300 MW循环流化床锅炉物料平衡系统性能优化

刘玉浩，申赫男，张明河，苑广存，杨 坤

（1.神华国能山东建设集团有限公司，济南 250101；2.大唐清苑热电有限公司，河北 保定 071003；3.山东石大胜华化工集团股份有限公司，山东 东营 257000）

300 MW循环流化床锅炉物料平衡系统性能优化

刘玉浩1，申赫男2，张明河1，苑广存1，杨 坤3

（1.神华国能山东建设集团有限公司，济南 250101；2.大唐清苑热电有限公司，河北 保定 071003；3.山东石大胜华化工集团股份有限公司，山东 东营 257000）

稳定的物料平衡系统是循环流化床锅炉安全运行的关键，通过300 MW循环流化床锅炉物料平衡系统的性能试验，分析旋风分离器、返料器、原煤破碎系统和排渣器对物料平衡的影响，提出相应的优化措施。减小分离器入口面积，改高压流化风母管供应为独立供风方式，增加原煤粗碎环节，优化排渣器入口和返料器出口结构，以维持合理的物料平衡，降低床压和风机电耗，为循环流化床锅炉经济运行提供借鉴。

物料平衡；旋风分离器；返料器；原煤破碎系统；排渣器；优化措施

0 引言

循环流化床机组与煤粉炉机组相比，在劣质燃料稳定燃烧、污染物综合治理和灰渣高效利用方面存在明显优势，并迅速在大型燃煤电站领域得到广泛应用［1-3］。通常认为循环流化床锅炉炉膛内的床料由有效床存料（循环物料）和无效床料组成。有效床存量是可参与外循环的细颗粒床料，决定炉膛上部的燃烧份额和传热能力，是锅炉带负荷能力的重要保证；无效床存料是指无法被气流带出炉膛的大颗粒床料，这部分床料沉积于炉膛底部，它们对炉膛内燃烧和传热的贡献很小。可见，有效床存量在总存料量中的比重决定了床料质量的高低以及床温、床压控制的难易程度。为此，根据已有研究资料和相关行业标准［4］，采用现场试验和理论计算相结合的方式对300 MW CFB锅炉的物料平衡系统进行研究，分析各主要影响因素与循环物料平衡之间的关系，提出设备和运行优化改进方案，以期获得较高的经济性。

1 设备概况

某电厂300 MW亚临界循环流化床机组锅炉型号为DG1177／17.5-Ⅱ3，为自然循环、一次中间再热、单炉膛平衡通风、紧身封闭、全钢构架的Π型汽包炉。锅炉设计燃料为烟煤，校核燃料为烟煤加矸石。其主要热力参数见表1。辅机系统包括：2台动叶可调轴流式引风机、2台离心式双吸双支撑二次风机、2台离心式双吸双支撑一次风机和3台多级离心式高压头流化风机。输煤系统包括2台德国生产的KRC12×26锤式碎煤机和2台GS1610滚轴筛。

表1 锅炉主要热力参数

2 性能试验分析

循环流化床物料系统的性能分析主要从旋风分离器性能、返料器性能、排渣系统性能和原煤系统4方面进行研究，通过现场试验，分析各组成的影响因素，提出优化方案。

2.1 旋风分离器性能

循环流化床锅炉的物料平衡在很大程度上取决于旋风分离器对床料颗粒特别是有效床料颗粒的分离捕集能力［5-6］。分离器分离效果越好，物料平衡能力越稳定，锅炉负荷调节性能越好。此外，物料平衡还有利于床温和床压的控制，提高锅炉运行经济性。

2.1.1 旋风分离器性能评估方法

旋风分离器的评估通常采用对空气预热器入口烟道处飞灰进行粒度分布测定的方法。飞灰粒度用“筛余份额”和“分布份额”表示，其中“筛余份额”是指在某一粒径以上的飞灰颗粒所占的比例，“分布份额”是指在某一粒径附近的颗粒所占的比例。飞灰“筛余份额”数据可以采用Rosin-Rammler分布函数［7］来拟合，该函数的标准形式为

