循環流化床鍋爐水冷滾筒冷渣機選型的研究

魏 靖

（中機國能電力工程有限公司，上海 200061）

引言

目前，冷渣機作為國內流化床鍋爐電廠輔機的設計選型中主要難題之一，一直是一個爭論的焦點。冷渣機是流化床鍋爐輔機設計中影響較大的設備，并在一定程度上影響了鍋爐的安全正常運行。

冷渣機作為鍋爐底渣輸送系統中的前端設備，是一個將鍋爐底渣冷卻后導入下游輸送設備的一個關鍵設備，冷渣機能否安全可靠地將鍋爐底渣進行深度冷卻，并順利地導入下游輸送設備，決定了整個底渣輸送系統運行狀態，也是循環流化床鍋爐正常運行的關鍵設備。

經專家統計，國內已投運的循環流化床鍋爐90%以上采用了水冷式滾筒冷渣機，部分采用風水聯合冷渣機，水冷式滾筒冷渣機已經成為循環流化床鍋爐的主流底渣處理設備，水冷滾筒式冷卻方式已經得到電力行業的普遍認同。

1 水冷滾筒冷渣機主要型式簡介

1.1 多管式滾筒冷渣機

多管滾筒（蜂窩）式滾筒式冷渣機布置形式上分傾斜式和水平式，其基本特征是筒內布置多根相互平行的六棱管或圓管，各管間隙中通冷卻水，內設置有螺旋導向片。

當滾筒由傳動裝置驅動旋轉時，鍋爐排出的高溫爐渣在各管內由螺旋葉片導向前進，冷卻水連續均勻地通過各管間間隙，使熱態爐渣逐步冷卻。

該型號冷渣機優點是：換熱效果強，成本低。

該型號冷渣機缺點是：承壓能力小，管程短，堵渣嚴重，管壁磨損嚴重，極易漏水且維修難度大，整機壽命短。

該型號冷渣機較適用于小渣量工況。

1.2 夾套式滾筒冷渣機

夾套式（板式）滾筒冷渣機基本特征是內筒和外筒間形成一個夾套，中間通以冷卻水；內筒內壁上焊有螺旋片或其他傳熱元件。

當套筒由傳動裝置驅動旋轉時，鍋爐排出的高溫爐渣在套筒內由螺旋葉片導向前進，冷卻水連續均勻地通過套筒封閉夾層，使熱態爐渣逐步冷卻。

該型號冷渣機優點是：出力調節性能好，不易堵渣；便于檢修，整機壽命較長。

該型號冷渣機缺點是：承壓能力一般，換熱效果一般，筒體板材較厚，整機重量較大，磨損嚴重，運行及檢修工作量較大。

該型號冷渣機較適用于中小渣量工況。

1.3 膜式壁式滾筒冷渣機

膜式壁式滾筒冷渣機基本特征是它的筒體由沿圓周分布的鋼管組成，鋼管間通過鰭片焊接而成，鋼管內腔通以冷卻水。鋼管和鰭片組成的原筒體兼起內筒和外筒作用，內筒內壁上焊有百葉狀葉片或其他傳熱元件。該型號冷渣機通常采用分倉結構，將筒體分為3～8個冷卻倉以增加冷卻面積。

該型號冷渣機優點是：換熱效果強，出力調節性能好，不易堵渣，承壓能力高，整機壽命長。

該型號冷渣機缺點是：焊縫較多，內應力大，加工及裝配精度要求較高。

該型號冷渣機較適用于中大渣量工況。

2 水冷滾筒冷渣機存在問題及分析

水冷滾筒冷渣機主要存在四大問題：出力問題、泄漏問題、安全問題、壽命問題。此外，水冷滾筒冷渣機設計選型中還存在冷卻水量過大的問題。

2.1 出力問題

滾筒冷渣機的出力是指在設計排渣溫度范圍內滾筒冷渣機冷卻熱渣的處理能力。冷渣機出力大小的本質是熱渣的熱傳遞總量大小。在底渣的熱傳遞過程中，主要有輻射傳熱和傳導傳熱兩種方式。

