陰建生，劉玉卜，陳 剛

（1.河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050041；2.東方鍋爐集團(tuán)股份有限公司，成都 611731）

近年來，隨著全國(guó)大范圍的煤炭整合，煤炭受產(chǎn)業(yè)集中度提高和運(yùn)輸能力制約等因素影響，國(guó)內(nèi)煤價(jià)持續(xù)高位運(yùn)行，煤炭供應(yīng)緊張，符合設(shè)計(jì)煤種的原煤價(jià)格不斷上漲，電力企業(yè)面臨前所未有的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)困難。目前煤炭市場(chǎng)難以滿足鍋爐原設(shè)計(jì)煤種，煤質(zhì)變差使鍋爐出力長(zhǎng)期達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，已嚴(yán)重影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，成為電力企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的薄弱環(huán)節(jié)。因此，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，燃用低發(fā)熱量、高灰分煤種勢(shì)在必行。河北華電石家莊熱電有限公司（簡(jiǎn)稱“石家莊熱電廠”）針對(duì)DG 410/9.81－9型CFB鍋爐燃燒煤種適應(yīng)性差，長(zhǎng)期出力不達(dá)標(biāo)問題，對(duì)CFB鍋爐進(jìn)行了爐膛改造，使鍋爐恢復(fù)了額定出力，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 存在的問題

石家莊熱電廠八期技改工程，共安裝了4臺(tái)DG 410/9.81－9型 CFB鍋爐（21～24號(hào)爐）和2臺(tái)200MW雙抽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組（21、22號(hào)機(jī)組）。2臺(tái)鍋爐1臺(tái)機(jī)組為1個(gè)單元（23、24號(hào)鍋爐與22號(hào)機(jī)組為第1單元，21、22號(hào)鍋爐和21號(hào)機(jī)組為第2單元），分別于2003年7月31日和12月1日正式移交試生產(chǎn)。

鍋爐原設(shè)計(jì)煤種的低位發(fā)熱量為24 200kJ/kg、灰分為23.1%。近幾年鍋爐實(shí)際燃煤偏離設(shè)計(jì)及校核煤質(zhì)（熱值降低、灰分增大），由于煤種的變化，造成鍋爐設(shè)備出力不足、效率降低。2009年全年平均負(fù)荷為290t/h左右，最大負(fù)荷為310t/h，鍋爐效率只能達(dá)到86%左右，經(jīng)濟(jì)效益較差。由于鍋爐出力不足，整個(gè)采暖期被迫采取壓電保熱、停機(jī)供熱等極不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，但仍不能滿足市場(chǎng)供熱需求。

2 原因分析

2.1 爐膛輻射受熱面不足

采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)設(shè)計(jì)的鍋爐種類較多、煤種適應(yīng)性較廣，但對(duì)給定的1臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐，并不能燃用所有煤種。當(dāng)燃料發(fā)熱量、灰分等改變時(shí)，床內(nèi)熱平衡的改變將直接影響床溫、負(fù)荷等參數(shù)變化。

隨著煤炭市場(chǎng)的波動(dòng)，CFB鍋爐面臨著出力不足的難題。鍋爐燃煤熱值降低、灰分增大時(shí)，為恢復(fù)鍋爐出力，必須增加爐膛的輻射吸熱量，是首先需要解決的關(guān)鍵性問題。解決了這個(gè)問題，才可以防止鍋爐大負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)床溫高及各處煙溫高的現(xiàn)象，保證鍋爐各受熱面安全，并降低排煙熱損失，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 控制流化速度高

由于CFB鍋爐特有的燃燒機(jī)理，在由爐膛、分離器和回料器組成的主回路中存在大量高溫、高濃度的物料粒子，對(duì)受熱面不斷進(jìn)行沖刷，因此帶來的鍋爐受熱面磨損問題，已成為循環(huán)流化床鍋爐普遍存在的難題。

恢復(fù)出力改造，應(yīng)該從性能上改善主循環(huán)回路（尤其是爐膛）的運(yùn)行環(huán)境，解決CFB鍋爐的磨損問題。由于目前鍋爐燃用煤質(zhì)較差，灰量和煙氣量都較大，造成爐膛上部煙氣速度較高，爐膛磨損嚴(yán)重。流化風(fēng)速是循環(huán)流化床運(yùn)行的控制變量之一，為使快速流化床過程獲得最佳效益，流化床需在一定的速度和循環(huán)灰流量范圍內(nèi)運(yùn)行。

物料對(duì)管壁的磨損與其速度、濃度及粒度的關(guān)系為：E∝W3D2U（式中：E為磨損速度；W為灰粒速度；D為物料粒度；U為灰粒濃度）。物料對(duì)管壁的磨損速率與物料流化速度的三次方成正比，與物料濃度二次方成正比，與貼壁流物料濃度成正比。影響磨損的諸因素中最重要的是灰粒速度（即煙氣速度），其次是灰粒濃度，其余因素只要合理考慮，對(duì)磨損的影響較小。為降低磨損，必須使灰粒速度和灰粒濃度在合理的設(shè)計(jì)范圍。

