田敬元， 張 翼， 張思海， 楊海瑞

(1．寧夏國(guó)華寧東發(fā)電有限公司，銀川 750408；2．清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

國(guó)內(nèi)循環(huán)流化床(CFB)鍋爐不斷朝著大型化、高參數(shù)的趨勢(shì)發(fā)展。目前，300 MW等級(jí)的CFB鍋爐已經(jīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)的主流機(jī)組，隨著國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界CFB機(jī)組的成功示范，一批350～600 MW超臨界機(jī)組即將或正在設(shè)計(jì)中。

在CFB鍋爐大型化過(guò)程中有2種典型爐膛結(jié)構(gòu)，即雙布風(fēng)板“褲衩腿”型爐膛和大寬深比、單布風(fēng)板結(jié)構(gòu)。隨著燃燒室高度和截面積顯著增加以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，氣固兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性引發(fā)的問(wèn)題愈發(fā)突出[1-2]。對(duì)于褲衩腿型鍋爐，“翻床”現(xiàn)象曾嚴(yán)重困擾鍋爐的正常運(yùn)行。在150～300 MW單爐膛、單布風(fēng)板CFB鍋爐中，普遍存在“床壓擺動(dòng)”的翻床現(xiàn)象。隨著對(duì)這些問(wèn)題的深入認(rèn)識(shí)及運(yùn)行優(yōu)化控制，“翻床”及“床壓擺動(dòng)”問(wèn)題逐漸得到解決[3-8]。

隨著大型CFB鍋爐分離器個(gè)數(shù)增多、爐膛截面積擴(kuò)大，CFB鍋爐結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，在鍋爐運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)新的氣固流動(dòng)現(xiàn)象及問(wèn)題，如在一臺(tái)單爐膛、單布風(fēng)板330 MW CFB鍋爐上出現(xiàn)了偏床運(yùn)行現(xiàn)象，即爐膛兩側(cè)料層壓降長(zhǎng)時(shí)間相差2 kPa以上，嚴(yán)重時(shí)甚至高達(dá)4 kPa以上，而鍋爐仍然可以運(yùn)行。該非均勻運(yùn)行狀態(tài)不同于已有的褲衩腿內(nèi)“翻床”現(xiàn)象，也不同于單爐膛內(nèi)床壓交替變化的“床壓擺動(dòng)”現(xiàn)象。這些問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響爐膛內(nèi)氣固流動(dòng)和鍋爐整體效率，因此需要加以重視和解決。

筆者詳細(xì)介紹了某330 MW CFB鍋爐偏床運(yùn)行現(xiàn)象，通過(guò)分析鍋爐負(fù)荷、溫度及燃燒性能的變化，揭示氣固流動(dòng)偏床的機(jī)理及影響因素，并提出一系列運(yùn)行控制手段，解決上述偏床問(wèn)題。

1 330 MW CFB鍋爐偏床運(yùn)行現(xiàn)象

1.1 鍋爐結(jié)構(gòu)

寧夏國(guó)華寧東電廠2×330 MW亞臨界CFB鍋爐型號(hào)為DG1177/17.5-Ⅱ3，整體布置為單爐膛、單布風(fēng)板、一次中間再熱、汽冷式旋風(fēng)分離器和尾部雙煙道結(jié)構(gòu)。鍋爐共布置10個(gè)給煤口，全部布置于爐前，在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置。4個(gè)排渣口布置在爐膛后水冷壁下部，分別對(duì)應(yīng)6臺(tái)滾筒冷渣器。爐膛底部是由水冷壁管彎制圍成的水冷風(fēng)室，水冷風(fēng)室兩側(cè)布置有一次熱風(fēng)道，進(jìn)風(fēng)型式為從風(fēng)室兩側(cè)進(jìn)風(fēng)。爐膛與尾部豎井之間布置3臺(tái)汽冷式旋風(fēng)分離器，其下部各布置一臺(tái)“J”閥回料器，回料器采用一分為二的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。該鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)[9]見(jiàn)表1。

1.2 偏床運(yùn)行工況

2014年3月，1號(hào)機(jī)組檢修，2號(hào)機(jī)組首先出現(xiàn)了偏床運(yùn)行現(xiàn)象。2016年6月，1號(hào)機(jī)組也出現(xiàn)了偏床運(yùn)行現(xiàn)象。其中2號(hào)機(jī)組偏床運(yùn)行現(xiàn)象更明顯，下面以2號(hào)機(jī)組偏床運(yùn)行工況為例進(jìn)行研究，表2給出了2號(hào)機(jī)組在偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生時(shí)入爐煤的煤質(zhì)分析。

