循环流化床锅炉(CFBB)炉膛的出口区域是连续燃烧室和分离器及尾部烟道的重要组成部分,它对床内气固两相流动特性的影响正日益受到人们的关注.随着循环流化床燃烧技术的快速发展,目前商用的循环流化床锅炉在结构和床内流动特性等方面都有其独特性,以前对于循环流化床出口效应的一些研究成果,还不能很好地解释锅炉实践中观测到的现象.针对以上情况,该文作者对循环流化床锅炉炉膛...  

循环流化床锅炉是一种高效?低污染的产品,自问世以来,在国内?外得到了迅速的推广与发展?由于循环流化床锅炉自身的特点,在运行方面与煤粉炉不同,如果不能很好控制其运行参数,极易酿成事故?目前有关东方循环流化床锅炉出口到国外的运行资料较少,本文根据现场调试经验,对循环流化床锅炉运行参数的控制?调整作了粗浅的分析?

印度某电厂8×135MW机组,锅炉型号为DG440/13.73-II14,自然循环?单汽包?超高压循环流化床锅炉,单炉膛一次中间再热,露天布置?锅炉主要由1个膜式水冷壁炉膛,2台钢板式旋风分离器和1个由汽冷包墙包覆的尾部竖井(HRA)3部分组成?炉膛和尾部竖井烟道之间布置有2台钢板式旋风分离器,其下部各布置1台“U”阀回料器?双烟道结构,前烟道布置了2组低温再热器,后烟道从上到下布置有高温过热器,低温过热器,管式省煤器,空气预热器?锅炉共设6台给煤机和4个石灰石给料口,全放置在炉前?炉膛风室下部风道内布置有2台床下风道燃烧器,并配有高能点火装置?在炉膛的后墙,布置有2台滚筒式冷渣器?

流化床锅炉冷态试验目的是对锅炉热态启动运行及燃烧调整提供参考?冷态试验除了风道挡板的检查确认?系统最大通风量及风压风量仪表投运状况检查?系统一次风风量仪表标定?二次风风量仪表标定?给煤机标定等外,以下重点介绍与煤粉炉冷态调试不同项目?

2.1锅炉布风板阻力的测定(要求布风板上无料层)

启动引风机?一次风机,保持炉膛正常负压范围(一般为0~-200Pa)进行空床阻力特性试验?试验前确认风帽安装正确,床上杂物已经清除干净且各风帽无堵塞现象,所有的水冷风室压力风压及床压测点显示正确?

布风板阻力计算公式可表示如下:

布风板阻力=风室风压-床压(上式中“风室风压”和“床压”均为实测值)

按布风板阻力试验数据绘制布风板阻力特性曲线如下图1所示?

2.2料层阻力冷态特性测定

本项目机组较多,先后在不同机组上分别按400mm?500mm?600mm?700mm厚度进行试验,在此仅以床料700mm厚度进行说明,临界流化风量测定试验见表2所示?料层阻力特性曲线图绘制按如下图2所示?

料层阻力计算公式可表示如下:

料层阻力=风室风压-布风板阻力-炉膛下部压力

上式中,“风室风压”和“炉床下部压力”均为实测值,“布风板阻力”为空板阻力试验计算结果?

从试验数据和现场对流化情况的实际观察,曲线以抛物线状逐渐上升,而曲线斜率逐渐减小?当曲线斜率减小至“零”时,则曲线上该点所代表之风量值即为该料层厚度时之临界流化风量(上述图示之临界流化风量约为70Nkm3/h)?当床层为700mm时,料层压降为5.2kPa?

2.3炉床布风均匀性的检查试验

在布风板上铺300~400mm厚的底料层?启动引风机及一次风机,缓慢开大一次风入炉调节挡板,观察料层表面是否同时均匀的开始冒小气泡,然后逐渐开大风门,看哪些地方炉料先跳动起来,松动情况如何?继续加大风量,当大多数炉料都跳动起来时,布风板没有不动的死角,直到床内完全沸腾时,快速关闭一次风入炉调节挡板和引风机?一次风机入口挡板,停止风机运行,观察料层表面是否平坦?如果很平坦,表明炉床的布风基本上是均匀的;如果料层表面高低不平,高处表明风量小,低处表明风量大,应查明原因予以消除?

