东锅300MW循环流化床锅炉设计优化

王宗仁

（福建华电永安发电有限公司，福建永安 366013）

东锅300MW循环流化床锅炉设计优化

王宗仁

（福建华电永安发电有限公司，福建永安 366013）

东方锅炉股份有限公司自主研发的DG1025／17.4-Ⅱ18型循环流化床（CFB）锅炉在实际应用中存在炉内受热面磨损、屏式受热面超温、排烟温度高、飞灰可燃物高等问题，福建华电永安发电有限公司在2台300MW CFB锅炉建设中不断开展设计优化，提出了具体的优化措施，解决了东锅300MW CFB锅炉存在的问题，提高了机组投运后的安全性、经济性、稳定性及可靠性。

循环流化床锅炉；屏式过热器；磨损；排烟温度；飞灰可燃物；厂用电率

0 引言

福建华电永安发电有限公司（以下简称永安发电公司）采用燃煤变化适应性较强的循环流化床（CFB）洁净煤燃烧技术，建设规模为2×300MW中间再热亚临界燃煤供热发电机组，采用东方锅炉股份有限公司（以下简称东锅）自主研发的DG1025／17.4-Ⅱ18型CFB锅炉。

东锅300MW CFB锅炉为当前国内自主研发的单机容量最大的CFB锅炉，与ALSTOM引进型CFB锅炉的主要区别是采用不带外置式换热器（或INTREX）的单炉膛结构，锅炉整体布置简单，降低了锅炉启、停，甩负荷和主燃料跳闸（MFT）等工况下的热惯性；同时，炉后布置了3个汽冷高效旋风分离器，大大减少了耐火材料的用量，更有利于锅炉的启、停和调幅。但该锅炉在设计上仍存在一些不足，如炉内受热面磨损、屏式受热面超温、排烟温度高、飞灰含碳量高等。目前该炉型已在广东宝丽华电力有限公司、湖北宜昌东阳光发电有限公司、广东韶关市坪石发电厂有限公司、福建龙岩坑口火电厂等投运。

1 同类型300MW CFB锅炉存在的主要问题

1.1 炉内屏式受热面超温

在点火及低负荷工况时，由于蒸汽流量较小，屏式过热器容易发生超温。广东宝丽华电力有限公司在锅炉启动过程和试运行期间，屏式过热器多次出现超温现象，其中以炉膛中间两片管屏超温最严重，管屏壁温最高时达到555℃（允许值为545℃），＃3机组曾出现屏式过热器出口联箱处炉管爆管的现象。屏式再热器在高负荷时超温严重，额定工况下管壁温度有时高达660℃。福建龙岩坑口火电厂机组运行2个多月后出现屏式再热器超温爆管。炉内屏式受热面超温已严重影响锅炉的稳定运行。

1.2 炉内受热面磨损

由于CFB锅炉特有的燃烧方式，运行中炉内会产生自下而上的大量紧贴垂直水冷壁管表面及管间凹槽的贴壁灰流，这些贴壁灰流不断循环冲刷垂直水冷壁管，造成严重磨损，特别是炉内浇筑料过渡区、鳍片不平整处、各开孔处、测点让管处等磨损尤为严重。广东宝丽华电力有限公司锅炉水冷壁管在运行约3个月后就出现整体严重磨损现象，给煤口保温磨损及脱落，造成该部位水冷壁磨损爆管。近年内，国内外投运了上百台大型CFB锅炉，普遍存在水冷壁受热面磨损严重的问题，锅炉频繁出现磨损爆管，尤其是锅炉燃用劣质煤时问题更加突出，给电厂带来很大的经济损失。

1.3 排烟温度高

已投产同类型锅炉运行情况表明，在满负荷工况时排烟温度高达170～180℃，远高于设计值130℃，而排烟温度每升高15～20℃将导致排烟热损失增加1.0百分点，锅炉效率降低0.5～0.6百分点，煤耗增加1.5～2.0 g／（kW·h），因此，排烟温度高会严重影响机组经济运行。

1.4 飞灰含碳量较高

广东宝丽华电力有限公司、福建龙岩坑口火电厂燃烧煤种与永安发电公司相同，均为福建无烟煤。CFB锅炉虽然具有燃烧煤种适应性广的优点，但由于床温较低，相对于传统的煤粉锅炉，飞灰含碳量较高（15%～17%），对锅炉效率影响较大。

