1、135MWe 循环流化床锅炉运行性能分析作者：肖显斌 岳光溪 吕俊复 杨海瑞 张建胜 刘 青 张 海 文章摘要：摘 要：介绍了某台 135MWe 循环流化床锅炉的冷热态试验结果及实际运行情况，对其性能进行分析，总结大型循环流化床锅炉的运行规律，并对存在的问题提出建议。关键词：循环流化床锅炉 性能 运行0 引言循环流化床燃烧技术是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一，由于具有了燃料适应性强、负荷调节范围大、燃烧稳定、污染排放较低及灰渣易于综合利用等优点，得到了广泛应用。经过了 30 余年的发展和完善，循环流化床锅炉也逐渐从热电用小中型低参数容量发展到高参数大型电站锅炉，目前正坚实地向着高参数、
2、大型化、完善化迈进，该技术也正日益为众多发电企业所接受。今后，随着环保标准的提高，供热及电力市场对循环流化床锅炉的需求将会进一步扩大。随着对国外引进技术的消化及有自主知识产权技术的研制开发，近年来国内涌现出了大批循环流化床锅炉机组，100MWe 以上循环流化床锅炉订货量达到近 80 台，尤其是 135MWe 的循环流化床锅炉机组，已有 20多台已投入商业运行 1。本文将结合某台 135MWe 循环流化床锅炉的冷、热态试验结果及实际运行情况，对其性能进行分析，总结规律，并对存在的问题提出建议。1 冷态特性试验循环流化床锅炉在安装完毕点火启动前应对燃烧系统包括送风系统、布风装置、料层厚度和物料循环
3、装置进行冷态试验，包括风量标定，测试布风板阻力和料层阻力，确定临界流化风量，检查床内流化质量，检查物料循环系统的性能和可靠性等，为锅炉的点火投煤和运行提供必要的参数和依据，保证锅炉的安全运行 2。1.1 布风板阻力特性试验图 1 布风板阻力曲线布风板阻力是指布风板上不铺料层时空气通过布风板的压力降。要使空气按设计要求通过布风板，形成稳定的流化床层，要求布风板具有一定的阻力。布风板阻力由风室进口端的局部阻力、风帽通道阻力和风帽小孔的局部阻力三部分组成，一般情况下以小孔的局部阻力最大。图 1 给出了该炉布风板的阻力曲线。1.2 临界流化风量试验确定临界流化风量，用以估算热态运行时的最低风量，这是循
4、环流化床锅炉低负荷运行时的风量下限，即低于该风量就可能出现流化死区而结焦。试验时在布风板上铺一定厚度的床料，测试出一定风量或风速下的料层阻力，绘成曲线，找曲线拐点处对应的风量即为临界流化风量(针对工业试验而言)。图 2 为该炉的料层阻力曲线图，临界流化风量为 85 kNm3/h，临界流化风速(状态风速)为 0.55m/s。图 2 料层阻力曲线1.3 化均匀性试验开启一次风机，逐渐加大一次风量，使床料充分流化起来，然后突然停止送风，观察料层厚度的分布情况。可以看到料层在整个布风板上分布平坦，无凹陷和突起，说明布风均匀。2 运行情况2.1 启动过程循环流化床锅炉的启动过程包括通过某种方式将燃烧室内
5、的床料加热到一定温度，并送风使床内底料呈流化状态，直到给煤机连续给进的燃料能稳定地燃烧的一系列过程。图 3 为该炉某次冷态启动过程中部分参数的变化情况，由于耐火材料稳定性的要求，启动速率较慢，从起风机到停油床温升至 880，共耗时约8 个小时。2.2 运行及热态测试情况满负荷运行期间该炉典型燃料的性质见表 1。满负荷运行主要参数达到设计值，见表 2。图 3 冷态启动曲线表 1 运行燃料性质项目 设计煤种 运行煤种碳 Car 48.58 51.85氢 Har 2.57 2.9氧 Oar 2.54 4.04氮 Nar 0.96 1.04硫 Sar 2.47 2.29灰份 Aar 36.08 33.