2.4锅炉燃油系统燃烧器最小雾化压力测定

印度生产用于锅炉点火用柴油的粘度和杂质含量等与国内零号柴油存在差异见表3,必须进行雾化试验?控制油枪前系统油压上下波动,观察雾化情况良好后,操作雾化压力逐渐减小,观察油枪出油的雾化情况?当油枪雾化情况开始恶化或向不良好情况发展时,可将此时油压加0.1~0.2MPa之值作为该油枪最小雾化油压?即要求油枪投用过程中系统稳定油压不得低于该最小雾化油压?本项目原设计枪前油压为1.6MPa,雾化空气压力为0.7MPa,雾化试验后将最小雾化油压设定为0.9MPa,最小雾化空气压力设定为0.55MPa?

3、机组试运行过程中的调整试验

在机组初期的调试过程中,从锅炉开始第一根点火风道油枪点火到锅炉投煤?断油时间经常会达到15h甚至20h以上,严重超出合同要求的启动时间?对于这个问题,结合调试过程中存在的问题,分析并处理如下?

(1)床料厚度控制不当?在首台机组开始调试时,运行人员经常将床料厚度控制在1000mm左右点火启动?将这么厚的床料加热到投煤允许温度,不仅浪费厂用电?浪费燃油,还需要更多的时间蓄热升温?现场经过分析,并结合在国内流化床机组的调试经验,在几次试验后,将床料厚度控制在600mm左右点火启动,能够完全满足安全启动要求,可大幅缩短机组启动时间?

(2)机组投运初期,现场燃用煤质很不稳定,有从印尼进口高挥发份褐煤,也有印度不同产地的煤种?运行人员根据原设计煤质的允许投煤温度(540℃)进行操作,导致投煤时间延时,影响机组启动时间?实际上根据燃煤煤种的不同,投煤温度各不相同?燃用高挥发煤时,可将投煤温度降低一些,一般在480℃左右;燃用贫煤时,一般在550℃左右;燃用无烟煤时,一般在600℃左右?根据本项目现场燃用高挥发份煤质情况,炉膛平均床温350℃左右,就可以脉动给煤?

(3)机组的每一次启动过程中,需要组织专人对点火风道的4根油枪轮流抽出,检查并清理枪头和雾化片?在执行的所有印度项目中,这属于共性问题,普遍存在于每一个项目中?通过简单的机械清理可以解决雾化片堵塞问题,但是这种处理方式不仅浪费时间,还可能会造成潜在的或不必要的安全隐患?图3为带回国的印度柴油化验结果,照片1现场拍摄的点火风道油枪被燃油中杂质堵塞情况?印度柴油运动粘度偏大,燃油的机械杂质较高,是造成油枪雾化片堵塞的主要原因,且印度柴油的目测为黑色,国内锅炉点火用柴油呈现黄亮色?

(4)由于在前期的启动过程中点火风道燃烧器枪头部分堵塞等原因,使火焰偏斜,直接喷燃点火风道内壁,导致内部浇注料烧损或脱落,点火风道外壁钢板烧红甚至烧穿;所以运行人员为了降低外壁被烧穿的风险,只有降低油枪出力,将点火风道出口的风温控制在800℃以下,有时甚至控制在750℃,比较保守?实际该位置温度可以达870℃~900℃,因此实际油枪出力还可加大,届时床温提升速度还可提升,相应的启动时间还可以进一步缩短?后来为了机组安全启动及运行,建议点火风道烟温达到850℃时报警,900℃时燃油系统OFT动作?

机组启动时间过长的问题,通过以上调整和优化后,现场全程跟踪了几台机组启动过程,其中1#机组启动过程从投点火风道油枪到投煤并关闭点火风道燃烧器共耗时7h25min?2#机组共耗时7h25min?3#机组共耗时8h5min?4#机组共耗时7h34min?以上几台机组的启动时间验证了锅炉启动时间能够满足合同要求(8h15min)?

设计推荐的锅炉正常床温运行范围790℃~900℃,床温高值报警为955℃,床温低报警值为760℃,当温度达到990℃时,锅炉主燃料自动切除(MFT);当床温低至650℃时,将自动切除主燃料(除非点火风道油枪投入运行);当床温低至540℃以下时(无论点火风道油枪是否运行),给煤机都将自动切除?料层温度是指燃烧密相区内流化物料的温度?

