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        350 MW超臨界CFB鍋爐熱態(tài)啟動耗油量大的問題分析和解決措施

        2018-11-13 08:50:26惠世恩
        電力科學(xué)與工程 2018年10期

        段 寶, 范 龍, 惠世恩

        (1. 國家電投集團(tuán)電站運(yùn)營技術(shù)(北京)有限公司 西北分公司,陜西 西安 710077;2. 西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

        0 引言

        350 MW超臨界CFB鍋爐兼?zhèn)涑R界參數(shù)和循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),參數(shù)高、供電效率高、有深度調(diào)峰性能,且適合寬煤種,具有廉價爐內(nèi)石灰石脫硫和低NOx燃燒控制及低投資SNCR技術(shù)等優(yōu)點(diǎn),是燃煤火電機(jī)組發(fā)展的主要趨勢。山西晉能大土河發(fā)電廠2×350 MW超臨界CFB鍋爐,#1鍋爐已于2017年12月完成168滿負(fù)荷試運(yùn)。從整個試運(yùn)情況看,該級別大型超臨界CFB鍋爐設(shè)計是非常成功的,機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定、無超溫現(xiàn)象、效率高,低負(fù)荷穩(wěn)燃能力強(qiáng)、煤質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng),爐內(nèi)脫硫效率高和NOx排放少,以及不易滅火等優(yōu)勢已充分顯現(xiàn)。但是也存在一些問題,除了較常見的磨損、排渣困難等問題外,在鍋爐熱態(tài)啟動過程中發(fā)生耗油量大、平均每次熱態(tài)啟動耗油量至65 t以上,是原同類型亞臨界流化床鍋爐的1倍左右。結(jié)合多次實(shí)際熱態(tài)啟動過程,具體分析耗油量大的原因,并提出改進(jìn)技術(shù),對同類型循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計、制造和安全運(yùn)行有借鑒意義。

        1 設(shè)備介紹

        山西晉能大土河發(fā)電廠2×350 MW機(jī)組,鍋爐均采取東方鍋爐廠設(shè)計、生產(chǎn)的DG1235/25.4-Ⅱ1超臨界CFB直流鍋爐,單爐膛、M型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、采用3臺高溫蒸汽冷卻式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離,其下部各布置一臺“U”閥回料器鍋爐主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

        表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

        不帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng),在負(fù)荷≥30%BMCR后,進(jìn)入直流運(yùn)行;鍋爐采取床下油槍點(diǎn)火,設(shè)置4個床下點(diǎn)火風(fēng)道,分別從爐膛后側(cè)進(jìn)入風(fēng)室;前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻均等布置10個給煤口,爐后水冷壁下部均等布置5個排渣口,鍋爐設(shè)計燃用煤質(zhì)和實(shí)際燃用煤質(zhì)如表2所示。

        表2 鍋爐設(shè)計燃用煤質(zhì)和實(shí)際燃用煤質(zhì)

