8、变煤种调整对策与CFB煤质适应性 由于煤源供应和价格的制约,使得发电成本居高不下,煤种变化大无法保证稳定,远离设计煤种和校核煤种,且主要趋向于燃用劣质煤的现实情况,成为目前困扰各种燃煤锅炉的一大问题。当一台CFB锅炉改用劣质煤燃烧时最容易产生以下几方面问题:灰渣处理设施在不堪重负的情况下常常罢工不干,磨损问题、汽温问题、蒸发量不足等问题也接踵而来,迫使燃用劣质煤后的CFB机组经常处于不能带满负荷的状况。 a显著的颗粒冲刷磨损问题 其中包括水冷壁、省煤器、再热器、过热器、耐火浇注料、风帽、循环返料系统的受热面及炉内其他通流部分,其磨损状态经常是惨不忍睹,各个电厂都曾或正在遭遇这种情况。作为用户不可能不计成本地选用昂贵的防磨措施,也不能因为过分追求防磨而频繁人为停机检查和补救,企业效益也不允许我们更多地处于防磨被动状态,切实可行的合理防磨措施是需要多加思考的,不能治了磨损而带来其他问题,只要可以完成一个合理的百天以上连续运行周期看来也是很好的目标了,实在不行合理地降低一些指标也无妨。 磨损问题的解决,除了采取防磨梁、护瓦、防磨鳍片、防磨喷涂、炉内测点凸起点光滑过渡、消除炉内水冷壁异常凹凸点、分离器入口烟窗导流处理、覆盖耐火浇注料和防磨隔离片等有效的机械防磨措施以外,还必须注意到这些机械防磨措施中有不少方法会显著破坏贴壁流对炉内的传热过程,降低水冷壁蒸发能力,最终形成火焰燃烧份额上移,使得锅炉排烟温度升高、减温水量增加甚至限负荷运行,尽量采取哪些不明显影响传热的防磨措施和导热性能好的防磨材料,结构措施上也尽量做到符合物料“有原则导向疏导”的流动原则,从流动模型上多做一些考量。 除此以外,运行操作上也可以对减轻磨损有所帮助。一般来说,诸如尽量降低一次风量、上下二次风尽量均等分布、颗粒细度控制得相对小一些、少一些局部烟风道漏风和均匀而相对小的床压控制等运行处理方法,也能有效地抑制CFB的炉内磨损程度,减轻防磨压力。设计上,以4.7~5.1m/s的流化速度选择最为合理,既可以满足大多数煤种的流化床燃烧稳定性,又可以适度控制磨损程度。实践证明,十多年前从国外引进的大型CFB技术选用5.5~6.4m/s的流化速度,所产生的劣质煤严重磨损已被国内广大用户充分认识,仅适合于硬度较低、易破碎的褐煤、高热值优质烟煤等松软煤质,会引起国内煤种多变情况的CFB消化不良问题。而对于那些燃用生物质的CFB炉型,只能选择鼓泡床炉型,其流化速度可选择的低一些,一般以2.3~3.4m/s为好。 b 辅机运行负载加重 很多电厂都因为燃料灰量的急剧上升使得运行连续性不能保证,堵灰漏渣等一般故障更是层出不穷,不得不进行相应的辅助系统改造。由于灰量大增,直接导致排渣除灰系统的机械设备卡涩跑偏、排量受限、堵灰堵渣和跑冒滴漏等故障频发,给煤机、除尘器、冷渣器、除灰除渣系统等与燃料、灰渣有关的辅助机械的承载负担也相应加大,极大地制约了设备性能,限制了机组带负荷能力。 在灰渣量增加的情况下,除灰除渣系统的运行非常困难,个别电厂的灰量甚至成倍增加,使冷渣器无法正常工作,限制了料层厚度控制的灵活性,无法获得一个理想的床温床压稳定性。紧急排渣除灰方式在这些电厂中变成了一种常态,锅炉零米和除尘器下部变成了灰渣堆放场地,粉尘飞扬、污水横流,对环境产生极大的污染。 本来燃用高热值煤种的给煤机和落煤系统,其原始极限出力不能保证劣质煤状态下的长期连续大出力运行,不断发生运行中断煤和堵煤故障,紧急减负荷和应急处理成为困扰CFB运行操作的难题,尤其是燃用水分含量较高的洗中煤、煤泥时更容易出现这样的情况,除非在设计之初已经充分考虑高水分劣质煤的给煤影响因素。 除尘器在灰量很大的情况下,排灰很不顺畅且容易产生灰斗和分级除尘之间的粘堵,尤其是北方电厂冬季运行过程中最容易出现麻烦,布袋除尘器经常会出现压差无法平衡,布袋之间的阻力急剧增加限制了机组带负荷能力,甚至造成停机。因此,解决大灰量冷渣器、除尘器等设计、制造和设备选型问题已刻不容缓。 c炉内物料浓度升高带来的汽温问题 由于受到磨损的制约,很多厂采取了相应的水冷壁加耐火涂层或其他的弱化传热的防磨措施,结果导致减温水大幅增加甚至满表勉强运行的情况,一些机组不得不限负荷运行。 