DG 410/9.81－9型CFB锅炉改造分析

阴建生，刘玉卜，陈 刚

（1.河北华电石家庄热电有限公司，石家庄 050041；2.东方锅炉集团股份有限公司，成都 611731）

近年来，随着全国大范围的煤炭整合，煤炭受产业集中度提高和运输能力制约等因素影响，国内煤价持续高位运行，煤炭供应紧张，符合设计煤种的原煤价格不断上涨，电力企业面临前所未有的生产经营困难。目前煤炭市场难以满足锅炉原设计煤种，煤质变差使锅炉出力长期达不到设计标准，已严重影响到企业的安全生产和经济效益，成为电力企业生产经营管理的薄弱环节。因此，降低企业生产成本，提高企业竞争力，燃用低发热量、高灰分煤种势在必行。河北华电石家庄热电有限公司（简称“石家庄热电厂”）针对DG 410/9.81－9型CFB锅炉燃烧煤种适应性差，长期出力不达标问题，对CFB锅炉进行了炉膛改造，使锅炉恢复了额定出力，取得了较好的经济效益和社会效益。

1 存在的问题

石家庄热电厂八期技改工程，共安装了4台DG 410/9.81－9型 CFB锅炉（21～24号炉）和2台200MW双抽凝汽式汽轮发电机组（21、22号机组）。2台锅炉1台机组为1个单元（23、24号锅炉与22号机组为第1单元，21、22号锅炉和21号机组为第2单元），分别于2003年7月31日和12月1日正式移交试生产。

锅炉原设计煤种的低位发热量为24 200kJ/kg、灰分为23.1%。近几年锅炉实际燃煤偏离设计及校核煤质（热值降低、灰分增大），由于煤种的变化，造成锅炉设备出力不足、效率降低。2009年全年平均负荷为290t/h左右，最大负荷为310t/h，锅炉效率只能达到86%左右，经济效益较差。由于锅炉出力不足，整个采暖期被迫采取压电保热、停机供热等极不经济的运行方式，但仍不能满足市场供热需求。

2 原因分析

2.1 炉膛辐射受热面不足

采用循环流化床燃烧技术设计的锅炉种类较多、煤种适应性较广，但对给定的1台循环流化床锅炉，并不能燃用所有煤种。当燃料发热量、灰分等改变时，床内热平衡的改变将直接影响床温、负荷等参数变化。

随着煤炭市场的波动，CFB锅炉面临着出力不足的难题。锅炉燃煤热值降低、灰分增大时，为恢复锅炉出力，必须增加炉膛的辐射吸热量，是首先需要解决的关键性问题。解决了这个问题，才可以防止锅炉大负荷时出现床温高及各处烟温高的现象，保证锅炉各受热面安全，并降低排烟热损失，提高锅炉运行的经济性。

2.2 控制流化速度高

由于CFB锅炉特有的燃烧机理，在由炉膛、分离器和回料器组成的主回路中存在大量高温、高浓度的物料粒子，对受热面不断进行冲刷，因此带来的锅炉受热面磨损问题，已成为循环流化床锅炉普遍存在的难题。

恢复出力改造，应该从性能上改善主循环回路（尤其是炉膛）的运行环境，解决CFB锅炉的磨损问题。由于目前锅炉燃用煤质较差，灰量和烟气量都较大，造成炉膛上部烟气速度较高，炉膛磨损严重。流化风速是循环流化床运行的控制变量之一，为使快速流化床过程获得最佳效益，流化床需在一定的速度和循环灰流量范围内运行。

物料对管壁的磨损与其速度、浓度及粒度的关系为：E∝W3D2U（式中：E为磨损速度；W为灰粒速度；D为物料粒度；U为灰粒浓度）。物料对管壁的磨损速率与物料流化速度的三次方成正比，与物料浓度二次方成正比，与贴壁流物料浓度成正比。影响磨损的诸因素中最重要的是灰粒速度（即烟气速度），其次是灰粒浓度，其余因素只要合理考虑，对磨损的影响较小。为降低磨损，必须使灰粒速度和灰粒浓度在合理的设计范围。

3 改造措施及技术可行性分析

3.1 改造措施

锅炉改造确定设计煤的低位发热量为17 320 kJ/kg、灰分为39.59%。煤质变差、发热量降低、灰分增大，则单位质量燃料在主循环回路中的有效放热量会较小。采用适当扩大炉膛和增加水冷屏受热面，来实现增加炉膛辐射受热面的目的，提高主循环回路吸热量。

为使流化床快速流化过程获得最佳效益，流化床需在一定的速度和循环灰流量范围内运行，选取合理的炉膛截面适当扩大炉膛宽度，将炉膛上部轴向烟气速度控制在5m/s左右，控制合理的流化速度，适当降低炉膛烟速，减小受热面磨损，延缓水冷壁磨损速度。

3.1.1 扩大炉膛宽度

原设计锅炉炉膛截面尺寸为6 705.6mm（深度）×13 716mm（宽度）。

本次研究数据采用统计软件SPP19.0进行处理,其中计量资料以(±s)表示,采用t校验,计数资料采用χ2校验,以%表示,P<0.05表示差异具有显著性。

改造后炉膛深度尺寸不变（6 705.6mm），在炉膛宽度方向两侧各增加4根管（宽度尺寸增加609.6 mm）。水冷壁增加面积：47m2，约占4%。改造后炉膛截面尺寸为6 705.6mm（深度）×14 325.6mm（宽度）。

扩大炉膛主要涉及的锅炉设备包括：加宽布风板、加宽前后墙水冷壁、延长前后墙水冷壁上下集箱、两侧墙水冷壁集箱位置外移、原有前后墙刚性梁加长并加高、两侧墙平台楼梯局部修改。

