氣炮和人工清堵，膨脹節(jié)的焊口大面積裂開，一次熱風(fēng)通過裂口吹到下渣管，形成氣力輸送，排渣狀況惡化，加劇流渣。

2 流渣應(yīng)對(duì)措施

2.1 燃料調(diào)整

嚴(yán)格控制入爐燃料粒徑，燃料粒徑盡量符合鍋爐設(shè)計(jì)要求，及時(shí)篩分燃料粒徑。通過及時(shí)調(diào)整料場(chǎng)破碎機(jī)和細(xì)篩的工況，基本上能夠保證入爐燃料粒徑接近設(shè)計(jì)要求，冷渣器流渣現(xiàn)象得到很大緩解。

2.2 結(jié)構(gòu)調(diào)整

及時(shí)檢查落渣管與冷渣器內(nèi)壁間隙(以下簡(jiǎn)稱“落渣管間隙”)，調(diào)整至70～100 mm，有效增大堆積阻力，加強(qiáng)渣封作用，同時(shí)可以使冷渣器電流下降，處理能力增強(qiáng)。冷渣器設(shè)計(jì)參數(shù)見表5 所列。

表5 冷渣器設(shè)計(jì)參數(shù)

同一機(jī)組及相同工況下，單臺(tái)冷渣器與落渣管間隙調(diào)整時(shí)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見表6 所列。

表6 單臺(tái)冷渣器在落渣管不同間隙下運(yùn)行參數(shù)

落渣管間隙調(diào)整前后對(duì)比如圖3 所示。調(diào)整前、調(diào)整后的落渣管間隙分別為240 mm 和95 mm。

圖3 落渣管間隙調(diào)整前后對(duì)比圖

更換膨脹系數(shù)更大的膨脹節(jié)，對(duì)膨脹節(jié)外部進(jìn)行密封處理，避免一次熱風(fēng)對(duì)膨脹節(jié)的沖擊，從而保證膨脹節(jié)能夠正常工作。

2.3 運(yùn)行調(diào)整

適當(dāng)提高一次風(fēng)量，可有效抑制流渣。提高一次風(fēng)量能夠促進(jìn)密相區(qū)內(nèi)顆粒混合擴(kuò)散，避免在橫向和縱向的燃料整體密度分布不均，從而抑制排渣過程中交替出現(xiàn)的堵渣和流渣現(xiàn)象。另外，合適的一次風(fēng)、二次風(fēng)配比會(huì)影響到灰渣中可燃物含量的高低，可以避免灰渣二次燃燒帶來的冷渣器超溫問題。

對(duì)床壓自動(dòng)進(jìn)行比例積分微分控制(proportional integral derivative，PID) 修正，使控制過程緩慢進(jìn)行，從而使冷渣器速度變化放慢，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，嚴(yán)禁急升急降情況發(fā)生，應(yīng)緩慢操作，提前設(shè)置偏置控制[6]。

原有設(shè)計(jì)流渣的聯(lián)鎖保護(hù)為：冷渣器運(yùn)行電流＞40 A。后經(jīng)摸索排查發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)入口溫度溫升率＞15 ℃/min 時(shí)，冷渣器電流在其1 min 后觸發(fā)流渣保護(hù)如圖4 所示。

圖4 冷渣器入口溫度與運(yùn)行電流變化

隨后再次啟動(dòng)冷渣器則顯示過流故障，冷渣器開蓋后發(fā)現(xiàn)已發(fā)生流渣現(xiàn)象，為保證設(shè)備安全及穩(wěn)定運(yùn)行隨后增加冷渣器入口溫升速率限制邏輯，當(dāng)溫升率＞10 ℃/min 時(shí)應(yīng)立即自動(dòng)關(guān)閉落渣氣動(dòng)閘板，有效阻斷流渣發(fā)生。后經(jīng)優(yōu)化，在機(jī)組不同負(fù)荷區(qū)間下冷渣器入口渣溫所對(duì)應(yīng)的流渣溫升率保護(hù)定值如圖5 所示。

圖5 運(yùn)行分段區(qū)間冷渣器入口溫度與流渣溫升率保護(hù)定值

同時(shí)增加落渣溫度過高、冷渣器電流過大、冷渣器出水溫度過高關(guān)閉落渣氣動(dòng)閘板、降低冷渣器轉(zhuǎn)速的邏輯，冷渣器保護(hù)一旦發(fā)生動(dòng)作應(yīng)待條件恢復(fù)后重新投用[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該油頁(yè)巖電站項(xiàng)目滾筒冷渣器出現(xiàn)的流渣現(xiàn)象，文章提出落渣管設(shè)計(jì)和膨脹節(jié)優(yōu)化的方案，同時(shí)從鍋爐運(yùn)行方式和入爐煤粒徑控制等方面提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。以上應(yīng)對(duì)措施實(shí)施后，該油頁(yè)巖電站項(xiàng)目冷渣器流渣情況得到很大改善，使機(jī)組順利調(diào)試及穩(wěn)定運(yùn)行，確保機(jī)組的順利移交，為后續(xù)商業(yè)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。