即使是不采取防磨改造,这种大浓度循环灰过程,使得悬浮段炉膛温度上升,也能够产生汽温偏高的趋势,往往需要对减温水系统进行减温器扩孔、给水回路提压和减温水支管加粗等相关的减温水加量技术改造,否则很难保持汽温合格。而在额定蒸汽温度下,一旦减温水已用到极致时,实现“压红线运行”的特殊调温方式是一件非常困难的事情。此时,需要锅炉与汽轮大电机组之间的进汽量、电负荷和汽压参数的协调非常精准,并随着负荷的变动而频繁调节燃烧过程使烟温与汽温相适应,使得操作员的运行调整难度加大,蒸汽超温现象时有发生。 在一些情况下,为了保证蒸发段获得足够吸热量,就需要增加一些省煤器或者翼型水冷壁面积,以补偿劣质煤灰量大带来的燃烧份额后移使产汽量减少造成的影响,最终实现过热再热吸热比例有所下降,以保障使用大灰量劣质煤的CFB机组能够长期正常运转。有的用户通过改善入炉煤质、改良防磨措施、拆除原有影响传热的炉内防磨件、增设低温省煤器或者减负荷运行等措施,使磨损得以抑制,恢复了受热面的合理热量分配关系,从而保证了正常的汽温和蒸发量。 d 循环返料系统运行异常故障频发 通过热态观测、模型试验和CFD分析方法,人们发现了CFB锅炉都存在着沿水冷壁表面快速下移的贴壁灰流和空间落渣现象,并量化分析了不同高度的颗粒重力自然分选作用,了解了炉内水冷壁磨损的基本成因。这部分贴壁流和炉内较大颗粒的悬浮过程空间下落灰量,共同构成了炉膛内部的炉内自然会循环过程;而灰的外循环则是由分离器的离心分离、上升段低流速重力分离产生的回料过程,这部分外循环灰依靠回料腿、返料器的栓塞封闭和流化转移作用,连续地返回炉内料层,形成了外循环过程。 目前已知的是炉内内循环灰量要显著大于返料系统的外循环灰量,它们共同构成了CFB的循环过程,其循环灰量与入炉固体燃料的比值就是我们常说的所谓物料循环倍率。。当CFB锅炉从循环灰分离器逸出的灰颗粒度大于90~100um时,细颗粒返料情况就不是很好,外循环效率下降;而当分离器后的飞灰颗粒直径小于70um时,则说明分离器效率很高,循环过程良好,对尾部烟道的受热面磨损就会显著减少。 即使是正常运行的炉子,也很难做到每个分离器和返料器运转状态一致,灰量在各个分离器内的分布不均匀是必然的情况,不可能做到返料灰量的绝对平衡。返料系统在循环灰量大量增加时,其故障和灰量承受能力不足的问题就会随之凸显出来。 实际上,燃料灰量异常增多时,总有一台套分离器和返料器处于难以承受的极限状态最大灰量,经常需要运行检修人员对返料器进行事故放灰操作,有时也会造成返料器和料腿的堵塞和其他故障。受此影响往往造成汽温、烟温和料层厚度的左右侧不对称情况,意外的返料器塌灰故障也经常发生,严重的情况下从回料口跌落到料层表面的循环灰竟然能够使料层厚度意外增高3~4米以上! 另一种情况能够也很麻烦,那就是由于上部燃烧份额增加后,产生分离器耐火内壁高温挂焦直至整体结焦、分离器中心筒变形脱落和返料器或分离器的整体垮塌等严重事故,我国云南某电厂就曾发生过很严重的返料系统高温结焦,清理结焦工作用了四十多天才得以完成,对于低熔点煤质要尤其注意这方面的异常。 e机组发电负荷受限、厂用电率居高不下 相对于煤粉锅炉,影响CFB机组效益的主要问题是较高的厂用电率和供电煤耗,设备一次投资也相对高一些,接近于“W”火焰锅炉造价。灰量增加时,由于各种问题接踵而来,记住不得不在某些极端情况下限负荷运行,使得燃料系统、灰渣系统和烟风系统各有关辅助设备的机械电耗大增,而随着负荷的降低又加重了厂用电率的升高。 在设计时,长期燃用大灰量煤种的CFB锅炉,要充分考虑劣质煤问题,解决好这些由于没有认真核算和规划而带来的问题。无论是炉本体结构,还是辅助系统选型,都要充分满足实际裕量要求,尽可能满足大负荷正常运行条件,以降低限负荷的影响,使厂用电率和供电煤耗相对有所下降。 对于大灰量煤质,建议使用滚筒式冷渣机等其他电耗非常小的冷渣设备。与此同时,由于此时炉膛内部的灰浓度已经非常高,不会存在循环灰量太少的问题,因而也就可以取消所谓的冷渣风机。而通过播煤风改造、点火风道一次风系统降阻力改进和多炉公用同一条返料风母管,分别可以取消原来给煤管的播煤风机和点火风道前的增压一次风机,少用一台或几台高压流化风机,使得风机带来的用电损失有所下降,也是一个不错的有效途径,可以显著降低厂用电率,提高机组整体发电效率,也使系统有所简化,减少了设备故障点。 