6、44水份 Mar 6.8 4.44挥发份 Vdaf 14.77 25.46热值 Qar,net,p, kJ/kg 18650 21059表 2 满负荷运行主要参数序号 项 目 单 位 运行数据1 机组电负荷 MWe 136.52 主蒸汽压力 MPa 12.453 主蒸汽温度 533.74 再热蒸汽压力 MPa 3.685 再热蒸汽温度 545.26 I 级减温水流量 t/h 14.3/15.07 II 级减温水流量 t/h 2.3/3.88 再热减温水流量 t/h 4.1/6.59 给水压力 MPa 14.0110 给水温度 238.911 汽包压力 MPa 13.7512 热二次风风压 kP
7、a 8.9413 二次风温 238.914 排烟温度(A/B) 160.3/156.915 烟气氧量(A/B) % 5.1/3.916 热一次风温(A/B) 217.817 热一次风压 kPa 15.918 给煤机给煤量 t/h 14.2/18.9/19.7/16.019 床温 89220 料层差压 kPa 9.721 炉膛出口烟温 874.4/882.222 返料温度 900/897运行中碎煤系统能基本满足锅炉带满负荷出力需要，入炉煤颗粒度符合设计要求。炉膛烟温左右分布均匀，返料量合适，流化良好，燃烧工况稳定，燃烧效果良好。正常运行中保持省煤器出口氧量在 3.55.0%。调整一、二次风配比为
8、 55%:45%，使炉膛温度场均匀，燃烧稳定，控制床温在 850900。在保证燃烧稳定的情况下床层差压控制在 612kPa，床压在 810kPa 范围内开始排渣。对除尘器下的飞灰和冷渣器排出的底渣进行了取样分析，飞灰可燃物含量为 1015%左右，底渣可燃物含量在 2.0%以下。飞灰的粒径分布见图 3，飞灰可燃物分布见图 4。由于 150mm 左右粒径段的灰颗粒构成了循环物料的主体，在炉内有着较长的停留时间，不断地循环燃烧，其可燃物的含量达到相对最低。图 3 飞灰粒径分布 图 4 飞灰可燃物含量的分布2.3 运行参数控制及其对燃烧的影响循环流化床锅炉在运行时要着重考虑的问题有两个，一个是物料平衡
9、，另一个是热量平衡，相关运行参数的控制都必须以这两个关键因素为基础。2.3.1 床温运行时要时刻注意床温的变化，温度过高(1000以上)易结焦，也会影响 NOx 排放和降低脱硫效果。温度偏低对燃尽不利，也影响出力，过低时(600-700)就易灭火。正常运行温度以 850-950为好，在此温度区间，NOx 排放最低，脱硫效果最好。各种煤种可根据其灰熔点的高低和着火难易适当降低和提高。实际运行中床温受外部因素负荷和煤质以及内部可调节因素燃料量、风量及一、二次风配比、循环灰量、床内存料量等影响 2。图 5 为该炉某阶段床压降低导致床温上升的曲线。床压增加，床存量增加，循环流率增加，炉膛中的固体颗粒浓
10、度增加，传热效果增强 3，传热量提高；当负荷和输入热量维持不变，则传热温差需要下降，床温降低 4；反之亦然。通过控制床压高低可以微调床温。图 5 床压对床温的影响从图 5 中可看出，当负荷为 125MWe 时，床压为 11kPa，一次风量为 207kNm3/h，给煤量为 67t/h，床温为865。当床压下降为 9.8kPa 时，床温升至 890。该过程中锅炉负荷、一次风量、二次风量和给煤量等维持不变。负荷的控制直接反映在给煤量上，实际运行中给煤量的变化能引起负荷和床温的变化，严重时会由于给煤量过多使床温急剧升高而结焦。在其它参数不变的条件下，给煤量增大，床温升高，给煤量减小，床温下降。图 6
