田敬元， 张 翼， 张思海， 杨海瑞

(1．宁夏国华宁东发电有限公司，银川 750408；2．清华大学 热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

国内循环流化床(CFB)锅炉不断朝着大型化、高参数的趋势发展。目前，300 MW等级的CFB锅炉已经逐渐成为国内的主流机组，随着国产600 MW超临界CFB机组的成功示范，一批350～600 MW超临界机组即将或正在设计中。

在CFB锅炉大型化过程中有2种典型炉膛结构，即双布风板“裤衩腿”型炉膛和大宽深比、单布风板结构。随着燃烧室高度和截面积显著增加以及结构的复杂化，气固两相流动不稳定性引发的问题愈发突出[1-2]。对于裤衩腿型锅炉，“翻床”现象曾严重困扰锅炉的正常运行。在150～300 MW单炉膛、单布风板CFB锅炉中，普遍存在“床压摆动”的翻床现象。随着对这些问题的深入认识及运行优化控制，“翻床”及“床压摆动”问题逐渐得到解决[3-8]。

随着大型CFB锅炉分离器个数增多、炉膛截面积扩大，CFB锅炉结构越来越复杂，在锅炉运行中经常出现新的气固流动现象及问题，如在一台单炉膛、单布风板330 MW CFB锅炉上出现了偏床运行现象，即炉膛两侧料层压降长时间相差2 kPa以上，严重时甚至高达4 kPa以上，而锅炉仍然可以运行。该非均匀运行状态不同于已有的裤衩腿内“翻床”现象，也不同于单炉膛内床压交替变化的“床压摆动”现象。这些问题严重时会影响炉膛内气固流动和锅炉整体效率，因此需要加以重视和解决。

笔者详细介绍了某330 MW CFB锅炉偏床运行现象，通过分析锅炉负荷、温度及燃烧性能的变化，揭示气固流动偏床的机理及影响因素，并提出一系列运行控制手段，解决上述偏床问题。

1 330 MW CFB锅炉偏床运行现象

1.1 锅炉结构

宁夏国华宁东电厂2×330 MW亚临界CFB锅炉型号为DG1177/17.5-Ⅱ3，整体布置为单炉膛、单布风板、一次中间再热、汽冷式旋风分离器和尾部双烟道结构。锅炉共布置10个给煤口，全部布置于炉前，在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置。4个排渣口布置在炉膛后水冷壁下部，分别对应6台滚筒冷渣器。炉膛底部是由水冷壁管弯制围成的水冷风室，水冷风室两侧布置有一次热风道，进风型式为从风室两侧进风。炉膛与尾部竖井之间布置3台汽冷式旋风分离器，其下部各布置一台“J”阀回料器，回料器采用一分为二的设计结构。该锅炉主要设计参数[9]见表1。

1.2 偏床运行工况

2014年3月，1号机组检修，2号机组首先出现了偏床运行现象。2016年6月，1号机组也出现了偏床运行现象。其中2号机组偏床运行现象更明显，下面以2号机组偏床运行工况为例进行研究，表2给出了2号机组在偏床运行现象发生时入炉煤的煤质分析。

表1 锅炉主要热力参数Tab.1 Main thermal parameters of the boiler

表2 2号机组入炉煤的煤质分析Tab.2 Analysis of the coal for boiler 2

锅炉A侧布置A分离器，B侧布置B、C 2个分离器。偏床运行现象发生时，A侧床压逐渐升高并趋于稳定，B侧床压逐渐降低并趋于稳定，图1给出偏床运行现象发生时A、B两侧床压波动的曲线。由图1可以看出，A侧床压在24 h内始终高于B侧床压，直至采取措施后A、B两侧床压逐渐接近。表3给出了严重偏床与轻微偏床典型工况的参数对比。由表3可知，严重偏床时A侧床压比B侧床压偏高4 kPa左右，轻微偏床时A侧床压比B侧床压偏高2 kPa左右；A、B两侧风室压力相差较小；偏床运行现象发生时，两侧床温偏差均增大，严重偏床前A、B两侧床温偏差约1 K，严重偏床时A、B两侧床温偏差达到74 K，轻微偏床时也发生了A、B两侧床温偏差增大的情况。由床压和床温可以明显看出炉膛A、B两侧运行的严重不均匀性。

图1 偏床运行现象发生时24 h内床压波动情况Fig.1 Bed pressure fluctuation 24 h after occurrence of non-uniform gas-solid flows表3 偏床运行工况与正常运行工况的参数对比Tab.3 Parameters comparison between non-uniform and normal condition

参数严重偏床轻微偏床前后前后负荷/MW246232324330A侧床压/kPa8.4811.766.728.17B侧床压/kPa8.217.876.446.04A侧风室压力/kPa12.9913.1411.4512.38B侧风室压力/kPa13.1013.0611.5212.44A侧床温/℃872834919899B侧床温/℃871908911906

