2×300MW循环流化床锅炉设计优化分析

摘要：某公司2×300MW循环流化床氢冷发电机组自设计起，便以循环流化床机组基建及运行中存在的问题进行了深入广泛的调研工作，通过对广东宝丽华、四川白马、内蒙古蒙西电厂、秦皇岛热电厂等同类型机组的调研，在工程建设中对原始设计进行了大量大胆而有效的改进工作。本文仅对锅炉部分主要的改进项目进行总结、探讨，以期对后续工程建设和同类项目工程建设起到借鉴作用。

关键词：循环；流化；磨损；设计；改进；分析

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）02-0237-02

某公司一期工程装机容量为两台300MW循环流化床氢冷发电机组。锅炉为东方锅炉厂生产的亚临界自然循环、循环流化燃烧、一次中间再热、汽冷式旋风分离器、单炉膛、平衡通风、全钢架悬吊结构、固态排渣的循环流化床汽包锅炉。锅炉型号为DG1089/17.4-Ⅱ1。汽轮机是上海汽轮机厂生产的NZK300-16.7/538/538型汽轮机。发电机为上海电气集团股份有限公司的QFSN-300-2型机组。型式为水氢氢冷却、静态励磁汽轮发电机。

1 某公司DG1089/17.4-Ⅱ1型锅炉减少磨损采用的设计优化技术

1）水冷壁外弯管防磨结构的应用

优化内容：DG1089/17.4-Ⅱ1型锅炉标高20174mm处受热面管子与耐磨耐火浇铸料交汇处采用水冷壁外弯管防磨技术

分析：DG1089/17.4-Ⅱ1型锅炉标高20174mm处受热面管子与耐磨耐火浇铸料交汇处产生的磨损，主要是由于沿受热面表面下落的高浓度固体颗粒物在此处产生飞溅与反弹而形成的。此外由于流动方向变化高浓度固体颗粒物随烟气产生涡流，涡流将部分上升状态的高浓度固体颗粒物拉向交汇处，进一步加重了此处的磨损。

为防止该部位磨损，某公司联系锅炉制造厂采用了水冷壁外弯管防磨技术，即在锅炉标高20174mm处受热面管子与炉膛下部耐磨耐火浇铸料交汇处，加装水冷壁外弯管防磨结构，内侧敷设耐磨耐火浇铸料，该交汇处光滑过渡，使得沿受热面表面下落的高浓度固体颗粒物不再产生飞溅或反弹，有效防止了此处受热面管子的磨损。

2）超音速电弧喷涂技术的应用

优化内容：DG1089/17.4-Ⅱ1型锅炉标高20174mm处受热面管子与耐磨耐火浇铸料交汇处 3米范围内采用超音速电弧喷涂技术

分析：DG1089/17.4-Ⅱ1型锅炉标高20174mm处受热面管子与耐磨耐火浇铸料交汇处 3米范围内磨损也比较严重，其磨损原因有两个方面：原因一，沿锅炉炉膛受热面壁面向下流动的高浓度固体颗粒物在该区域流向发生变化，对受热面管子产生磨损冲刷。原因二，由于沿锅炉炉膛受热面壁面向下流动的高浓度固体颗粒物与炉内向上运动的高浓度固体颗粒物运动方向相反，相互影响产生涡流，加剧了该区域的磨损冲刷。

某公司针对这一情况采用了超音速电弧喷涂技术，喷涂材料选取由双层涂层构成的复合防护层，工作层材料选用HDS-88A金属合金丝材，面层采用KM型封孔剂封孔，该技术具有有优异的耐腐蚀、抗磨损性能，涂层与非涂层光滑过渡。

3）多阶式防磨梁优化应用

优化内容：原设计锅炉炉膛内无多阶式防磨梁，经调研后在炉膛内自上而下加装了9道水平多阶防磨梁。

分析：在锅炉运行过程中，由于高密度煤烟气夹杂细小颗粒高速运转、煤烟气中含灰浓度高含灰量大，锅炉受热面一直受到高浓度大颗粒固体颗粒物的切削冲刷与纵向磨损，相比较传统煤粉锅炉来说要严重很多。锅炉炉墙和炉内金属管向火面表面在携带床料粒子的高浓度的煤烟气高速流过时产生严重磨损与冲刷。

这种磨损主要分为两种类型，第一种是撞击磨损，第二种是冲刷磨损。撞击磨损是指高浓度固体颗粒物相对于受热面表面冲击角度较大，或接近于垂直时，以很高的流动速度与受热面表面进行撞击，使受热面表面产生塑性变形或细小的裂纹，在大量高浓度固体\物的不断撞击下，逐渐使受热面表面变形层整体剥落而造成磨损。冲刷磨损是指高浓度固体颗粒物相对于受热面表面的冲击角较小，甚至接行，高浓度固体颗粒物垂直于受热面表面的分速度，使高浓度固体颗粒物嵌入受热面表面，在高浓度固体颗粒物与受热面表面的分速度的作用下使它沿受热面表面继续滑动，对受热面表面起到一种“刨削”作用，这种现象大量重复发生，受热面表面就会产生不断的磨损。在循环流化床机组锅炉受热面的磨损中，高密度煤烟气夹杂细小颗粒与炉膛内管子向火表面的冲击角度在0°到90°，因此其磨损是以上两种基本磨损类型的共同作用，流体力学告诉我们：固体颗粒物对炉膛内管子向火面管壁的磨损严重程度（速率）主要与固体颗粒物速度、固体颗粒物粒径、固体颗粒物物料浓度以及流场不均匀性有关系，通常他们四者关系如下

