330 MW 循环流化床锅炉的燃烧优化试验研究

李 楠，赵鹏勃，施 斌，李昱喆，施起荣，钟 毅，高洪培，孙献斌

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209;2.煤基清洁能源国家重点实验室，北京 102209;3.国家电投集团江西电力有限公司分宜发电厂，江西 分宜 336607)

0 引 言

循环流化床(CFB)锅炉可燃烧劣质煤，且调峰性能比煤粉炉好，污染物原始排放低，近年来得到快速发展[1]。其中，带外置床的CFB锅炉很好地解决了CFB锅炉大型化受热面布置不足的问题，孙献斌、张缦等[2-3]分别通过外置床内高温受热面换热系数研究和实炉试验，发现带外置床CFB锅炉床温更加稳定。但是目前国内多数火电厂存在着煤质偏离设计煤种，导致运行参数不合理的问题。因此，有必要对锅炉进行燃烧优化调整，提高锅炉运行的经济性[4]。

国内学者对锅炉的燃烧调整进行了大量的研究。索疆舜等[5]基于影响因子的分析方法，发现二次风的穿透力和一二次风配比对锅炉效率的影响程度最大。胡玉等[6]从多角度分析了影响CFB锅炉固体不完全燃烧损失的主要因素为入炉煤的挥发分、分离器飞灰切割粒径等。洪喜生[7]通过采用低氧燃烧技术，有效降低了锅炉总风量和烟气流速，在减轻壁面磨损的同时实现了经济运行。钟犁等[8]通过调节一、二次风配比，使锅炉平均床温降低20～30 ℃，锅炉效率提高至92.15%。

随着火电装机容量的扩大和煤炭价格的上涨，经济性差的发电机组将被淘汰。节能减排、提高锅炉效率显得尤为重要。本文对某330 MW CFB锅炉进行燃烧优化调整，分析最佳运行参数[9]，为CFB锅炉运行调整提供参考。

1 研究对象及存在的问题

1.1 设备介绍

研究对象为某330 MW带外置床H型CFB锅炉，锅炉配置4台旋风分离器，分置于炉膛两侧，旋风分离器下部为立管，4台分离器立管下部各有1台紧凑型气动均流换热床(CHE)，炉膛左侧的2台外置床内布置高温再热器和低温再热器，主要用来调节再热蒸汽温度，炉膛右侧2台外置床内布置中温过热器Ⅰ和中温过热器Ⅱ,主要用来调节床温。来自分离器的循环灰一部分通过换热床换热后返回炉膛，另一部分直接返回炉膛。锅炉总体布置如图1所示。锅炉主要设计参数见表1，煤质分析见表2。

图1 H型CFB锅炉Fig.1 Model H CFB boiler

蒸发量(BMCR)D/(t·h-1)主蒸汽压力Pgr/MPa主蒸汽温度tgr/℃再热蒸汽流量Dzr/(t·h-1)再热蒸汽进口压力Pzr1/MPa再热蒸汽出口压力Pzr2/MPa再热蒸汽进口温度tzr1/℃再热蒸汽出口温度tzr2/℃1 02518.6543928.94.494.26340543给水压力Pgs/MPa给水温度tgs/℃锅炉热效(BRL)ηgl/%排烟温度θpy/℃一次风温trk1/℃二次风温trk2/℃连续排污率Dpw/%冷渣器排渣温度Tlz/℃20.88258891352602601≤150

表2煤质分析
Table2analysisofcoalproperities

煤种工业分析/%MarAarVdaf元素分析/%CarHarOarNarSarQnet,ar/(MJ·kg-1)设计煤6.0045.0316.0840.682.664.320.690.6214.95试验煤5.9741.3513.5248.891.760.592.30.8216.48

1.2 存在的问题

锅炉运行经济性较差，锅炉效率偏低。且分离器立管温度易超温，限制了锅炉带负荷能力。如图2所示，在负荷310 MW情况下，1、2号立管温度985 ℃，3号立管温度989 ℃，4号立管温度998 ℃，立管温度过高还会增加锅炉外置床结焦的风险。

图2 分离器立管温度Fig.2 Temperature of standpipes

2 试验内容和方法

根据《循环流化床锅炉冷态与燃烧调整试验技术导则》和《300 MW循环流化床锅炉运行导则》，本试验分为2部分。首先进行冷态部分的风量标定、布风板阻力、最小临界流化风量试验；其次，在热态条件下标定空预器出口的温度场和氧含量场，并选择对锅炉效率影响最为明显的氧含量、一次风率、床压、返料风量等参数在不同负荷下进行了优化调整[10]。主要测试方法如下:

1)温度场、氧含量场标定。采用网格法，在空预器出口截面划分设置98个烟气取样点，通过乳胶管连接烟气前处理箱和ROSEMOUNT烟气分析仪，每10 min读取1次数据，测量烟气中的O2含量和温度。

2)氧含量调整试验。在负荷300 MW氧含量3.71%的条件下，同时增大或减小一、二次风量，维持一次风率40%不变，分别进行3.3%、5.8%两个工况变氧含量试验；在250 MW负荷下分别进行8.47%、4.75%、4.44%三个变氧含量试验，分别确定出2种负荷的最佳氧含量范围。

3)一次风率调整试验。维持最佳氧含量运行范围，通过改变一、二次风机出力改变一次风率。分别进行300 MW负荷下的38%、44%、46%的变一次风率试验和250 MW负荷下的40%、50%变一次风率试验。

4)床压调整试验。300 MW试验工况维持锅炉氧含量3.3%左右，床压分别为10.3、9.1、8.2 kPa；250 MW试验工况维持氧含量4.75%左右，床压分别为9.4、8.5、7.7 kPa。

5)外置床调整试验。维持1、2号外置床均流风量不变，调节3、4号外置床均流风开度，同时维持氧含量、一次风率不变。

3 试验结果及分析

3.1 入炉煤粒径分析

经过对入炉煤取样分析，发现入炉煤粒径偏细，如图3所示。锅炉设计入炉煤d50=1 100 μm，实际入炉煤粒径d50=607 μm。入炉煤细组分较多，参加外循环的飞灰量也将增加，造成分离器立管处物料循环不畅，外置床内物料流化不良。

图3 燃料粒径分布Fig.3 Particle size distribution of coal

当锅炉负荷增加后，循环灰量随之增加，物料中未燃尽的碳也将大大增加，在分离器立管内含碳物料会继续燃烧放热，加之物料增加后立管灰流动性变差，立管温度随之升高，从而增加结焦风险。文献[11]报道了某300 MW CFB锅炉由于物料细组分过多而导致高温灰流动性差，进而造成分离器立管及外置床异常的事件。

3.2 氧含量的调整

氧含量的变化通过调节二次风机出力来控制总风量，CFB 锅炉的总风量要保证炉内物料正常流化的同时也要保证燃料的充分燃烧。随着总风量的提高，炉膛氧含量相应提高，O2的传质速率和气固反应速度加快。燃料颗粒在炉内停留时间、反应时间一定时，燃烧反应程度和燃料燃尽程度相对提高，表现为灰渣含碳量降低，锅炉效率提高。

氧含量与锅炉效率的关系如图4所示。负荷300 MW、一次风率40%条件下，氧含量3%～4%、5%～6%的锅炉效率高达90.77%、89.98%。250 MW负荷下，氧含量4.44%、4.75%的锅炉效率分别为88.93%、89.67%，氧含量5.0%～5.5%的锅炉效率为89.53%，氧含量超过8%以后锅炉效率大幅降低，为87.33%。这是因为250 MW氧含量在8%左右会导致排烟损失的增加量大大超过固体不完全燃烧损失的减小量。250 MW负荷下，锅炉氧含量保持4.75%为最佳。

图4 氧含量与锅炉效率的关系Fig.4 Relationship between oxygen content and boiler efficiency

3.3 一次风率的调整

一次风最主要的作用是保证物料的正常流化，避免结焦，同时为炉膛密相区提供氧含量[12]。通常，随着一次风率的增加，密相区的燃烧份额相应增加，稀相区的燃烧份额相对减少。试验入炉煤为贫煤，由于其挥发分较低、燃烧放热慢，在进入炉膛后需先吸热再放热，炉膛会被过高的一次风率冷却，对保持床温不利。因此，一、二次风的合理分配有利于控制床温和污染物生成。

一次风率与锅炉效率的关系如图5所示，300 MW负荷下，氧含量3.3%左右，一次风率在44%、46%的锅炉效率最高89.42%，一次风率为38%锅炉效率最高达到90.7%。250 MW负荷下，氧含量4.5%～5.0%,一次风率40%的工况锅炉效率均在89%以上，50%一次风率的锅炉效率低至88.93%。因此，对于试验锅炉，在250 MW负荷以上时，建议一次风率维持40%。

