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、飛灰可燃物高等問題，福建華電永安發(fā)電有限公司在2臺300MW CFB鍋爐建設(shè)中不斷開展設(shè)計優(yōu)化，提出了具體的優(yōu)化措施，解決了東鍋300MW CFB鍋爐存在的問題，提高了機組投運后的安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性及可靠性。

循環(huán)流化床鍋爐；屏式過熱器；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（以下簡稱永安發(fā)電公司）采用燃煤變化適應(yīng)性較強的循環(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)電機組，采用東方鍋爐股份有限公司（以下簡稱東鍋）自主研發(fā)的DG1025／17.4-Ⅱ18型CFB鍋爐。

東鍋300MW CFB鍋爐為當(dāng)前國內(nèi)自主研發(fā)的單機容量最大的CFB鍋爐，與ALSTOM引進型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)，鍋爐整體布置簡單，降低了鍋爐啟、停，甩負荷和主燃料跳閘（MFT）等工況下的熱慣性；同時，爐后布置了3個汽冷高效旋風(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。

1 同類型300MW CFB鍋爐存在的主要問題

1.1 爐內(nèi)屏式受熱面超溫

在點火及低負荷工況時，由于蒸汽流量較小，屏式過熱器容易發(fā)生超溫。廣東寶麗華電力有限公司在鍋爐啟動過程和試運行期間，屏式過熱器多次出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，其中以爐膛中間兩片管屏超溫最嚴(yán)重，管屏壁溫最高時達到555℃（允許值為545℃），＃3機組曾出現(xiàn)屏式過熱器出口聯(lián)箱處爐管爆管的現(xiàn)象。屏式再熱器在高負荷時超溫嚴(yán)重，額定工況下管壁溫度有時高達660℃。福建龍巖坑口火電廠機組運行2個多月后出現(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)定運行。

1.2 爐內(nèi)受熱面磨損

由于CFB鍋爐特有的燃燒方式，運行中爐內(nèi)會產(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)澆筑料過渡區(qū)、鰭片不平整處、各開孔處、測點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行約3個月后就出現(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)，國內(nèi)外投運了上百臺大型CFB鍋爐，普遍存在水冷壁受熱面磨損嚴(yán)重的問題，鍋爐頻繁出現(xiàn)磨損爆管，尤其是鍋爐燃用劣質(zhì)煤時問題更加突出，給電廠帶來很大的經(jīng)濟損失。

1.3 排煙溫度高

已投產(chǎn)同類型鍋爐運行情況表明，在滿負荷工況時排煙溫度高達170～180℃，遠高于設(shè)計值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，鍋爐效率降低0.5～0.6百分點，煤耗增加1.5～2.0 g／（kW·h），因此，排煙溫度高會嚴(yán)重影響機組經(jīng)濟運行。

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，均為福建無煙煤。CFB鍋爐雖然具有燃燒煤種適應(yīng)性廣的優(yōu)點，但由于床溫較低，相對于傳統(tǒng)的煤粉鍋爐，飛灰含碳量較高（15%～17%），對鍋爐效率影響較大。

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、高壓流化風(fēng)機、播煤增壓風(fēng)機等高能耗設(shè)備，使得CFB鍋爐機組廠用電率比一般煤粉鍋爐機組高出2%左右。東鍋300MW CFB鍋爐配置有2臺一次風(fēng)機、2臺二次風(fēng)機、3臺高壓流風(fēng)機和1臺播煤增壓風(fēng)機，總功率約為11665 kW。

2 東鍋300MW CFB鍋爐設(shè)計優(yōu)化重點

2.1 防止屏式受熱面超溫的措施

（1）屏式過熱器管屏超溫。爐內(nèi)前墻共布置有12片屏式過熱器管屏，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，另外6片管屏內(nèi)蒸汽由下向上流動，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)廠家對屏式過熱器結(jié)構(gòu)進行了改進，6片上行的屏式過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)，以確保低負荷運行時上行的屏式過熱器各管屏內(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。不同爐膛高度處，邊壁層內(nèi)顆粒下降流的流速不同，越遠離爐頂，邊壁層內(nèi)顆粒的下降流速越大。

該工程采取主動多階式爐內(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，通過耐熱銷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（流速為負表示向下的流速）左右，從根本上避免了水冷壁磨損。

同時，針對入爐口保溫脫落、水冷壁管磨損的問題，從澆筑料施工工藝上進行改進。爐膛密相區(qū)膜式水冷壁墻原設(shè)計全部采用耐磨可塑料，考慮到大開孔區(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)強度，因此在大開孔區(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。大開孔區(qū)往往是讓管集中區(qū)，水冷壁管上經(jīng)常未焊銷釘，耐火材料極易脫落，因此在落煤口內(nèi)部補焊“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)計采用蒸汽吹灰裝置，實際運行中發(fā)現(xiàn)吹灰器周圍2m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，對吹灰器布置進行了改進：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，將省煤器受熱面積增加20%，進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