通过观察底渣粗细和马尔文分析循环灰粒径，也可以明显看出炉膛两侧的不均匀性。靠近A侧的1号、2号冷渣器排渣粒度较细，靠近B侧的4号、5号和6号冷渣器排渣粒度较粗，严重偏床时两侧冷渣器的底渣粗细差别非常明显。A、B、C 3个分离器返料灰粒径分布如图2所示。由图2可知，A分离器循环灰粒径明显大于B、C分离器循环灰粒径。

图2 循环灰粒径分布Fig.2 Particle size distribution in circulating ash

在锅炉偏床运行现象发生时，风室风温严重低于设计风温297 ℃，风室平均风温只有150 ℃。同时，A、B两侧风室风温偏差较大，A侧一次风温为202 ℃，B侧一次风温为98 ℃，这是由于两侧空气在空气预热器内受热不均造成的。轻微偏床时对锅炉燃烧系统和汽水系统的影响并不明显，可以正常带负荷和升降负荷。但是严重偏床时，由于循环灰浓度偏低且两侧料层厚度偏差较大，对燃烧工况和汽水工况的影响较大，主要表现为局部床温和屏式过热器壁温超温，需要降负荷并采取一系列调整措施。

2 偏床运行现象原因分析

2.1 一次风温偏低的影响

锅炉设计一次风温为297 ℃(即T1= 570 K)，对应一次风体积流量qV,01=38×104m3/h，布风板热态阻力Δp1=5 053 Pa，而锅炉实际运行时一次风平均风温为150 ℃(即T2=423 K)。由理想气体状态方程可知温度与体积成正比，即在相同截面积下，温度与气体流速成正比。布风板阻力特性如下：

(1)

式中：Δp为布风板阻力，Pa；ξ为布风板阻力系数；v为气体流速，m/s。

由式(1)可知，热态条件下布风板阻力与温度的平方成正比，因此可以得到实际运行时布风板阻力为

(2)

式中：Δp1为布风板设计阻力，Pa；Δp2为布风板实际阻力，Pa。

计算得到布风板实际阻力Δp2=2 783 Pa，根据流量计可知实际运行时一次风体积流量qV,02=37×104m3/h。与设计工况相比，实际运行时一次风体积流量及布风板阻力均偏小。在较低一次风温运行情况下，布风板阻力远小于设计工况，较低的布风板阻力不利于一次风的均匀布风，尤其是对于330 MW大宽深比、单布风板结构，一次风布风均匀性更难以保证。因此，在该工况下一次风布风均匀性存在严重隐患，进而导致炉膛内流化情况恶化及出现不均匀分布情况。同时一次风体积流量偏小，也使得炉膛内存在流化不充分的隐患。

2.2 A、B侧一次风温偏差的影响

假设水冷风室按几何中心线分成A、B 2个风室，该锅炉一次风由两侧分别给入。两侧的一次风送风管在进入空气预热器前就分为2路，由于空气预热器设计问题，2路一次风在空气预热器内受热不均，造成两侧送风温度偏差较大。严重情况下A侧一次风温为202 ℃(即TA=475 K)，B侧一次风温为98 ℃(即TB=371 K)。假设布风板阻力均匀，由于B侧一次风温偏低，按照理想气体估算，将B侧一次风温折算到A侧一次风温时，B侧一次风体积流量为

(3)

式中：qV,A和qV,B分别为A侧和B侧一次风体积流量，m3/h。

在风温偏差最严重情况下，相同温度时B侧一次风体积流量是A侧一次风体积流量的1.28倍，进入炉膛后在相同炉温下B侧气体流量大于A侧，B侧气体流速大，因此B侧流化质量高于A侧。

根据杨石[10]的研究，非均匀布风密相区固含率横向分布如图3所示，其中d/D为无量纲横向距离；ε为空隙率；Ug为一次风速，m/s；Gs为循环流率，kg/(m2·s)。在单布风板、非均匀布风情况下，炉膛内风量大的一侧会把部分床料吹向风量小的一侧，在风量小的一侧密相区会形成物料的堆积，从而造成一侧床压远高于另一侧床压。当风量小的一侧密相区堆积床料达到一定厚度时，堆积的部分床料会流向风量大的一侧，形成密相区内部两侧物料的内循环，从而形成一个稳定的偏床运行工况。

图3 非均匀布风密相区固含率横向分布[10]Fig.3 Lateral solid concentration distribution in dense bed with non-uniform air distribution[10]

在该330 MW CFB锅炉实际运行期间，A、B侧风室风温一直存在较大偏差，根据以上分析，A、B侧一次风体积流量进入炉膛后会有明显的差异。B侧一次风体积流量远大于A侧一次风体积流量，因此B侧部分物料会被吹向A侧，造成A侧床压升高，B侧床压降低，形成一个稳定的压力差，并在这种偏差条件下可以较为稳定地运行。同时，A、B侧燃料浓度差异造成燃烧传热分布不均匀，B侧大颗粒较多，而A侧多为B侧吹过来的较细小的颗粒，因此两侧床温差异也明显增大。由于B侧吹向A侧的物料粒径比底渣平均粒径小，比循环灰平均粒径大，因此出现A侧排渣粒径比B侧小，而A侧循环灰粒径比B侧大的情况。

