490 t/h循环流化床锅炉冷态启动过程节能分析

2013-03-25王金星张佳媛白云龙

东北电力技术 2013年4期

王金星，张佳媛，白云龙，马亚

(1．华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003;2．燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004;3．华能伊敏发电厂，内蒙古呼伦贝尔 021134)

目前对流化床锅炉的启动已经进行一些研究。王永益［1］总结了多台CFB和鼓泡床锅炉启动调试实际经验，并对启动过程中的问题进行分析。李康华等［2］针对CFB锅炉进行了冷态试验和热态点火启动的研究。贾玉平［3］针对燃煤泥流化床锅炉进行了研究，探讨了锅炉启动及运行特性。另外，针对CFB锅炉的启动也进行了大量探讨。赵俊彬等［4］对某440 t/h CFB锅炉压火启动过程中水冷风室发生爆燃的原因进行分析，提出防止风室及炉膛发生爆燃的措施。李寿军等［5］针对300 MW CFB锅炉压火及热态启动过程中的操作要点和注意事项进行分析，得到相关结论。赵斌等［6］针对某490 t/h CFB锅炉，对影响锅炉冷态启动的相关因素进行分析，并提出优化措施。李彦龙等［7］针对3－M14型CFB锅炉冷态试验及调试中存在的问题进行了研究。

近年来，CFB锅炉的经济性研究逐步开展起来。如高恒等［8］提出了提高CFB锅炉热效率的有效措施。梁建红［9］对大型CFB锅炉降低启动用油进行了探索研究。

本文针对东方电厂490 t/h CFB锅炉的冷态启动过程进行研究，以求从节能的角度得到优化。

1 CFB锅炉概况

东方电厂锅炉为上海锅炉厂有限责任公司引进ALSTOM公司技术设计和制造的SG－490/13.8－M572型、超高压、一次中间再热、单锅筒、自然循环CFB锅炉，与2台由南京汽轮机厂制造的150 MW超高压中间再热抽汽式汽轮发电机组相匹配，是以煤矸石为主要燃料的坑口热电联产电站。年发电量为14.85亿kWh，年供热量为290万GJ。

CFB锅炉机组采用全钢架支吊结合的固定方式、半露天布置、平衡通风、床上点火方式、气力除灰、固态机械除渣。主要由锅筒、悬吊全膜式水冷壁炉膛、绝热式旋风分离器、“U”型返料器及尾部烟道对流受热面组成。炉膛与尾部烟道之间布置2台绝热式旋风分离器，其下部各布置1台“U”型返料器，“U”型返料器和管式空气预热器支撑在钢架横梁上。锅炉整体呈左右对称布置，锅炉钢架左右两侧布置副跨，副跨内布置平台通道、省煤器进口管道、主蒸汽管道、再热器进口管道及再热器出口管道。在尾部烟道包覆墙中间设置隔墙包覆过热器，将尾部烟道分隔成前后两个烟道，在前烟道内布置再热器，后烟道内按烟气流向依次布置高温过热器和二级省煤器。再热器和二级省煤器出口设置烟气调温挡板，通过调节挡板开度改变流经再热器的烟气量，从而控制再热蒸汽出口温度。锅炉采用床上启动点火方式，床上左右侧墙各布置2支点火油枪。同时在炉膛底部布置4台滚筒冷渣器。东方电厂CFB锅炉主要技术参数如表1所示。

表1 东方电厂490 t/h CFB锅炉主要技术参数

2 冷态试验

随着CFB锅炉向大型化发展，启动能耗问题尤显突出。在确保锅炉安全的前提下，缩短启动时间、减少燃油消耗量是必须面对的实际工程难题。东方电厂1号锅炉于2008年12月10日首次启动，锅炉冷态启动前进行了相关冷态试验。

2.1 料层流化均匀性

床料在流化状态下，突然停止送风，观察床料的平整程度。若发现床面极不平整甚至有“凸起”现象，应清除床料，查找原因，采取相应措施并及时处理。

2.2 布风板阻力

在布风板不铺床料的工况下，启动引风机、一次风机，调整一次风量，记录风室压力和炉内密相区下部床压，二者的差值即为布风板的阻力。布风板阻力特性曲线如图1所示。

2.3 临界流化风量

料层厚度为900 mm时，初始阶段随着一次风量增大，床压逐渐增大，风量超过130 000 Nm3/h时，继续增大一次风量，床压将不再增大，该风量值即为临界流化风量。

图1 布风板阻力特性曲线

2.4 料层阻力

通过测定不同风量下的风室压力确定料层阻力。改变料层厚度，多次测量，得到不同料层厚度下一次风量与风室压力关系曲线如图2所示。

图2 一次风量与风室压力关系曲线

由图2可知，料层越厚，其临界流化风量越大。试验时，记录不同风量下的风室压力，此时风室压力等于布风板阻力与料层阻力之和，用风室压力减去同一风量下的布风板阻力就得到该料层厚度下的料层阻力。故根据布风板阻力和料层阻力试验测得的结果，可得不同料层厚度下料层阻力和风量之间的关系。锅炉运行时，依据风室压力、一次风量与布风板阻力的关系曲线，亦可判断料层厚度。

通过分析冷态试验过程，风机出力满足运行需要，锅炉各部分阻力正常，两侧通风基本均衡，布风板阻力正常，布风基本均匀，CFB锅炉具备启动条件。

3 冷态启动特性

3.1 理想启动过程

CFB锅炉冷态启动过程主要受一次风量、二次风量、给煤量、床料参数、投煤温度及温升率等诸多因素的影响。为优化锅炉冷态启动过程，需要对CFB锅炉冷态启动影响因素及实际冷态启动过程进行分析，参考厂家提供的理想冷态启动曲线(见图3)作为锅炉实际启动的指导曲线，使锅炉启动过程各参数达到优化状态，以缩短启动时间，降低燃油消耗。

