350 MW 超临界CFB 锅炉长周期运行的优化与分析

李丽锋，苗 苗，孔 皓，张 缦，杨海瑞

（1.山西河坡发电有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.清华大学能源与动力工程系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084）

0 引言

与传统燃煤方式相比，循环流化床（CFB）燃烧技术具有燃烧效率高、燃料适应性强、负荷调节方便快捷、负荷调节范围大、污染物排放少、灰渣综合利用方便等重要优点［1-8］。流化床燃烧技术的上述优点对我国化石燃料的改进，对其能源结构的优化具有重要意义。经过几十年的发展，流化床燃烧技术的研究和应用正朝着大规模发展的方向发展［9-14］。

随着技术的快速发展，CFB 相关系统的运行调整技术也日趋成熟，运行水平得到了很大提升，目前存在的一个主要问题是运行周期较短［15］。为验证机组长周期连续运行结果，山西河坡发电有限责任公司2#机组锅炉于2019 年4 月21 日至2020 年3 月17 日期间实施连续安全环保运行，共计332 天。本次运行可为350 MW 级超临界循环流化床机组的生产运行管理提供经验、树立行业标杆，推动我国循环流化床发电行业健康有序发展。

1 影响长周期运行的影响因素

根据其构造设计和运行原理的特点，循环流化床锅炉在低负荷运行时容易产生流化不均匀、料层吹穿、燃烧不稳定、熄火等情况。因此，只有找到其关键的可控因素，才能确保循环流化床锅炉在动态负荷下长期稳定地运行。通过技术研究、分析和试验验证，循环流化床锅炉运行的可控因素主要集中在煤颗粒粒径及浓度、流化风速、料层差压等三个方面。

1.1 颗粒粒径及浓度

防止出现异常工况的核心是保持低床温稳定燃烧。煤粒径增大后，为了保证床料的流化状态，需要增加一次风量，这进一步导致密相区燃烧份额增大。循环灰浓度和循环比的增加会加剧水冷壁管磨损，会使料层差压增大，增加底渣含碳量；严重时，可导致床温下降，因此，煤的粒度直接关系到锅炉的安全经济运行［16］。

循环灰是循环流化床锅炉燃烧系统的传热载体，是保证煤正常燃烧的必要途径，但它也是造成锅炉磨损的根本原因之一。当灰分浓度不足时，床温会升高，负荷较低；当灰浓度过高时，床温降低，但锅炉磨损加快。通过调整煤种、粒径、风量、料层高度、返料量、炉膛负压，或者适当排放多余的循环灰，可以很好地调节其浓度，继而改变循环比例，通过这种方式可以减少锅炉磨损，延长运行周期［17］。

1.2 流化速度

通常，循环流化床锅炉炉膛下部物料粒径和浓度都比较大，在物料自身重力、气流向上驱动力和物料间摩擦力的共同作用下，大颗粒物料沿水冷壁管向下流动，在水冷壁管受热面上产生摩擦力，从而磨损水冷壁管受热面。由于管壁磨损量与烟气流速和物料浓度成正比，因此在高负荷下，随着循环流化床锅炉燃料、物料浓度和烟气流量的增加，管壁的磨损越发严重。当管壁局部磨损过薄，无法承受管内汽水混合物的压力时就会爆裂，导致锅炉骤停，因此提高管壁的耐磨性是防止水冷壁爆管的关键［18］。

1.3 料层差压

料层差压是表征流化床料层高度的物理量，如果料层压差较小，床层温度会升高，负荷降低，底渣含碳量增加，容易影响流态化状态，导致局部结渣。同时，不完全燃烧会使炉渣含碳量高，增加炉渣的热损失；当料层压差较大时，锅炉负荷较高，蓄热能力增强，底渣含碳量降低。但是，为了确保良好的流化状态，一次风量将被迫增加，沉积底部的大颗粒可能会危害锅炉安全运行，降低锅炉热效率。在运行过程中，可以通过布风板的阻力特性参数、炉膛压力和料层上部压力等数据综合判断料层的差压［15］。

2 机组长周期运行数据

2.1 机组相关参数

2#机组锅炉型号为DG1184/25.31-Ⅱ1，表1 为该锅炉的主要参数，锅炉主蒸汽出口压力25.31 MPa（g），配套的是350 MW 超临界汽轮发电机组。锅炉为超临界变压直流锅炉，全钢架结构，整体支撑和悬挂在锅炉钢架上，单炉膛，平衡通风，半露天M 型布置，一次中间再热。

表1 锅炉主要参数Tab.1 Main parameters of boiler

2.2 锅炉整体结构

锅炉汽水系统示意图如图1 所示，锅炉本体由三部分组成：第一部分为主循环回路，包括炉膛、回料器、冷却旋风分离器、高温过热器、中温过热器、屏式再热器等；第二部分布置尾部烟道，包括中温过热器、低温再热器、低温过热器和省煤器；第三部分是空气预热器。

图1 锅炉汽水系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of boiler steam water system

该系统的水冷壁采用低质量流量全焊接垂直升膜管板，炉膛采用光滑管（中间隔墙采用内螺纹管）。炉体下部设有单个配风板，配风板上方为水冷风室，水冷风室周围有水冷壁管。该炉还配有6 个屏式再热器管屏、12 个屏式过热器和5 个水冷隔板。燃料从熔炉前面的给煤口输送到熔炉。炉后壁设六个鼓式冷渣器。炉后壁钢架内设三台冷却旋风分离器，每台旋风分离器下设一台回料机。回程给料机分为两种结构。每个旋风分离器分离的物料通过两个回流管直接返回炉膛。在汽冷包墙包覆的尾部烟道内设置了中隔墙包覆过热器，将后烟井分隔成前后两个烟道，前烟道布置低温再热器，后烟道布置中温过热器和低温过热器。省煤器布置在前后烟道合并后的竖井区域，空气预热器是管式空气预热器，一二次风道分开布置，沿炉膛宽度方向双进双出。

