1、220 t/h 循环流化床锅炉设计总结包绍麟 1，吕清刚 1，那永洁 1，孙运凯 1毛军华 2, 王 政 2，杨 浩 2，赵冀哲 2后永杰 3，李留轩 3（1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100080；2.无锡华光锅炉股份有限公司，无锡 214028；3.洛阳华润热电有限公司，洛阳 471900）摘 要：采用我国自主技术的两台 220 t/h 循环流化床锅炉在河南洛阳华润热电有限公司已投运 2 年。文章中分析了 2 年来该锅炉所出现的主要问题，并提出了解决办法，对我国循环流化床锅炉的应用和设计具有一定的参考价值。关键词：220t/h 循环流化床，锅炉，故障分析一、前言采用中国科学院工程热
2、物理研究所技术、由无锡华光锅炉股份有限公司设计制造的首批两台 220 t/h 循环流化床锅炉分别于 2004 年 2 月和 6 月在河南洛阳华润热电有限公司投入商业运行，至今已经运行 2 年多时间。其中 1 号炉在2005 年累计运行 7250 小时，2 号炉累计运行 7830 小时，由于汽机出现了 2 次叶片脱落事故，2005 年的累计运行时间没有达到 8000 小时，本文针对锅炉运行 2 年多所出现的一些问题进行了总结介绍，并提出有效地解决问题的办法。二、220 t/h 循环流化床锅炉结构简介 1220 t/h 循环流化床锅炉炉膛采用了单汽包自然循环、全悬吊膜式水冷壁的封闭结构。布风板到炉
3、膛顶的高度为 32 m，炉膛横截面积为 52 m2。炉膛内布置有 4 片过热蒸汽屏和2 片水冷蒸发屏。炉膛底部的布风板上布置有内嵌逆流柱型风帽，布风板上有三点排渣,其中 2 根接入滚筒式排渣机。前墙下部有四点给煤。锅炉采用了两只床下油点火燃烧器，均匀布置在水冷风室的后墙。两个涡壳式进口、汽冷旋风分离器布置在炉膛和尾部烟道之间。高、低温过热器、省煤器和空气预热器依次布置在尾部烟道之中，其中转向室到低温过热器的尾部烟道部分采用了过热器包覆墙设计。锅炉采用了膜式省煤器和管式空气预热器结构。锅炉的主要性能设计参数见表 1。表 1、锅炉的主要性能设计参数。项目 单位 数据额定蒸发量 t/h 220最大连
4、续蒸发量 t/h 240额定蒸汽温度 540额定蒸汽压力 MPa 9.81给水温度 215炉膛出口烟气温度 903锅炉排烟温度 136锅炉保证热效率 89.56锅炉的燃用煤种特性见表 2。表 2、锅炉燃用煤质特性分析数据符号 单位 设计煤种 测试煤种Car 57.07 62.15Har 1.39 2.64Oar 2.31 1.28Nar 0.55 0.82Sar 0.68 0.45Aar 28.89 24.06Mt,ar 9.11 8.6Vdaf 7.26 8.55Qnet，ar kJ/kg 20310 222102004 年 11 月，上海发电设备成套设计研究所火电设备产品质量监督检测中心对
5、 1 号炉做了产品性能测试，结果见表 3。表 3 锅炉效率测试数据项目 单位 数据锅炉平均蒸汽流量 t/h 223锅炉主蒸汽温度 541.7锅炉主蒸汽压力 MPa 9.15炉膛出口烟气温度 964锅炉尾部排烟温度 134尾部烟气含氧量 3.1排烟热损失，q 2 5.369一氧化碳含量 0.0108气体未完全燃烧热损失，q 3 0.043飞灰含碳量 8.56底渣含碳量 3.11固体未完全燃烧热损失，q 4 2.335散热损失，q 5 0.615灰渣物理热损失，q 6 0.541锅炉效率, 91.10修正后的锅炉效率, 91.22NOx排放浓度(空气系数换算到1.4)mg/m3 78.5三、锅炉运
6、行情况1、受热面的积灰问题锅炉在投运初期燃用设计煤种时，锅炉负荷可以达到 220240 t/h 的蒸发量，过热蒸汽温度和排烟温度均在设计的范围以内，锅炉设计性能要求全部达到，最高负荷曾经达到 260 t/h。锅炉运行一个月后，尾部受热面出现了严重的积灰现象，两级调整过热蒸汽温度的减温水流量接近零，过热蒸汽的汽温曾经到达 520，锅炉排烟温度达到 160180。主要原因是进入尾部烟道的飞灰过细。将静电除尘器第一电场捕集的飞灰收集进行粒度分析，50的切割粒径 d50 = 24 m，90的切割粒径 d90 = 65 m。工程热物理研究所早期研制的 35 t/h 和 75 t/h 循环流化床锅炉，由于
