循環(huán)流化床鍋爐尾部煙道漏風(fēng)性能試驗(yàn)研究

于 旭1，孫 浩1，董建聰2，張 進(jìn)2

（1.國(guó)家電投集團(tuán)鹽城熱電有限責(zé)任公司，江蘇 鹽城 224007；2.南京工程學(xué)院能源研究院，南京 211167）

0 引言

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐相比于煤粉鍋爐，具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒過(guò)程生成的污染物少和調(diào)峰性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在國(guó)內(nèi)火力發(fā)電、供熱及化工等行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，小型循環(huán)流化床鍋爐尾部受熱面多采用多級(jí)管式空預(yù)器，在實(shí)際運(yùn)行中由于安裝維護(hù)不當(dāng)、煙塵沖刷、高溫?zé)g以及尾部低溫腐蝕等因素的疊加影響，CFB鍋爐尾部煙道常會(huì)發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象[2]。當(dāng)出現(xiàn)漏風(fēng)時(shí)，爐外空氣和爐內(nèi)一、二次熱風(fēng)分別通過(guò)爐墻漏點(diǎn)和空預(yù)器漏點(diǎn)進(jìn)入尾部煙道內(nèi)。一方面，低溫漏風(fēng)降低了尾部煙溫，會(huì)減弱尾部受熱面?zhèn)鳠嵝Ч古艧煖囟壬仙绊憼t效；另一方面，尾部漏風(fēng)增加了排煙量，提高排煙損失的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致送、引風(fēng)機(jī)出力增加，甚至迫使鍋爐降負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響CFB鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

杜佳軍[4]對(duì)某200MW循環(huán)流化床鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)進(jìn)行了深入分析，研究了設(shè)備結(jié)構(gòu)、燃燒煤種偏差、暖風(fēng)器投運(yùn)方式及吹灰器清灰效果對(duì)漏風(fēng)的影響，并提出了針對(duì)性的改造和優(yōu)化方案。張智羽等[5]以內(nèi)蒙古某亞臨界CFB發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，建立了富氧燃燒CFB發(fā)電機(jī)組流程仿真模型，研究了漏風(fēng)系數(shù)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)整體能耗的影響，結(jié)果表明隨著漏風(fēng)的增大，機(jī)組煤耗和總能耗增大，機(jī)組輸出功率和凈電效率減小。因此，在富氧CFB設(shè)計(jì)與運(yùn)行中應(yīng)保證鍋爐煙道的氣密性，減少漏風(fēng)的影響。武世福等[6]對(duì)某1060t/h CFB鍋爐在爐內(nèi)噴鈣脫硫運(yùn)行工況下進(jìn)行了性能試驗(yàn)，計(jì)算在不同工況下的熱效率和空預(yù)器漏風(fēng)率，結(jié)果表明隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率由15.97%降到7.03%，但空預(yù)器漏風(fēng)率整體偏高。

本文在一臺(tái)150t/h循環(huán)流化床鍋爐上開(kāi)展了尾部煙道漏風(fēng)性能試驗(yàn)，利用Testo-350煙氣分析儀對(duì)低溫省煤器進(jìn)出口和上、中、下級(jí)空預(yù)器出口左右兩側(cè)的煙氣成分進(jìn)行了取樣分析。根據(jù)測(cè)量結(jié)果分別計(jì)算得到了低溫省煤器和上、中、下級(jí)空預(yù)器的漏風(fēng)率，據(jù)此對(duì)尾部煙道內(nèi)的具體漏風(fēng)位置進(jìn)行了預(yù)判并提出了檢修意見(jiàn)。此外，通過(guò)對(duì)比漏風(fēng)檢修前后鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，分析了尾部漏風(fēng)對(duì)CFB鍋爐運(yùn)行的影響。

1 CFB鍋爐概況

該臺(tái)150t/h高溫高壓CFB鍋爐為單鍋筒橫置式、單爐膛、自然循環(huán)、全懸吊結(jié)構(gòu)、全鋼架π型布置。鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天，運(yùn)轉(zhuǎn)層以下封閉，在運(yùn)轉(zhuǎn)層8m標(biāo)高設(shè)置混凝土平臺(tái)。爐膛采用膜式水冷壁，鍋爐中部是蝸殼式汽冷旋風(fēng)分離器，尾部豎井煙道布置兩級(jí)4組對(duì)流過(guò)熱器，過(guò)熱器下方布置兩組省煤器及一、二次風(fēng)三級(jí)空氣預(yù)熱器。鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 150t/h CFB鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of 150t/h CFB boiler