        2 熱態(tài)啟動耗油量大的具體現(xiàn)象

        2017年11月20—12月5日,#1機(jī)組進(jìn)入整套啟動調(diào)試階段來,因多種原因造成機(jī)組負(fù)荷在50%(175 MW)以上的鍋爐跳閘后,鍋爐冷卻速率快,約在4 h內(nèi)鍋爐平均床溫由原850 ℃迅速下降至305 ℃左右,難以實(shí)現(xiàn)壓火后直接啟動;且在此工況下,爐熱態(tài)啟動,投入床下油槍點(diǎn)火恢復(fù)過程中,發(fā)生當(dāng)平均床溫約在300 ℃以上時,保持原常規(guī)啟動點(diǎn)火時運(yùn)行工況,而床溫升速率很緩慢,造成的耗油量大和啟動時間過長的問題。即:床壓控制在6.5~7 kPa、流化風(fēng)量約在180~190 kNm3/h(機(jī)組整套啟動前利用啟動床料確定臨界流化風(fēng)量約170 kNm3/h),及其床下油槍出力(4只床下油槍全部投入,通過油壓調(diào)節(jié),啟動點(diǎn)火階段油量控制在5.8~7 t/h),但平均床溫溫升速率僅為0.2~0.35 ℃/min;減少流化風(fēng)量,平均床溫溫升速率也無明顯變化,增加流化風(fēng)量至220~230 kNm3/h時,平均床溫溫升速率增加至0.7~0.9 ℃/min,最大不超過1.3 ℃/min;并通過進(jìn)一步增大床下油槍出力約至8.5~9.3 t/h,可進(jìn)一步提高床溫平均升速率至1.2 ℃/min以上。在2017年12月2日因100%甩負(fù)荷停機(jī)消缺后啟動,及2017年12月5日因變壓器風(fēng)冷誤發(fā)全停信號,270 MW機(jī)組解列鍋爐跳閘后消缺啟動,均發(fā)生上述類似現(xiàn)象。此熱態(tài)啟動過程不僅耗時長,而且耗油量大;統(tǒng)計:點(diǎn)火至投煤至平均床溫至750 ℃退全部油槍約8 h左右,耗油量超過 65 t以上,比原機(jī)組利用啟動床料點(diǎn)火投煤耗油量平均多15 t,約超過同等級亞臨界350 MWCFB機(jī)組熱態(tài)啟動耗油量的1倍左右,問題突出。且啟動時間長及其投油后造成的硫、氮氧化物排放超標(biāo)等帶來的附加問題也較為嚴(yán)重。

        3 熱態(tài)啟動耗油量大的具體原因分析

        3.1 鍋爐跳閘后補(bǔ)水冷卻的影響

        因超臨界CFB直流鍋爐特性,停爐后為保證水冷壁安全,防止發(fā)生超溫?zé)龘p及管束間較大的熱偏差,依據(jù)床溫的高低,必須給予不同的給水流量進(jìn)行冷卻;但如給水流量過大或冷卻速率過快,會造成鍋爐跳閘后受熱面冷卻及其床溫下降速率較快。表3是2017年12月2日100%甩負(fù)荷后,嚴(yán)格依據(jù)鍋爐廠提供的補(bǔ)水冷卻流量的床溫下降變化,不難發(fā)現(xiàn):約4 h左右,平均床溫已降至400 ℃以下,后期鍋爐點(diǎn)火投煤影響較大;且停止補(bǔ)水冷卻后,在2 h內(nèi)床溫也下降近45 ℃,無法實(shí)現(xiàn)熱態(tài)啟動直接投煤。原同等級亞臨界CFB鍋爐,鍋爐熱態(tài)跳閘后,僅需依據(jù)汽包水位情況間斷性的補(bǔ)水,在較長時間內(nèi)床溫可維持在550 ℃以上,可迅速投煤,減少啟動時間。但需要指出的是,對于超臨界CFB鍋爐為保證水冷壁的安全,鍋爐跳閘后應(yīng)保證合理的冷卻流量,建議結(jié)合水冷壁的降溫速率進(jìn)行控制。

        表3 高負(fù)荷鍋爐跳閘后給水流量對于鍋爐降溫速率的影響

        3.2 爐內(nèi)物料粒徑及粗顆粒增加

        原在吹管階段及其首次整套啟動點(diǎn)火階段,鍋爐物料均采取經(jīng)篩分的啟動床料為主,粒徑參數(shù):dmax=6 mm,且小于1 mm的床料通過率約45%;投煤后燃燒生產(chǎn)的爐渣為輔的物料,基本滿足鍋爐廠的物料粒徑要求。而在鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行后,爐內(nèi)物料完全是煤燃燒的爐渣形成,并受入爐煤粒徑的影響很大。鍋爐設(shè)計入爐煤粒徑dmax=10 mm,且小于3 mm的通過率有70%左右;但輸煤系統(tǒng)因環(huán)錘碎煤機(jī)振動、振動篩粒徑調(diào)整不當(dāng)及其堵塞等故障頻發(fā),實(shí)際入爐煤粒徑嚴(yán)重高于設(shè)計值,甚至多有25 mm以上的大塊;且受多臺給煤機(jī)煤倉長期蓬煤的影響,板結(jié)的塊狀的煤增多;經(jīng)多次化驗(yàn)平均的入爐煤粒徑dmax值已超過10 mm,小于3 mm的不足27%,鍋爐冷渣器排渣后的取樣也發(fā)現(xiàn)超過10 mm以上的渣塊明顯增多;同時投油點(diǎn)火升溫期間,床壓至5.7~6 kPa左右時,床壓下降速率即物料損失明顯減少,也反映爐煤物料粒徑和粗顆粒比重明顯增加。其爐內(nèi)物料粒徑和粗顆粒比重嚴(yán)重偏離設(shè)計值時,對于流化和物料間傳熱有顯著影響,需明顯增加流化風(fēng)量保證其流化均勻性和混合傳熱,防止其粗顆粒進(jìn)一步聚集成塊,發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象;且粗顆粒物料吸收來自點(diǎn)火風(fēng)道熱煙氣加熱的表現(xiàn)能力也差,即反映出:在投油升床溫期間,原保持的流化風(fēng)量180~190 kNm3/h相對不足,需增加流化風(fēng)量至220~230 kNm3/h,床溫才有明顯的溫升速率。

