某油頁巖電站CFB 鍋爐流渣原因分析及應對措施

何文鋒，白 鋒，雷 宇，張 保

(中國能源建設集團華南電力試驗研究院有限公司，廣東 廣州 510799)

0 引言

某2×235 MW 油頁巖電站項目(以下簡稱“該油頁巖電站項目”)滾筒冷渣器通過循環流化床鍋爐(以下簡稱“CFB 鍋爐”)排出的灰渣進行冷卻，將灰渣物理熱回收進入凝結水系統，既提高了燃料的熱量利用率，又完成了對灰渣的輸送[1]。該油頁巖電站項目自整套啟動以來，2 臺鍋爐的40 臺滾筒冷渣器均出現了不同程度的流渣問題，尤其是在機組變負荷期間，大量底渣快速進入冷渣器，冷渣器超負荷跳停，無法重新啟動，對于鍋爐穩定運行造成威脅[2]。同時，大量熱渣未經冷卻快速沖入下游的鏈式輸送機和斗提機，超出設計溫度，容易造成部件變形導致排渣系統故障[3]。爐內熱渣在短時間內大量進入冷渣器，會使鍋爐床壓短時間內快速下降，對循環流化床鍋爐保持穩定料層厚度非常不利[4]。同時，冷渣器流渣需要打開冷渣器進行處理，污染廠區環境，而且高溫檢修作業時可能對人身和設備安全構成威脅[5]。

本文分析該油頁巖電站項目循環流化床鍋爐滾筒冷渣器流渣原因，提出相應的解決措施。

1 流渣原因分析

1.1 燃料分析

油頁巖是一種高灰分、高揮發分、低熱值的劣質燃料。該油頁巖電站燃料消耗量大，在最惡劣工況下物料處理能力達1 600 t/h，燃料工業分析與元素分析結果見表1 所列。

表1 油頁巖燃料工業分析及元素分析結果

該油頁巖電站鍋爐燃料粒徑質量占比在設計規劃上并未與物料處理工藝及產量進行匹配，未給極端情況下留有足夠可變范圍，實際運行過程中燃料粒徑質量占比與設計偏差較大，具體設計參數見表2 所列。

表2 油頁巖燃料粒徑質量占比設計參數

某時段油頁巖入爐前粒徑篩分分析結果見表3 所列。

表3 油頁巖粒徑篩分分析結果

燃料經二級破碎后進入爐膛，由于物料系統處理能力未能達到設計要求，導致入爐燃料粒徑與設計值偏差較大呈粗細兩極分化。

對比冷渣器流渣和穩定運行時段所用油頁巖，結果顯示：油頁巖相對于煤的燃燒爆裂特性較弱，油頁巖粒徑過粗容易導致燃燒不充分，排渣過程中發生二次燃燒，底渣結塊從而導致落渣管堵塞；燃料粒徑過細會導致爐內密相區和稀相區分層不明顯，同時粒徑過小會導致底渣流動性增強，從而難以在冷渣器下渣管處形成渣封(渣封是指渣顆粒在鍋爐排渣管出口處堆積的料柱)，對流動起阻礙作用，且與管內渣形成的料柱共同起到對氣體的密封作用，以抵消爐膛與冷渣器筒內之間的差壓達到穩定連續的渣流，容易造成渣流噴射從而引發流渣。

同一冷渣器及相同發電負荷下，連續14 d每天按1 個工況，編號為工況1 至工況14，則各工況燃料粒徑與排渣情況對比分析詳見表4所列。

表4 燃料粒徑與排渣情況分析表

燃料粒徑在接近設計范圍時冷渣器排渣正常，燃料粒徑過粗排渣管容易發生堵渣，過細則冷渣器容易發生流渣。

1.2 床壓及流化風

經多次調整發現，床壓維持在4.5～5.5 kPa間運行排渣相對穩定，流化風量宜在對應負荷的設計范圍內運行。流化風過高容易導致爐床稀相區上移，密相區分層不明顯，灰渣沉降速度變慢，落渣管渣封不足容易被爐膛內氣相裹挾固相底渣形成噴射渣流沖破渣封，大幅度增加了流渣發生的幾率，流化風的增加也使床壓上升，流渣問題會持續惡化。

1.3 冷渣器結構

當冷渣器機不轉動的時候，鍋爐排渣通過入口斜管進入冷渣器，在斜管出口與冷渣器內壁之間形成穩定的堆積椎體渣封，如圖1 所示。

圖1 冷渣器結構示意圖

當冷渣器滾筒連續轉動時，堆積椎體被冷渣器內部的螺旋鰭片破壞，并向出口側移動；移動過程中，渣的熱量被水冷滾筒吸收。隨著新的熱渣不斷從斜管流出，和冷卻后的渣從滾筒出口離開，實現了連續排渣降溫過程。

