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690 t/h循环流化床锅炉设计特点与运行特性分析
吕清刚, 宋国良, 孙运凯, 包绍麟, 那永洁, 王东宇
(中国科学院工程热物理研究所,北京100190)
摘 要:介绍了国内首台不带外置换热器的690 t/h超高压再热循环流化床锅炉的设计特点,并比较了国内外同容量等级循环流化床锅炉的技术特性,分析了不同负荷下的运行调节特性、性能鉴定试验结果和运行过程中暴露出的主要问题及其解决方案.运行与试验结果表明:锅炉主要运行参数与设计参数吻合,主要性能指标均优于或达到性能设计值;将部分过热屏改为水冷蒸发屏,并采用新型风帽结构和减少风帽数量,可有效解决过热蒸汽减温水量偏大与风帽漏渣问题,为更大容量等级循环流化床锅炉的优化设计与运行提供了参考.
关键词:循环流化床锅炉;设计特点;运行特点;性能鉴定
文章编号:1674-7607(2010)12-0899-05 中图分类号:TK229.65 文献标识码:A 学科分类号:470.30
循环流化床锅炉由于具有优越的环保特性、燃
料适应性及良好的负荷调节特性而得到了迅速发展,特别是国内自主技术开发的循环流化床锅炉正逐渐实现大型化与高参数化[1].神华亿利能源有限责任公司4台690 t/h超高压循环流化床锅炉[2]是由中国科学院工程热物理研究所与上海锅炉厂有限公司共同研究开发的,是国内首台不带外置换热器的690 t/h循环流化床锅炉.4台机组先后于2007年11月至2008年8月顺利通过72+24 h满负荷试运后投入商业运行[3-4],其中1号机组从2009年3月27日至2009年10月14日实现连续稳定运行201天的纪录.4台机组于2009年9月通过了由西安热工研究院有限公司组织的性能鉴定试验,于2010年1月20日通过了由中国电力企业联合会和中国机械工业联合会联合组织的科技成果鉴定.4台机组的运行及性能测试结果表明:锅炉的各项性能指标达到同容量锅炉的国际先进水平[5-6].本文通过对国内首台无外置换热器的690 t/h超高压循环流化床锅炉设计与运行技术特性的深入研究,为我国自主技术更大容量与更高参数等级(300~600MW)循环流化床锅炉的优化设计与运行提供一定的参考与借鉴.
1 锅炉设计条件及主要参数
锅炉设计煤种与4个工况的性能鉴定试验煤种煤质分析见表1.煤的入炉粒度为0~10 mm,50%切割粒径d50为1.5 mm.在锅炉最大连续蒸发量(BMCR)与额定蒸发量(ECR)下,锅炉的主要蒸汽参数见表2.
2 锅炉设计特点
2.1 炉膛结构
与Foster Wheeler(F-W)公司的Turów电厂3台665 t/h循环流化床锅炉一样,本锅炉炉膛采用单炉膛单布风板结构,而Alstom公司的Gardanne电厂700 t/h循环流化床锅炉采用单炉膛双布风板方案[5].从目前200 MW等级循环流化床锅炉炉膛结构型式来看,这2种炉膛结构型式的炉膛容积相当,采用不同布置方案最根本的原因在于二次风穿透性的考虑.对二次风穿透性,单炉膛单布风板结构采用减小炉膛深度、加长炉膛宽度的方法;而单炉膛双布风板布置方案的关键是各自炉膛的床压控制,床压受两边一次风、二次风配比的影响最显著,这需要在一次风道里安装调节比较灵敏的风门,单炉膛单布风板布置则没有以上问题,下部的流化及燃烧都很均匀.
2.2 给煤方式
本锅炉采用炉前集中给煤技术,6个给煤口沿宽度方向均匀布置在炉膛前墙,给煤装置采用非机械传动部件,输煤线路短、运行可靠.法国Gardanne电厂700 t/h循环流化床锅炉采用4点回料管给煤方式[5],在炉膛下部采用支腿结构,一旦某条给煤线停运,则必须加大该支腿另一条给煤线的给煤量,同时在停运的给煤线一侧投油,以保证锅炉的受热平衡和两支腿的床压平衡.
另外,后墙给煤方式存在给煤线过长、可靠性不高的问题.实际运行结果表明,后墙给煤经常出现断煤导致停炉的现象,同时回料管给煤存在因局部烟气温度急剧升高而导致结焦的危险.
2.3 布风方式
本锅炉采用了最新的风帽布风技术,通过芯管上部侧壁开孔的内嵌逆流柱型风帽,使布风均匀性与防漏渣功能得到进一步的改善,现场运行结果已对该新型风帽布风技术效果进行了充分的验证.波兰Turów电厂3台665 t/h循环流化床锅炉采用猪尾巴型风帽[6].猪尾巴风帽布风均匀,不存在磨损问题,但布风板流动阻力偏大,风帽弯管部分易堵塞,难于清理.波兰Turów电厂3台720 t/h循环流化床锅炉采用箭型风帽[7],箭型风帽的好处是不用清灰、维修量少,缺点是风室漏渣严重.
