高倍率循环流化床锅炉运行特点及针对措施分析
2009-9-26
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通过对某热电公司一台高倍率循环流化床锅炉在调试运行中发现的几个问题的分析和讨论，试图摸索出高倍率循环流化床锅炉运行过程中的一些内在规律，并提出相应的处理措施，以指导实际运行操作。
1． 锅炉运行情况概述：
1．1．
该锅炉是由XX锅炉厂生产的XG-130/3.82-M13型中温中压、单汽包、单炉膛、自然循环、全悬吊全钢架“M”型布置的循环流化床锅炉，物料分离和回送装置采用蜗壳式汽冷旋风分离器和“U”型返料器，锅炉采用DCS系统进行控制、操作。
1．2． 主要设计参数为：
额定蒸发量变 130t/h，
主汽压力 3.82Mpa，
主汽温度 450℃，
锅炉热效率 90.37%，
物料循环倍率 25～30，
脱硫效率(Ca/s为2.0时) ≥80%，
燃用设计煤种燃料消耗量 20.06t/h,
石灰石消耗量 0.51t/h,
密、稀相区燃烧份额 6∶4
1．3． 设计燃煤特性：
收到基全水份(My)： 8.22%
收到基挥发份(Vy)： 26.67%
收到基碳(Cy)： 47.56%
收到基灰份(Ay)： 32.11%
收到基氢(Hy)： 2.5%
收到基氧(Oy)： 8.34%
收到基氮(Ny)： 0.77%
收到基全硫(Sy)： 0.4%
入炉煤粒度范围：0～10mm，50%切割粒径d50=1.5mm。
1．4。锅炉调试运行情况：该循环流化床锅炉在调试运行过程中表现出良好的性能，主要表现在运行稳定、带负荷能力强，在最高负荷143t/h时和最低30t/h时仍能保持良好的运行性能。从整个运行情况看，该炉物料分离器分离效率高，因而确保了锅炉物料循环量达到设计要求，从燃烧效果看，该炉燃烧效率很高，飞灰含碳量、底渣含碳分别在5%和1.5%以内，实际燃料消耗量16－18t/h左右。但是，该炉在调试运行中也发生了诸如床层结焦、物料将床层和返料器压死、床层或返料器物料消失、床层返料器结焦等不正常情况，这些不稳定因素严重影响了锅炉运行安全，也造成了较大的直接和间接经济损失。
2．异常情况原因分析：
2．1．从发生异常运行情况时的工况统计数字来看，大多数都处于升、停炉或加、减负荷的变工况过程中，正常运行过程中发生异常情况也是在锅炉负荷较高或较低时但次数较少。也就是说大多数异常情况是发生在锅炉处于一种不稳定工作状态之中。
2．2．高倍率循环流化床锅炉运行特点：因异常情况主要发生在升停炉或变负荷过程中，在对一、二次风量、返料量和给煤量进行调整时发生的，因而对高倍率循环流化床锅炉运行特点的把握至关重要。由于该循环流化床锅炉属高倍率循环炉，锅炉厂根据设计煤种属高挥发分、高热值、低灰分的特点选用高倍率循环的燃烧方式是完全正确、合理的，该炉表现出很高的燃烧效率也证明了这一点。然而，25--30的物料循环倍率意味着在以16－18t/h的给煤量加入炉膛的同时，约有400-480t/h或更高的循环灰量在炉膛和主循环回路中循环，其中炉膛中的循环灰量份额占绝对优势，即炉膛中的颗粒浓度极高（是一般循环流化床锅炉颗粒浓度的2.5-3.0倍），而炉膛上、下部（即密、稀相区）颗粒浓度分配（即燃烧份额）主要是由一、二次风量比例及返料量大小决定的（给煤量的变化也有影响但较弱）。因而如果在变负荷操作过程中，对一、二次风量及比例、返料灰量及给煤量的调整未能把握高倍率循环炉的特点而造成调整失当，势必引起炉膛内上下部颗粒浓度大幅度波动，当这种波动影响力达到使炉膛上下部颗粒浓度比例严重失调时，就会出现：或下部颗粒浓度过大物料将床层压死；或物料大部或全部集中于上部空间床层物料消失。
