350 MW超臨界CFB鍋爐不同負荷下運行影響試驗

張 鵬，范浩東，余 耀，賀建平，杜佳軍，辛勝偉，張 縵，楊海瑞

(1.神華集團循環流化床技術研發中心，陜西 西安 710065；2.太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原 030024；3.清華大學能源與動力工程系，北京 100084；4.清華大學 電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084；5.神華神東電力山西河曲發電有限公司，山西 忻州 036501)

0 引 言

循環流化床燃燒技術具有燃料適應性廣、脫硫效率高、氮氧化物排放低、負荷調節范圍寬等優點，成為我國低熱值燃料規模化利用的最佳方式之一，同時能較好地適應目前超低排放和火電調峰要求。CFB技術在我國發展十分迅速，100 MW等級以上機組超過350臺，我國已經成為世界上最大的超臨界CFB鍋爐市場，其中350 MW超臨界CFB機組成為了燃煤發電的主力機組[1]。隨著新能源上網以及環保壓力日趨增大，我國在電網深度調峰前提下，明確提出了超低排放要求，CFB鍋爐機組必須以降低污染物排放作為首要目標。各種燃燒中及燃燒后污染物控制技術相繼提出并得到工程實施，從多方面保證鍋爐在不同負荷下穩定運行的同時滿足超低排放的環保要求[2]。

國內外許多學者研究了CFB機組性能隨負荷的變化規律，針對燃燒優化及污染物生成機制進行了大量冷態流動、現場熱態試驗等工作。蔡晉等[3]以某電廠350 MW超臨界CFB鍋爐為研究對象，分析了機組變負荷時的床溫、蒸汽參數以及污染物排放的變化。馬素霞等[4]針對75 t/h CFB鍋爐，依據大量變工況試驗，給出爐膛上部固體物料濃度的分布曲線，并在此基礎上分析了不同負荷下爐膛內固體顆粒濃度隨運行條件(運行風速等)的變化規律。牟犇等[5]研究了CFB鍋爐機組能量變遷過程，對動態過程中的能量轉換進行了定量計算與比較。張建春等[6]對不同負荷下CFB鍋爐的燃燒份額分布進行了研究。馬志斌等[7]研究了不同負荷下CFB鍋爐粉煤灰理化性質變化規律。付赟家和袁春全[8]發現CFB鍋爐熱效率在稍低于額定負荷時最高，隨著鍋爐負荷率的降低，鍋爐煤耗近似呈正比減少；當鍋爐負荷率降至50%～60%時，鍋爐熱效率明顯下降。

不難發現，以上這些研究普遍存在一定的局限性：① CFB試驗裝置與CFB鍋爐實際情況差異較大，獲得的試驗結論往往不能直接應用于工業實際；② CFB鍋爐現場試驗由于測試難度大和測試條件限制，不能準確獲得鍋爐在不同負荷下流動、傳熱、鍋爐效率以及污染物排放的整體情況；③ 350 MW機組與其他低容量、低參數機組結構有較大的差別，低容量、低參數機組的研究結果不能直接應用到350 MW超臨界機組上。

因此，筆者基于某350 MW超臨界CFB鍋爐機組，研究了在50%、75%、100%負荷下鍋爐的床壓降分布、溫度分布、吸熱負荷分布、熱效率以及污染物排放特性的變化規律。

1 鍋爐設備概況

某350 MW超臨界CFB機組配套東方鍋爐廠制造的超臨界直流CFB鍋爐，采用一次中間再熱、單布風板單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構、水冷滾筒式冷渣器。鍋爐主要參數及煤質分析結果見表1和表2。

表1 鍋爐主要運行參數

表2 鍋爐煤質分析

2 負荷變化對鍋爐性能影響規律

CFB鍋爐負荷變化將直接影響爐內床層壓降、床層溫度、吸熱負荷以及熱效率，本節詳細研究鍋爐在50%、75%、100%負荷時床層壓降分布、風室壓力及布風板上壓力分布、爐內溫度分布，以及受熱面吸熱份額分布的影響規律。

2.1 負荷變化對床層壓降的影響

床層壓降直接反映爐內物料量的多少，在來料粒度分布一定的情況下，直接反映循環灰量的大小，因此CFB鍋爐運行中需要合理的床層壓降[9]。床層壓降低，循環量不夠，會造成稀相區吸熱量不足，密相區床溫過高，不能保證額定負荷。床層壓降過高，一方面輔機能耗增高，影響效率；另一方面，過大的循環灰量會造成嚴重磨損，鍋爐可用性大大降低，不利于設備長期運行。因此，選擇合理的床層壓降十分必要。圖1為機組在不同負荷下上部壓差分布。由圖1可知，爐膛上部壓差隨機組負荷的增加而逐漸增加。CFB鍋爐爐內傳熱特性與上部物料濃度及溫度有關，實際調整時一般采用提高上部顆粒濃度的方式實現。