本项目先后燃用过印尼进口褐煤,印度不同产地的煤,最终稳定燃用电厂旁专用矿煤质?不管燃用哪一种煤,在石灰石系统未投运的情况下满负荷运行时,料层温度都可以控制在850℃~900℃之间,所以本项目没有发生过结焦现象?对于床温低的保护和投油要求的设定值,现场进行了多次试验,最终将原设计(床温低至540℃以下时,无论点火风道油枪是否运行,给煤机都将自动切除)修改为当床温低至350℃以下时,无论点火风道油枪是否运行,给煤机将自动切除;将原设计(床温低至650℃时,将自动切除主燃料,除非点火风道油枪投入运行)修改为床温低至550℃时,将自动切除主燃料,除非点火风道油枪投入运行?

需要强调的是,正常情况的升负荷运行,要做到先加风后加煤,降负荷先减煤后减风?每吨煤按2500Nm3风量配比,燃烧调节用“少量多次”的调节方法,避免床温大起大落?本项目曾经出现过床温超过960℃情况,此时先将给煤量从120t/h减少到100t/h,将一次风量从16500Nm3/h增加到17500Nm3/h,随后床温开始下降,最终稳定在830℃左右,究其原因就是升负荷过程中加煤速度太快?另外在机组启动初期,投入返料时,应先通过放料装置放一部分返料,使其返料温度上升,不至于使温度太低的物料投入炉膛,使床温剧烈下降?在正常运行的情况下,可以通过调整返料量的大小来调节床温?

3.3风量及氧量的控制

本项目锅炉设计燃烧空气分为一次风?二次风,分别由锅炉两侧和前后墙送入,BMCR工况下一次风量占总风量的40%,管式空预器出口过量空气系数1.17(折算到氧量:3.05%)?一次风用来保证床料流化?床温稳定,二次风补充风量?提供悬浮区燃烧所需的氧量?在前期启动机调试过程中,基本按照设计参数进行配风,随着对机组的深入了解及现场燃烧调整试验,对一?二次风量配比及氧量的控制进行了优化?

在本项目新投运的几台机组额定负荷运行时,风量控制参数见表4(锅炉风量控制及空预器出口测量烟气成分),其中5#机组的一?二次风量比例约为48∶52;6#机组的一?二次风量比例约50∶50;7#机组的一?二次风量比例约为45∶55;8#机组的一?二次风量比例约为48∶52?考虑到风量标定误差和煤质变化引起风量比偏差,实际上这几台机组的风量配比与锅炉厂说明书推荐值有一定误差,但是锅炉均可稳定运行?

对流化床锅炉而言,在一定范围内,提高过量空气可改善燃烧效率,这是由于燃烧区域氧浓度的提高增加了燃烧效率?但该项目锅炉在燃烧调整过程中,过量空气系数超过1.12继续增加时燃烧效率几乎不变?投入二次风时,一定要根据负荷和床温的不断升高,逐步缓慢投入,增加风量,以免在锅炉刚投运时炉内热强度还不高,大量投入温度较低的二次风,造成床温波动较大,甚至造成灭火?

3.4炉膛及分离器出口烟温调试

本项目所有锅炉在调试过程中均存在的炉膛及分离器出口烟温偏高问题,在调试过程中,石灰石系统没有投入运行,尽管经过风量配比?氧量及回料调整,能够将炉膛出口烟温控制在900℃内?分离器出口烟温控制在950℃内以维持机组正常运行,但是均明显比合同要求值高很多(合同要求炉膛出口烟温850℃)?

3.4.1排除二次燃烧造成烟温高

由于分离器入?出口温差也比较大,现场怀疑是否存在二次燃烧问题,所以使用烟气分析仪(型号:testo350-M/XL)共测量了4台机组,其中最大39ppm,最小32ppm,详见表4,锅炉尾部烟道实际测量的一氧化碳含量很小,可以排除由于一氧化碳二次燃烧引起的分离器入?出口烟气温度较高?

3.4.2实际燃煤性能

根据表5,本项目试运后期燃用较为稳定的煤质,实际燃煤水分及挥发分含量较高,致使煤颗粒在燃烧过程中具有较强的爆裂性,分离器对其产生的过细颗粒的分离效率相对较低?且由于实际燃煤属低灰分燃料,在锅炉运行中会引起炉内灰浓度达不到设计值,而维持必要的炉内灰浓度是循环流化床锅炉炉内传热系数达到设计值的保证?遗憾的是由于印方原因,石灰石系统不能投入运行,无法脱硫也不能以此方式增加炉内灰浓度?