同时，炉膛内颗粒浓度的大幅波动也使炉膛出口的颗粒浓度发生大幅波动，而这种浓度波动也引起炉膛出口含尘烟气温度和烟气速度（当炉膛出口负压值保持不变）的大幅度变化，进而对分离器的分离效率产生重大影响。或因炉膛出口颗粒浓度、温度、速度（此三者的变化方向是一致的，且三者变化值分别都与分离器效率变化值成正比例关系）大幅上升，分离器效率也大幅度提高（此上升幅度以近三次方速度进行），亦即分离器下来的返料量可大幅增加，造成返料器松动床所受到的压力大幅增加，如此压力增加是瞬间进行的，松动床将无法承受而被压死；反之，当炉膛出口颗粒浓度、温度、速度大幅下降时，分离器效率也大幅下降，返料量也随之减少。如发生床层压死等极端情况时，返料进入立管中的量几乎为零，而返料风如未被及时停用，则立管中仅存不多的返料仍将被送入炉膛，当立管中存料料位重力不足以抵消返料风压时，立管料层就会被击穿，造成返料器空床。由于引风机的抽吸力和分离器阻力的共同影响，炉膛床层中极细颗粒有可能沿返料通道反窜到尾部烟道。
2．3．运行操作的影响分析：由于使用了DCS系统这种较先进的控制手段，运行操作人员可以更方便、更快捷地完成各种监视和操作任务。DCS系统不但可让运行人员利用点击鼠标的方式操作所有开关量，而且在进行各风门档板、阀门开度、辅机转数等开关量调节时可由运行人员根据需要直接设定好目标值，经确认后由微机自动快速跟进调节电动操作机构执行，执行完毕后微机还将执行情况以反馈信号的方式予以反馈。此种控制方式被掌握后不但大大减轻了运行人员工作量，而且操作准确率极高，省时省力。经一段时间磨合，运行人员均能熟练运用此项操作技能。
这种操作手段不但被熟练地运用于锅炉正常运行中，而且在升停炉、加减负荷等变工况中，运行人员也根据运行经验使用该手段，以期用较快速度完成各项操作。
根据该循环流化床锅炉以往发生的一些异常情况大多发生在升停炉和加减负荷等变工况过程中的事实，我们对运行人员在变工况时的一些操作进行了详细的分析和研究，经对各种变工况下的一次风量和风压、二次风量和风压、返料风量和风压、点火风室压力、床层压力等操作曲线，并结合高倍率循环流化床锅炉的运行特点进行了认真分析研究，认为各种异常情况的发生除了煤质（含粒度）变化、设备结构设计存在着的一些不足等客观原因外，与运行人员在变工况时的操作不当有很大的关系。现将各种异常情况发生的原因和现象分析、讨论如下：
2．3．1．一次风量增加或二次风量减小操作幅度过大、过快，炉内一、二次风量比例失衡：在升炉和加负荷过程中，运行人员往往依运行经验在进行一、二次风量调整时采用预先设置目标值，后由微机带动电动机构执行快速达到目标值的方法进行操作的。这种操作方法带来的后果是，依据循环流化床加负荷先加风、后加煤的操作原则，司炉在升炉和加负荷过程中，也是先加风后加煤，而在风量调整时又按先加一次风后加二次风的顺序进行。如此，当一次风量的增加是通过微机操作快速完成的（此时间只须几秒至十几秒），而且风量调整幅度达几万立方米时的极端情况下，在此瞬间炉内工况可能发生根本性的改变，即当一次风量增加时二次风量、给煤量并未增加跟进，此时炉内一、二次风比例中一次风占绝对优势，炉内颗粒浓度份额（燃烧份额）随之发生根本性改变。