圖1 不同負荷下上部壓差分布

流化床料的均勻性對爐膛內燃燒狀況尤為重要，床料均勻程度由布風板直接決定，布風板阻力適中則爐膛內氣流分布均勻，床料不均爐膛內部將出現流化不均勻現象，進而導致溫度不均勻引起床面結焦，鍋爐被迫停運。布風板另外一個主要作用是支撐靜止的床料[10]。圖2為不同負荷下風室壓力及布風板上壓力分布。由圖2可知，隨著負荷增加，風室壓力逐漸增加，布風板上壓力逐漸降低。物料平衡分析表明，隨著負荷增加，進入外循環回路的物料量增加，爐內床料量下降，床壓降低[11]。負荷增高的同時，一次風量增加也會導致布風板阻力增大，風室壓力提高。

圖2 不同負荷下風室壓力及布風板上壓力分布

圖3為不同負荷下爐內不同高度方向上壓力分布。由圖3可知，隨爐膛高度增加，不同負荷下爐膛壓力先快速降低之后變得平緩。隨著負荷增加，爐膛底部(10 m以下區域)平均物料壓差由452 Pa/m降低到315 Pa/m，爐膛上部(10 m以上區域)平均物料壓差由9.5 Pa/m增加到40 Pa/m。

圖3 不同負荷工況下爐內不同高度方向上壓力分布

2.2 負荷變化對爐內溫度分布的影響

床溫是CFB鍋爐運行的關鍵參數。實際運行中，通常將床溫控制在850～950℃，在保證燃燒效率的同時提高脫硫脫硝效果。圖4為不同負荷工況下爐內床溫分布，可知不同負荷下，扣除邊壁效應的影響，前后墻床溫分布都較均勻，前墻床溫偏差在42 ℃ 以內，后墻偏差在55 ℃以內，且隨著負荷增加，邊壁效應的影響逐漸減小，這主要是由于一次風量增加，密相區流化效果明顯改善。

圖4 不同負荷工況下爐內床溫分布

圖5為不同負荷工況下爐內溫度場分布。由圖5可知，不同負荷工況下，隨著爐膛高度增加爐內溫度逐漸下降。低負荷50%工況下，爐膛上部溫度僅603 ℃，當機組參數進一步提高到超超臨界，如何維持低負荷汽溫的問題將尤其突出，亟需今后重點研究。

圖5 不同負荷工況下爐內溫度場分布

2.3 負荷變化對吸熱份額分布的影響

目前國內外現有的350 MW以上超臨界CFB鍋爐中，通常爐內布置適合機組容量的水冷壁和水冷附加受熱面、高過，尾部煙道一般布置低過、低再，布置中過和高再的方式有2種：一種是布置在外置床中(圖6(a))，一種是布置在爐內(不帶外置床)或尾部煙道內[12](圖6(b))。為了解不同受熱面布置時吸熱份額分布規律，對這2種典型受熱面布置結構熱力匹配特性進行分析。

圖6 2臺典型超臨界CFB鍋爐示意

鍋爐A：超臨界CFB鍋爐帶有外置床，爐膛、汽冷型分離器、外置床、尾部單煙道組成整個機組的受熱面，爐膛采用了“褲衩腿”單爐膛結構。由于左右兩側受熱面對稱布置，可以視為2個受熱面布置完全相同的超臨界CFB鍋爐。鍋爐B：超臨界CFB鍋爐不帶外置床，受熱面由爐膛、汽冷型分離器、尾部雙煙道組成，爐膛采用單布風板單爐膛結構。

圖7為不同負荷工況下鍋爐不同受熱面吸熱份額比較。由圖7可知，不同負荷工況下，2種典型受熱面布置的循環流化床鍋爐蒸汽參數接近，因此給水、過熱器和再熱器的吸熱比例基本相同，鍋爐A水冷壁吸熱量設計時較鍋爐B更大。當處于超臨界工況下，由于鍋爐B省煤器吸熱量較小，水冷壁欠焓較大，水動力特性更可靠。

圖7 不同負荷下2臺鍋爐受熱面吸熱份額比較

圖8為不同負荷工況下2臺CFB鍋爐不同部件吸熱份額。由圖8可知，不同負荷工況下2種受熱面布置尾部煙道吸熱份額基本相同，爐內與外置床吸熱份額總和相同，此時爐內循環系統需與熱力系統相匹配。

圖8 不同負荷工況下2臺鍋爐各部件吸熱份額比較

圖9為不同工況下2臺流化床鍋爐爐內溫度場分布。由圖9可知，由于鍋爐A帶有外置床，爐內溫度場分布較均勻，其爐膛出口溫度平均溫度高約100 ℃。

圖9 不同工況下兩臺鍋爐爐內溫度場分布

當蒸汽參數從超臨界提高到超超臨界，主蒸汽溫度由571 ℃提高到605 ℃，再熱蒸汽溫度由569 ℃提高到603 ℃(高效超超臨界為623 ℃)，帶有外置床的循環流化床鍋爐內布置受熱面時仍有較大的溫差，而不設置外置床的循環流化床鍋爐在低負荷時，爐膛上部溫度偏低，汽溫很難保證，是今后需要重點攻關研究之一[13]。外置床技術是可供選擇的解決方案之一，由于上部溫度較高，低負荷汽溫特性良好，但是考慮到外置床內金屬材料裕量限值，再熱汽溫熱偏差控制要求更加嚴格。