福建永安無煙煤揮發(fā)分低（Vdaf＝3.8%），結(jié)構(gòu)密實，燃燒時煤粒不易破裂，內(nèi)部揮發(fā)分不易析出，四周氧氣難以向內(nèi)部擴散，燃燒速度低，難以燃盡，因此在設(shè)計上采取了以下優(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，選取了較高的床溫（920℃），提高燃料燃燒反應(yīng)的速度。

（3）延長顆粒在爐膛的停留時間。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238.6m2，降低了爐膛內(nèi)煙氣流速；同時，將爐膛高度提高為39.9m，使?fàn)t膛內(nèi)一次通過顆粒的停留時間延長至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；遠離前墻給煤口，避免未燃盡的煤粒短路直接進入排渣口，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踐基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化下爐膛設(shè)計，改善配風(fēng)方式和風(fēng)室、風(fēng)帽設(shè)計，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)機選型優(yōu)化。目前國內(nèi)已投運的300MW機組CFB鍋爐一次風(fēng)機選型裕量普遍偏大，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)機在滿負荷工況下風(fēng)門開度僅25%～30%，節(jié)流損失大，運行效率非常低；同時，風(fēng)門開度過小容易產(chǎn)生渦流和葉輪飛車，存在極大的安全隱患。

永安發(fā)電公司一次風(fēng)機采用離心風(fēng)機，原設(shè)計選型風(fēng)量為96.7m3／s，風(fēng)壓為24.25 kPa，葉輪直徑為2400mm，電機功率為3000 kW，與廣東寶麗華電力有限公司一次風(fēng)機選型較接近。為確保該工程鍋爐一次風(fēng)機投運后能夠長期運行在高效區(qū)，減少節(jié)流損失，對一次風(fēng)機設(shè)計選型參數(shù)進行優(yōu)化，明確了一次風(fēng)機優(yōu)化選型參數(shù)。與優(yōu)化前相比，風(fēng)機流量減小1236m3／h，風(fēng)壓減小2.796 kPa，電機功率減小500 kW，風(fēng)機葉輪直徑減小50mm。

（2）取消播煤增壓風(fēng)機，直接用一次風(fēng)進行播煤。永安發(fā)電公司采用的一次風(fēng)機壓頭為18.9 kPa，比廣東寶麗華電力有限公司實際運行時的15.4 kPa要大許多，廣東寶麗華電力有限公司運行中已取消了播煤增壓風(fēng)機，運行情況良好。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，解決福建無煙煤黏性大極易堵煤的問題；采用啟動煙煤倉，啟動時投油點火至450℃后立即投入煙煤并停止投油，不僅可縮短鍋爐啟動時間，防止鍋爐啟動滅火，而且大量減少啟動燃油；采用凝結(jié)水對冷渣器進行冷卻，不僅能夠回收鍋爐底渣余熱，提高熱力系統(tǒng)效率，同時還可簡化系統(tǒng)設(shè)置，減少設(shè)備初投資。

3 優(yōu)化實施后的效果

永安發(fā)電公司＃7，＃8機組投產(chǎn)后，各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)名列前茅，＃7機組為2012年福建省同類型金牌機組并榮獲中電聯(lián)發(fā)電機組能效競賽2012年度同類型機組一等獎，＃8機組實現(xiàn)無故障安全穩(wěn)定運行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、水冷壁磨損問題，減少鍋爐因“四管”爆漏而停機的次數(shù)，提高機組運行的穩(wěn)定性。

（2）通過采取降低排煙溫度、飛灰可燃物優(yōu)化等措施，進一步提高了鍋爐熱效率。

（3）對一次風(fēng)機設(shè)計選型參數(shù)進行優(yōu)化后，可確保風(fēng)機長期運行在高效點，提高風(fēng)機運行效率，降低風(fēng)機電耗；同時，取消播煤增壓風(fēng)機后，可降低廠用電率。

（4）針對福建無煙煤黏性大的特點，采用不對稱大尺寸出口方煤斗，使煤在煤斗內(nèi)不易搭橋，保持煤的流動性，徹底解決CFB鍋爐煤斗頻繁堵煤的問題。

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

東鍋及相關(guān)設(shè)計院在后續(xù)工程中不斷推廣應(yīng)用永安發(fā)電公司的優(yōu)化措施，進一步提高了鍋爐運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

（本文責(zé)編：劉芳）

TK 229.6+6

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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)、運行與維護管理工作（E-mail：846297078＠qq. com）。

2014-12-18；

2015-08-29