7、旋风分离器的设计不太成熟，尾部经常出现受热面磨损爆管现象。为防止磨损，横穿管束的烟气流速设计较低，往往都控制在 7 m/s 以内，最低的烟气速度曾经为 4 m/s。经过长期的研究，旋风分离器的优化设计趋于完善，分离效率得到大幅度的提高，流经尾部受热面的飞灰粒径变小，尾部受热面从以前的磨损变成了积灰。与此相适应，烟气流速也必须适当提高。近几年的研究表明烟气流速控制在 1012 m/s 之间是比较可行的。洛阳华润的两台 220 t/h 循环流化床锅炉的尾部烟气设计流速明显偏低（见表 4），表 4 中还对比列出了改进设计的苏州华能 240 t/h 循环流化床锅炉尾部受热面烟气流速的设计值，该锅炉由上
8、海锅炉厂有限公司设计制造，将于 2006 年 8 月投入运行。表 4、烟气流速设计项 目洛阳华润 220 t/h苏州华能 240 t/h高温过热器 8.8 m/s 11.7 m/s低温过热器 7.6 m/s 9.6 m/s省煤器 7.2 m/s 9.6 m/s空气预热器 7.4 m/s 9.9 m/s为保证洛阳华润的两台锅炉的热力性能，原先尾部布置有大量的声波吹灰器（见图 1），但除灰效果不明显。后选用了 4 台旋笛式声波除灰器（见图 2），长期的运行结果表明，改用了该声波吹灰器之后，锅炉的热力参数能够达到设计要求。2006 年 8 月份的运行参数显示，锅炉的排烟温度始终可以控制在140以下，
9、过热器系统有 5 t/h 左右的喷水量。但是吹灰器投入比较频繁，每隔 40 分钟就要将全部的吹灰器运行一遍，否则还会出现汽温不够的现象。受热面严重积灰的情况在南京协鑫热电有限公司的 2240t/h 锅炉上也同样发生 2，也是通过更换为旋笛式声波除灰器解决了尾部受热面积灰问题。解决排烟温度高的问题还可采用爆炸脉冲式吹灰器，它是利用可燃气体的燃烧产生冲击波，特点是能量集中而强大，除灰效果也不错。这种吹灰器在内蒙古华电乌达热电有限公司的 480 t/h 循环流化床锅炉上使用的效果较好。但有些用户担心其冲击力过大，会损坏锅炉内部的设备。上锅、哈锅和东锅则倾向于采用蒸汽式吹灰器。实际上近几年在 440
10、t/h 等级的循环流化床锅炉中，都不同程度的发生了排烟温度偏高的现象，有的甚至达到了 200以上，解决的办法都是在吹灰器上的选型上做文章。有建议采用扩展受热面和错排布置，以提高传热效率。但对于出现积灰地情况，管子错排布置是没有作用的，反而会给受热面的清灰造成障碍，因此绝大多数的循环流化床锅炉的尾部受热面都是采用顺排布置，最好的办法还是提高受热面的烟气流速，减轻积灰。但由于锅炉燃用煤种及司炉人员的操作水平不同，设计地旋风分离器地性能不同，很难说明选用多大的受热面烟气流速是最佳的。2、风帽设计工程热物理研究所在早期研制的 75 t/h 和 130 t/h 循环流化锅炉的布风板上布置的是“蘑菇头”型
11、风帽，容易出现风室漏渣，其后开发了内嵌逆流柱型风帽并应用于这两台 220 t/h 循环流化床锅炉（见图 3）。每只风帽头的重量在 3.5kg 左右，因风帽的重量远大于一次风通过时带来的推力，风帽头可直接扣在芯管上。但由于炉内压力波动频繁，经过一段时间的运行，还是有个别风帽脱落，从而出现风室漏渣的现象。改进的设计是将风帽头与芯管点焊固定。因给煤的粒度不易严格控制，大颗粒的矸石进入炉膛，使得风帽头上的小风眼容易被卡塞，每次停炉检修时要用高压空气对每个风帽进行吹扫。洛阳华润 220t/h 锅炉内嵌逆流柱型的实际运行结果表明，只要风帽不脱落，就不会有漏渣，这时布风板阻力约为 4000 Pa 左右，没有
12、出现过由于流化不好导致床料结焦的现象。2 年来唯一的一次结焦的原因是在旋风分离器出口管顶部炉墙有一大块浇注料脱落，卡在了分离器的下部，大量的循环灰在分离器里堆积，炉膛内的床料急剧减少，导致床内结焦。2 年运行表明，风帽头顶部的磨损迹象不明显，但小风眼出现了磨损，原来直径是 15 mm 的小风眼变成了 25 mm（见图 4），但不会影响床料的正常流化，因为布风板的阻力主要在风帽的芯管内部。有人认为只要风帽小风眼的空气速度足够高，阻力够大，就不会发生漏渣，这是不对的。捷克某电厂 350 t/h 锅炉的 T 型风帽发生漏渣现象，后在出口管加了阻力件使出口速度达到了 100 m/s，阻力增加很大，仍然
