DG 410/9.81－9型CFB鍋爐改造分析

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.東方鍋爐集團股份有限公司，成都 611731）

近年來，隨著全國大范圍的煤炭整合，煤炭受產業集中度提高和運輸能力制約等因素影響，國內煤價持續高位運行，煤炭供應緊張，符合設計煤種的原煤價格不斷上漲，電力企業面臨前所未有的生產經營困難。目前煤炭市場難以滿足鍋爐原設計煤種，煤質變差使鍋爐出力長期達不到設計標準，已嚴重影響到企業的安全生產和經濟效益，成為電力企業生產經營管理的薄弱環節。因此，降低企業生產成本，提高企業競爭力，燃用低發熱量、高灰分煤種勢在必行。河北華電石家莊熱電有限公司（簡稱“石家莊熱電廠”）針對DG 410/9.81－9型CFB鍋爐燃燒煤種適應性差，長期出力不達標問題，對CFB鍋爐進行了爐膛改造，使鍋爐恢復了額定出力，取得了較好的經濟效益和社會效益。

1 存在的問題

石家莊熱電廠八期技改工程，共安裝了4臺DG 410/9.81－9型 CFB鍋爐（21～24號爐）和2臺200MW雙抽凝汽式汽輪發電機組（21、22號機組）。2臺鍋爐1臺機組為1個單元（23、24號鍋爐與22號機組為第1單元，21、22號鍋爐和21號機組為第2單元），分別于2003年7月31日和12月1日正式移交試生產。

鍋爐原設計煤種的低位發熱量為24 200kJ/kg、灰分為23.1%。近幾年鍋爐實際燃煤偏離設計及校核煤質（熱值降低、灰分增大），由于煤種的變化，造成鍋爐設備出力不足、效率降低。2009年全年平均負荷為290t/h左右，最大負荷為310t/h，鍋爐效率只能達到86%左右，經濟效益較差。由于鍋爐出力不足，整個采暖期被迫采取壓電保熱、停機供熱等極不經濟的運行方式，但仍不能滿足市場供熱需求。

2 原因分析

2.1 爐膛輻射受熱面不足

采用循環流化床燃燒技術設計的鍋爐種類較多、煤種適應性較廣，但對給定的1臺循環流化床鍋爐，并不能燃用所有煤種。當燃料發熱量、灰分等改變時，床內熱平衡的改變將直接影響床溫、負荷等參數變化。

隨著煤炭市場的波動，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，為恢復鍋爐出力，必須增加爐膛的輻射吸熱量，是首先需要解決的關鍵性問題。解決了這個問題，才可以防止鍋爐大負荷時出現床溫高及各處煙溫高的現象，保證鍋爐各受熱面安全，并降低排煙熱損失，提高鍋爐運行的經濟性。

2.2 控制流化速度高

由于CFB鍋爐特有的燃燒機理，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，對受熱面不斷進行沖刷，因此帶來的鍋爐受熱面磨損問題，已成為循環流化床鍋爐普遍存在的難題。

恢復出力改造，應該從性能上改善主循環回路（尤其是爐膛）的運行環境，解決CFB鍋爐的磨損問題。由于目前鍋爐燃用煤質較差，灰量和煙氣量都較大，造成爐膛上部煙氣速度較高，爐膛磨損嚴重。流化風速是循環流化床運行的控制變量之一，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灰流量范圍內運行。

物料對管壁的磨損與其速度、濃度及粒度的關系為：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計范圍。

3 改造措施及技術可行性分析

3.1 改造措施

鍋爐改造確定設計煤的低位發熱量為17 320 kJ/kg、灰分為39.59%。煤質變差、發熱量降低、灰分增大，則單位質量燃料在主循環回路中的有效放熱量會較小。采用適當擴大爐膛和增加水冷屏受熱面，來實現增加爐膛輻射受熱面的目的，提高主循環回路吸熱量。

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灰流量范圍內運行，選取合理的爐膛截面適當擴大爐膛寬度，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 擴大爐膛寬度

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

本次研究數據采用統計軟件SPP19.0進行處理,其中計量資料以(±s)表示,采用t校驗,計數資料采用χ2校驗,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）。