2.1.1 底渣熱傳遞計算

根據傳熱學計算底渣熱傳遞總量：

式中：Q為底渣散熱總量，J；Qc為傳導傳熱量，J；Qf為輻射散熱量，J；F為筒體散熱水套總面積，m2；Ff為底渣輻射總表面積，m2；Fz為底渣與筒壁接觸面積，m2；Tz為底渣進料溫度，℃；Tg：筒內壁溫度（≈水溫），℃；λ為底渣導熱系數，w／（m·k）；δ為底渣料層厚度，m；ε為底渣與內筒的角系數；a為底渣與筒壁接觸系數；nf為底渣表面積與筒體總換熱面積的比。各種結構型號的冷渣機，nf值不同［1］。

根據該上述計算分析，在相同換熱面積的前提下，傳導傳熱量與底渣料層厚度成反比，與底渣與筒壁接觸系數成正比；輻射傳熱系數與底渣的總表面積成正比。

因此，水冷式滾筒冷渣機提高出力主要手段為：增大換熱面積、增大底渣與筒壁接觸系數、增大底渣總表面積。

增大換熱面積主要采用增大冷渣機筒體長度和直徑、采用曲線結構冷卻壁、分倉等方式。

增大底渣與筒壁接觸系數主要采用筒內密布百葉狀葉片，降低底渣料層高度等方式。

增大底渣總表面積主要采用采用分管、增大拋灑面積等方式。

2.1.2 各型號滾筒冷渣機主要結構特征及適用范圍

1）多管式滾筒冷渣機的結構上主要采用了曲線結構冷卻壁、管內密布螺旋葉片、分管等方式以增大換熱面積、底渣與筒壁接觸系數和底渣總表面積，該型號冷渣機冷卻效果較好。同樣，由于其采用蜂窩式多管結構，排渣量較大時易堵渣、承壓能力較差、端板易開裂、管內螺旋焊接難度較大。因此，多管式水冷滾筒冷渣機筒體長度及直徑上限制性較大，其在設備中大型化上有較明顯瓶頸。根據運行經驗，該型號冷渣機較適宜排渣量小的工況。

2）夾套式滾筒冷渣機結構上主要采用了增大冷渣機筒體長度和直徑、筒內密布百葉狀葉片、增大拋灑面積等方式以增大換熱面積、底渣與筒壁接觸系數和底渣總表面積，該型式冷卻效果一般。同樣，由于采用夾套式結構，在相同處理量時，它的體積較大，設備本體質量較重，運行及檢修成本較高，在設備大型化上有較明顯瓶頸。根據運行經驗，該型號冷渣機較適宜排渣量適中的工況。

3）膜式壁式滾筒冷渣機結構上采用了增大冷渣機筒體長度和直徑、采用曲線結構冷卻壁、分倉、筒內密布百葉狀葉片，降低底渣料層高度、增大拋灑面積以增大換熱面積、增大底渣與筒壁接觸系數、增大底渣總表面積，該型式冷渣機冷卻效果較好。同樣，由于采用模式壁結構，在具備了夾套式和多管式滾筒冷渣機的主要優勢的同時，還采用了分倉結構，在設備大型化上沒有明顯瓶頸。根據運行經驗，該型式冷渣機較適宜排渣量較大的工況。

2.2 泄漏問題

水冷滾筒式冷渣機主要泄漏點有：旋轉接頭處漏水、進渣箱與筒體之間漏渣、出渣箱與筒體之間漏渣、鍋爐渣管與進渣斗之間漏渣。

2.2.1 旋轉接頭處漏水

冷卻水旋轉接頭技術幾年來雖然有了很大的進步，但在運行可靠性上仍然存在問題。目前，采用機械密封的旋轉接頭，以波紋管作彈性元件，磨損后可自動進行補償，抗振性好，對旋轉軸的振動、偏擺以及對密封性腔的偏斜不敏感，因此使用壽命長，漏水現象得到很好控制，此外降低筒體轉速也是提高旋轉接頭的有效措施。

2.2.2 底渣泄漏

底渣泄漏問題的主要原因在于冷渣機設備的特殊性，冷渣機既是一個熱力設備又是一個轉動機械設備，還是輸送設備。冷渣機在工作狀態下，由于熱膨脹及轉動的影響，本體部件很難直接采用接觸式精密密封結構，同時由于冷渣機內部在運行過程中處于正壓狀態，因此密封問題比較突出。目前，各冷渣機廠家主要采用迷宮密封、間隙密封、脹套密封、間隙密封與疏通返料相結合等方式。其中，在達到設計工況的前提下，間隙密封與疏通返料相結合的方式可較好地控制動靜結合部底渣泄露。