表1 鍋爐主要熱力參數(shù)Tab.1 Main thermal parameters of the boiler

表2 2號(hào)機(jī)組入爐煤的煤質(zhì)分析Tab.2 Analysis of the coal for boiler 2

鍋爐A側(cè)布置A分離器，B側(cè)布置B、C 2個(gè)分離器。偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，A側(cè)床壓逐漸升高并趨于穩(wěn)定，B側(cè)床壓逐漸降低并趨于穩(wěn)定，圖1給出偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生時(shí)A、B兩側(cè)床壓波動(dòng)的曲線。由圖1可以看出，A側(cè)床壓在24 h內(nèi)始終高于B側(cè)床壓，直至采取措施后A、B兩側(cè)床壓逐漸接近。表3給出了嚴(yán)重偏床與輕微偏床典型工況的參數(shù)對(duì)比。由表3可知，嚴(yán)重偏床時(shí)A側(cè)床壓比B側(cè)床壓偏高4 kPa左右，輕微偏床時(shí)A側(cè)床壓比B側(cè)床壓偏高2 kPa左右；A、B兩側(cè)風(fēng)室壓力相差較小；偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，兩側(cè)床溫偏差均增大，嚴(yán)重偏床前A、B兩側(cè)床溫偏差約1 K，嚴(yán)重偏床時(shí)A、B兩側(cè)床溫偏差達(dá)到74 K，輕微偏床時(shí)也發(fā)生了A、B兩側(cè)床溫偏差增大的情況。由床壓和床溫可以明顯看出爐膛A、B兩側(cè)運(yùn)行的嚴(yán)重不均勻性。

圖1 偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生時(shí)24 h內(nèi)床壓波動(dòng)情況Fig.1 Bed pressure fluctuation 24 h after occurrence of non-uniform gas-solid flows表3 偏床運(yùn)行工況與正常運(yùn)行工況的參數(shù)對(duì)比Tab.3 Parameters comparison between non-uniform and normal condition

參數(shù)嚴(yán)重偏床輕微偏床前后前后負(fù)荷/MW246232324330A側(cè)床壓/kPa8.4811.766.728.17B側(cè)床壓/kPa8.217.876.446.04A側(cè)風(fēng)室壓力/kPa12.9913.1411.4512.38B側(cè)風(fēng)室壓力/kPa13.1013.0611.5212.44A側(cè)床溫/℃872834919899B側(cè)床溫/℃871908911906

通過(guò)觀察底渣粗細(xì)和馬爾文分析循環(huán)灰粒徑，也可以明顯看出爐膛兩側(cè)的不均勻性。靠近A側(cè)的1號(hào)、2號(hào)冷渣器排渣粒度較細(xì)，靠近B側(cè)的4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)冷渣器排渣粒度較粗，嚴(yán)重偏床時(shí)兩側(cè)冷渣器的底渣粗細(xì)差別非常明顯。A、B、C 3個(gè)分離器返料灰粒徑分布如圖2所示。由圖2可知，A分離器循環(huán)灰粒徑明顯大于B、C分離器循環(huán)灰粒徑。

圖2 循環(huán)灰粒徑分布Fig.2 Particle size distribution in circulating ash

在鍋爐偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，風(fēng)室風(fēng)溫嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)風(fēng)溫297 ℃，風(fēng)室平均風(fēng)溫只有150 ℃。同時(shí)，A、B兩側(cè)風(fēng)室風(fēng)溫偏差較大，A側(cè)一次風(fēng)溫為202 ℃，B側(cè)一次風(fēng)溫為98 ℃，這是由于兩側(cè)空氣在空氣預(yù)熱器內(nèi)受熱不均造成的。輕微偏床時(shí)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)的影響并不明顯，可以正常帶負(fù)荷和升降負(fù)荷。但是嚴(yán)重偏床時(shí)，由于循環(huán)灰濃度偏低且兩側(cè)料層厚度偏差較大，對(duì)燃燒工況和汽水工況的影響較大，主要表現(xiàn)為局部床溫和屏式過(guò)熱器壁溫超溫，需要降負(fù)荷并采取一系列調(diào)整措施。