大量原本停留在炉下部密相区内的颗粒，因一次风速随风量迅速加大而超过颗粒终端速度，被送入炉上部稀相区。床层颗粒浓度迅速下降，这使一次风速进一步加大（料层阻力在进一步减小），床层颗粒浓度进一步减小，除那些为数不多的终端速度大于一次风速大颗粒外，床层颗粒几乎全部离开密相区——床层物料消失。与此同时，稀相区也因瞬间浓度增加过快，稀相区燃烧份额迅速加大，使炉膛出口颗粒浓度和烟气温度迅速增加，如此时炉膛出口仍保持为负压则烟气速度也会增加。随着炉膛出口（即分离器进口）含尘气流的浓度、温度、速度的迅速增加，分离器分离效率也将迅速提高很多，被分离出来进入返料区域的返料量迅速加大，返料立管中灰柱对返料器形成的压力迅速加大。由于这种压力增加量远超过一次风增加量对返料风的影响，造成返料器堵塞。如正常运行时返料器烟温度接近1000℃，返料器被压死后就可能发生结焦。
2．3．2．一次风量或二次风量操作幅度过大、过快：在停炉或减负荷等变工况过程中，如一次风量或二次风量调整操作同样采用微机快速（几秒至十几秒）完成的方法，其幅度达到几万立方米时，将使炉内上下部物料颗粒浓度同样发生急剧变化。由于高倍率循环流化床锅炉炉内上下部物料颗粒浓度极高，二次风在锅炉运行过程中除加强对颗粒燃烧扰动、补氧提高燃烧效率外，还将炉膛划分为密相区和稀相区两个相对独立的燃烧区域，即起到进行炉内颗粒浓度分配的作用。在高倍率循环流化床锅炉运行中，炉膛内上部物料颗粒浓度极高，因而其重度（含内循环颗粒重度）也很大，往往是低倍率循环炉的2.5—3.0倍，故二次风还以其足够的刚度（其风速一般达60－100m/s）一定程度上起到支撑炉上部颗粒重度的作用。在此情况下，如锅炉停炉或减负荷等变工况操作中，减（或停）二次风量（机）时，也采用微机设定目标值快速完成操作，造成二次风量减小幅度过大、过快，二次风支撑炉膛上部物料支撑力瞬间减小很多（或消失），这样，大量终端速度超过一次风速的炉膛上部物料（含内循环物料）就会瞬间向床层集中，而次时即使一次风尚未减小，也难以承受整个炉膛物料重力瞬间对其产生的压力，床层由流化床变为固定床，床层被压死。不仅如此，即便在正常运行二次风量调整也会对床层高低产生一定影响，这在锅炉运行过程已得到了证明。而一次风量如减小时幅度和速度过大、过快，也会造成同样的后果。
2．4．锅炉系统局部结构设计考虑不周造成的影响：
2．4．1返料器的结构设计的影响：该锅炉虽设计采用高倍率循环，有着浓度极大的物料循环，但锅炉厂在返料器的设计中对此并未予以充分关注，仍然采用传统的设计方法，将返料风室设计成矩形，而非布风性能优越的等压风室。在返料风和松动风量分配的结构设计时，也只不过是在布风板开孔率加以考虑，而返料风帽与松动风帽结构型式和风帽孔径却完全一样，并未在两种风帽结构设计上多想些办法。这些结构设计很难保证两个风室的风压在锅炉变工况即返料量大幅度变化时保持一致。同时，也未在返料立管下端（返料器进口）设置温度和压力测点，返料立管看火孔处也未设计观察平台，使运行人员无法从仪表和就地观察返料器内返料整体的运行情况，即使感到返料器运行不正常，进行返料风调整时很盲目。高倍率循环流化床锅炉中如此重要的返料器运行情况因结构设计不周而成为运行监视的盲区，锅炉运行工况特别是返料情况一旦大幅变化，运行人员无法根据实际情况作出快速判断和果断处理。这也是锅炉异常情况频发的又一重要影响因素。