        3.3 增加流化風(fēng)量的影響

        為保證爐內(nèi)粗顆粒的流化和換熱,明顯地增加流化風(fēng)量,但為保證來自點(diǎn)火風(fēng)道的熱煙氣溫度和加熱能力,增加床下油槍出力近2 t/h,造成耗油量明顯增加;且使水冷壁稀相區(qū)及旋風(fēng)分離器因循環(huán)灰量增加而造成的吸熱能力增加,及細(xì)灰急速損失攜帶煙氣熱量散失,在投油點(diǎn)火期間不利于床溫的升高,進(jìn)一步增大啟動時間和耗油量。

        4 解決措施

        4.1 合理的給水冷卻流量

        鍋爐跳閘壓火后結(jié)合水冷壁、中間隔墻的壁溫及水冷壁出口工質(zhì)混合溫度(3個測點(diǎn))的下降速率控制給水流量,約60 min不超過100 ℃;且最終冷卻保證水冷壁和中隔墻壁溫和工質(zhì)溫度不能有過熱度,不在干態(tài)工況運(yùn)行;進(jìn)入濕態(tài)后,結(jié)合水冷壁、中隔墻管道材質(zhì)(12CrMoV,金屬承溫510 ℃)在保證足夠的水冷壁防超溫?zé)龘p的安全余量時,及時停止補(bǔ)水。

        結(jié)合多次鍋爐壓火及后給水流量的經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)發(fā)現(xiàn):在床溫>640 ℃,主汽壓力>9.5 MPa以上時,即使鍋爐跳閘,但因蓄熱的影響,水冷壁仍處于干態(tài)運(yùn)行,有一定的過熱度,應(yīng)保持至少300 t/h以上的流量進(jìn)行冷卻;約床溫至610 ℃、主汽壓力8 MPa左右完全進(jìn)入鍋爐濕態(tài)運(yùn)行,但因水冷壁壁溫較高且不屬于穩(wěn)定工況,也應(yīng)給予 200 t/h以上的給水流量進(jìn)行冷卻;但約床溫至500 ℃、主汽壓力已低于4 MPa,水冷壁溫已降至210 ℃左右,有足夠地保證水冷壁防超溫?zé)龘p的安全余量時,可及時停止上水;能有效地維持鍋爐跳閘后的床溫和蓄熱量,停止補(bǔ)水冷卻后,約2 h床溫仍維持在450 ℃以上,4 h至420 ℃以上,基本在投煤溫度區(qū)域,便于熱態(tài)啟動,能有效地減少啟動時間和耗油量。

        4.2 輸煤系統(tǒng)消缺、保證入爐煤粒徑

        結(jié)合流化床鍋爐燃燒對于入爐煤粒徑的要求和現(xiàn)階段多發(fā)生的輸煤系統(tǒng)中碎煤機(jī)、振動篩等問題,必須予以徹底處理;但因下階段機(jī)組啟動時間緊且消缺時間長,必須在現(xiàn)有的入爐煤粒徑下完成啟動;帶負(fù)荷時逐步進(jìn)行輸煤系統(tǒng)消缺。