該臺(tái)CFB鍋爐尾部煙道內(nèi)的低溫受熱面布置情況為：尾部豎井煙道中設(shè)有兩組光管省煤器，均采用φ32×4的管子，錯(cuò)列布置，上、下組的橫向節(jié)距分別為101mm和83mm，省煤器管的材質(zhì)為20G高壓鍋爐管。在省煤器后布置3組空氣預(yù)熱器，分別加熱一次風(fēng)和二次風(fēng)，采用臥式順列布置。空氣預(yù)熱器管子迎風(fēng)面前兩排管子和兩側(cè)管子采用φ42×3.5厚壁管。每級(jí)空氣預(yù)熱器及相應(yīng)的連通箱均采用全焊接的密封框架，以確保空氣預(yù)熱器的嚴(yán)密性，空氣預(yù)熱器材料采用耐腐蝕ND鋼。

2 CFB鍋爐漏風(fēng)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

該臺(tái)CFB鍋爐尾部豎井煙道在低溫省煤器進(jìn)、出口和各級(jí)空預(yù)器出口處均布置有爐墻開(kāi)孔。本次試驗(yàn)采用Testo-350煙氣分析儀配合2.2m長(zhǎng)不銹鋼取樣槍抽取不同開(kāi)孔處的煙氣進(jìn)行成分分析，在同一開(kāi)孔處通過(guò)調(diào)整取樣槍的取樣深度來(lái)對(duì)該處試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行均值處理。利用不同取樣位置的煙氣成分測(cè)量結(jié)果可進(jìn)一步計(jì)算出該段煙道內(nèi)的漏風(fēng)率，本次試驗(yàn)分別對(duì)低溫省煤器進(jìn)出口和上、中、下三級(jí)空預(yù)器出口的左右兩側(cè)煙道內(nèi)的煙氣成分進(jìn)行了取樣分析。

2.2 漏風(fēng)率計(jì)算方法

根據(jù)ASME PTC4.3《空預(yù)器試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，漏風(fēng)率的計(jì)算方法如下：

式（1）中：WG1和WG2分別為某煙道區(qū)段進(jìn)出口處的實(shí)際煙氣量，kg/kg。其值為該煙道截面處干煙氣量與煙氣中水分之和，具體計(jì)算方法如下：

式（2）中：CO2、O2為煙氣分析儀實(shí)測(cè)值；N2=100-CO2-O2；Sar、Har、Nar等煤質(zhì)參數(shù)按鍋爐實(shí)際燃用煤種的工業(yè)分析數(shù)據(jù)取值，飛灰和大渣之間的比例按6:4設(shè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及漏風(fēng)影響分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

將各取樣點(diǎn)煙氣成分測(cè)量值代入上節(jié)漏風(fēng)率計(jì)算公式，即可求得尾部煙道內(nèi)各區(qū)段的漏風(fēng)率，其結(jié)果匯總?cè)鐖D1。

圖1 尾部煙道部分典型漏風(fēng)點(diǎn)檢修照片F(xiàn)ig.1 Maintenance photo of typical air leakage points of tail flue

分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)煙道內(nèi)的漏風(fēng)特性呈現(xiàn)出不同特性：左側(cè)煙道除中級(jí)空預(yù)器外其余各段漏風(fēng)率均低于4%，說(shuō)明這些區(qū)域氣密性較好，而中級(jí)空預(yù)器的漏風(fēng)率是整個(gè)尾部煙道的最高值，達(dá)到了23.74%；右側(cè)煙道的漏風(fēng)率普遍較高，除中級(jí)空預(yù)器漏風(fēng)率低至3.98%外，其余各段漏風(fēng)率均超過(guò)7%，其中低溫省煤器和上級(jí)空預(yù)器漏風(fēng)率分別達(dá)到10.61%和9.25%。根據(jù)漏風(fēng)率的數(shù)據(jù)對(duì)比可預(yù)判出漏風(fēng)的具體位置，左右兩側(cè)煙道的漏風(fēng)點(diǎn)也存在明顯差異：右側(cè)漏風(fēng)點(diǎn)位于煙道上部區(qū)域，即低溫省煤器和上級(jí)空預(yù)器區(qū)域；而左側(cè)漏風(fēng)點(diǎn)則位于煙道中部區(qū)域，即中級(jí)空預(yù)器區(qū)域，這些區(qū)域應(yīng)為后續(xù)停爐檢查的重點(diǎn)區(qū)域。