3 改造措施及技術(shù)可行性分析

3.1 改造措施

鍋爐改造確定設(shè)計(jì)煤的低位發(fā)熱量為17 320 kJ/kg、灰分為39.59%。煤質(zhì)變差、發(fā)熱量降低、灰分增大，則單位質(zhì)量燃料在主循環(huán)回路中的有效放熱量會(huì)較小。采用適當(dāng)擴(kuò)大爐膛和增加水冷屏受熱面，來實(shí)現(xiàn)增加爐膛輻射受熱面的目的，提高主循環(huán)回路吸熱量。

為使流化床快速流化過程獲得最佳效益，流化床需在一定的速度和循環(huán)灰流量范圍內(nèi)運(yùn)行，選取合理的爐膛截面適當(dāng)擴(kuò)大爐膛寬度，將爐膛上部軸向煙氣速度控制在5m/s左右，控制合理的流化速度，適當(dāng)降低爐膛煙速，減小受熱面磨損，延緩水冷壁磨損速度。

3.1.1 擴(kuò)大爐膛寬度

原設(shè)計(jì)鍋爐爐膛截面尺寸為6 705.6mm（深度）×13 716mm（寬度）。

本次研究數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)軟件SPP19.0進(jìn)行處理,其中計(jì)量資料以(±s)表示,采用t校驗(yàn),計(jì)數(shù)資料采用χ2校驗(yàn),以%表示,P<0.05表示差異具有顯著性。

改造后爐膛深度尺寸不變（6 705.6mm），在爐膛寬度方向兩側(cè)各增加4根管（寬度尺寸增加609.6 mm）。水冷壁增加面積：47m2，約占4%。改造后爐膛截面尺寸為6 705.6mm（深度）×14 325.6mm（寬度）。

擴(kuò)大爐膛主要涉及的鍋爐設(shè)備包括：加寬布風(fēng)板、加寬前后墻水冷壁、延長(zhǎng)前后墻水冷壁上下集箱、兩側(cè)墻水冷壁集箱位置外移、原有前后墻剛性梁加長(zhǎng)并加高、兩側(cè)墻平臺(tái)樓梯局部修改。

3.1.2 增加水冷屏寬度

原設(shè)計(jì)鍋爐水冷屏為3片，原寬度尺寸為1 981.2mm。原水冷屏尺寸見圖1。

圖1 原水冷屏尺寸

改造后增加水冷屏寬度，即保持水冷屏為3片，在原水冷屏寬度方向上增加10根管子，寬度尺寸增加762mm。水冷屏增加面積59m2，約占40%。改造后水冷屏尺寸見圖2。

圖2 改造后水冷屏尺寸

增加水冷屏寬度主要涉及的鍋爐設(shè)備包括：水冷屏、水冷屏分配集箱、水冷屏固定、分散下降管。

經(jīng)水循環(huán)計(jì)算，水冷屏加寬后循環(huán)回路的自補(bǔ)償能力沒有喪失，滿足各管子冷卻條件，水循環(huán)安全可靠。

3.2 技術(shù)可行性分析

3.2.1 增加蒸發(fā)受熱面

爐膛加寬后，不僅增加爐膛水冷壁的換熱面積，還通過加寬原有爐內(nèi)水冷屏，可以有效增加爐內(nèi)蒸發(fā)受熱面，使提高鍋爐出力得到保證。經(jīng)過水循環(huán)計(jì)算，增加水冷壁及水冷屏后，鍋爐水循環(huán)安全可靠，不需要另外增加汽水引入和引出管，避免了在汽包上現(xiàn)場(chǎng)增加大直徑開孔的難題。

3.2.2 降低流化速度

按照物料對(duì)管壁的磨損速度與其流度、濃度及粒度的關(guān)系E∝W3D2U，磨損速度將下降20%。從國(guó)內(nèi)已投運(yùn)CFB鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，在爐內(nèi)防磨措施具備的情況下，爐內(nèi)流化速度在5m/s及以下的，其爐內(nèi)磨損較小，當(dāng)達(dá)到5.4m/s及以上，爐膛的磨損速度非常快，并經(jīng)常出現(xiàn)爆管停爐。今后更嚴(yán)格的環(huán)保要求，鍋爐石灰石投入量繼續(xù)增大，將進(jìn)一步增加鍋爐的煙氣量，擴(kuò)大爐膛尺寸，爐內(nèi)流化速度可控制在5m/s及以下，磨損問題會(huì)得到緩解。