2 偏床運(yùn)行現(xiàn)象原因分析

2.1 一次風(fēng)溫偏低的影響

鍋爐設(shè)計(jì)一次風(fēng)溫為297 ℃(即T1= 570 K)，對(duì)應(yīng)一次風(fēng)體積流量qV,01=38×104m3/h，布風(fēng)板熱態(tài)阻力Δp1=5 053 Pa，而鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)一次風(fēng)平均風(fēng)溫為150 ℃(即T2=423 K)。由理想氣體狀態(tài)方程可知溫度與體積成正比，即在相同截面積下，溫度與氣體流速成正比。布風(fēng)板阻力特性如下：

(1)

式中：Δp為布風(fēng)板阻力，Pa；ξ為布風(fēng)板阻力系數(shù)；v為氣體流速，m/s。

由式(1)可知，熱態(tài)條件下布風(fēng)板阻力與溫度的平方成正比，因此可以得到實(shí)際運(yùn)行時(shí)布風(fēng)板阻力為

(2)

式中：Δp1為布風(fēng)板設(shè)計(jì)阻力，Pa；Δp2為布風(fēng)板實(shí)際阻力，Pa。

計(jì)算得到布風(fēng)板實(shí)際阻力Δp2=2 783 Pa，根據(jù)流量計(jì)可知實(shí)際運(yùn)行時(shí)一次風(fēng)體積流量qV,02=37×104m3/h。與設(shè)計(jì)工況相比，實(shí)際運(yùn)行時(shí)一次風(fēng)體積流量及布風(fēng)板阻力均偏小。在較低一次風(fēng)溫運(yùn)行情況下，布風(fēng)板阻力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況，較低的布風(fēng)板阻力不利于一次風(fēng)的均勻布風(fēng)，尤其是對(duì)于330 MW大寬深比、單布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，一次風(fēng)布風(fēng)均勻性更難以保證。因此，在該工況下一次風(fēng)布風(fēng)均勻性存在嚴(yán)重隱患，進(jìn)而導(dǎo)致爐膛內(nèi)流化情況惡化及出現(xiàn)不均勻分布情況。同時(shí)一次風(fēng)體積流量偏小，也使得爐膛內(nèi)存在流化不充分的隱患。

2.2 A、B側(cè)一次風(fēng)溫偏差的影響

假設(shè)水冷風(fēng)室按幾何中心線分成A、B 2個(gè)風(fēng)室，該鍋爐一次風(fēng)由兩側(cè)分別給入。兩側(cè)的一次風(fēng)送風(fēng)管在進(jìn)入空氣預(yù)熱器前就分為2路，由于空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)問(wèn)題，2路一次風(fēng)在空氣預(yù)熱器內(nèi)受熱不均，造成兩側(cè)送風(fēng)溫度偏差較大。嚴(yán)重情況下A側(cè)一次風(fēng)溫為202 ℃(即TA=475 K)，B側(cè)一次風(fēng)溫為98 ℃(即TB=371 K)。假設(shè)布風(fēng)板阻力均勻，由于B側(cè)一次風(fēng)溫偏低，按照理想氣體估算，將B側(cè)一次風(fēng)溫折算到A側(cè)一次風(fēng)溫時(shí)，B側(cè)一次風(fēng)體積流量為

(3)

式中：qV,A和qV,B分別為A側(cè)和B側(cè)一次風(fēng)體積流量，m3/h。

在風(fēng)溫偏差最嚴(yán)重情況下，相同溫度時(shí)B側(cè)一次風(fēng)體積流量是A側(cè)一次風(fēng)體積流量的1.28倍，進(jìn)入爐膛后在相同爐溫下B側(cè)氣體流量大于A側(cè)，B側(cè)氣體流速大，因此B側(cè)流化質(zhì)量高于A側(cè)。

根據(jù)楊石[10]的研究，非均勻布風(fēng)密相區(qū)固含率橫向分布如圖3所示，其中d/D為無(wú)量綱橫向距離；ε為空隙率；Ug為一次風(fēng)速，m/s；Gs為循環(huán)流率，kg/(m2·s)。在單布風(fēng)板、非均勻布風(fēng)情況下，爐膛內(nèi)風(fēng)量大的一側(cè)會(huì)把部分床料吹向風(fēng)量小的一側(cè)，在風(fēng)量小的一側(cè)密相區(qū)會(huì)形成物料的堆積，從而造成一側(cè)床壓遠(yuǎn)高于另一側(cè)床壓。當(dāng)風(fēng)量小的一側(cè)密相區(qū)堆積床料達(dá)到一定厚度時(shí)，堆積的部分床料會(huì)流向風(fēng)量大的一側(cè)，形成密相區(qū)內(nèi)部?jī)蓚?cè)物料的內(nèi)循環(huán)，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的偏床運(yùn)行工況。