3.1.2 增加水冷屏宽度

原设计锅炉水冷屏为3片，原宽度尺寸为1 981.2mm。原水冷屏尺寸见图1。

图1 原水冷屏尺寸

改造后增加水冷屏宽度，即保持水冷屏为3片，在原水冷屏宽度方向上增加10根管子，宽度尺寸增加762mm。水冷屏增加面积59m2，约占40%。改造后水冷屏尺寸见图2。

图2 改造后水冷屏尺寸

增加水冷屏宽度主要涉及的锅炉设备包括：水冷屏、水冷屏分配集箱、水冷屏固定、分散下降管。

经水循环计算，水冷屏加宽后循环回路的自补偿能力没有丧失，满足各管子冷却条件，水循环安全可靠。

3.2 技术可行性分析

3.2.1 增加蒸发受热面

炉膛加宽后，不仅增加炉膛水冷壁的换热面积，还通过加宽原有炉内水冷屏，可以有效增加炉内蒸发受热面，使提高锅炉出力得到保证。经过水循环计算，增加水冷壁及水冷屏后，锅炉水循环安全可靠，不需要另外增加汽水引入和引出管，避免了在汽包上现场增加大直径开孔的难题。

3.2.2 降低流化速度

按照物料对管壁的磨损速度与其流度、浓度及粒度的关系E∝W3D2U，磨损速度将下降20%。从国内已投运CFB锅炉的运行经验看，在炉内防磨措施具备的情况下，炉内流化速度在5m/s及以下的，其炉内磨损较小，当达到5.4m/s及以上，炉膛的磨损速度非常快，并经常出现爆管停炉。今后更严格的环保要求，锅炉石灰石投入量继续增大，将进一步增加锅炉的烟气量，扩大炉膛尺寸，炉内流化速度可控制在5m/s及以下，磨损问题会得到缓解。

3.2.3 降低截面瞬时灰浓度

炉膛截面扩大后，随着炉内烟气流速的降低，单位截面的瞬时灰浓度有所降低，进一步降低了磨损速度。实际燃煤灰量的增加、脱硫指标需求的石灰石量增加，都在恢复出力后使炉内保持较高的灰浓度，扩大炉膛将降低单位时间内的截面灰浓度，利于防止炉内受热面磨损。

3.2.4 增强煤种适应性

锅炉投运初期，在燃煤热值接近原设计煤种时锅炉出力是能够达到410t/h的。随着燃煤热值降低、灰分或水分明显增加，锅炉逐渐凸显带负荷困难、炉内受热面磨损速度加剧、爆管频繁的问题，极大地影响了锅炉的安全稳定运行。虽然采取了增加防磨梁、防磨喷涂等防磨措施，起到了一定的防磨效果，但由煤质特性和炉膛截面尺寸以及旋风分离器决定的烟气流速、灰浓度、灰粒径无法改变，而这些却是影响炉膛受热面磨损速度的直接因素。

近年来，锅炉实际燃煤的发热量基本在14 000～21 000kJ/kg。有时低发热量的煤来煤时间还比较长，特别是在冬季供暖期间，锅炉需要带满负荷运行才能满足外界热负荷，燃用发热量较低、灰分较大的煤，要避免锅炉磨损爆管就非常困难，缺乏进一步降低磨损的有利手段。增大炉膛截面后，在燃用低发热量煤时，烟气流速明显降低，截面灰浓度得到一定削减，可以使磨损速度明显降低，对提高或恢复锅炉蒸发量非常有利。即使在燃用煤质偏好时，锅炉也能通过增加灰浓度来提高燃尽率，减少燃煤损耗。因此，炉膛扩大后锅炉的煤种适应性明显增强。

4 应用效果

4.1 锅炉可靠性提高

改造后的锅炉炉膛增大，炉膛计算流化速度由5.4m/s降低到5m/s，缓解了灰颗粒对水冷壁以及水冷屏的磨损，提高了锅炉安全运行的水平。22号锅炉改造后，从2010年11月正式投入运行到2011年3月供热结束才按计划停炉检修，锅炉长期满负荷运行，运行情况良好，没有出现炉膛磨损爆管，运行可靠性显著提高，连续满负荷运行性能在同类型锅炉中最高。

4.2 带负荷能力强

锅炉改造前最大负荷只能在310t/h运行，改造后，锅炉出力能长期稳定在410t/h，锅炉最大负荷曾达到415t/h，与改造前相比增加锅炉负荷100 t/h，锅炉带负荷能力达到或超过额定出力。锅炉满出力运行后，供热期不需要采取压电保热的不经济运行方式，提高了公司的盈利水平。

4.3 运行经济性好

改造后锅炉运行经济性好，各项指标水平优于同类型、同煤质的锅炉。锅炉改造前飞灰可燃物为13.9%，改造后为10.3%；改造前热效率86.44%，改造后锅炉平均热效率为89.07%，修正到改造前试验煤质平均热效率为89.85%，比修正前提高热效率3.41%。

4.4 煤种适应性好

锅炉煤种适应性更宽，改造后燃烧热值17 320 kJ/kg的煤就能满足出力，而改造之前锅炉需燃用21 000kJ/kg以上的燃煤，改造后燃料成本降低1 700万元/年。

5 结束语

锅炉改造后加宽了炉膛和炉内水冷屏的宽度，有效增加炉膛水冷壁换热面积、增加炉内蒸发受热面，共增加炉膛辐射受热面106m2，使锅炉恢复出力得到保证。控制炉内流化速度由5.4m/s降低到5m/s左右，有效减轻了受热面磨损，果已被东方锅炉用作设计规范。锅炉改造后各项指标参数合格，实现了预期目标，取得了较好的经济效益和社会效益，对同类锅炉出力不足问题的解决具有参考价值。