3.2.3 降低截面瞬時(shí)灰濃度

爐膛截面擴(kuò)大后，隨著爐內(nèi)煙氣流速的降低，單位截面的瞬時(shí)灰濃度有所降低，進(jìn)一步降低了磨損速度。實(shí)際燃煤灰量的增加、脫硫指標(biāo)需求的石灰石量增加，都在恢復(fù)出力后使?fàn)t內(nèi)保持較高的灰濃度，擴(kuò)大爐膛將降低單位時(shí)間內(nèi)的截面灰濃度，利于防止?fàn)t內(nèi)受熱面磨損。

3.2.4 增強(qiáng)煤種適應(yīng)性

鍋爐投運(yùn)初期，在燃煤熱值接近原設(shè)計(jì)煤種時(shí)鍋爐出力是能夠達(dá)到410t/h的。隨著燃煤熱值降低、灰分或水分明顯增加，鍋爐逐漸凸顯帶負(fù)荷困難、爐內(nèi)受熱面磨損速度加劇、爆管頻繁的問題，極大地影響了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。雖然采取了增加防磨梁、防磨噴涂等防磨措施，起到了一定的防磨效果，但由煤質(zhì)特性和爐膛截面尺寸以及旋風(fēng)分離器決定的煙氣流速、灰濃度、灰粒徑無法改變，而這些卻是影響爐膛受熱面磨損速度的直接因素。

近年來，鍋爐實(shí)際燃煤的發(fā)熱量基本在14 000～21 000kJ/kg。有時(shí)低發(fā)熱量的煤來煤時(shí)間還比較長(zhǎng)，特別是在冬季供暖期間，鍋爐需要帶滿負(fù)荷運(yùn)行才能滿足外界熱負(fù)荷，燃用發(fā)熱量較低、灰分較大的煤，要避免鍋爐磨損爆管就非常困難，缺乏進(jìn)一步降低磨損的有利手段。增大爐膛截面后，在燃用低發(fā)熱量煤時(shí)，煙氣流速明顯降低，截面灰濃度得到一定削減，可以使磨損速度明顯降低，對(duì)提高或恢復(fù)鍋爐蒸發(fā)量非常有利。即使在燃用煤質(zhì)偏好時(shí)，鍋爐也能通過增加灰濃度來提高燃盡率，減少燃煤損耗。因此，爐膛擴(kuò)大后鍋爐的煤種適應(yīng)性明顯增強(qiáng)。

4 應(yīng)用效果

4.1 鍋爐可靠性提高

改造后的鍋爐爐膛增大，爐膛計(jì)算流化速度由5.4m/s降低到5m/s，緩解了灰顆粒對(duì)水冷壁以及水冷屏的磨損，提高了鍋爐安全運(yùn)行的水平。22號(hào)鍋爐改造后，從2010年11月正式投入運(yùn)行到2011年3月供熱結(jié)束才按計(jì)劃停爐檢修，鍋爐長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，沒有出現(xiàn)爐膛磨損爆管，運(yùn)行可靠性顯著提高，連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行性能在同類型鍋爐中最高。

4.2 帶負(fù)荷能力強(qiáng)

鍋爐改造前最大負(fù)荷只能在310t/h運(yùn)行，改造后，鍋爐出力能長(zhǎng)期穩(wěn)定在410t/h，鍋爐最大負(fù)荷曾達(dá)到415t/h，與改造前相比增加鍋爐負(fù)荷100 t/h，鍋爐帶負(fù)荷能力達(dá)到或超過額定出力。鍋爐滿出力運(yùn)行后，供熱期不需要采取壓電保熱的不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，提高了公司的盈利水平。

4.3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好

改造后鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好，各項(xiàng)指標(biāo)水平優(yōu)于同類型、同煤質(zhì)的鍋爐。鍋爐改造前飛灰可燃物為13.9%，改造后為10.3%；改造前熱效率86.44%，改造后鍋爐平均熱效率為89.07%，修正到改造前試驗(yàn)煤質(zhì)平均熱效率為89.85%，比修正前提高熱效率3.41%。

4.4 煤種適應(yīng)性好

鍋爐煤種適應(yīng)性更寬，改造后燃燒熱值17 320 kJ/kg的煤就能滿足出力，而改造之前鍋爐需燃用21 000kJ/kg以上的燃煤，改造后燃料成本降低1 700萬元/年。

5 結(jié)束語

鍋爐改造后加寬了爐膛和爐內(nèi)水冷屏的寬度，有效增加爐膛水冷壁換熱面積、增加爐內(nèi)蒸發(fā)受熱面，共增加爐膛輻射受熱面106m2，使鍋爐恢復(fù)出力得到保證?？刂茽t內(nèi)流化速度由5.4m/s降低到5m/s左右，有效減輕了受熱面磨損，果已被東方鍋爐用作設(shè)計(jì)規(guī)范。鍋爐改造后各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)合格，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)同類鍋爐出力不足問題的解決具有參考價(jià)值。