式中：R（dp）为飞灰的筛余份额，%；dp为飞灰颗粒粒径，μm；de为特征颗粒粒径，即筛余份额为36.8%时对应的粒径，μm；n为均匀性系数。de和n作为描述飞灰颗粒粒度分布的两个特征参数，分别反映颗粒特征粒径的大小和分布范围的宽窄，可用来定量评价分离器的分离性能。分离器的分离效率越高，飞灰粒度分布对应的de越小，n越大。

2.1.2 旋风分离器性能评价

锅炉的飞灰拟合筛余份额曲线如图1所示，其特征粒径de为29.8 μm，均匀性系数n为1.04。研究表明，具有高效分离性能的分离器在额定工况下运行时，飞灰粒度分布数据对应的de应不大于20 μm［8］。由图1中飞灰的分布份额曲线，可看出飞灰存在两个峰值，其相对较小峰值位于3 μm区域，另一较高的分布峰值分布于40 μm附近，表明飞灰的粒径分布不好，较粗和较细部分所占比例较大，相应的该旋风分离器分离效果不尽理想，与设计值存在一定差距。

图1 锅炉空预器入口飞灰粒度分布

此外，旋风分离器入口烟气流速也影响分离器效率。在对旋风分离器尤其是入口烟气流速设计选型时，保证旋风分离器处在较高效率区域内。综合考虑锅炉燃尽特性、排烟损失和辅机电耗，锅炉运行总风量控制在900 km3／h以下，对应炉膛出口过量空气系数为1.05（其炉膛出口过量空气系数设计值为1.20），折算到分离器入口烟气流速比设计值减小约12.5%，已远离旋风分离器运行的高效区域。

在实际额定工况（300 MW）下，选定两个不同总风量工况进行试验，采集飞灰样品进行粒度分析，结果如表2所示。由表2可发现，随着运行总风量由866 km3／h增加到947 km3／h，分离器入口烟气流速相应增大，出口飞灰特征粒径由29.8 μm减小到28.0 μm，均匀性系数由1.04增加到1.09，分离器分离效率进入高效率区，即旋风分离器分离效率随着入口风速的增大而升高。

表2 入口烟气流速对旋风分离器性能指标的影响

2.2 返料系统性能

返料器的作用是将旋风分离器捕集到的有效床料及时返回炉膛，同时抑制炉膛内的烟气反窜进入分离器，性能高低是影响循环物料平衡稳定的关键［9］。

在炉膛差压分别为1.0 kPa和1.2 kPa的工况下，测试锅炉的返料稳定性发现，当返料器的返料腿流化风减小时，旋风分离器的立管压力并未发生明显变化，说明在大循环流率条件下，返料系统仍可以保持稳定运行。此外，现运行工况下配给的返料腿流化风量远大于返料器的实际需求，返料系统还具有一定的节能空间。

在290 MW负荷工况下，对锅炉炉膛内压力变化进行检查时，发现炉膛A、B侧炉膛床压发生往复摆动现象，俗称为“翻床”［10-11］，床压变化如图 2所示。A、B两侧炉膛床压此消彼长，呈现明显规律性，表明炉膛内流动不稳定，造成后果是炉膛出口温度和汽包压力的波动幅度明显增大，单侧物料循环量增大，另一侧循环物料量减小，两侧差距逐渐增大，可能最终导致停炉。经分析造成该现象的原因是该锅炉采用大宽深比炉膛和多分离器并联的结构，加上返料系统高压流化风供风方式为母管制供风，在高负荷时易造成床压的往复摆动。

图2 炉膛A、B两侧床压摆动过程

针对该问题，可采取适当增大一次风量抑制翻床，但这会增加一次风机电耗和NOx排放浓度，采用每台返料器对应单台高压流化风机的独立供风方式，可避免在中高负荷下发生 “翻床”现象，保证炉内流动的稳定性。