渣封的形成與下渣連續性、下渣速度和筒體底部渣存量有關系。如果下渣管內不能形成連續的渣流，從爐膛進入下渣管的風和熱渣便會形成氣力輸送狀態，從而破壞渣封。如果下渣管中的流動過于流暢，下渣速度過快，前面的細渣流動快，后面的粗渣流動較慢，中部就會形成斷流，致使下渣管出口的地方出現空缺，也無法形成渣封。如果筒體底部渣量過少，下渣管出口位置同樣易出現空缺，也難以形成良好的渣封。

導致滾筒冷渣器出現流渣的原因主要包括以下兩個因素：1)下渣管出口距離冷渣器筒體距離太大，難以形成良好的渣封，滾筒冷渣器轉動控制滯后于爐膛排渣時，渣封被破壞，容易產生流渣問題；2)下渣管尺寸較短，且幾乎垂直于冷渣器進口，下渣管的阻力過小，導致下渣門打開后排渣過快。

1.4 風室內落渣管結構

循環流化床鍋爐的落渣管穿過一次風室進入冷渣器進渣口，風室內下渣管結構如圖2所示。

圖2 風室內下渣管結構

風室部分的落渣管工作工況變化大，內部有600 ℃左右的灰渣通過，外部有250 ℃左右的一次風，落渣管上布置有清堵用的空氣炮，管道內部出現堵塞情況時還可能需要人工敲擊清堵。運行中發現：下渣管膨脹節膨脹量不夠，長時間使用空氣炮和人工清堵，膨脹節的焊口大面積裂開，一次熱風通過裂口吹到下渣管，形成氣力輸送，排渣狀況惡化，加劇流渣。

2 流渣應對措施

2.1 燃料調整

嚴格控制入爐燃料粒徑，燃料粒徑盡量符合鍋爐設計要求，及時篩分燃料粒徑。通過及時調整料場破碎機和細篩的工況，基本上能夠保證入爐燃料粒徑接近設計要求，冷渣器流渣現象得到很大緩解。

2.2 結構調整

及時檢查落渣管與冷渣器內壁間隙(以下簡稱“落渣管間隙”)，調整至70～100 mm，有效增大堆積阻力，加強渣封作用，同時可以使冷渣器電流下降，處理能力增強。冷渣器設計參數見表5 所列。

表5 冷渣器設計參數

同一機組及相同工況下，單臺冷渣器與落渣管間隙調整時運行參數對比見表6 所列。

表6 單臺冷渣器在落渣管不同間隙下運行參數

落渣管間隙調整前后對比如圖3 所示。調整前、調整后的落渣管間隙分別為240 mm 和95 mm。

圖3 落渣管間隙調整前后對比圖

更換膨脹系數更大的膨脹節，對膨脹節外部進行密封處理，避免一次熱風對膨脹節的沖擊，從而保證膨脹節能夠正常工作。

2.3 運行調整

適當提高一次風量，可有效抑制流渣。提高一次風量能夠促進密相區內顆粒混合擴散，避免在橫向和縱向的燃料整體密度分布不均，從而抑制排渣過程中交替出現的堵渣和流渣現象。另外，合適的一次風、二次風配比會影響到灰渣中可燃物含量的高低，可以避免灰渣二次燃燒帶來的冷渣器超溫問題。

對床壓自動進行比例積分微分控制(proportional integral derivative，PID) 修正，使控制過程緩慢進行，從而使冷渣器速度變化放慢，增加系統穩定性，嚴禁急升急降情況發生，應緩慢操作，提前設置偏置控制[6]。

原有設計流渣的聯鎖保護為：冷渣器運行電流＞40 A。后經摸索排查發現，每當入口溫度溫升率＞15 ℃/min 時，冷渣器電流在其1 min 后觸發流渣保護如圖4 所示。

圖4 冷渣器入口溫度與運行電流變化

隨后再次啟動冷渣器則顯示過流故障，冷渣器開蓋后發現已發生流渣現象，為保證設備安全及穩定運行隨后增加冷渣器入口溫升速率限制邏輯，當溫升率＞10 ℃/min 時應立即自動關閉落渣氣動閘板，有效阻斷流渣發生。后經優化，在機組不同負荷區間下冷渣器入口渣溫所對應的流渣溫升率保護定值如圖5 所示。

圖5 運行分段區間冷渣器入口溫度與流渣溫升率保護定值

同時增加落渣溫度過高、冷渣器電流過大、冷渣器出水溫度過高關閉落渣氣動閘板、降低冷渣器轉速的邏輯，冷渣器保護一旦發生動作應待條件恢復后重新投用[7]。

3 結語

針對該油頁巖電站項目滾筒冷渣器出現的流渣現象，文章提出落渣管設計和膨脹節優化的方案，同時從鍋爐運行方式和入爐煤粒徑控制等方面提出相應的改進措施。以上應對措施實施后，該油頁巖電站項目冷渣器流渣情況得到很大改善，使機組順利調試及穩定運行，確保機組的順利移交，為后續商業運行奠定基礎。