        4.3 合適的流化風(fēng)量

        對因煤燃燒生產(chǎn)的物料,在合適的物料高度下床壓約6.2 kPa,進(jìn)行流化試驗(yàn),確定其臨界流化風(fēng)量約205 kNm3/h,較采用原啟動床料時增加約35 kNm3/h,證明其物料粒徑過粗及其粗顆粒比重過大的對于流化、傳熱的影響。在點(diǎn)火初期采取微流化點(diǎn)火,流化風(fēng)量控制在210~220 kNm3/h,不宜過大,減少熱煙氣損失;并控制點(diǎn)火風(fēng)道出口煙氣溫度不超過950 ℃時,平均小時耗油量約5.1 t/h,床溫升速率明顯。

        4.4 適當(dāng)降低床壓點(diǎn)火

        床壓即代表爐內(nèi)物料的厚度,床壓過高,則物料加熱至相應(yīng)溫度需要的時間長、油量大;當(dāng)鍋爐高負(fù)荷跳閘后,大量懸浮在稀相區(qū)和返料器返至床層的物料迅速增加導(dǎo)致床壓突升幅度大,鍋爐點(diǎn)火加熱的物料量大幅增加。并考慮到因鍋爐高負(fù)荷后完全由煤燃燒形成的物料,物料的粗顆粒比重大,點(diǎn)火前加大排渣,不僅有利于降低床壓,也能有效減少爐內(nèi)粗顆粒的比重,對于物料流化、換熱及節(jié)油有明顯幫助。實(shí)踐表明:熱態(tài)啟動鍋爐床壓控制在5.5~5.9 kPa,不僅能有效降低因流化風(fēng)量過大造成的熱損失,床溫升速率明顯,節(jié)油效果良好。

        4.5 合理的燃燒方式,保證床溫穩(wěn)定上漲

        選擇合適的投煤溫度,及合理的投煤方式、控制措施,保證床溫穩(wěn)定上漲,對于縮短啟動時間和節(jié)油點(diǎn)火是至關(guān)重要的。 該鍋爐實(shí)際燃燒約干燥無灰基揮發(fā)分在25%左右的無煙煤,其鍋爐設(shè)計投煤溫度520 ℃;通過多次實(shí)踐摸索約在平均床溫至430 ℃以上,既能保證著火。應(yīng)注意是至平均床溫520 ℃前,因煤的揮發(fā)分析出慢,且投煤吸熱的表現(xiàn)比煤揮發(fā)分燃燒、釋放的表現(xiàn)作用強(qiáng)烈等原因,要合理把握投煤量與床溫的關(guān)系,多采取小煤量脈動給煤,切忌投煤量過大,否則易造成投煤后床溫不漲、甚至持續(xù)下降的現(xiàn)象及其后期二次飛升階段發(fā)生爆燃的危險。實(shí)踐摸索:對于該煤種鍋爐床溫下降在430~480 ℃,投煤量控制在8 t/h以下脈動給煤;床溫480~530 ℃,投煤量可控制在15~20 t/h左右脈動給煤;床溫在550~600 ℃,投煤量控制在25~33 t/h,能保證床溫有1.5 ℃/min以上的升速率;而床溫在630~700 ℃內(nèi),易發(fā)生二次飛升,應(yīng)及時增加流化風(fēng)量、減少煤量予以調(diào)節(jié)。

        該煤種在低床溫區(qū)域(600 ℃)時,可采取的“悶火”燃燒、“揚(yáng)火”釋放熱量的調(diào)風(fēng)方式,促進(jìn)床溫上漲。在煤燃燒的吸熱階段,可降低流化風(fēng)量“悶火”燃燒,觀察氧量的變化趨勢,氧量下降至不變,說明在“悶火”燃燒的程度;并結(jié)合床溫的變化速率,待負(fù)值變正時,說明煤燃燒已釋放左右,可瞬時增加流化風(fēng)量25~40 kNm3/h,“揚(yáng)火”釋放熱量?!皳P(yáng)火”初期因瞬時補(bǔ)充氧量,燃燒增強(qiáng),氧量也迅速下降,床溫升速率持續(xù)增加至2~3 ℃/min以上;待氧量返回、且平均床溫升速率小于0.5 ℃左右,則說明煤燃燒的熱量作用已大幅度減弱,此時迅速減少原流化風(fēng)量,進(jìn)行悶火。 圖1所示,即“揚(yáng)火”時床溫的作用效果。