2.3 原煤破碎系统

入炉煤的粒度分布，可影响到整个炉膛内的燃尽程度，进而影响到整个循环物料量，乃至机组的经济性，入炉煤的粒度分布主要受原煤破碎系统性能影响。因此合理的粒度分布是机组节能运行的关键。

该电厂原煤破碎系统为一级细碎机，粒度分布主要通过细碎机间隙调节。原煤破碎系统性能测试是在不同的细碎机间隙条件下，测试细碎机进出口煤粒度分布和辅机电耗变化情况。试验中输煤系统带额定负荷出力，在细碎机最大间隙（24 mm）和最小间隙（12 mm）两个工况下，分别采集细碎机进出口煤样品进行粒度筛分，并记录细碎机运行电耗数据。

图3为细碎机进出口原煤取样筛分的结果，试验表明，细碎机在两种间隙下运行时，出口原煤粒度分布变化很小，如表3所示，原煤破碎系统对入炉煤粒度分布的调节能力不足。

此外由图3可见，细碎机出口原煤中，4 mm以上的粗颗粒份额所占较高，特别是6 mm和8 mm以上的粗颗粒份额为设计值的两倍以上，该部分原煤颗粒成灰粒径主要在2 mm以上，对炉膛内物料循环的贡献极小。

图3 原煤破碎系统性能测试中煤粒度筛分结果

表3 细碎机出口原煤粒度分布 mm

试验发现暴露出该电厂现有的原煤破碎系统对原煤中粗颗粒的破碎能力相对不足，导致入炉煤中大颗粒比例过大，造成物料循环的稳定性较差，锅炉稳定床压较高，不利于锅炉的节能运行。

2.4 排渣系统

锅炉的排渣系统采用6台改进型松灵式滚筒式冷渣器，实际运行中常出现冷渣器不能连续稳定运行，易发生“流渣”故障［12-15］。“流渣”指冷渣器内热渣不受冷渣器转速控制，短时间内大量从冷渣器出口涌出的现象。“流渣”故障易造成冷渣器出口渣温短时间超过设计的正常运行上限值（151℃），严重影响机组的安全运行，成为潜在隐患的危险源，此外急剧的温升会造成设备使用寿命的缩短。

通过一段时间内对6台冷渣器发生流渣次数进行观察发现，冷渣器转速越高，出力越大，发生流渣的概率越大，原因是冷渣器出口颗粒中，粒径范围小于0.6 mm的细颗粒所占比例较大，约占总份额45.1%，使得大量循环灰随炉膛排渣流失，同时冷渣器转速升高，加剧排渣口附近区域大量循环灰的流入，灰渣流量增大速率变快，热渣流出速度增大，易引起“流渣”。此外，处于锅炉不同位置的冷渣器发生“流渣”的概率也不同。具体表现为靠近炉膛后壁的冷渣器易发生“流渣”，远离炉膛后壁的冷渣器不易发生“流渣”。造成该现象原因是炉膛返料口与排渣口均布置在后墙水冷壁，从返料口进入炉膛内的大量循环物料未能及时与炉内床料充分混合就直接从就近排渣口排出，导致排渣中细颗粒比例偏高、粒度偏细、流动性增强，从而使冷渣器容易发生“流渣”，即冷渣器“流渣”与对应的炉膛排渣口位置存在较强的相关性。

3 解决与优化手段

针对物料平衡系统中的分离器效率偏低，通常采用分离器升级改造来实现分离效率的提高。一般来说可采用对分离器入口防磨浇注料结构进行优化，调整分离器入口截面积，保证分离器入口流速在设计高效分离区，能在一定幅度上提高分离器的分离效率，延长颗粒在主循环回路内的停滞时间，一方面可提高床料质量，降低运行床压；另一方面利于飞灰中残炭的燃尽。基于杨石等［16］的工程经验估算，该电厂CFB有效床压约为3.0 kPa；无效床压约为0.8～1.4 kPa，二者相加可得优化运行床压为3.8～4.4 kPa，而当前运行平均床压约7.2 kPa，还存在2.8～3.4 kPa的降床压节能空间，可节约一、二次风机厂用电率约0.31～0.38个百分点。飞灰含碳量从1.2%降至设计值1.0%，可提高锅炉效率约0.2个百分点。