2.4 炉内受热面布置方式
本锅炉采用炉内上方布置双级屏式过热受热面,可有效吸收炉内热量,使炉膛温度分布更均匀合理,保证锅炉在低负荷运行时具有良好的过热蒸汽参数调节特性.波兰Turów电厂3台665 t/h循环流化床锅炉炉膛内布置了抗磨的14片Ω管屏过热器[6];3台720 t/h循环流化床锅炉炉膛内布置了翼墙管屏和炉内水冷分隔墙[7],其中炉内水冷分隔墙可达到接近一半炉膛深度,炉膛上部前后墙各布置2片水冷屏.
2.5 热力分配方式
本锅炉不采用外置换热器,使系统与操作简单化,系统运行更可靠,同时也充分验证了在不采用外置换热器条件下,同样可以实现690 t/h容量等级循环流化床锅炉的稳定运行.波兰Turów电厂3台720 t/h循环流化床锅炉采用F-W公司的Intrex外置换热器,法国Gardanne电厂700 t/h循环流化床锅炉采用Alstom公司的独立式外置换热器.在循环流化床锅炉的大型化过程中,外置换热器的引入尽管解决了炉内受热面布置受限制的问题,使低负荷和变负荷工况下的床温与再热器汽温调节灵活性得到很大改善,但也会使系统变得复杂,安装、操作运行、控制与维护也相应复杂化.
2.6 再热汽温调节方式
本锅炉采用双烟道技术,通过烟气挡板使再热汽温的调节更加灵活,而且结构简单、运行可靠.国内外同容量等级循环流化床锅炉的再热汽温主要通过外置换热器或旁路来调节,系统变得复杂.如Al-stom公司与西安热工研究院有限公司均采用外置式换热器并辅以喷水减温调节再热汽温[8],操作系统较复杂.F-W公司采用蒸汽旁路调节再热汽温无需喷水减温器,但管道布置比较复杂,而且对旁路调节阀的调节性能要求较高,需要由制造厂设计和供货.
3 锅炉运行特性分析
3.1 不同负荷下的床温变化特性
锅炉在不同负荷(30%、40%、50%、75%与100%)BMCR下,炉膛床温与空气预热器出口氧量变化特性见图1与图2.
从图1可以看出,在40% BMCR负荷以下,炉膛上部床温与下部床温实测值均低于设计值,但达到40%BMCR负荷时,炉膛上部与下部床温的实测值与设计值比较接近,在锅炉负荷超过50% BMCR以后,炉膛上部与下部床温的实测值稍高于设计值,这与实际运行过程中的煤质变动、运行过程中未投石灰石及一、二次风偏离设计比例等因素有关,特别是一、二次风量运行值与设计值之间的偏离对炉膛温度将产生重要影响[9].同时,随着锅炉负荷的增加,炉膛过渡区和稀相区的固体物料浓度逐渐增大[10],炉膛上部与下部的传热更均匀,煤粒燃烧更充分彻底,从而使炉膛上部与下部床温逐渐趋于一致.从图2可以看出,当锅炉负荷在30% BMCR以下时,空气预热器出口氧含量(10.4%)远远高于其他负荷工况下的氧含量,可见锅炉负荷在30%BMCR下,空气量明显过剩,即在保持炉膛给煤量一定的情况下,过剩的风量降低了炉膛床温,这与图1的试验结果是一致的.
从图2还可以看出,随着锅炉负荷的增加,空气预热器出口氧含量呈逐渐下降趋势,在100% BMCR下,空气预热器出口氧含量降至4.95%,这时飞灰含碳量平均值为0.79%,底渣含碳量平均值小于0.1%,可见随着锅炉负荷的增加,炉内气、固两相之间的掺混加强,煤粒的燃烧更充分.以上运行结果表明,锅炉在30%BMCR~100%BMCR内可以稳定燃烧.
3.2 不同负荷下的蒸汽参数变化特性
在不同负荷(30%、40%、50%、75%与100%)BMCR下,锅炉蒸汽参数(主蒸汽流量与温度、再热蒸汽温度)的变化特性见图3.从图3(a)可以看出,在低负荷下,主蒸汽流量实测值稍高于设计值,但在高负荷下,主蒸汽流量实测值接近设计值,且锅炉负荷越高,主蒸汽流量实测值越接近设计值.
从图3(b)可以看出,在低负荷与高负荷下,主蒸汽温度实测值与设计值比较接近,在锅炉负荷在40%BMCR~100%BMCR时,主蒸汽温度实测值稍低于设计值,但最大偏差仅为1.3%.