一次风机、二次风机、引风机均设置两台50%容量（变频调节）双吸入离心式送风机，三台多级离心式高压流化风机并联布置，每台容量为50%。正常情况下，两台使用，一台备用。锅炉启动系统由启动分离器、储水箱、水位控制阀、常压闪蒸罐、疏水泵等组成，当负荷大于最小直流负荷后，该系统的直流运行一次上升，启动分离器入口有一定程度的过热。

2.3 主要指标完成情况

山西河坡发电有限责任公司2#发电机组2019 年4 月21 日至2020 年3 月17 日安全稳定运行，运行时间为7 925.7 h。运行期间，该机组的污染物排放实施全程超低排放控制，符合《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）要求，表2 为发电机组主要指标完成情况。

表2 山西河坡发电有限责任公司2#发电机组主要指标完成情况表Tab.2 Main indicators of 2# generation unit of Shanxi Hepo Power Plant Co. ，Ltd.

3 关键技术应用

3.1 低床压优化运行控制

山西河坡发电有限责任公司超临界循环流化床机组燃用煤种为当地无烟煤，由于无烟煤挥发分较低等原因，低床压运行较燃用烟煤、褐煤较难实现，其对燃煤粒径、有效床料控制等方面的要求更高。目前提高床料质量，降低床存量的手段主要为改进分离器分离效率、改进物料回送装置流动特性、控制燃料粒度等。对于已经建成的循环流化床锅炉，如果在改进分离器分离效率等方面开展低床压运行工作，投资大且存在改进失败的风险。

山西河坡发电有限责任公司在不增加设备改造费用的前提下，基于流态重构理论基础［19］，摸索出了锅炉炉膛内物料运动的一些规律，通过对排渣方式进行优化选择，减少密相区无效床料数量的同时保证有效床料不减少、锅炉性能不降低。如图2 所示，风室风压由10.22 kPa，逐步降至8.44 kPa，炉膛差压数值保持基本不变。由图3 可得某测量工况，以前的运行方式下，风室即时压力为12.30 kPa、12.63 kPa，低床压运行方式时，风室即时压力为9.72 kPa、9.89 kPa。在保证有效床存量的基础上，适当降低床层压力仍可保持大部分颗粒处于能参与循环的范围内；同时，该方式可以降低颗粒终端速度，从而降低磨损率，锅炉受热面磨损得到极大的改善，为锅炉实现长周期运行奠定了扎实的基础。

图2 风室风压和炉膛差压变化对照图Fig.2 Comparison of pressure in air chamber and differential pressure in furnace

图3 低床压运行前后工况对比示意图Fig.3 Comparison of working conditions before and after low bed pressure operation

如表3 所示，现场研究发现锅炉每个排渣口排出的渣块粒径分布是不一样的，锅炉两边的排渣口排渣颗粒偏大，中间排渣口排渣颗粒偏细。根据这一规律制定了锅炉排渣方式，即加大锅炉炉膛左、右两端的排渣能力，减少锅炉炉膛中部的排渣能力，通过选择性排渣，实现了循环流化床锅炉床料质量和数量的优化。在保证锅炉参数正常、性能不受影响的情况下，低床压运行的实施，降低了风室压力，在该试验工况下一次风机功率降低223 kW，一次风机节电比例17%。

表3 不同排渣口排渣粒径分析表Tab.3 Analysis of slag particle size at different slag discharge outlets

3.2 主动防磨措施

机组启动前，对锅炉水冷壁进行全面防磨检查并有针对性地采取措施。例如，在后墙标高25.4 m 突出较严重的安装焊口上150 mm 处，用浇注料加装防磨梁；对易磨损的四角水冷壁管处加浇注料防磨块；对标高25.4 m 安装焊口磨损严重的部位，消除凸起，辅助喷涂；针对其它部位安装焊口的凸起部分，根据磨损速度、磨损程度采取辅助喷涂等相应的措施；对尾部受热面翻转的防磨瓦全部进行调整，咬边的缺陷重新打磨后补焊等等，通过采用这些简单易行、投资极少的措施的实施，为锅炉安全运行提供了保障。

3.3 燃料粒度在线检测技术

入炉煤粒径是否合格对于循环流化床锅炉至关重要，粒径不合格会造成锅炉磨损加剧、流化不良、结焦等异常，严重的甚至会造成停炉事故。

山西河坡发电有限责任公司和山西大学共同开发基于机器视觉的燃料粒度在线检测技术，该技术对入炉燃料进行粒度分析，在细碎煤机出口输煤皮带上装设光学分析装置，测量有关煤粒度分布、给煤量、平均粒径、粒级质量占比等实时和历史数据并进行超限预警。入炉煤粒径监控为机组配煤掺烧和精细化控制炉膛粒径提供了可靠保障。

4 结论

本文根据山西河坡发电有限责任公司的生产实践，结合循环流化床机组的特点，探讨了影响循环流化床机组长周期运行的因素，并提出了相应的措施，保障了机组的安全长期运行，主要结论如下：

（1）基于流态重构理论基础，低床压优化运行控制，降低颗粒终端速度可以减少有效锅炉磨损。

（2）实施主动防磨措施，加装防磨梁、防磨块可以确保锅炉受热面安全。

（3）应用燃料粒度在线检测技术消除不合格粒径燃料对锅炉的磨损，可以从源头做好锅炉长周期运行的燃料粒径保障。

（4）通过优化控制，减缓锅炉磨损，可确保锅炉主体设备长周期安全运行。