3.2 漏風(fēng)處理及影響分析

圖2為該臺(tái)CFB鍋爐尾部煙道檢修時(shí)拍攝的部分典型漏風(fēng)點(diǎn)照片，可以看到低溫省煤器和上級(jí)空預(yù)器的膨脹節(jié)處均存在明顯的破損漏點(diǎn)，如圖2（a）。其造成了爐外空氣向尾部煙道煙氣側(cè)的內(nèi)漏風(fēng)，而中級(jí)空預(yù)器管路與熱風(fēng)風(fēng)箱的連接處也存在多處破損和焊縫開(kāi)裂漏點(diǎn)，如圖2（b）。其造成了管式空預(yù)器內(nèi)熱風(fēng)向尾部煙道煙氣側(cè)的內(nèi)漏風(fēng)。上述漏風(fēng)檢查結(jié)果表明：通過(guò)鍋爐漏風(fēng)性能試驗(yàn)得到的漏風(fēng)率計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了尾部煙道漏風(fēng)點(diǎn)的預(yù)判是準(zhǔn)確的。

圖2 尾部煙道部分典型漏風(fēng)點(diǎn)檢修照片F(xiàn)ig.2 Maintenance photo of typical air leakage points of tail flue

通過(guò)比較漏風(fēng)檢修前后的鍋爐運(yùn)行參數(shù)的變化可以分析出漏風(fēng)對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響。由于漏風(fēng)檢修不涉及鍋爐燃燒系統(tǒng)和給煤系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)的特性在此次檢修前后保持一致，故選取檢修前后兩個(gè)給煤量接近的工況進(jìn)行對(duì)比分析。相關(guān)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。

表2 漏風(fēng)檢修前后的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of operation parameters before and after air leakage maintenance

對(duì)比表2數(shù)據(jù)可知，兩個(gè)工況的給煤量分別為26.77t/h和26.05t/h，兩者相對(duì)差值小于3%，加之兩者的一、二次風(fēng)總風(fēng)量也相差無(wú)幾，可認(rèn)為這兩個(gè)工況的爐內(nèi)燃燒狀態(tài)接近相似，故兩個(gè)工況下產(chǎn)生的煙氣量也應(yīng)相當(dāng)。但通過(guò)數(shù)據(jù)可以看到，檢修后工況下的引風(fēng)機(jī)電流要比檢修前下降了約1/3。分析原因是因?yàn)闄z修前鍋爐尾部煙道存在漏風(fēng)，爐外空氣和管式空預(yù)器內(nèi)的熱風(fēng)通過(guò)漏點(diǎn)進(jìn)入尾部煙道，使通過(guò)引風(fēng)機(jī)的實(shí)際煙氣量大大增加，進(jìn)而導(dǎo)致了引風(fēng)機(jī)電流的增加。此外，尾部煙道的漏風(fēng)也對(duì)一、二次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生了不利影響。對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)工況一、二次風(fēng)風(fēng)量接近的情況下，檢修后的一、二次風(fēng)機(jī)電流也要比檢修前分別下降了23.7%和19.6%。分析原因，空預(yù)器漏風(fēng)使得部分一、二次熱風(fēng)從漏點(diǎn)旁路至尾部煙道內(nèi)，但由于一、二次熱風(fēng)的流量測(cè)點(diǎn)位于空預(yù)器后，運(yùn)行人員據(jù)此測(cè)點(diǎn)調(diào)整鍋爐送風(fēng)量，只能加大一、二次風(fēng)機(jī)電流以滿足鍋爐燃燒需要，因此尾部漏風(fēng)也將導(dǎo)致一、二次風(fēng)風(fēng)機(jī)電流的大幅上升。

4 結(jié)論

本文在一臺(tái)150t/h循環(huán)流化床鍋爐上開(kāi)展了尾部煙道漏風(fēng)性能試驗(yàn)，利用煙氣分析儀對(duì)低溫省煤器進(jìn)出口和上、中、下級(jí)空預(yù)器出口左右兩側(cè)的煙氣成分進(jìn)行了取樣分析。根據(jù)測(cè)量結(jié)果分別計(jì)算得到了低溫省煤器和上、中、下級(jí)空預(yù)器的漏風(fēng)率，據(jù)此對(duì)尾部煙道內(nèi)的具體漏風(fēng)位置進(jìn)行了預(yù)判并提出了檢修意見(jiàn)。此外，通過(guò)對(duì)比漏風(fēng)檢修前后鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，分析了尾部漏風(fēng)對(duì)CFB鍋爐運(yùn)行的影響。結(jié)果表明：中級(jí)空預(yù)器的漏風(fēng)率是整個(gè)尾部煙道的最高值，達(dá)到23.74%，低溫省煤器和上級(jí)空預(yù)器漏風(fēng)率分別達(dá)到10.61%和9.25%，是整個(gè)尾部煙道漏風(fēng)最嚴(yán)重的部位。由于消除了尾部煙道漏風(fēng)，引風(fēng)機(jī)電流下降了約1/3，一、二次風(fēng)機(jī)電流也分別下降了23.7%和19.6%。