图5 一次风率与锅炉效率的关系Fig.5 Relationship between primary air rate and boiler efficiency

3.4 床压的调整

300 MW和250 MW负荷下锅炉变床压运行特性如图6所示。调节一、二次风配比，适当减小一次风，增大二次风。由于床压降低，二次风穿透力增强，使炉内贫氧区域减小，飞灰可燃物含量降低。300 MW负荷下锅炉效率由89.64%提高至91.36%，锅炉六大风机功率从17 800 kW降低为13 440 kW；250 MW负荷下锅炉效率由89.97%提高至90.22%，锅炉六大风机功率从10 115 kW降低为9 719 kW。结果表明，在一定范围内适当降低锅炉床压，不仅可以提高锅炉燃尽性，还可以节省厂用电。如果继续降低床压，锅炉效率反而会降低，这是由于炉内物料浓度与内循环量的减少，炉膛下部热量向上传递困难，导致燃料燃尽困难，固体不完全燃烧损失增加。孙献斌[13]研究发现，低床压仅适用于燃用高挥发分煤种的锅炉，对于大中型CFB锅炉，为追求节省厂用电而维持过低的床压还可能会导致密相区结焦的问题。

图6 锅炉变床压运行特性Fig.6 Operating characteristics of boiler under different bed pressure

3.5 外置床调整试验

物料平衡是CFB锅炉正常运行的基础[14]，外置床必须能够适应锅炉参数及负荷的变化，使物料保持正常的外循环，将分离下来的飞灰送入炉内，同时防止炉内热烟气反窜进入旋风分离器。

250 MW负荷下外置床均流风开度试验结果如图7所示。由于本锅炉1、2号外置床调节再热汽温，3、4号外置床调整床温，为保证主蒸汽温度、压力正常，保持1、2号外置床均流风开度不变，开大3、4号外置床均流风。结果表明，将均流风开度从50%开大至100%，锅炉床温降低20～30 ℃，分离器立管温度最高点降低15 ℃，同时减温水用量减少20 t/h。

图7 均流风开度对锅炉的影响Fig.7 Influence of material-returning air flow on boiler

在床温较高的情况下，首先应使用外置床来调节床温，检查3、4号外置床均流风开度是否还有裕量，在均流风全开的情况下再考虑其他调整手段。

4 技术改造方案

4.1 增加润滑风系统

针对分离器立管返料不畅，常乐等[15]提出了一种基于运行参数调整的处理方法。这种方法需将风室压力、床压、一次风量、炉膛负压、返料风量以及稀相区差压等参数同时调到某给定值，在实际操作中比较难以实现；其次，给定值仅适用某一特定负荷，无法应对负荷的变动。

该炉型锅炉外置床由5个风室组成，分配室、高温回料室、均流室为高温区域，温度在800～1 000 ℃，换热室、低温回料室温度在400～600 ℃。外置床仅在风室底部设置布风板风帽，其他再无进风。因此，可在分离器立管及外置床增设润滑风系统，使外循环物料快速移动返回炉膛，降低立管温度；快速移动的物料同时将立管内热量及时带入炉膛密相区，从而使整个循环回路温度场分布均匀，润滑风系统如图8所示。

图8 分离器立管润滑风系统Fig.8 Lubricating air system of standpipe

4.2 播煤风风源移位改造

通过一、二风配比试验发现，在高负荷下锅炉二次风系统出力不足，一次风系统裕度较大。建议更改播煤风母管接口位置，将播煤风母管接入位置由二次热风改为一次热风。更改后二次风调节范围变宽，利于燃料的燃尽。且播煤风母管压力提高，可有效防止炉内热风反窜入给煤系统，提高给煤系统运行可靠性。

5 结 论

1)入炉煤粒径分布曲线偏离设计煤种严重且细组分较多时，会导致含碳物料在分离器立管堆积，造成立管超温，可以通过增加润滑风系统，加速物料循环来降低分离器立管温度。

2)通过优化燃烧调整，确定了锅炉常用负荷下的最佳运行参数:300 MW负荷下氧含量3.3%、床压8.2 kPa、一次风率38%，锅炉负荷91.36%；250 MW负荷下氧含量4.75%，床压7.7 kPa，一次风率40%，锅炉负荷90.22%。

3)在锅炉的300 MW和250 MW运行工况下，适当降低床压和一次风率，可以提高锅炉效率并减小锅炉侧风机出力，节省用电。

参考文献(References):

[1] 向柏祥,李建峰,杨海瑞,等.大中型循环流化床锅炉机组运行现状分析[J].锅炉技术,2016,47(5):31-42.

XIANG Boxiang,LI Jianfeng,YANG Hairui,et al.The operation analysis of medium-sized circulating fluidized bed boiler units[J].Boiler Technology,2016,47(5):31-42.

[2] 孙献斌,胡昌华,李星华,等.600 MW 超临界循环流化床锅炉外置床壁温特性分析[J].电力建设,2014,35(4):6-9.

