循环流化床锅炉大直径钟罩式风帽优化

黄中，张述国

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市 102209；2.大唐黑龙江发电有限公司，哈尔滨市 150028)

循环流化床锅炉大直径钟罩式风帽优化

黄中1，张述国2

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市 102209；2.大唐黑龙江发电有限公司，哈尔滨市 150028)

某循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉使用的大直径钟罩式风帽出现了大面积的整体错位、外罩磨损、小孔堵塞和芯管断裂问题，由此引起布风板阻力分区和流化不良，多次发生漏渣、结焦等恶性事故，严重影响锅炉的正常运行。现场检查发现检修及安装不当是造成风帽出现问题的主要原因，结合该厂锅炉运行情况设计了风帽改造方案，整体更换了新型风帽。改造后的运行结果显示，新设计安装的风帽结构新颖、阻力特性良好、便于检修维护。

循环流化床(CFB)锅炉；大直径钟罩式风帽；磨损；漏渣；改造

0 引 言

大直径钟罩式风帽是循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉普遍采用的一种风帽形式，其抗磨损性强，特有的迷宫式结构可以有效防止床料漏入风室[1]。大直径钟罩式风帽的阻力主要由芯管小孔和外罩小孔决定，由于可以通过芯管小孔调节阻力分布，避免了单纯依靠外罩小孔出口速度产生阻力的弊端，大大降低了风帽的磨损，因此在大型CFB锅炉中广泛采用[2-3]。

但是部分CFB锅炉在使用过程中也频繁出现大直径钟罩式风帽磨损严重、风帽芯管断裂和脱落、风室漏渣等问题[4-5]，受到风帽外罩小孔堵塞影响，造成部分区域流化不良，严重影响锅炉运行[6]。针对上述问题，常用的CFB锅炉风帽改造方式包括加装阻力元件[7]、部分替换等[8-9]，但是这些技术手段直接应用于大直径钟罩式风帽均存在一定的技术风险，可能影响改造效果。为此，本文对风帽结构进行改进，得出结构新颖、阻力特性优良的新型风帽，该型风帽便于检修维护，抗磨损性能好、使用寿命长，对于CFB锅炉长期、安全、稳定运行具有重要意义。

1 锅炉设备及风帽参数

1.1 锅炉设备

某电厂2台150 MW机组采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造的HG-480/13.7-L.YM26型CFB锅炉，其结构主要由炉膛、高温绝热分离器、自平衡“U”形回料器和尾部对流烟道组成。燃烧室蒸发受热面采用膜式水冷壁，炉内布置双面水冷壁来增加蒸发受热面，炉膛上部布置屏式Ⅱ级过热器和屏式热段再热器。锅炉主要技术规范见表1。

表1 锅炉主要技术规范

1.2 风帽参数

锅炉设计有水冷布风板，大直径钟罩式风帽安装在水冷布风板上，大直径钟罩式风帽结构如图1所示，具体包括芯管和外罩两部分。芯管顶部为贯通结构，同时在芯管上部的管壁上还开有2排小孔，外罩上则均等设置小孔用于出风。芯管中部有螺纹，便于不同开孔率上芯管和下芯管固定，以满足工程需要[10]。

图1 风帽结构

1.3 风帽实际使用情况

整个布风板上安装有大直径钟罩式风帽715个，风帽之间的水平节距和垂直截距均为270 mm。大直径钟罩式风帽外罩直径为159 mm，外罩开孔8个，开孔直径22.5 mm。外罩与芯管采用螺纹连接。芯管开有2排小孔，每排小孔8个，直径15 mm。外罩材质为HH，芯管材质为CPH20。

这些大直径钟罩式风帽在实际使用过程中出现的主要问题包括：外罩小孔磨损和堵塞、外罩破裂、芯管断裂和脱落错位，具体如图2所示。风帽是历次停炉检修维护的重点，消耗了大量备件，影响了检修工期。据统计，近2年锅炉更换的风帽数量已经超过800个，维护成本居高不下。