f排烟温度增加 火电机组锅炉设备最大的一项热损失就是锅炉排烟损失,而炉膛内部燃烧中心上移可直接导致排烟温度增加,这种由于燃用劣质煤带来的热损失增加是显而易见的。在不考虑燃烧调整方式情况的同等条件下,由于煤种的变化,可使同一台CFB锅炉产生8~20℃的排烟温度升高,至少可产生0.5%~1.2%的锅炉热效率下降,折合17~45g/kw.hr的供电煤耗增加,其经济损失是非常可观的,需要我们对原设计为高热值煤种的CFB锅炉进行劣质煤掺烧比例的核算工作,否则是很有问题的。 大多数北方电厂新建CFB机组往往采用纯布袋除尘器或者电布除尘方式,其入口烟气温度有很明显的限制。该类除尘器规程要求的极限排烟温度不等超过190~198℃,否则容易发生各类事故,严重降低布袋寿命。为此,绝大多数布袋除尘其入口都设有事故减温水,当烟气温度超过某个定值,比如说175~185℃时,其自动喷水降温就开始动作,甚至被迫停机。 g引风量不足引起的风量不足问题 灰量增加后,锅炉炉内烟气通流截面容易堵灰,使阻力增加,进而对引风机出力有所影响,严重时会因为炉膛压力不能保持而限制入炉风量,使锅炉带负荷能力下降,厂用电率必然增加且发电收益降低。 当炉内灰浓度过高时,也会因二次风穿透能力下降,形成严重的炉膛中心贫氧区,降低了燃料的燃尽度,形成相对高的机械未完全燃烧损失。尤其对燃用劣质贫煤、矸石、无烟煤、油页岩和煤泥的CFB锅炉,所产生的飞灰含碳量上升是比较显著的。在颗粒度不变的情况下,流化床炉底渣含碳量随着燃料量增加的变化不是很大,机械损失变化主要反映在飞灰可燃物损失增大。 为此,可以考虑在除尘器第一级灰斗下方和返料器的下部,分别增设飞灰复燃回送管路和返料器的紧急排灰管系统,放出的高温返料器存灰可以设法送入冷渣机(器)降温后排出,以达到复燃增效和热量回收的作用。 h 床压、烟温波动和料层厚度问题 由于物料增加而加剧了排渣除灰的难度,运行人员不太好控制料层厚度,难以在煤种异常变化时保持两侧的床压平衡。而对于双床CFB锅炉来说,如果原来的料层厚度较薄,则此时最容易产生翻床问题,为使两侧风室压力平衡,势必出现原来就节流很多的两侧一次风进风门不得不调整得更小一些的情况,从通过增加一些节流损失阻力来达到对两侧风室压力调节上的缓冲,满足自动调节的技术条件,实现风室压力平衡,防止翻床。 料层厚度的影响也受到返料器异常工作的影响,较大的返灰量容易产生两侧物料量失衡,左右床压会处于较大波动状态,随之而来的就是炉内各段烟温包括密相区温度都会不稳定,其结果也会影响汽温调节的稳定性。 我们在日常运行过程中,只要密切关注影响到运行特性的几项主要指标,就不难发现煤种的变化,根据用户自己的锅炉特点进行仔细观察分析,就不难维持良好的运行调整。如果掺烧的劣质煤比例不超过20%以上,且运行煤种各元素分析指标偏离设计值不大于±15%,一般情况下任何一台CFB锅炉都能实现较理想的运行设计指标。 煤种发生变化时,尤其是发热量波动时,氧量和炉膛各处烟温首先会发生改变,其变化率超过蒸汽温度、床压、稀相区炉膛压力的变化速率。变煤种的应对首要的关键是盯住床温的稳定性,多数情况下在变煤种时由于炉内两侧给煤线煤种的变化不可能十分对称,在一段时间内,往往会出现变煤种带来的床温、氧量和减温水不对称情况。要求我们在上煤过程中尽量勤快一些,保持在运行过程中各个煤斗料位基本相同,尽量减少煤种差异出现的左右侧不同步,建立良好的燃料平衡供应条件,使我们的CFB机组操作员运行调整难度有所降低。 煤种的变化是不可避免的,但我们有办法做到心中有数的预防性调节。床温较低的那一侧可以适当加大给煤量,并在低负荷的情况下适当增加一点一次风量以促使流化状态相对剧烈一些,强化水平湍动流化过程,均匀床温。很多情况下,加煤不升温的情况往往标志着流化程度的不足,使得料层对燃料的消化能力有所欠缺,此时的布风板底部粘滞层过于厚重,需要强化搅拌来减薄死料区。
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