由图3可见，在锅炉理想冷态启动过程中，锅炉从启动点火至满负荷运行仅需7 h，且忽略了冷态启动影响因素对启动过程的影响。但实际冷态启动过程受各种因素的影响，并不能达到理想启动状态。因此，锅炉冷态启动时，需对启动时间延长及启动能耗增加的原因进行分析，并优化冷态启动方案，以达到锅炉节能减排的目标。

3.2 实际启动过程

为分析CFB锅炉冷态启动过程影响因素，优化冷态启动方案。通过采集东方电厂1号CFB锅炉启动过程中70～140 MW范围内运行数据，重点分析变工况条件下主汽参数，一、二次风量，平均床温及给煤量等参数与机组负荷的关系，如图4所示。

由图4(a)可见，当机组负荷变化时，风量与给煤量呈正相关性。可通过增加给煤量和风量调节燃烧，进而改变负荷。因此，在进行变工况燃烧调整时，为防止一次风量变化影响床层流化，造成床压波动进而影响机组运行，CFB锅炉的燃烧调整通常是通过调整二次风量来实现。

由图4(b)可见，机组滑压升负荷，主汽温度保持在530℃左右，主汽压力随机组负荷而增大，并逐渐稳定在12 MPa左右。当机组负荷升至100 MW时，进入定压升负荷阶段。

由图4(c)可见，平均床温随机组负荷而升高，但在锅炉机组冷态启动运行至5 h时，平均床温出现明显波动，延长了冷态启动时间。造成平均床温出现较大幅度波动的原因是锅炉机组在该工况下开始投煤燃烧，油枪出力减小。因此，在CFB锅炉机组冷态启动升负荷过程中，应当确定最佳投煤温度，合理延长煤、油共燃时间，防止平均床温出现明显波动。

1号CFB锅炉冷态启动过程中主汽参数随时间的变化如图4(d)所示。结合图3、图4(c)和图4(d)对比分析锅炉理想冷态启动和实际冷态启动过程可见，锅炉实际启动过程中机组负荷从75～135 MW约需4 h，而理想启动约需2 h;实际启动中主汽温度由440℃升至540℃约需4 h，而理想启动约需3 h;在锅炉实际冷态启动过程中平均床温出现明显波动，延长了启动升温时间。实际冷态启动过程中由于不确定因素的影响导致各参数曲线与理想启动曲线有所偏离，延长了整体启动时间，增加了启动过程中的能耗。因此，解决以上问题并优化CFB锅炉冷态启动过程，是CFB锅炉安全经济运行的关键。

图3 东方电厂CFB锅炉理想冷态启动曲线

图4 东方电厂CFB锅炉实际冷态启动曲线

4 冷态启动方案优化

4.1 CFB锅炉冷态启动阶段

CFB锅炉冷态启动按机组负荷参数可划分为空负荷、升负荷和满负荷3个阶段。

a．空负荷

锅炉冷态启动前进行检查试验，再进行锅炉上水及蒸汽推动。在升温升压过程中防止汽包和受热部件热应力过大，造成损坏。当主汽参数达到一定数值后，进行汽轮机冲转与发电机并网。

b．升负荷

发电机并网带负荷暖机，进入滑压运行方式。25%ECR工况时为全烧油运行;50%ECR工况时，进行油煤混烧工况下的燃烧调整，逐步增加燃煤，停退油枪;75%ECR工况时，进行汽水品质调整。

c．满负荷

保证升负荷工作全部结束、主要监测仪表全部投入、高加及电除尘器投入、蒸汽品质合格、保护全部投入、主要自动装置投入及吹灰系统正常。全面检查、记录设备运行工况及各项运行参数。

4.2 CFB锅炉冷态启动方案优化

a．将冲转前升温速度分为2个阶段，第一阶段升温速度适当调低，在点火初期汽包内外温差较大，此时应控制锅炉升温速率以防止汽包应力过大;第二阶段汽包内外壁温差较小且已趋于稳定，故可适当提高锅炉升温速度使启动速度加快。

b．在准备启动床料时，应保证中宽筛分的比例，在保证安全运行的前提下，尽量减小料层厚度，减小料层在启动时的吸热量。

c．鉴于床上启动点火热利用率低 (一般不超过40%)，造成大量燃油浪费，增加启动能耗，且易造成床料受热不均而产生结焦等安全事故，可逐步进行锅炉点火系统改造，采用床上和床下联合点火配合多油枪、小油量点火方式，进一步提高床料的受热均匀性，降低启动油耗。在启动初期采用热值较高的煤作为点火煤，缩短启动时间。

d．用相邻机组的抽汽 (外来蒸汽)加热受压部件和冷空气，启动过程中各操作步骤间的配合良好，以缩短启动时间，优化锅炉的启动。

东方电厂CFB锅炉投产初期冷态启动至满负荷平均启动时间为12 h，平均每次启动油耗达50 t，且多次发生锅炉结焦事故，使锅炉启动失败，浪费了大量燃油和人力物力，造成经济损失，严重影响锅炉运行经济性。因此，本文通过对CFB锅炉启动过程进行节能分析，对能耗较大环节提出具体节能措施，得出锅炉冷态启动优化方案。根据现场调研，该方案可较大幅度提高锅炉运行经济性。