SUN Xianbin,HU Changhua,LI Xinghua,et al.Tube wall temperature characteristic of external heat exchanger in 600 MW supercritical CFB boiler[J].Electric Power Construction,2014,35(4):6-9.

[3] 张缦,吴海波,孙运凯,等.大型循环流化床锅炉外置换热器运行特性分析[J].中国电机工程学报,2012,34(12):42-48.

ZHANG Man,WU Haibo,SUN Yunkai,et al.Operation characteristics of fluidized bed heat exchanger of large-scale circulating fluidized bed boiler[J].Proceedings of the CSEE,2012,34(12):42-48.

[4] 孟桂祥,王伟,马化杰,等.某 330 MW 锅炉燃烧调整实验及优化运行分析[J].电站系统工程,2014,30(6):25-28.

MENG Guixiang,WANG Wei,MA Huajie,et al.Combustion adjusted experiments and optimized operating analysis of the 330 MW boiler[J].Power System Engineering,2014,30(6):25-28.

[5] 索疆舜,崔志刚,马素霞.CFB锅炉飞灰含碳量影响因素分析[J].热力发电,2016,45(7):84-92.

SUO Jiangshun,CUI Zhigang,MA Suxia.Influence factors of carbon content in fly ash in circulating fluidized bed boiler[J].Thermal Power Generation,2016,45(7):84-92.

[6] 胡玉,吴海波.330 MW CFB锅炉燃烧调整与经济运行技术研究[J].电站系统工程,2016,32(5):23-27.

HU Yu,WU Haibo.Study of 330 MW CFB boiler combustion adjustment and economic operation technology[J].Power System Engineering,2016,32(5):23-27.

[7] 洪喜生.300 MW机组循环流化床锅炉低氧量燃烧优化调整试验分析[J].内蒙古电力技术,2016,34(2):56-58.

HONG Xisheng.Optimization and adjustment of low oxygen content combustion in 300 MW CFB boiler[J].Inner Mongolia Electric Power,2016,34(2):56-58.

[8] 钟犁,徐正泉,曹幸卫,等.300 MW机组循环流化床锅炉燃烧调整的试验研究[J].热力发电,2012,41(5):69-76.

ZHONG Li,XU Zhengquan,CAO Xingwei,et al.Test study on combustion adjustment of one CFB boiler for 300 MW unit[J].Thermal Power Generation,2012,41(5):69-76.

[9] 高继录,邹天舒,冷杰,等.1 000 MW超超临界锅炉燃烧调整的试验研究[J].动力工程学报,2012,32(10):741-746.

GAO Jilu,ZOU Tianshu,LENG Jie,et al.Test study on combustion adjustment for 1 000 MW ultra supercritical boiler[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2012,32(10):741-746.

[10] 张敏.CFB锅炉燃烧优化调整试验方法研究与应用[J].热力发电,2009,38(9):63-69.

ZHANG Min.Research and application of tuning test for optimizing CFB boiler combustion[J].Thermal Power Generation,2009,38(9):63-69.

[11] 李克章.300 MW CFB锅炉外置式换热器的泄漏治理及运行优化[D].北京:华北电力大学,2016:33-35.

[12] 杨磊,解雪涛,李战国.330 MW 循环流化床锅炉燃烧初调整试验参数分析[J].电站系统工程,2012,28(6):25-28.

YANG Lei,XIE Xuetao,LI Zhanguo.Analysis of 330 MW CFB unit combustion adjustment test parameter[J].Power System Engineering,2012,28(6):25-28.

[13] 孙献斌.循环流化床锅炉浅床运行技术及大型化分析研究[J].洁净煤技术,2009,12(2):57-59.

SUN Xianbin.Operating technology and analysis research of scaling-up in shallow bed of circulating fluidized bed boiler[J].Clean Coal Technology,2009,12(2):57-59.

[14] 王智微,陈文跃,倪蛟,等.循环流化床锅炉回料阀风量优化调整试验[J].热力发电,2013,42(1):97-99.

WANG Zhiwei,CHEN Wenyue,NI Jiao,et al.Adjustment of loop seal in CFB boilers[J].Thermal Power Generation,2013,42(1):97-99.

[15] 常乐,李伟,张拓.国产330 MW循环流化床锅炉分离器立管高料位压力变正值问题分析及处理措施[J].锅炉制造,2010(2):36-38.

CHANG Le,LI Wei,ZHANG Tuo.Analysis and treatment measures of domestic 330 MW CFB boiler separator riser high-level pressure positive change[J].Boiler Manufacturing,2010(2):36-38.