        圖1 采取“揚(yáng)火”方式的床溫作用效果

        多次實(shí)踐說明:無煙煤在初始投煤過程中,把握好投煤量與床溫的關(guān)系,并利用“悶火”和“揚(yáng)火”的調(diào)節(jié)方式,能有效地提高床溫升速率,節(jié)省啟動時間和油量有很大幫助。隨著投煤量增加、床溫升高,需及時降低油槍出力,在床溫至700~730 ℃,油槍出力降低至3~3.5 t/h;待平均床溫穩(wěn)定值780 ℃以上,且鍋爐蒸發(fā)量至370 t/h,應(yīng)及時撤出油槍。如具備條件啟動階段,投運(yùn)揮發(fā)分更高的煤種,節(jié)油效果更加明顯。

        4.6 啟動階段給水流量控制,提高給水溫度

        該350 MW等級的超臨界CFB鍋爐,無爐水循環(huán)泵,前期啟動階段依照鍋爐廠提供的給水流量曲線控制,不僅外排量大,且水冷壁及中間隔墻的吸熱份額過多,床溫難以持續(xù)上漲,延長啟動時間且明顯增加耗油量。通過實(shí)際摸索,可結(jié)合床溫高低,基本確定鍋爐啟動階段的基準(zhǔn)給水流量,如圖2所示;并結(jié)合水冷壁和中隔墻壁溫的上漲速率和熱偏差情況予以微調(diào),如出現(xiàn)壁溫上漲速率過快或熱偏差大,及時增加水量10~30 t/h。且因啟動階段輔汽供給用戶多和給水流量的影響,除氧器加熱能力有限,給水溫度僅為40 ℃左右,對床溫也有很強(qiáng)的抑制作用,可在鍋爐點(diǎn)火升壓高旁開啟后,及時利用冷再先投入2號高壓加熱器,能有效加熱給水溫度在30~40 ℃;汽輪機(jī)定速3 000 r/min后及并網(wǎng)初期,隨機(jī)投入高低壓加熱器,保證鍋爐給水溫度。

        圖2 鍋爐啟動階段給水流量控制

        4.7 設(shè)備系統(tǒng)故障消除、保證入爐煤粒徑

        因設(shè)備系統(tǒng)故障,造成長期低負(fù)荷運(yùn)行不能撤油、甚至非停、鍋爐跳閘較多,啟動次數(shù)增多是耗油量增大的關(guān)鍵因素之一。機(jī)組啟動必須及時消除相關(guān)關(guān)聯(lián)設(shè)備、系統(tǒng)的缺陷,保證可持續(xù)穩(wěn)定的帶至不投油負(fù)荷以上。并結(jié)合流化床鍋爐燃燒的特點(diǎn),需加強(qiáng)對于輸煤系統(tǒng)、碎煤機(jī)、振動篩等設(shè)備的取消消除,確保入爐煤粒徑;對于原煤倉蓬煤嚴(yán)重、給煤機(jī)斷煤頻發(fā)及其跑偏等問題予以及時消除;排渣時多發(fā)生的斗提機(jī)、鏈斗輸送機(jī)堵塞、斷鏈等問題及時處理,保證設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

        5 結(jié)論

        該鍋爐熱態(tài)啟動過程耗油量大的關(guān)鍵原因在于:鍋爐跳閘后的給水冷卻速率快且停止補(bǔ)水不及時,不能維持相對高的床溫;因爐內(nèi)物料粒徑和粗顆粒比重增加,嚴(yán)重偏離設(shè)計值等造成的流化、傳熱不良;流化風(fēng)量增加造成啟動點(diǎn)火時熱損失增加等原因。并針對性采取控制合理的給水冷卻流量,確定因物料改變后的流化風(fēng)量,降低床壓,有效的投煤燃燒方式保證床溫上漲,及其啟動點(diǎn)火階段給水控制、設(shè)備缺陷消除等有效措施,耗油量大的問題得以有效控制,2017年12月13日鍋爐在平均床溫462 ℃,至完全撤油熱態(tài)啟動階段,累計耗油量減少至38 t,效果顯著。

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