擴大爐膛主要涉及的鍋爐設備包括：加寬布風板、加寬前后墻水冷壁、延長前后墻水冷壁上下集箱、兩側墻水冷壁集箱位置外移、原有前后墻剛性梁加長并加高、兩側墻平臺樓梯局部修改。

3.1.2 增加水冷屏寬度

原設計鍋爐水冷屏為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備包括：水冷屏、水冷屏分配集箱、水冷屏固定、分散下降管。

經水循環計算，水冷屏加寬后循環回路的自補償能力沒有喪失，滿足各管子冷卻條件，水循環安全可靠。

3.2 技術可行性分析

3.2.1 增加蒸發受熱面

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水冷屏，可以有效增加爐內蒸發受熱面，使提高鍋爐出力得到保證。經過水循環計算，增加水冷壁及水冷屏后，鍋爐水循環安全可靠，不需要另外增加汽水引入和引出管，避免了在汽包上現場增加大直徑開孔的難題。

3.2.2 降低流化速度

按照物料對管壁的磨損速度與其流度、濃度及粒度的關系E∝W3D2U，磨損速度將下降20%。從國內已投運CFB鍋爐的運行經驗看，在爐內防磨措施具備的情況下，爐內流化速度在5m/s及以下的，其爐內磨損較小，當達到5.4m/s及以上，爐膛的磨損速度非常快，并經常出現爆管停爐。今后更嚴格的環保要求，鍋爐石灰石投入量繼續增大，將進一步增加鍋爐的煙氣量，擴大爐膛尺寸，爐內流化速度可控制在5m/s及以下，磨損問題會得到緩解。

3.2.3 降低截面瞬時灰濃度

爐膛截面擴大后，隨著爐內煙氣流速的降低，單位截面的瞬時灰濃度有所降低，進一步降低了磨損速度。實際燃煤灰量的增加、脫硫指標需求的石灰石量增加，都在恢復出力后使爐內保持較高的灰濃度，擴大爐膛將降低單位時間內的截面灰濃度，利于防止爐內受熱面磨損。

3.2.4 增強煤種適應性

鍋爐投運初期，在燃煤熱值接近原設計煤種時鍋爐出力是能夠達到410t/h的。隨著燃煤熱值降低、灰分或水分明顯增加，鍋爐逐漸凸顯帶負荷困難、爐內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定運行。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，但由煤質特性和爐膛截面尺寸以及旋風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，鍋爐實際燃煤的發熱量基本在14 000～21 000kJ/kg。有時低發熱量的煤來煤時間還比較長，特別是在冬季供暖期間，鍋爐需要帶滿負荷運行才能滿足外界熱負荷，燃用發熱量較低、灰分較大的煤，要避免鍋爐磨損爆管就非常困難，缺乏進一步降低磨損的有利手段。增大爐膛截面后，在燃用低發熱量煤時，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，對提高或恢復鍋爐蒸發量非常有利。即使在燃用煤質偏好時，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，爐膛擴大后鍋爐的煤種適應性明顯增強。

4 應用效果

4.1 鍋爐可靠性提高

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

4.2 帶負荷能力強

鍋爐改造前最大負荷只能在310t/h運行，改造后，鍋爐出力能長期穩定在410t/h，鍋爐最大負荷曾達到415t/h，與改造前相比增加鍋爐負荷100 t/h，鍋爐帶負荷能力達到或超過額定出力。鍋爐滿出力運行后，供熱期不需要采取壓電保熱的不經濟運行方式，提高了公司的盈利水平。

4.3 運行經濟性好

改造后鍋爐運行經濟性好，各項指標水平優于同類型、同煤質的鍋爐。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%，修正到改造前試驗煤質平均熱效率為89.85%，比修正前提高熱效率3.41%。

4.4 煤種適應性好

鍋爐煤種適應性更寬，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 結束語

鍋爐改造后加寬了爐膛和爐內水冷屏的寬度，有效增加爐膛水冷壁換熱面積、增加爐內蒸發受熱面，共增加爐膛輻射受熱面106m2，使鍋爐恢復出力得到保證。控制爐內流化速度由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計規范。鍋爐改造后各項指標參數合格，實現了預期目標，取得了較好的經濟效益和社會效益，對同類鍋爐出力不足問題的解決具有參考價值。