3.4.3试图降低炉内温度所进行的调整

为增加炉内灰浓度,证明炉内灰浓度对炉膛烟温的影响,在当时条件下可能采取的方法是通过物料添加系统向炉内添加锅炉运行中排出的底渣?根据估算,加料系统在试验时最大可向炉内添加3~4t/h的底渣?在5#炉和8#炉进行的添加灰渣的试验中,未看出添加灰渣后锅炉运行状态有明显变化?事实上,由于底渣不会再次发生爆裂,且通常由于底渣粒径组成偏粗,适合及可以成为循环灰的份额有限?因此,向炉内添加3~4t/h的灰渣,所引起的炉内灰浓度变化可能不足以显著影响炉内传热系数?

在所经历的几台流化床机组调试中,存在一共性问题,几台机组从带低负荷调试开始到满负荷试运行后的前1周?个别机组甚至2周内,炉膛及分离器出口烟温能够维持在设计值附近运行,见表6?

但是随着运行时间增加,烟气温度逐渐增长,直至炉膛出口烟温达到900℃?分离器出口烟温上升到950℃?对于这种现象,可以解释为机组从开始启动调试到带满负荷这一段时间内,由于带负荷比较低,并且经常进行机组的启停操作,会使得炉内灰浓度较高,增加了炉内的传热系数,炉膛及分离器出口烟温就相对较低?但是长时间运行后,随着炉内灰浓度的降低,炉内的传热系数随之降低,炉膛及分离器出口烟温就相应增加?

3.4.5石灰石系统投运后情况

本项目的石灰石系统投运完全滞后于机组试运行,在最后1台机组商业运行满半年后,石灰石系统才能够陆续投运?石灰石系统投运初期,印方业主未根据烟气中二氧化硫排放投入石灰石量,仅按照每台锅炉投入3t/h石灰石?尽管无法定量这3t/h石灰石投入量对炉膛灰浓度有多大影响,但是在与之前相同的运行条件下炉膛烟温略有下降,普遍出现了5~10℃的下降?

尽管下降的温度值较小,在温度降低后也没有达到设计值,但这一趋势说明当锅炉燃烧印度当地水分及挥发分含量较高,低灰分燃煤时,可以通过在燃煤中加入飞灰或者根据烟气中二氧化硫排放投入足够的石灰石量,提高炉内灰浓度,增加炉内的传热系数,以降低炉膛及分离器出口烟温?

(1)本项目每台锅炉配备了4只床下油枪?6只床上油枪,床下油枪用于锅炉启动点火提升床温,床上油枪用于助燃,但是为了防止床料结焦,几乎没有使用过床上油枪?另外,印度的轻柴油相比国内零号轻柴油运动粘度偏大?机械杂质含量较高,希望国内的燃烧器厂家能够根据印度的油质优化油枪设计,以避免油枪在运行过程中出现的大面积堵塞情况?

(2)由于印方迟迟不能投入石灰石脱硫,导致管式空预器冷端低温腐蚀严重,见图4,大部分被腐蚀的管道已经出现穿孔现象,见图5?在2#机组小修期间,将管式空预器40个管箱1-1/4及40×1.5管子两头各0.5m管子全部换掉?机组重新启动后,2台引风机电流分别从168A降低到110A;2台一次风机电流分别从110A降低到90A;2台送风机电流分别从90A降低到65A?

(3)本项目每台锅炉都配有1台锅炉紧急补水泵,其目的是在机组跳闸后给锅炉上水以防汽包干锅;但其水源为常温的除盐水,且无法加热,所以机组带负荷运行时跳闸后,由于给水温度与汽包温度的巨大差异(满负荷运行跳闸时,汽包壁温约328℃,除盐水温度约35℃左右),不能给锅炉上水?

(4)本项目流化床机组,经过现场燃烧调整,取得了一定的运行经验,但是仍需不断摸索,尤其对于频繁出现的由于磨损而发生的锅炉水冷壁爆管问题,一直未找到合适的解决方法?期望在类似的项目中,锅炉设计部门能够进行优化设计,如改变炉内气流速度,和在磨损部位设计防磨梁等?

【摘要】：以物料平衡的观点提出了CFB锅炉循环系统的物理模型,及由此导出的循环倍率R关系式。简要介绍了影响循环倍率的诸要素。并对CFB锅炉炉膛出口携带率与循环倍率的关系式进行推导,提出了在使用上述两个特征参数时应注意的问题。