某油页岩电站CFB 锅炉流渣原因分析及应对措施

何文锋，白 锋，雷 宇，张 保

(中国能源建设集团华南电力试验研究院有限公司，广东 广州 510799)

0 引言

某2×235 MW 油页岩电站项目(以下简称“该油页岩电站项目”)滚筒冷渣器通过循环流化床锅炉(以下简称“CFB 锅炉”)排出的灰渣进行冷却，将灰渣物理热回收进入凝结水系统，既提高了燃料的热量利用率，又完成了对灰渣的输送[1]。该油页岩电站项目自整套启动以来，2 台锅炉的40 台滚筒冷渣器均出现了不同程度的流渣问题，尤其是在机组变负荷期间，大量底渣快速进入冷渣器，冷渣器超负荷跳停，无法重新启动，对于锅炉稳定运行造成威胁[2]。同时，大量热渣未经冷却快速冲入下游的链式输送机和斗提机，超出设计温度，容易造成部件变形导致排渣系统故障[3]。炉内热渣在短时间内大量进入冷渣器，会使锅炉床压短时间内快速下降，对循环流化床锅炉保持稳定料层厚度非常不利[4]。同时，冷渣器流渣需要打开冷渣器进行处理，污染厂区环境，而且高温检修作业时可能对人身和设备安全构成威胁[5]。

本文分析该油页岩电站项目循环流化床锅炉滚筒冷渣器流渣原因，提出相应的解决措施。

1 流渣原因分析

1.1 燃料分析

油页岩是一种高灰分、高挥发分、低热值的劣质燃料。该油页岩电站燃料消耗量大，在最恶劣工况下物料处理能力达1 600 t/h，燃料工业分析与元素分析结果见表1 所列。

表1 油页岩燃料工业分析及元素分析结果

该油页岩电站锅炉燃料粒径质量占比在设计规划上并未与物料处理工艺及产量进行匹配，未给极端情况下留有足够可变范围，实际运行过程中燃料粒径质量占比与设计偏差较大，具体设计参数见表2 所列。

表2 油页岩燃料粒径质量占比设计参数

某时段油页岩入炉前粒径筛分分析结果见表3 所列。

表3 油页岩粒径筛分分析结果

燃料经二级破碎后进入炉膛，由于物料系统处理能力未能达到设计要求，导致入炉燃料粒径与设计值偏差较大呈粗细两极分化。

对比冷渣器流渣和稳定运行时段所用油页岩，结果显示：油页岩相对于煤的燃烧爆裂特性较弱，油页岩粒径过粗容易导致燃烧不充分，排渣过程中发生二次燃烧，底渣结块从而导致落渣管堵塞；燃料粒径过细会导致炉内密相区和稀相区分层不明显，同时粒径过小会导致底渣流动性增强，从而难以在冷渣器下渣管处形成渣封(渣封是指渣颗粒在锅炉排渣管出口处堆积的料柱)，对流动起阻碍作用，且与管内渣形成的料柱共同起到对气体的密封作用，以抵消炉膛与冷渣器筒内之间的差压达到稳定连续的渣流，容易造成渣流喷射从而引发流渣。

同一冷渣器及相同发电负荷下，连续14 d每天按1 个工况，编号为工况1 至工况14，则各工况燃料粒径与排渣情况对比分析详见表4所列。

表4 燃料粒径与排渣情况分析表

燃料粒径在接近设计范围时冷渣器排渣正常，燃料粒径过粗排渣管容易发生堵渣，过细则冷渣器容易发生流渣。

1.2 床压及流化风

经多次调整发现，床压维持在4.5～5.5 kPa间运行排渣相对稳定，流化风量宜在对应负荷的设计范围内运行。流化风过高容易导致炉床稀相区上移，密相区分层不明显，灰渣沉降速度变慢，落渣管渣封不足容易被炉膛内气相裹挟固相底渣形成喷射渣流冲破渣封，大幅度增加了流渣发生的几率，流化风的增加也使床压上升，流渣问题会持续恶化。

1.3 冷渣器结构

当冷渣器机不转动的时候，锅炉排渣通过入口斜管进入冷渣器，在斜管出口与冷渣器内壁之间形成稳定的堆积椎体渣封，如图1 所示。

图1 冷渣器结构示意图

当冷渣器滚筒连续转动时，堆积椎体被冷渣器内部的螺旋鳍片破坏，并向出口侧移动；移动过程中，渣的热量被水冷滚筒吸收。随着新的热渣不断从斜管流出，和冷却后的渣从滚筒出口离开，实现了连续排渣降温过程。