E=kW3D2U

（E-磨损速率μm/100h ； k-比例系数；D-物料料径L；U-物料浓度Kg/（m2・s）；W-物料速度m/s）

多阶防磨装置是一种新型CFB锅炉炉内水冷壁防磨技术，它通过有效手段降低了受热面表面贴壁高浓度固体颗粒物向下流动的速度，使得锅炉受热面管子向火面表面的磨损从根本上得到了明显缓解。水平多阶防磨技术是沿锅炉炉膛纵向，在不同高度位置布置水平环绕炉膛的防磨平台，防磨平台约50MM厚，加装数道防磨平台后，在高浓度固体颗粒物下降过程中，每下降一定距离后，会被防磨平台缓冲减速，避免了高浓度固体颗粒物下降速度越来越快。将高浓度固体颗粒物从炉顶下降过程中速度始终保持在2m/s以下，一般情况下水平多阶防磨梁由耐热钢筋将浇筑料固定在锅炉受热面管子向火面制成，其优点如下：

①运行可靠，维护工作量少，某公司锅炉加装防磨梁运行两年后，利用机组检修机会对锅炉炉膛磨损情况进行检查，发现受热面管子无明显磨损现象，多阶防磨平台光滑无裂纹，减少了检修工作量。

②加装水平多阶防磨平台后，使受热面表面贴壁高浓度固体颗粒物流速明显降低，使锅炉炉膛过渡区磨损速率降低到原来的1/16以下，受热面磨损情况明显得到改善；

③施工简单、工期短，机组小修期间就可完成，成本低，只需部分耐热销钉和耐火耐磨可塑料，不需对炉膛内结构进行大的改造；

④对锅炉炉内受热面吸热的影响可以忽略不计，锅炉床温升高约6℃，排烟温度升高约3～5℃，不会影响锅炉炉内燃烧、传热影响在1.2%之内；

2 某公司DG1089/17.4-Ⅱ1型锅炉防止屏式过热器超温所采取的设计优化

优化内容：为防止屏式过热器超温，我公司联系锅炉厂及设计院将炉膛尺寸及屏过尺寸进行了改进，屏过加节流圈，屏过材质进行了改进

分析：某公司在锅炉尾部布置有二级过热器，炉膛内布置有屏式过热器等，在这些过热器中最容易出问题的就是屏式过热器，所以在基建初期，该公司就组织专业人员针对广东宝丽华电厂屏式过热器超温问题进行了深入调研，根据调研可知屏式过热器运行中超温存在以下规律：

1）屏过同屏管沿炉深方向热偏差系数呈中间低、前后高的趋势，尤以第1根（远离前墙，最长的那根）的热偏差系数偏高最多，该分布规律一方面和贴近水冷壁侧（1至5根）受到固体颗粒物内循环影响有关，另一方面和管子长度沿炉深方向递增、蒸汽分配不均匀、阻力逐渐增大有关。

2）屏过沿炉宽方向不同管屏的热偏差系数呈现出炉膛中心偏高、向两侧递减，对称分布，最大偏差出现在第5、8片屏（共12片屏，低、高温段各6片屏，第5、8片屏位于宽度方向的中间区域），该分布规律与蒸汽流量的分配、炉膛中部温度、循环灰量最大有关。

具体实施的改进措施：①屏过材质优化，某公司屏过共12组，其中6组下降屏采用原材质（12Cr1MoVG），6组上升屏将原材质（12Cr1MoVG）优化为SA213-T91材质。②对炉膛结构进行优化；锅炉后墙水冷壁在炉顶处拐点标高49900mm，比同类锅炉整体高度升高1米。水冷蒸发屏上集箱标高51250mm，下集箱标高25000mm，水冷蒸发屏长度增加3460mm。锅炉炉膛结构尺寸9831mm×28275mm，炉膛深度增加1392mm，屏过长度较原设计减少3米。③加装节流圈：在屏过入口集箱上加装合适的节流孔，外圈采用φ38管子，向内管束分组逐步加节流。

3 结论

某公司一期工程建设期较为理想，机组投产当年就实现了赢利的目标，同时在第二年取得了单机连续长周期运行248天的好成绩，这和基建期间大量的优化是分不开的。通过对该工程建设中锅炉本体方面设计优化及后续新材料新技术的应用的总结与探讨，为后续同类型机组的工程建设提供宝贵的经验。

参考文献：

[1] 卢啸风.大型循环流化床锅炉设备与运行[M].中国电力出版社，2006.

[2] 全国CFB机组第五届年会技术交流论文集[C].中国电力企业联合会科技服务中心.

[3] 姜华.循环流化床锅炉机组典型事故分析与处理[M].中国水利水电出版社，2007.