由于母管制的高压流化风系统不利于中高负荷工况下物料循环系统的稳定运行，机组在中高负荷（250～300 MW）工况下运行时容易出现左右侧炉膛床压往复摆动，导致炉膛出口温度和汽包压力的波动幅度明显增大。建议在高压流化风系统改造中采用风机三运一备，单台风机供单个返料器的供风方式。此外利用停炉检修机会，安排试验对返料系统正常运行所需风量进行摸底，在此基础上确定合适的高压流化风参数，以此作为风机优化选型依据。

针对原煤破碎系统对入炉煤粒度的调节能力差问题，建议对于成灰较硬的煤种，应考虑增加粗碎环节，以防止床料粒度过粗，造成运行调节和检修维护方面的困难。增加原煤粗碎可以减少入炉煤中大颗粒的份额，使入炉煤粒度分布与煤质相适应，在不改造分离器的条件下锅炉运行床压最低可降至5.5 kPa，而当前锅炉当前运行平均床压约7.2 kPa，还存在1.7 kPa的降床压节能空间，根据实验统计结果，可节约一、二次风机厂用电率约0.19个百分点。

针对当前的排渣系统存频繁“流渣”和细颗粒物料的大量流失现象。建议通过返料口结构优化，尽量使循环灰远离排渣口，减少炉膛排渣口附近区域的细颗粒份额；同时从冷渣器入口结构着手，采取措施适当降低冷渣器入口物料的流动性，恢复冷渣器转速对排渣量的控制功能。

4 结语

通过对某电厂CFB锅炉物料循环系统的性能分析，针对系统各部分存在的节能问题提出针对性优化措施。旋风分离器效率低，采用对分离器入口使用耐磨浇注料进行结构优化，保证入口风速处于分离器高效区域；针对返料系统在中高负荷段稳定性差，炉膛左右侧波动问题，建议变母管制高压流化风系统为单台风机供单个返料器的供风方式，保证流化风稳定性；原煤破碎系统对入炉煤粒度的调节能力差，增加粗碎环节，使入炉煤粒度分布与煤质相适应；针对当前的排渣系统存频繁“流渣”和细颗粒物料的大量流失现象，建议通过返料口和冷渣器入口结构优化，保持转速对排渣量的控制功能。

通过上述优化，可在一定程度上保证物料平衡系统稳定性，为降低床压和节能优化运行做好前期工作。

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Material Balance System Performance Optimization of 300 MW CFB Boiler

LIU Yuhao1，SHEN Henan2，ZHANG Minghe1，YUAN Guangcun1，YANG Kun3
（1.Shenhua Guoneng Shandong Construction Group Co.，Ltd.，Jinan 250101，China；2.Datang Qingyuan Co-generation Power Co.，Ltd.，Baoding 071003，China；3.Shandong Shida Shenghua Chemical Group Co.，Ltd.，Dongying 257000，China）

Steady materials balance system is the key to the safe operation of circulating fluidized bed boiler.Through a test on material balance system of 300 MW CFB boiler in a power plant，the effect of cyclone separation device，returned feeder，raw coal crushing system and slag discharge device on material balance is analyzed and corresponding optimization measures are proposed：reducing separation device entrance area，modifying high-pressure fluidized air header system supply into independent way air supply，increasing coal coarsely-broken process，optimizing row slag device entrance and returned feeder export structure and so on.Those can offer references for the domestic circulating fluidized bed boiler.

material balance；cyclone separation device；returned feeder；raw coal crushing system；slag discharge device；optimization measures

TK229.6

：A

：1007－9904（2017）04－0062－04

2016-11-20

刘玉浩（1988），男，主要从事电厂节能诊断、燃烧调整、机组性能试验等电厂技术服务工作。