2.3 安全問題

水冷式滾筒冷渣機主要的安全隱患為：漏紅渣、爆管、筒體爆裂等。其中較大的事故為江西分宜電廠滾筒冷渣機爆裂，撞壞下降管底部至水冷壁下聯箱的分配管，導致大量汽水混合物噴出，造成3人死亡和6人燙傷的事故。事故調查初步分析及近年CFB鍋爐運行情況表明：冷渣機作為CFB爐重要的輔助設備，在運行中容易發生冷卻水流量不足，從而造成冷渣機筒體爆裂，引發事故。

目前，水冷式冷渣機大多采用閉式循環水、除鹽水及凝結水，水壓一般在1.2MPa～2.6MPa，而在冷渣機事故狀態下，冷卻水會迅速汽化，水壓會突然升高，因而冷卻水系統設計壓力一般要求大于4.0MPa，這就要求水冷式滾筒冷渣機的承壓能力必須滿足系統要求［2］。

夾套式水冷滾筒冷渣機換熱采用內外筒體夾套結構，在夾套中間水壓較高時容易出現內筒失穩和端板失效現象。夾套式水冷滾筒冷渣機換熱筒體設計的瓶頸在于內筒的失穩保護、端板的應力釋放以及端板的制造工藝上。

多管式水冷滾筒冷渣機換熱筒體采用多管蜂窩式結構，承壓能力較低，瓶頸在于端板承壓設計，無法在結構上保證設備安全運行。

膜式壁式冷渣機換熱筒體采用壓力管系結構，承壓能力高，理論最高承壓能力可高達到8.0MPa左右，水容積較小，即使在人為故障、冷卻水中斷等極端事故工況下，均不會造成嚴重的筒體爆炸等安全事故，具有較高的使用安全保證系數。

因此，夾套式水冷滾筒冷渣機及多管式水冷滾筒冷渣機，由于結構的限制，都存在著一定的安全隱患；同樣，膜式壁式冷渣機由于結構的優勢，在安全性上有了較大的提高。此外，由于膜式壁式冷渣機焊縫較多，如何在設備大型化的過程中減少焊縫、提高焊接質量、減小焊接變形和消除內應力等方面還需要做進一步研究。

2.4 壽命問題

多管式滾筒冷渣機由于結構形式上的瓶頸，該型號冷渣機一旦出現管內嚴重堵渣或漏水故障，整機將報廢。而影響夾套式及膜式壁式滾筒冷渣機使用壽命因素主要為筒內磨損、支撐輪和滾齒圈的磨損 、動靜結合部的磨損，該兩種型號冷渣機整機壽命一般較長。

2.4.1 筒內磨損

筒內磨損主要為機械磨損和高溫燒損。

夾套式和膜式壁式冷渣機內部均采用百葉式葉片內筒，底渣夾持在葉片于筒體之間基本不動，一直到筒體頂端時拋灑而下。在此過程中底渣與筒體幾乎無相對運動，而拋灑而下的底渣不但速度非常低，而且落點是鋪滿底渣的筒體底部，避免了對筒體的直接沖擊，從而在根本上解決葉片及筒體機械磨損。

當質點溫度超過材料的蠕變溫度時發生燒損。夾套式和膜式壁式冷渣機內部葉片的溫度及其材質決定其高溫燒損壽命。而一般葉片的材質為Q345，蠕變溫度為480℃，因此，如何在運行時保證葉片處于該溫度以下，是決定其燒損壽命的核心問題。

根據部分設備廠家的經驗，底渣溫度在小于1 000℃時，葉片溫度可按下列公式估算：

葉片溫度≈水溫＋葉片高度×3.5

2.4.2 支撐輪和滾齒圈的磨損

支撐輪和滾齒圈的磨損主要為機械磨損。

夾套式和膜式壁式冷渣機的支撐輪和滾齒圈機械磨損壽命主要受到其材質、承重線寬度、裝配精度及轉速等因素影響。解決機械磨損措施主要圍繞以上因素綜合考慮。

2.4.3 動靜結合部的磨損

動靜結合部的磨損主要為旋轉接頭磨損、進渣箱與筒體之間磨損、出渣箱與筒體之間磨損。解決動靜結合部磨損最主要的措施是降低筒體轉速。

2.5 冷卻水問題

水冷式滾筒冷渣機冷卻水主要有兩大問題，即冷卻水水壓問題和冷卻水水量問題。

2.5.1 冷卻水水壓問題

國內電廠多臺冷渣機實際使用效果統計數據顯示，多管式滾筒冷渣機適用冷卻水水壓為不大于1.25MPa，夾套式滾筒冷渣機適用冷卻水水壓為不大于2.5MPa，膜式壁式冷渣機適用冷卻水水壓為不大于4.0MPa。