渣封的形成与下渣连续性、下渣速度和筒体底部渣存量有关系。如果下渣管内不能形成连续的渣流，从炉膛进入下渣管的风和热渣便会形成气力输送状态，从而破坏渣封。如果下渣管中的流动过于流畅，下渣速度过快，前面的细渣流动快，后面的粗渣流动较慢，中部就会形成断流，致使下渣管出口的地方出现空缺，也无法形成渣封。如果筒体底部渣量过少，下渣管出口位置同样易出现空缺，也难以形成良好的渣封。

导致滚筒冷渣器出现流渣的原因主要包括以下两个因素：1)下渣管出口距离冷渣器筒体距离太大，难以形成良好的渣封，滚筒冷渣器转动控制滞后于炉膛排渣时，渣封被破坏，容易产生流渣问题；2)下渣管尺寸较短，且几乎垂直于冷渣器进口，下渣管的阻力过小，导致下渣门打开后排渣过快。

1.4 风室内落渣管结构

循环流化床锅炉的落渣管穿过一次风室进入冷渣器进渣口，风室内下渣管结构如图2所示。

图2 风室内下渣管结构

风室部分的落渣管工作工况变化大，内部有600 ℃左右的灰渣通过，外部有250 ℃左右的一次风，落渣管上布置有清堵用的空气炮，管道内部出现堵塞情况时还可能需要人工敲击清堵。运行中发现：下渣管膨胀节膨胀量不够，长时间使用空气炮和人工清堵，膨胀节的焊口大面积裂开，一次热风通过裂口吹到下渣管，形成气力输送，排渣状况恶化，加剧流渣。

2 流渣应对措施

2.1 燃料调整

严格控制入炉燃料粒径，燃料粒径尽量符合锅炉设计要求，及时筛分燃料粒径。通过及时调整料场破碎机和细筛的工况，基本上能够保证入炉燃料粒径接近设计要求，冷渣器流渣现象得到很大缓解。

2.2 结构调整

及时检查落渣管与冷渣器内壁间隙(以下简称“落渣管间隙”)，调整至70～100 mm，有效增大堆积阻力，加强渣封作用，同时可以使冷渣器电流下降，处理能力增强。冷渣器设计参数见表5 所列。

表5 冷渣器设计参数

同一机组及相同工况下，单台冷渣器与落渣管间隙调整时运行参数对比见表6 所列。

表6 单台冷渣器在落渣管不同间隙下运行参数

落渣管间隙调整前后对比如图3 所示。调整前、调整后的落渣管间隙分别为240 mm 和95 mm。

图3 落渣管间隙调整前后对比图

更换膨胀系数更大的膨胀节，对膨胀节外部进行密封处理，避免一次热风对膨胀节的冲击，从而保证膨胀节能够正常工作。

2.3 运行调整

适当提高一次风量，可有效抑制流渣。提高一次风量能够促进密相区内颗粒混合扩散，避免在横向和纵向的燃料整体密度分布不均，从而抑制排渣过程中交替出现的堵渣和流渣现象。另外，合适的一次风、二次风配比会影响到灰渣中可燃物含量的高低，可以避免灰渣二次燃烧带来的冷渣器超温问题。

对床压自动进行比例积分微分控制(proportional integral derivative，PID) 修正，使控制过程缓慢进行，从而使冷渣器速度变化放慢，增加系统稳定性，严禁急升急降情况发生，应缓慢操作，提前设置偏置控制[6]。

原有设计流渣的联锁保护为：冷渣器运行电流＞40 A。后经摸索排查发现，每当入口温度温升率＞15 ℃/min 时，冷渣器电流在其1 min 后触发流渣保护如图4 所示。

图4 冷渣器入口温度与运行电流变化

随后再次启动冷渣器则显示过流故障，冷渣器开盖后发现已发生流渣现象，为保证设备安全及稳定运行随后增加冷渣器入口温升速率限制逻辑，当温升率＞10 ℃/min 时应立即自动关闭落渣气动闸板，有效阻断流渣发生。后经优化，在机组不同负荷区间下冷渣器入口渣温所对应的流渣温升率保护定值如图5 所示。

图5 运行分段区间冷渣器入口温度与流渣温升率保护定值

同时增加落渣温度过高、冷渣器电流过大、冷渣器出水温度过高关闭落渣气动闸板、降低冷渣器转速的逻辑，冷渣器保护一旦发生动作应待条件恢复后重新投用[7]。

3 结语

针对该油页岩电站项目滚筒冷渣器出现的流渣现象，文章提出落渣管设计和膨胀节优化的方案，同时从锅炉运行方式和入炉煤粒径控制等方面提出相应的改进措施。以上应对措施实施后，该油页岩电站项目冷渣器流渣情况得到很大改善，使机组顺利调试及稳定运行，确保机组的顺利移交，为后续商业运行奠定基础。