圖3 非均勻布風(fēng)密相區(qū)固含率橫向分布[10]Fig.3 Lateral solid concentration distribution in dense bed with non-uniform air distribution[10]

在該330 MW CFB鍋爐實(shí)際運(yùn)行期間，A、B側(cè)風(fēng)室風(fēng)溫一直存在較大偏差，根據(jù)以上分析，A、B側(cè)一次風(fēng)體積流量進(jìn)入爐膛后會(huì)有明顯的差異。B側(cè)一次風(fēng)體積流量遠(yuǎn)大于A側(cè)一次風(fēng)體積流量，因此B側(cè)部分物料會(huì)被吹向A側(cè)，造成A側(cè)床壓升高，B側(cè)床壓降低，形成一個(gè)穩(wěn)定的壓力差，并在這種偏差條件下可以較為穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，A、B側(cè)燃料濃度差異造成燃燒傳熱分布不均勻，B側(cè)大顆粒較多，而A側(cè)多為B側(cè)吹過(guò)來(lái)的較細(xì)小的顆粒，因此兩側(cè)床溫差異也明顯增大。由于B側(cè)吹向A側(cè)的物料粒徑比底渣平均粒徑小，比循環(huán)灰平均粒徑大，因此出現(xiàn)A側(cè)排渣粒徑比B側(cè)小，而A側(cè)循環(huán)灰粒徑比B側(cè)大的情況。

A、B側(cè)一次風(fēng)溫偏差對(duì)鍋爐偏床運(yùn)行現(xiàn)象具有重要影響，兩側(cè)一次風(fēng)溫的偏差是產(chǎn)生偏床運(yùn)行現(xiàn)象的主要原因之一。

2.3 分離器性能的影響

2號(hào)鍋爐飛灰中位粒徑為26.51 μm，1號(hào)鍋爐飛灰中位粒徑為20.74 μm，2號(hào)鍋爐分離器效率低于1號(hào)鍋爐。CFB鍋爐內(nèi)流態(tài)是由上部稀相區(qū)細(xì)顆粒的快速流態(tài)化與底部密相區(qū)粗顆粒的鼓泡流態(tài)化組成的復(fù)合流態(tài)[11]，根據(jù)有效床料[12]的概念，在燃用相同的煤質(zhì)和相同排渣量時(shí)，2號(hào)鍋爐的有效床存量相對(duì)更少。在相同的風(fēng)量和布風(fēng)板阻力條件下，由于有效床存量相對(duì)偏少，2號(hào)鍋爐的物料流化均勻性和穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此2號(hào)鍋爐偏床運(yùn)行問(wèn)題比1號(hào)鍋爐嚴(yán)重。較高的分離器效率有利于提高有效床存量[12-13]，并形成穩(wěn)定的流動(dòng)，但是在該鍋爐中，分離器效率對(duì)有效床存量影響較小，偏床運(yùn)行現(xiàn)象更多是由于布風(fēng)不均引起的。

2.4 煤質(zhì)對(duì)流化情況的影響

煤種的成灰特性對(duì)CFB鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行有重要影響[14]，由表2可知，入爐煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，且爆裂特性好，進(jìn)入爐膛燃燒爆裂后很容易變成細(xì)灰，同時(shí)分離器效率較低，造成細(xì)灰難以被分離器捕集，使得爐膛內(nèi)有效床料量減少。

由于入爐煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，在沒(méi)有外加床料的條件下，床層相對(duì)較薄，床面的均勻性和穩(wěn)定性較差。當(dāng)B側(cè)一次風(fēng)體積流量較大時(shí)，B側(cè)物料逐漸被吹到A側(cè)，A側(cè)床壓升高，進(jìn)而使得A側(cè)一次風(fēng)體積流量進(jìn)一步減小，慢慢過(guò)渡到一種偏床的不平衡態(tài)，表現(xiàn)為A側(cè)物料濃度高、床層厚、一次風(fēng)體積流量小、細(xì)床料較多，B側(cè)物料濃度低、床層薄、一次風(fēng)體積流量大、粗床料較多。固體顆粒質(zhì)量濃度沿爐膛高度的分布見(jiàn)圖4。由圖4可知，A側(cè)床密相區(qū)顆粒質(zhì)量濃度明顯高于B側(cè)床，而過(guò)渡區(qū)和稀相區(qū)兩側(cè)床層相差不大，形成一種典型的偏床運(yùn)行現(xiàn)象。如果偏床情況嚴(yán)重時(shí)，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦。