A、B侧一次风温偏差对锅炉偏床运行现象具有重要影响，两侧一次风温的偏差是产生偏床运行现象的主要原因之一。

2.3 分离器性能的影响

2号锅炉飞灰中位粒径为26.51 μm，1号锅炉飞灰中位粒径为20.74 μm，2号锅炉分离器效率低于1号锅炉。CFB锅炉内流态是由上部稀相区细颗粒的快速流态化与底部密相区粗颗粒的鼓泡流态化组成的复合流态[11]，根据有效床料[12]的概念，在燃用相同的煤质和相同排渣量时，2号锅炉的有效床存量相对更少。在相同的风量和布风板阻力条件下，由于有效床存量相对偏少，2号锅炉的物料流化均匀性和稳定性相对较差，因此2号锅炉偏床运行问题比1号锅炉严重。较高的分离器效率有利于提高有效床存量[12-13]，并形成稳定的流动，但是在该锅炉中，分离器效率对有效床存量影响较小，偏床运行现象更多是由于布风不均引起的。

2.4 煤质对流化情况的影响

煤种的成灰特性对CFB锅炉设计运行有重要影响[14]，由表2可知，入炉煤中灰分质量分数低，且爆裂特性好，进入炉膛燃烧爆裂后很容易变成细灰，同时分离器效率较低，造成细灰难以被分离器捕集，使得炉膛内有效床料量减少。

由于入炉煤中灰分质量分数低，在没有外加床料的条件下，床层相对较薄，床面的均匀性和稳定性较差。当B侧一次风体积流量较大时，B侧物料逐渐被吹到A侧，A侧床压升高，进而使得A侧一次风体积流量进一步减小，慢慢过渡到一种偏床的不平衡态，表现为A侧物料浓度高、床层厚、一次风体积流量小、细床料较多，B侧物料浓度低、床层薄、一次风体积流量大、粗床料较多。固体颗粒质量浓度沿炉膛高度的分布见图4。由图4可知，A侧床密相区颗粒质量浓度明显高于B侧床，而过渡区和稀相区两侧床层相差不大，形成一种典型的偏床运行现象。如果偏床情况严重时，长期运行可能会出现结焦。

图4 固体颗粒质量浓度沿炉膛高度的分布Fig.4 Solid concentration distribution along height direction of furnace

3 严重偏床运行工况的处理及预防措施

3.1 偏床运行工况的处理措施

现场运行中采取了如下一系列处理措施，有效控制了偏床运行对锅炉热效率和安全运行的影响：

(1)首先采取降负荷措施，以两侧床压偏差变化趋势和床温偏差变化趋势不扩大为原则，避免长时间高负荷运行。此措施主要是为了防止长时间偏床运行造成床内一侧温度过高，降低负荷可以适当降低床温，避免结焦。该锅炉在严重偏床运行现象发生期间，负荷由300 MW降低至230 MW。

(2)保持较高的一次风体积流量，原则同上，增大一次风体积流量从而提高物料流化的均匀性。该锅炉在偏床运行现象发生期间，一次风体积流量从36×104m3/h增大到42×104m3/h。

(3)提高床压，利用床料仓向炉膛内添加合适粒径的床料，快速补充循环灰，改善炉内物料分布。该锅炉在入炉煤中掺混了石灰石籽料。

(4)各给煤机给煤量适当偏置，以控制床温和氧量为原则，床压偏高的一侧适当减少给煤量。

(5)在偏床运行现象发生期间，必须保证冷渣器下排渣正常，必要时需要组织人力疏通，同时定期检查是否有焦块排出。

在发现该锅炉产生偏床运行现象后，通过采取以上措施，使得炉膛内物料分布逐渐均匀，解决了偏床运行的问题。

3.2 偏床运行工况的预防措施

为了避免类似问题发生在其他300 MW 等级 CFB锅炉上，结合上文偏床运行问题产生的机理和实际锅炉调整措施，给出如下可行的预防措施：

(1)彻底解决A、B侧一次风温偏差问题，并解决一次风温整体偏低的问题，对空气预热器进行检修，保证两侧一次风温偏差较小，同时保证一次风平均温度达到或接近设计工况要求。

(2)避免长期的低一次风体积流量运行，尤其是大宽深比、单布风板结构，适当增加一次风体积流量，同时优化布风板阻力，保证一次风分布的均匀性。

(3)严格控制煤质指标，调整配煤方式，提高入炉煤灰分质量分数，同时也要控制灰分质量分数不宜过高，并对燃料爆裂特性和磨耗特性提前了解和掌握。

4 结 论

详细介绍了宁夏国华宁东电厂330 MW CFB锅炉出现的偏床运行现象，揭示了其产生的机理和影响因素。同时，针对300 MW等级CFB锅炉潜在的偏床运行问题给出了现场处理措施和预防措施，通过合理的处理手段，可以解决该锅炉存在的偏床运行问题。所提出的处理措施和预防措施对解决大宽深比、单布风板结构CFB锅炉偏床运行问题以及保障锅炉安全稳定运行具有非常重要的工程指导意义。