1.5 厂用电率高

由于CFB锅炉燃烧流化需要，配套设置了高压头的一次／二次风机、高压流化风机、播煤增压风机等高能耗设备，使得CFB锅炉机组厂用电率比一般煤粉锅炉机组高出2%左右。东锅300MW CFB锅炉配置有2台一次风机、2台二次风机、3台高压流风机和1台播煤增压风机，总功率约为11665 kW。

2 东锅300MW CFB锅炉设计优化重点

2.1 防止屏式受热面超温的措施

（1）屏式过热器管屏超温。炉内前墙共布置有12片屏式过热器管屏，为保证蒸汽的质量流速，12片管屏串联布置，即其中6片管屏内蒸汽由上向下流动，另外6片管屏内蒸汽由下向上流动，在管屏下部转弯区域设置有耐磨耐火浇筑料。由于超温严重，锅炉生产厂家对屏式过热器结构进行了改进，6片上行的屏式过热器中间分配集箱采用节流圈结构，以均衡工质分配，即在第1，3，5，8，10，12共6片过热器管屏中间分配集箱的引出短管处采用节流圈结构，以确保低负荷运行时上行的屏式过热器各管屏内介质流速均匀，防止因流速不均造成局部管屏过热而超温爆管。

（2）屏式再热器管屏超温。炉内布置的屏式再热器共有6片管屏，每片管屏由44根管子组成，超温主要发生在每片管屏靠炉前的第1—3根管区域，这3根管壁温比其他管高60～100℃。该工程在易超温的炉前第1—3根管段全部敷设耐磨耐火材料，以减少该区域吸热量，能够有效防止管屏超温。

2.2 炉内防磨措施

大量的试验研究表明，在循环流化床内，固体颗粒浓度具有环形流特征，即沿床层截面可分为2个区域：边壁附近的高浓度颗粒主体下行区（边壁环形区），中心区域的低浓度颗粒主体上升区（中心核心区），形成典型的环-核两区流动。不同炉膛高度处，边壁层内颗粒下降流的流速不同，越远离炉顶，边壁层内颗粒的下降流速越大。

该工程采取主动多阶式炉内防磨装置，在沿炉膛水冷壁或双面水冷壁高度方向，以一定间距水平或倾斜布置防磨凸台，通过耐热销钉以及其他固定装置将耐火耐磨浇筑料固定在水冷壁上，从而显著降低了炉膛贴壁流的速度和颗粒浓度，使边壁层内颗粒下降流速始终维持在-2m／s（流速为负表示向下的流速）左右，从根本上避免了水冷壁磨损。

同时，针对入炉口保温脱落、水冷壁管磨损的问题，从浇筑料施工工艺上进行改进。炉膛密相区膜式水冷壁墙原设计全部采用耐磨可塑料，考虑到大开孔区（如落煤口、冷渣器返灰口、双面水冷壁连通口以及回料口等）耐火材料极易磨损，且耐磨可塑料捣打施工不便，难以保证形状和初期结构强度，因此在大开孔区周边采用锆铬刚玉耐磨浇筑料成方块浇筑施工，最窄处的宽度不小于250mm，并加密焊接0Cr25Ni20材质的抓钉。在大开孔区（如落煤口、双面水冷壁连通口以及回料口等）的上半周，合理设置径向导向膨胀缝，以充分吸收集中应力，保证耐火材料不脱落。大开孔区往往是让管集中区，水冷壁管上经常未焊销钉，耐火材料极易脱落，因此在落煤口内部补焊“Y”型抓钉或扁钢抓钉。

2.3 降低排烟温度措施

省煤器、空气预热器设计采用蒸汽吹灰装置，实际运行中发现吹灰器周围2m外区域受热面积灰较严重，分析原因主要是蒸汽吹灰器有效吹灰范围较小，在吹灰器邻近区域存在吹灰死角，使得省煤器、空气预热器吸热面积减少，排烟温度升高。永安发电公司根据广东宝丽华电力有限公司、龙岩坑口火电厂吹灰器的使用情况，对吹灰器布置进行了改进：将省煤器、空气预热器吹灰器数量增加了1倍，消除吹灰死角；同时，将省煤器受热面积增加20%，进一步提高省煤器吸热能力，从而有效降低排烟温度。

2.4 降低飞灰可燃物措施

福建永安无烟煤挥发分低（Vdaf＝3.8%），结构密实，燃烧时煤粒不易破裂，内部挥发分不易析出，四周氧气难以向内部扩散，燃烧速度低，难以燃尽，因此在设计上采取了以下优化措施。