2．4．2．返料风系统设计的影响：设计院在进行返料风系统流量测量装置设计时，只是在返料风母管上设置了一个测量装置，正常运行时尚能保证监视需要。但因返料风量和松动风量无单独流量监视装置，当返料量发生大幅变化时，运行人员很难通过两个风室风量的调整保持左右两个返料器及同一返料器返料风室和松动风室的风量平衡。再加上返料器风室非等压设计，当返料大量增加时，松动风量急速下降风压急速上升。因返料器结构原因无法保持松动风室的压力恒定，大量风量向压力相对小些的返料风室流去，造成松动风量进一步减小，返料将返料器压死。反之，返料大量减少时，松动风因压头急速下降风量急速上升，将立管返料击穿，返料被吹散。这些因素加速了异常情况的发展。
2．4．3．给煤系统及给煤机结构设计影响：因煤仓设计原因给煤机进口常堵煤，造成煤流不稳。同时，两台“U”型绞笼给煤机因给煤机能力限制，单台给煤机出力达不到锅炉满负荷运行要求，一旦任一台给煤机断煤对锅炉运行工况特别是对炉膛燃烧工况影响很大，如处理给煤机断煤时间过长，床层的稳定性被破坏，炉膛上下物料浓度分配发生改变，司炉此时若处置不当，异常情况亦随时可能发生。
3．异常情况处理对策探讨：
3．1．运行操作原则性处理对策：针对高倍率循环锅炉的运行特点，在对锅炉异常情况进行深入分析研究后，必须对运行人员在运行工况调整特别是变工况调整操作作出一些原则性规定，以指导运行操作，防止异常情况发生。
3．1．1．一次风机风量调整：在一次风量调整时，禁止使用在DCS中设定目标值后由微机自动跟进快速完成操作的方法进行。而必须用点击鼠标的方法小幅慢速完成一次风量加减操作，将因一次风量调整给炉内上下部颗粒浓度分布造成的影响降低到最小，避免运行异常情况发生。
3．1．2．二次风机启停和风量调整：根据高倍率循环流化床锅炉运行特点，要求在升炉期间必须尽可能地早投用二次风机，而在停炉时应尽可能迟地停用二次风机，以保证炉内上下部颗粒浓度分布在合理范围内，避免床层压死或消失情况发生。锅炉正常运行过程中，二次风量调整也应遵循小幅缓慢的原则，尽可能将一、二次风量比例控制靠近设计值6∶4运行，保证床层运行稳定，不发生异常情况。
3．1．3．正常运行床温的调整：锅炉正常运行时，床温应尽量控制在900℃～960℃之间,既使锅炉有较高的燃烧效率，又避免床层和返料器因超温引起的结焦现象发生。同时，在给煤机断煤引起床层风煤比例失调时，应尽快处理恢复煤流正常，并适当调减运行风量保持床温稳定，保证炉内颗粒浓度上下分布正常，防止意外情况发生。
3．2．锅炉局部结构设计不合理的完善：
3．2．1．返料器监视装置的完善：在条件允许情况下，可在立管下端分别设立一个测温和一个测压装置，运行人员利用该处测量数据并结合现有的返料器出口烟温测点数据，可对返料器运行情况有一个全面了解。同时，在返料器看火孔处设立平台，以便直观观察返料运行情况。这样，使返料器运行情况始终处在运行人员的监控之中。
3．2．2．返料风系统的完善：在条件允许的情况下，可在两个返料器的四个小风室的进风管上分别各设立一个风量测量装置，便于在进行返料风量调整时，运行人员可根据各小风室风量而不是单凭风压一个参数进行调整，真正确保返料器的运行稳定和安全。
3．2．3．给煤系统的完善：应在给煤机进口处设立一个断煤报警装置或在DCS中增设两台给煤机电流显示值，让运行人员在断煤的第一时间就能得到信号及时予以处理，防止因断煤处理时间过长造成锅炉工况的波动，从而引发异常情况发生。
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