13、出现风室漏渣现象，最后改成钟罩式风帽才最终解决了风室漏渣问题。3、 锅炉炉膛水冷壁的磨损循环流化床锅炉炉内水冷壁磨损历来是锅炉设计者要着重考虑的问题。炉膛内的主要磨损发生在水冷壁浇注料和光管的交界面处。工程热物理研究所早期的 75t/h 锅炉上采用的是让管技术，效果很好（见图 5）。在 130 t/h 循环流化床锅炉上也采用了让管技术，为了更好的防止磨损，在交界面区域还采用了金属堆焊（见图 6）。在洛阳华润的 220 t/h 锅炉上采用了垂直让管专利技术，水冷壁出厂前在交界面上采用了金属热喷涂，2 年来的使用表明，在交界面上没有磨损（见图7）。但在金属热喷涂层和光管交界区域却出现了严重的磨损（
14、见图 8）。这主要是喷涂层无法很好地由喷涂厚度过渡到 0，有一层微小的台阶。另外热喷涂工艺会使原水冷壁材料受到伤害，强度下降，在大量贴壁床料的侵蚀之下磨损，直至爆管。后来采用的解决办法就是将有金属热喷涂层的管子全部更换。经过 2 年的运行，锅炉四周的水冷壁在布风板以上 820m 的区域还出现了均匀磨损现象（见图 9、图 10），两侧的水冷壁尤为严重，管子平均减薄 0.4-0.6 mm。前、后水冷壁不明显,减薄区域的表面呈规则的花纹现象。炉膛出口侧墙水冷壁也出现均匀的磨损，减薄量为 0.5 mm。这种情况在 440 t/h 锅炉已经出现过，解决办法是采用等离子超音速喷涂。4、旋风分离器中心筒的变
15、形问题2006 年 5 月，洛阳华润 220t/h 锅炉运行人员在控制屏幕上发现旋风分离器的出口烟气压力由 -1.4 kPa 升高到-2.4 kPa，初步判断分离器的中心筒变形导致烟气流通面积缩小、阻力增大。停炉之后检查确实如此（见图 11）。这种情况在别的循环流化床锅炉上也是出现过，解决办法是将中心筒吊出分离器顶部中心出口，从顶部炉墙取出。而这两台锅炉的分离器是汽冷壁结构，无法从顶部吊出。经过周密考虑，炉膛顶部侧墙的水冷壁开了一个长方形口子，将中心筒沿周向切成 5 片，然后陆续送入炉膛，在旋风分离器内拼装焊接，而后送入安装位置，同时还将中心筒的支吊方式由悬臂支吊改为垂直支吊。由于同样的锅炉，
16、这里出现中心筒变形，而其他电厂却没有出现变形，没有普遍性，原因也不是很明了。中心筒的材料是 Cr25Ni20，耐温可以达到1200，该种材料的线膨胀量较大，主要是膨胀不均匀造成。今后还是应该在中心筒的防变形措施上面，支吊设计上仔细考虑为好。5、尾部受热面出现的故障洛阳华润 220t/h 锅炉高温过热器出口管排的材料是钢研 102，而出口集箱材料为 12Cr1MoV，由此造成了异种管材的焊接问题。1 号炉由于施工期短，工地的焊接质量不是很好，停炉后发现焊口部分多次出现裂纹，在冬季出现的频率多于夏季。但 2 号炉却没有出现这个问题。 洛阳华润 220t/h 锅炉省煤器为膜式错排布置（见图 12）。
17、省煤器的平均烟气流速为 7.2 m/s，首排管子烟气流速是 8.4 m/s。锅炉运行 2 年后，上级膜式省煤器有轻微的磨损现象，主要出现在第二排管子的迎风面，停炉检查时多次发现有个别管子出现磨损，目前的解决办法是在出现磨损的管子上部焊一根10mm 的钢筋，阻止磨损区域进一步的扩大。第二级、第三级省煤器则没有发生磨损现象。别的区域均是积灰，这表明循环流化床锅炉的分离器做的再好，飞灰的粒径再细，在尾部的受热面的设计上还是要注意局部磨损问题。首排管子、弯头和穿墙管子都要进行防磨处理，特别是错排受热面的布置烟气流速尽量不要超过 7m/s。6、锅炉运行的调整洛阳华润 220t/h 锅炉启动点火的耗油量较
18、低，可以控制在 5t 以内。在运行中尽量减小一次风量、增加二次风量，保持一次风量/二次风量为 4.5/5.5，可以减轻水冷壁的磨损，燃烧效率也较高。锅炉负荷在 220230 t/h 运行时，悬浮段的压差在 0.8-1 kPa 之间，炉膛的上下温度比较均匀，可以控制在880890之间。参考文献1 包绍麟，洛阳华润热电有限公司 220t/h 循环流化床锅炉热力性能分析，全国电力行业 CFB 机组交流服务协作网技术交流论文集（七），2005 年 10 月，厦门。2 杨基荣、瞿建国,240t/hCFB 锅炉解决主蒸汽温度低的方案，全国电力行业CFB 机组交流服务协作网技术交流论文集（八），2006 年 5 月，开封。作者简介：包绍麟（1963 年），男，陕西西安人，中国科学院工程热物理研究所研究员，目前从事循环流化床燃烧理论和技术开发。