（1）选用较小的燃料粒度（Dmax＝8.5mm，D50＝1.1mm），以增大燃料燃烧反应的比表面积，减少燃料燃尽所需要的时间。

（2）采用较高的床温。在保证排放要求的前提下，综合考虑到燃料的灰熔点，选取了较高的床温（920℃），提高燃料燃烧反应的速度。

（3）延长颗粒在炉膛的停留时间。永安发电公司锅炉采用宽大的炉膛结构，炉膛宽28.275m、深8.439m，炉膛截面积达238.6m2，降低了炉膛内烟气流速；同时，将炉膛高度提高为39.9m，使炉膛内一次通过颗粒的停留时间延长至8 s左右，有效提高了粒子的燃尽率，降低了飞灰含碳量。

（4）采用炉前给煤、后墙排渣方式，排渣口覆盖范围广；远离前墙给煤口，避免未燃尽的煤粒短路直接进入排渣口，从而降低了底渣含碳量。

（5）在广东宝丽华电力有限公司等工程实践基础上，进一步优化下炉膛设计，改善配风方式和风室、风帽设计，使燃料与风能够充分接触，保证煤粒的着火和燃尽。

2.5 降低厂用电率措施

（1）一次风机选型优化。目前国内已投运的300MW机组CFB锅炉一次风机选型裕量普遍偏大，如广东宝丽华电力有限公司、云南大唐国际红河发电有限责任公司、中电投江西电力有限公司分宜发电厂、秦皇岛发电有限责任公司等锅炉一次风机在满负荷工况下风门开度仅25%～30%，节流损失大，运行效率非常低；同时，风门开度过小容易产生涡流和叶轮飞车，存在极大的安全隐患。

永安发电公司一次风机采用离心风机，原设计选型风量为96.7m3／s，风压为24.25 kPa，叶轮直径为2400mm，电机功率为3000 kW，与广东宝丽华电力有限公司一次风机选型较接近。为确保该工程锅炉一次风机投运后能够长期运行在高效区，减少节流损失，对一次风机设计选型参数进行优化，明确了一次风机优化选型参数。与优化前相比，风机流量减小1236m3／h，风压减小2.796 kPa，电机功率减小500 kW，风机叶轮直径减小50mm。

（2）取消播煤增压风机，直接用一次风进行播煤。永安发电公司采用的一次风机压头为18.9 kPa，比广东宝丽华电力有限公司实际运行时的15.4 kPa要大许多，广东宝丽华电力有限公司运行中已取消了播煤增压风机，运行情况良好。因此，永安发电公司同样采用一次风，能较好地满足播煤要求。

2.6 其他优化措施

优化煤斗并采取防堵煤措施，解决福建无烟煤黏性大极易堵煤的问题；采用启动烟煤仓，启动时投油点火至450℃后立即投入烟煤并停止投油，不仅可缩短锅炉启动时间，防止锅炉启动灭火，而且大量减少启动燃油；采用凝结水对冷渣器进行冷却，不仅能够回收锅炉底渣余热，提高热力系统效率，同时还可简化系统设置，减少设备初投资。

3 优化实施后的效果

永安发电公司＃7，＃8机组投产后，各项技术经济指标名列前茅，＃7机组为2012年福建省同类型金牌机组并荣获中电联发电机组能效竞赛2012年度同类型机组一等奖，＃8机组实现无故障安全稳定运行223 d。

4 结论

（1）炉内屏式受热面结构优化、炉内设置防磨装置可以有效解决CFB锅炉普遍存在的炉膛受热面超温、水冷壁磨损问题，减少锅炉因“四管”爆漏而停机的次数，提高机组运行的稳定性。

（2）通过采取降低排烟温度、飞灰可燃物优化等措施，进一步提高了锅炉热效率。

（3）对一次风机设计选型参数进行优化后，可确保风机长期运行在高效点，提高风机运行效率，降低风机电耗；同时，取消播煤增压风机后，可降低厂用电率。

（4）针对福建无烟煤黏性大的特点，采用不对称大尺寸出口方煤斗，使煤在煤斗内不易搭桥，保持煤的流动性，彻底解决CFB锅炉煤斗频繁堵煤的问题。

（5）采取烟煤仓用烟煤点火启动、冷渣器用凝结水进行冷却等优化措施，可降低点火油耗、提高机组热力系统效率、减少工程投资。

东锅及相关设计院在后续工程中不断推广应用永安发电公司的优化措施，进一步提高了锅炉运行的安全性、可靠性、稳定性和经济性。

（本文责编：刘芳）

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1674-1951（2015）10-0027-03

王宗仁（1969—），男，福建永泰人，工程师，从事电站锅炉建设、运行与维护管理工作（E-mail：846297078＠qq. com）。

2014-12-18；

2015-08-29