2.4 負荷變化對鍋爐效率的影響

較大差異的負荷會對機組的運行效率產生影響，主要體現在以下2方面：① 無法及時調整燃燒狀態，爐內煤風比值的變化無法及時適應鍋爐負荷的突變；② 負荷變化時會使爐內燃燒工況不穩定，為了適應這種負荷的突變要進行調整，大大降低鍋爐的燃燒效率，大幅度降低鍋爐運行的經濟性[14]。表3為不同工況下鍋爐熱效率試驗結果。

表3 熱效率試驗結果

圖10為變負荷運行時對鍋爐效率的影響，由圖10可知，低負荷運行階段的鍋爐爐內溫度相對較低，導致燃燒不充分，增大不完全燃燒熱損失使鍋爐燃燒工況變差，特別是當鍋爐的負荷在50%以下時，過低的負荷會使爐膛內部的溫度降到最低值。此外，當鍋爐自身出力不足導致無法達到額定蒸發量，使鍋爐運行經濟性降低，同時，鍋爐在低于額定負荷運行時，燃料在爐膛內部停留的時間過短，燃料燃燒不完全，爐膛出口煙氣量增大，煙氣的流速及溫度大于正常值，煙氣損失增大，鍋爐效率降低[15]，這也是滿負荷時效率下降的原因。CFB鍋爐的經濟負荷范圍在鍋爐額定負荷的80%～90%。

圖10 機組變負荷運行對鍋爐效率的影響

3 負荷變化對污染物排放的影響

3.1 負荷變化對SO2的影響

CFB鍋爐爐內燃燒生成SO2可以通過添加石灰石等脫硫劑進行脫除。石灰石隨給煤一起送入爐膛以后，受熱分解成CaO，CaO與SO2發生固硫反應生成CaSO4，并隨灰渣排到爐外。

圖11為鍋爐在3種負荷運行時爐膛出口SO2的排放質量濃度變化。由圖11可知，SO2排放質量濃度先急劇增加，到達最大值之后開始下降。這是因為當負荷升高時，給煤增加，煤中的硫分析出導致爐膛內SO2質量濃度急劇增加，之后由于床溫升高，達到脫硫最佳溫度范圍，導致脫硫反應效率提高，爐膛出口SO2質量濃度降低。

圖11 機組在變負荷工況下運行出口SO2排放質量濃度

3.2 負荷變化對NOx的影響

圖12為鍋爐在升降負荷時爐膛出口NOx排放質量濃度變化。由圖12可知，升負荷過程中，排煙溫度升高，這是由于燃料量、風量、蒸汽流量均相應增加，各級受熱面處的工質和煙氣溫度升高，導致爐膛排煙溫度升高。當負荷增加時，床溫呈升高趨勢，NOx的排放直接與床溫有關[16]。由于運行床溫和二次風配比比較合理，升負荷時NOx排放質量濃度在30～45 mg/m3，運行床溫較低、合理二次風配比造成缺氧環境和入爐燃料所含有機氮化物較少等，是該鍋爐NOx原始排放偏低的重要原因。對于中低負荷區間的變負荷工況，由于需維持最低流化風速，隨著負荷降低，一次風量逐漸降低至最低流化風量，不能發揮分級配風的優勢，密相區的還原性氣氛相對中高負荷時差，導致NOx的原始排放質量濃度顯著大于中高負荷時[17]。

圖12 機組變負荷運行時NOx排放質量濃度

4 結 論

1)通過不同負荷下350 MW超臨界CFB機組各參數變化趨勢分析可知，該機組具有較高運行靈活性和調峰能力。隨負荷增加，爐膛上部壓差逐漸增加；風室壓力逐漸增加，布風板上壓力逐漸降低；爐膛內部平均物料濃度在底部和上部變化率不一致，爐膛內部平均物料濃度逐漸降低，而爐膛上部平均物料濃度逐漸升高，這也是負荷升高導致的結果。

2)不同負荷工況下，隨著爐膛高度增加，爐內床溫逐漸下降；2種典型受熱面布置的超臨界CFB鍋爐蒸汽參數接近，尾部煙道吸熱份額基本相同。

3)循環流化床鍋爐都有一個經濟負荷范圍，在鍋爐額定負荷的80%～90%。爐膛出口SO2排放質量濃度先增加后減小，NOx排放質量濃度逐漸減小。在機組運行過程中盡量使鍋爐在經濟負荷范圍內運行，避免出現調峰時的低負荷和超負荷運行，最終實現鍋爐效率最佳。