11、为该锅炉在某阶段运行参数的变化情况。图 6 给煤量对床温的影响图 6 中为机组负荷为 138MWe，床压为 9kPa，一次风量为 220kNm3/h，当给煤量由 67.8t/h 下降至 60.9t/h时，床温由 887下降至 864。而一次风量对床温的影响最大 5。135MWe 等级循环流化床锅炉一般是靠调整一二次风配比控制床温，风量加大床温降低，反之亦然，见图 7。从图 7 中可以看出，在一次风量变小时，床温明显上升。当机组负荷为 136MWe 时，给煤量 69t/h，床压10kPa，此时一次风量为 212kNm3/h，床温为 865，后一次风量开始下降至 195 kNm3/h，相应地提高二
12、次风量以保持过量空气系数，床温上升至 876。图 7 一次风量对床温的影响2.3.2 床压床压升高床料的蓄热能力大，有利于床温的平衡。但是床压越高，所消耗的风机功率越大。因此床压的选取应有一个适当的范围，过高和过低都不利于锅炉的安全经济运行。床压过高需要通过排底渣来降低床压，该炉的床压控制在 612kPa 可保证机组的正常稳定运行。在试验中，床压曾达到 20kPa，此时锅炉维持床温的能力明显变差，加大给煤量也无法很好地稳定住床温，甚至流化质量开始恶化。2.3.3 燃料性质循环流化床锅炉具有较强的燃料适应性，但是并不意味着同一台锅炉在燃烧各种燃料时都能经济稳定安全运行 4,6,7，因此考察燃料性
13、质的变化对于锅炉性能的影响具有重要意义。当燃料发热量改变时，床内热平衡和主循环回路的物料平衡发生变化，因而床温改变，这不仅会影响燃烧、传热和负荷，也会影响污染物的排放量。当燃用比设计煤种发热量低得多的煤种时，往往其会含量增加，则物料循环系统的实际性能超过设计值，传热增加，维持相同的负荷(给煤输入的热量不变)，必然导致床温偏低，从而给燃烧带来消极影响。这时，应通过操作调整减少循环量，使得物料循环系统向设计值靠近。当燃用比设计煤种发热量高得多的煤种时，燃料中的灰含量一般下降，物料循环系统的实际性能可能达不到设计值，传热减少，维持相同的负荷(给煤输入的热量不变)，必然要求床温升高。若床温升高太高乃至
14、超过安全范围，表现为出力不足。这时，可采用外加床料的方法或临时增加脱硫用石灰石的给入量，维持循环量在最低水平以上。挥发分的含量对煤的燃烧特性有着决定性的影响，挥发分越高的煤，燃烧速度越快，燃烧效率也越高。固定碳由于性质比较稳定，其含量越高，煤的燃烧效率就越低 8。所以对于不同的煤种，通常用固定碳与挥发分之比作为影响燃烧效率的主要因素。从褐煤、烟煤到贫煤、无烟煤，固定碳与挥发分之比是越来越大的，因此，其燃烧效率也是按这个顺序逐渐减小的 9，飞灰含碳量也随之发生变化。随着挥发分含量的变化，其密相区与稀相区燃烧份额发生相应变化。通常是挥发分越高的煤，其密相区燃烧份额减小，而稀相区燃烧份额则增大，从而
15、炉膛出口烟温则越高 10。煤中的灰分对循环流床锅炉运行性能的影响，不仅表现为对物料循环系统性能的关键性影响，同时受热面的磨损也随着颗粒浓度的增加而加剧。对一定的运行风速，给料量及床料粒度决定了颗粒在床内的行为，燃烧和脱硫效率都受粒度影响。小颗粒的反应速度通常大于大颗粒，然而其停留时间却较短，所以提高燃烧效率的关键在于提高那些一次通过炉膛时没有燃尽，而循环次数又不多的颗粒的燃尽度。给料粒度分布对运行影响的具体表现为，给料粒度过大，则飞出床层的颗粒量减少，这使锅炉往往不能维持正常的循环量，造成锅炉出力不够；另一方面，由于密相区燃烧份额增大致使床温升高，从而造成结焦，影响锅炉安全运行。此外，当燃煤粒