2.5.2 冷卻水水量問題

冷渣機冷卻水量計算依據為：能量守恒定律。即：冷卻水吸收熱量（Q1）＋設備本體散熱總量（Q2）＝底渣熱傳遞總量（Q3）。

由于設備本體散熱總量（Q2）較小，故冷卻水量可按下列公式估算：

式中：W1為冷卻水量，t；W2為底渣總量，t；T2為出水水溫，℃；T1為進水水溫，℃；T3為出渣渣溫，℃；T4為入渣渣溫，℃；C1為水比熱容，J／（kg·℃）；C2為渣比熱容，J／（kg·℃）［3］。

根據該上述計算分析，冷卻水水量與底渣總量成正比，與水溫差、渣溫差成函數關系。

冷渣機選型根據規范要求，不宜小于燃用設計煤種排渣量的150%，不宜小于燃用校核煤種排渣量的135%。

冷渣機正常工況排渣溫度應小于150℃，故障時冷渣機排渣溫度應小于200℃。

故冷渣機的設計出力大于實際出力，冷渣機為了達到設計出力，其熱交換面積及冷卻水量需按設計值計算。

鍋爐實際運行時排渣量達不到設計值時，多管式及板式冷渣機受到其承壓能力較低的限制，需保證冷卻水流量以防止排渣量突然增大時，筒體間隙內冷卻水迅速汽化，筒體內壓力增大引發爆裂事故。因而，多管式及板式冷渣機冷卻水水量需按冷渣機設計銘牌出力供給。而膜式壁式冷渣機采用壓力管系設計，承壓能力較高，在排渣量突然增大時，管內可形成一定壓力下的飽和水而不會汽化引發爆裂事故。因而，在冷卻水量不足時，膜式壁式冷渣機冷卻水量可根據鍋爐實際排渣量供給。

根據電廠運行經驗并結合各設備廠家提供的經驗數據，冷卻水量渣水比約為：（t／t）

多管式滾筒冷渣機：渣∶水＝1∶4.0～4.9

夾套式滾筒冷渣機：渣∶水＝1∶3.5～4.2

膜式壁式滾筒冷渣機：渣∶水＝1∶2.5～3.2。

3 結論及建議

3.1 結論

1）多管式滾筒冷渣機較適用于冷卻水水壓不大于1.25MPa，設計出力小于6t／h的工況；

2）夾套式滾筒冷渣機較適用于冷卻水水壓不大于2.5MPa，設計出力小于15t／h的工況；

3）膜式壁式滾筒冷渣機較適用于冷卻水水壓不大于4.0MPa，設計出力大于15t／h的工況；

4）在選用水冷式滾筒冷渣機時，冷卻水量宜按設計銘牌出力計算供給；

5）在設計選型過程中，冷卻水量嚴重不足的情況下，膜式壁式滾筒冷渣機冷卻水量可根據鍋爐實際排渣量計算供給。必要時，可采用冷卻水二次循環的辦法，保證冷渣機冷卻水流量充足。

3.2 建議

1）冷渣機設備選型應在設計煤種的基礎上充分考慮到今后煤種變化的趨勢，至少考慮一臺冷渣機的備用；

2）中大型冷渣機選型宜優先選擇膜式壁式滾筒冷渣機，并優化冷卻水系統；

3）依據水冷式冷渣機的傳熱計算方法計算灰渣傳熱曲線，得出冷渣機選型可按二級冷卻的方案設計，即：高溫段采用水冷滾筒式冷渣機冷卻，低溫段采用風水聯合冷渣機冷卻的組合方式，以達到最優化設計。

［1］ 岑可法.循環流化床鍋爐原理設計及運行［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［2］ 蔡淵.火力發電廠除灰設計技術規程［M］.北京：中國計劃出版社，2012.

［3］ 張曉杰.循環流化床水冷式冷渣機的傳熱計算方法探討［M］.東北電力技術，1999（2）：20－21.