图2 风帽存在的问题

2 风帽问题成因分析

大直径钟罩式风帽存在的问题与现场安装、运行控制和日常检修息息相关[11-12]。大直径钟罩式风帽安装时要求外罩小孔对冲布置，以减少灰渣沉积，防止气流直接冲击相邻风帽的壁面[13]。大直径钟罩式风帽芯管与外罩接触部分有安装螺纹，可以通过螺纹调节风帽高度并对风帽进行更换。由于风帽所处工作环境恶劣，螺纹之间容易卡死、变形。因此，实际使用中并不能保证大直径钟罩式风帽的完全对冲布置，这就造成了大量风帽外罩小孔的冲蚀磨损。

此外，在进行检修更换时，受到现场施工条件的限制，更换后的新风帽与原有旧风帽之间存在安装高度差，无法调整到同一平面(图3所示)，而芯管的高度又是固定的，这就造成芯管和风帽外罩之间存在较大空隙。这些空隙会改变大直径钟罩式风帽的阻力特性，造成风帽阻力的显著下降(最大下降幅度甚至超过40%)。

在上述二者的共同作用下，造成布风板阻力分区，即某些区域的阻力小、风量大，风帽磨损加重；某些区域的风量小，出现流化死区，甚至结焦。为了避免结焦，运行人员往往采用大风量运行，这又进一步加剧了风帽的磨损，进入恶性循环。

图3 风帽安装产生高度差

3 改造方案及设计优化

为解决现有风帽存在的问题，根据锅炉实际运行情况设计了风帽改造方案，改造后风帽结构如图4所示，该结构已经得到了同类改造工程的验证，可靠性高[14-15]。设计方案选取了较低的风帽外罩小孔速度以降低外罩磨损，通过芯管小孔调节布风板阻力以保证布风板具有良好的阻力特性。针对现有风帽外罩磨损严重的问题，对外罩小孔出口区域壁面进行了加厚，以提高其耐磨性和使用寿命，同时还将风帽外罩风孔向下倾斜20°，以减少相邻风帽之间的扰动，避免床料反窜。新设计风帽外罩和芯管的焊接点在芯管顶部，便于安装施工。材质方面采用铸造方式进行加工，外罩材质为ZG40Cr25Ni20，芯管材质为CPH20。

图4 风帽设计方案的三维视图

为了进一步确保改造效果，还对新设计风帽的速度场和压力场进行了数值模拟，如图5所示。作为一种优化技术手段，数值模拟可以进一步优化改造方案，降低改造的实施风险[16]。从图5中可以看出，新设计风帽阻力的主要产生区域是风帽芯管小孔和外罩小孔出口，风帽整体阻力特性良好。

图5 改造方案数值模拟结果

4 改造方案的实施效果

2013年初，结合机组大修，完成了风帽的整体更换。更换时首先清除布风板上部的浇注料，之后割除旧风帽及芯管。再将新芯管与旧芯管对接焊接，经确认牢固、稳定、无泄漏后再进行新芯管和外罩的焊接，最后使用耐火耐磨可塑料对布风板进行恢复。

由于新设计风帽外罩和芯管的焊接点位于芯管顶部，因此非常便于现场施工，也有利于今后检修维护中的更换，改造后的风帽布置如图6所示。

图6 改造后的风帽布置

改造后进行了冷热态试验。结果显示，启动期间锅炉最小流化风量降低至10万m3/h，在此风量下也不会发生风帽漏渣，较改造前大幅度下降。由于改造方案消除了风帽漏渣问题，一次风量可以维持在较低水平。热态运行时布风板阻力约为5 kPa，阻力适中，与设计值一致。改造取得了良好效果。

5 结 论

(1)CFB锅炉使用的大直径钟罩式风帽出现的整体错位、外罩磨损、小孔堵塞和芯管断裂等问题与检修及安装不当密切相关。通过整体更换改造为新型风帽可以有效解决现有大直径钟罩式风帽使用过程中出现的各种问题，避免磨损、漏渣的发生，延长CFB锅炉运行周期。

(2)本次改造采用的新型风帽在各种风量下均可以安全稳定运行，风帽结构新颖、阻力特性良好、抗磨损性能强，便于检修维护，能够广泛应用于新建机组及原有机组改造，对于推动循环流化床锅炉技术的发展具有积极意义。

[1]孙献斌，黄中. 大型循环流化床锅炉技术与工程应用[M]. 2版. 北京: 中国电力出版社，2013 : 90-95.