16、度增大时，为保证正常的流化状态，运行风速必然增大，这又会造成风机电耗的增加，运行经济性降低。3 存在的问题以及分析随着循环流化床技术的日益成熟和运行机组的增多，运行技术也正日趋完善，特别是 220t/h 及以下容量的机组，锅炉在连续运行天数、机组的可靠性、机组的运行参数、耐磨性、大气污染物排放的控制方面，都有大的突破，一些可靠性比较好的循环流化床锅炉，在实际燃用的煤种与设计燃料偏差不大的条件下，通常连续运行时间可以在 5000 小时以上，最长连续运行时间可以超过 8000 小时。由于大容量循环流化床锅炉，目前对循环流化床锅炉的运行方面还没有积累足够的经验，因而使得已投入运行的大型循环流化床锅炉
17、都存在连续运行时间不足、飞灰可燃物含量较高、磨损、排渣困难等问题，从宏观上来看，似乎大型循环流化床锅炉的可靠性尚不如小容量的，还存在着一些改进空间。3.1 碎煤系统碎煤系统的问题是困扰循环流化床技术多年的问题，在碎煤前后煤粒的筛分、碎煤机的锤头磨损和碎煤机的出料粒度等方面都存在较难解决的问题。由于煤存在粘结性，水分含量达到一定程度会粘糊筛孔，堵塞筛子，所以循环流化床碎煤系统所用的筛分装置孔径要比实际需要的要大。在燃煤处理量较大的碎煤系统上，过重的筛分任务会使较多的不合格大颗粒挤过筛分设备进入到炉膛中，严重威胁着锅炉运行的安全。近年投产的 135MWe 级别循环流化床锅炉的碎煤系统普遍存在这一问
18、题，带来的直接后果是入炉煤的颗粒偏大，运行一次风量偏大，经常堵塞冷渣器或除渣管道等系统。3.2 耐火材料大型循环流化床锅炉大多数采用绝热旋风筒分离器，耐火材料耗量较大。而耐火材料本身的热振稳定性是影响到整个锅炉性能的关键性因素。必须承认，精心运行和维护是耐火材料不出问题的基本条件。而合理的耐火材料选型、科学施工是前提。大量的实践表明，在锅炉投运一年以后，如果耐火材料选型或施工存在质量问题，或者启动野蛮，温升速率超过耐火材料要求的限制，会陆续出现耐火材料代坠落甚至倒塌问题。出现这些问题，必须及时彻底修补。3.3 膨胀节循环流化床锅炉大量采用了非金属膨胀节，但是在使用时暴露了许多问题，在使用非金属
19、膨胀节的炉子上都不同程度的出现过膨胀节破裂事故。分析原因发现多是因为所选的非金属膨胀节耐压值不够，流化床锅炉的风压较煤粉炉来说非常高，部分设备所要求的风压甚至高达 40kPa，在压力如此高的烟风道上，耐压值不足的膨胀节会因长时间承受过高的应力而疲劳撕裂损坏。3.4 结焦结焦是新试运循环流化床锅炉常出现的问题，容易在点火启动过程中或停炉后出现，在锅炉正常运行中只要能保证流化质量和控制好床温，一般不会发生结焦现象。点火启动中投煤时温度过低，投煤后煤不能被点燃，但挥发分和煤焦油等将在短时间内受热析出，上部床温可能会因挥发分的点燃而上升，如果此时判断煤已经着火而加大投煤量，则会引起下部床温的下降，致使
20、积累过多的未燃煤。当下部床温达到煤的着火点之后，会发生爆燃使床温迅速上升，如果此时床料所含可燃物过多，很可能引起床面整体超温而结焦，甚至炉膛爆炸。这种现象不仅可能发正与启动阶段，正常运行时也可能由于给煤的问题而发生。4 结束语目前的 135MWe 等级循环流化床锅炉设计基本是合理的，可燃用较广范围的燃料，环保性能优越，体现出了循环流化床燃烧技术的先进性。通过对热态测试数据的不断积累，对实际运行规律的不断总结，对存在问题的进一步改进完善，可以提高过路的可用率，以满足电力行业对锅炉性能的要求，并为循环流化床锅炉在高参数、大型化、完善化的发展方向上打下坚实的基础。参考文献：1 张庆国. 大型循环流化
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