圖4 固體顆粒質(zhì)量濃度沿爐膛高度的分布Fig.4 Solid concentration distribution along height direction of furnace

3 嚴(yán)重偏床運(yùn)行工況的處理及預(yù)防措施

3.1 偏床運(yùn)行工況的處理措施

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中采取了如下一系列處理措施，有效控制了偏床運(yùn)行對(duì)鍋爐熱效率和安全運(yùn)行的影響：

(1)首先采取降負(fù)荷措施，以兩側(cè)床壓偏差變化趨勢(shì)和床溫偏差變化趨勢(shì)不擴(kuò)大為原則，避免長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行。此措施主要是為了防止長(zhǎng)時(shí)間偏床運(yùn)行造成床內(nèi)一側(cè)溫度過(guò)高，降低負(fù)荷可以適當(dāng)降低床溫，避免結(jié)焦。該鍋爐在嚴(yán)重偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生期間，負(fù)荷由300 MW降低至230 MW。

(2)保持較高的一次風(fēng)體積流量，原則同上，增大一次風(fēng)體積流量從而提高物料流化的均勻性。該鍋爐在偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生期間，一次風(fēng)體積流量從36×104m3/h增大到42×104m3/h。

(3)提高床壓，利用床料倉(cāng)向爐膛內(nèi)添加合適粒徑的床料，快速補(bǔ)充循環(huán)灰，改善爐內(nèi)物料分布。該鍋爐在入爐煤中摻混了石灰石籽料。

(4)各給煤機(jī)給煤量適當(dāng)偏置，以控制床溫和氧量為原則，床壓偏高的一側(cè)適當(dāng)減少給煤量。

(5)在偏床運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生期間，必須保證冷渣器下排渣正常，必要時(shí)需要組織人力疏通，同時(shí)定期檢查是否有焦塊排出。

在發(fā)現(xiàn)該鍋爐產(chǎn)生偏床運(yùn)行現(xiàn)象后，通過(guò)采取以上措施，使得爐膛內(nèi)物料分布逐漸均勻，解決了偏床運(yùn)行的問(wèn)題。

3.2 偏床運(yùn)行工況的預(yù)防措施

為了避免類似問(wèn)題發(fā)生在其他300 MW 等級(jí) CFB鍋爐上，結(jié)合上文偏床運(yùn)行問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理和實(shí)際鍋爐調(diào)整措施，給出如下可行的預(yù)防措施：

(1)徹底解決A、B側(cè)一次風(fēng)溫偏差問(wèn)題，并解決一次風(fēng)溫整體偏低的問(wèn)題，對(duì)空氣預(yù)熱器進(jìn)行檢修，保證兩側(cè)一次風(fēng)溫偏差較小，同時(shí)保證一次風(fēng)平均溫度達(dá)到或接近設(shè)計(jì)工況要求。

(2)避免長(zhǎng)期的低一次風(fēng)體積流量運(yùn)行，尤其是大寬深比、單布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加一次風(fēng)體積流量，同時(shí)優(yōu)化布風(fēng)板阻力，保證一次風(fēng)分布的均勻性。

(3)嚴(yán)格控制煤質(zhì)指標(biāo)，調(diào)整配煤方式，提高入爐煤灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)也要控制灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過(guò)高，并對(duì)燃料爆裂特性和磨耗特性提前了解和掌握。

4 結(jié) 論

詳細(xì)介紹了寧夏國(guó)華寧東電廠330 MW CFB鍋爐出現(xiàn)的偏床運(yùn)行現(xiàn)象，揭示了其產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素。同時(shí)，針對(duì)300 MW等級(jí)CFB鍋爐潛在的偏床運(yùn)行問(wèn)題給出了現(xiàn)場(chǎng)處理措施和預(yù)防措施，通過(guò)合理的處理手段，可以解決該鍋爐存在的偏床運(yùn)行問(wèn)題。所提出的處理措施和預(yù)防措施對(duì)解決大寬深比、單布風(fēng)板結(jié)構(gòu)CFB鍋爐偏床運(yùn)行問(wèn)題以及保障鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的工程指導(dǎo)意義。