[2]孙献斌，于龙，时正海，等. 国产330 MW循环流化床锅炉设计研究[J]. 热力发电，2009，38(11): 19-22.

[3]孙献斌，蒋敏华，于龙，等. 国产大型CFB锅炉的开发研制与工程示范[J]. 中国电力，2008，41(3): 38-42.

[4]李俊刚. 循环流化床锅炉常用风帽出现的问题探讨[J]. 电力技术，2008，9(5): 64-66.

[5]王虎，刘文正，居玉雷，等. 循环流化床锅炉布风板风帽磨损研究[J]. 锅炉技术，2009，40(3)：33-35.

[6]陈林国，熊体华. SG-475/13.9-M567型循环流化床锅炉一次风室漏渣原因分析及处理措施[J]. 安徽电力，2005，24(2): 19-22.

[7]蔡宏伟，尹会坤，陈新. 循环流化床锅炉定向风帽磨损的分析及应对措施[J]. 工业锅炉，2004(6): 47-48，51.

[8]樊旭，刘文献，常建刚，等. 循环流化床锅炉布风板风帽改造[J]. 热力发电，2009，38(6): 49-50，53.

[9]毛晓飞，陈林国，熊体华，等. 国内首台150 MW循环流化床机组锅炉风帽改造分析[J]. 中国电力，2006，39(3): 18-21.

[10]杜守国，姜孝国. 135 MW循环流化床锅炉的设计[J]. 电力建设，2003，24(7): 7-8，11.

[11]潘昕，孟洛伟，江建忠. 东锅自主开发型300 MW循环流化床锅炉运行分析及完善[J]. 电力建设，2010，31(5): 108-110.

[12]乔娟，周善祥. 钟罩式风帽在循环流化床锅炉上的锅炉上的应用[J]. 节能与环保，2003(8): 38-39.

[13]蒋敏华，肖平. 大型循环流化床锅炉技术[M]. 北京: 中国电力出版社，2009: 378-380.

[14]黄中，肖平，江建忠，等. 国产200 MW CFB锅炉风帽优化改造[J]. 中国电机工程学报，2011，31(S1): 183-186.

[15]Huang Z，Xiao P，Jiang J Z，et al. Design and retrofit of large size circulating fluidized bed boiler air nozzle[C]//Proceedings of the 21stInternational Conference on Fluidized Bed Combustion，Italy Naples：21st FBC Conforence Steering Committee，2012：38-43.

[16]赵弦，包绍麟，贺军. 内嵌逆流柱形风帽的冷态模化试验和三维流场的数值模拟[J]. 锅炉技术，2005，36(3): 32-37.

(编辑：蒋毅恒)

OptimizationofLarge-DiameterBell-TypeAirCapinCFBBoiler

HUANG Zhong1, ZHANG Shuguo2

(1. Huaneng Clean Energy Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China;2.Datang Heilongjiang Power Generation Co., Ltd., Haerbin 150028, China)

A large area of overall dislocation, cover wear, holes plugging and inner core tube rupture occurred at bell-type air cap with large diameter used in circulating fluidized bed (CFB) boiler in a power plant, which caused poor resistance partitions and fluidization of air distribution plate, slag leakage, coking and other accidents, so that seriously affected the normal operation of the boiler. Site inspection results show that the improper installation and maintenance is the main cause of these problems. Combined with the operation situation of boiler, the retrofit scheme was designed for the air caps, and all the air caps were replaced by the new type ones. The running results after retrofit show that the new type air caps have the characteristics of novel structure, better resistance and easy maintenance.

circulating fluidized bed(CFB) boiler; bell-type air cap with large diameter; wear; slag leakage; retrofit

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAA02B02)。

TM 621.2

： A

： 1000-7229(2014)05-0084-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.014

2013- 12- 09

：2013- 12- 29

黄中(1983)，男，博士研究生，高级工程师，主要从事循环流化床锅炉技术、低质煤清洁发电技术研究开发，E-mail：chinacfb@gmail.com；

张述国(1971)，男，学士，工程师，长期从事电力基本建设相关工作。