从图3(c)可以看出,再热蒸汽温度随锅炉负荷的变化趋势与主蒸汽温度随锅炉负荷的变化趋势基本一致.
由以上分析可知,锅炉的过热蒸汽参数和再热蒸汽参数完全达到了额定负荷要求,可见在锅炉受热面系统设计中,受热面积的大小及布置、烟气流速和蒸汽流速的选取是非常合理的.
3.3 锅炉性能鉴定试验分析
2009年2月17—20日与9月19—21日,西安热工研究院有限公司对神华亿利能源有限公司690t/h超高压再热循环流化床锅炉3号与1号机组分别进行了性能鉴定试验.性能鉴定试验煤质已列于表1中,4个工况的性能鉴定试验结果见表3.
由表3可知,1号与3号锅炉最大连续蒸发量均大于设计值690 t/h,过热与再热蒸汽温度达到额定值(540±5)℃,1号与3号锅炉修正后锅炉效率平均值分别为92.34%与92.53%,均大于设计值91.70%,高于国外同样无外置换热器的Turów电厂的3台665 t/h循环流化床锅炉效率(91.2%)[6].1号与3号锅炉NOx排放浓度平均值分别为199 mg/m3与239 mg/m3,均低于设计值241 mg/m3.与国际同容量等级循环流化床锅炉相比,NOx排放浓度低于法国Gardenne电厂700 t/h循环流化床锅炉(240~303 mg/m3)[5]、美国RedHills电厂2台753 t/h循环流化床锅炉(260 mg/m3)[11]和Turów电厂3台720 t/h循环流化床锅炉(239~275 mg/m3)[7],本锅炉NOx排放水平与燃用优质煤的F-W公司与Alstom公司循环流化床锅炉NOx排放水平比较接近.
在1号锅炉性能试验期间,石灰石给料机转速超过36%时,石灰石给料管路即发生堵塞,未能取得有效SO2排放浓度数据.对3号锅炉石灰石给料系统进行改造后,性能试验结果显示SO2排放浓度((O2)=6%)为96 mg/m3,优于设计值254 mg/m3,低于国内外同容量等级循环流化床锅炉SO2的排放浓度.
4·锅炉运行过程中存在的问题及改进
神华亿利能源有限公司4台690 t/h超高压循环流化床锅炉一年多的运行实践表明,各项性能指标均优于设计值,床压稳定,炉膛受热面磨损小,锅炉总体运行效果令人满意,但锅炉在运行过程中也暴露出一些问题.
4.1 锅炉过热蒸汽减温水量偏大
炉膛出口烟气温度比设计值偏高10 K,使炉内低温过热屏、中温过热屏及尾部高温过热器的吸热量有所增加,从而增大了过热蒸汽减温水量,这种因煤质波动而导致减温水量偏大的现象曾在150 MW等级循环流化床锅炉上出现过[12].过热蒸汽减温水量偏大的解决方案是将一片低温过热屏和一片中温过热屏改造为水冷蒸发屏,改造后屏式过热器运行结果达到了预期效果,屏式过热器冷段出口汽温比改造前降低20~25 K,炉膛出口烟气温度比改造前降低10 K,主给水闸阀不节流可以控制主蒸汽温度,过热蒸汽减温水量恢复到原设计值.
4.2 风帽漏渣
锅炉投运初期,炉膛风帽有漏渣现象,主要是由于设计风帽阻力偏低,容易造成布风不均匀而产生涡流区,布风板上部局部压力大于下部压力,导致炉膛内灰渣通过风帽漏到一次风室.解决方案是将风帽芯管换成上部侧壁开孔的新型结构芯管,同时将原设计的2 615个风帽减少到1 804个.改造后,ECR负荷下风帽阻力增加到5 kPa,在70% BMCR负荷以上运行时,可完全消除风帽漏渣现象,一次风室不再需要放渣清理.
5 结 论
(1)国内首台不采用外置换热器的690 t/h超高压再热循环流化床锅炉设计技术特色明显.运行结果表明:锅炉燃烧稳定、汽温调节灵活、低负荷稳燃性好、可以不投入油燃烧器,能较好地满足机组调峰的需求.
(2)锅炉主要运行参数与设计参数吻合,主要性能指标均达到或优于设计值,参数选取合理.
(3)锅炉热效率高、污染物SO2和NOx排放浓度满足设计要求、环保性能良好,充分体现了循环流化床锅炉的高效低污染特性.
(4)通过将部分过热屏改为水冷蒸发屏,并采用新型风帽结构与减少风量的方法,有效地解决了过热蒸汽减温水量偏大与风帽漏渣问题,为更大容量等级循环流化床锅炉的优化设计与运行提供了参考与借鉴.
参考文献:略
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