转载--循环流化床锅炉给煤系统设计优化与应用研究

摘要：循环流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）锅炉技术具有良好的燃料适应性、运行稳定性和环保特性。截至 2018 年底，我国已投产 100 MW（410 t/h）以上等级 CFB 锅炉 440 台、总装机容量超过 82.3 GW ，其

循环流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）锅炉技术具有良好的燃料适应性、运行稳定性和环保特性。截至 2018 年底，我国已投产 100 MW（410 t/h）以上等级 CFB 锅炉 440 台、总装机容量超过 82.3 GW ，其中国际领先技术成熟的超临界 350 MW 机组已投产 48 台套。表 1 统计了全国投产的流化床机组情况。我国循环流化床锅炉技术经过近 20 年来的一系列自主技术创新，大力推动了洁净煤燃烧技术的快速发展。循环流化床锅炉给煤系统的设计应首先考虑燃料特性，如粒径分布、入炉水分、挥发分，这些特性分别影响整个流化床燃烧特性。现行国家标准《大中型火力发电厂设计规范》（GB 50660—2011）和行业标准《火力发电厂循环流化床锅炉系统设计规范》（DL/T 5556—2019）并未对所有细节详尽说明，行业内在循环流化床锅炉给煤系统设计优化、运行维护和技术改造等过程中就解决各类问题积累了大量经验，这一系列持续改善大大提高了流化床锅炉安全稳定经济运行水平。

1 给煤系统设计优化背景和意义

受煤炭市场影响，国内燃煤发电锅炉偏离设计煤种运行情况较为普遍，其中因雨季、汛期、台风等气候变化和煤炭各调运环节如港口、码头露天堆场及铁路货运车厢敞口、煤场堆存能力等条件限制，入厂和入炉煤全水分 w（Mar）指标严重偏离设计值的情况尤为突出，易造成燃料输卸煤系统、锅炉给煤系统出现频繁堵煤、断煤问题，轻则造成机组减出力，严重时威胁机组安全稳定运行。

循环流化床典型的给煤方式有前墙给煤、返料口给煤和综合给煤等三种。给煤系统首先应保证煤的挥发分在整个流化床中均匀分布，实际运行中给煤系统受堵煤、断煤等影响经常发生部分给煤机停运检修等情况，给煤的均匀性无法保证，炉内受热面的热偏差不可避免产生。其次循环流化床锅炉的给煤口处于炉膛下部的密相区正压运行，给煤系统还应充分考虑高温烟气反窜，杜绝炉膛至原煤仓烟气通路形成。

2 给煤系统设计优化

研究从某项目 2×350 MW 超临界循环流化床机组工程建设前期就以参与专题方案讨论、初步设计审查等多种形式及早介入，为后续工作深入开展打下了良好的基础。

2.1 简化系统提高可靠性

采用前墙给煤方式，每台炉设四个原煤仓，每个原煤仓分别配置两台中心给料机，防止原煤仓堵煤。

每台中心给料机下配置一台电子称重式皮带给煤机，煤流依次经过给煤机、落煤管、闸板门等输送至锅炉炉膛前墙下部的八个播煤口，实现炉前多点均匀给煤。

设置播煤风系统，播煤风取自锅炉热一次风，原煤从给煤机进入播煤口后，通过播煤风送入炉膛，采用气力播煤方式能使落煤顺畅。设置给煤机密封风系统，密封风取自锅炉冷一次风，给煤机机壳采用密封耐压式结构，满足循环流化床锅炉炉膛正压运行要求。

中心给料机和皮带给煤机的出力通过变频器连续可调，最大出力选型满足当任意 2 台给煤机故障停运时，其它 6 台给煤机的出力可以保证锅炉额定工况下的燃煤量需求。给煤系统设计参数如表 2 所示，给煤系统落煤管在炉前的实际布置情况如图 1 所示，锅炉前墙与主厂房 C 排柱中部空间顺序均匀布置 8 路给煤装置，每路给煤口对应落煤管、播煤风等设备。

2.2 优化细节防范堵煤断煤

2.2.1 取消给煤机上闸板，设置缓冲仓

中心给料机的物料来自密封、缓冲仓的留存煤能较好实现对给煤机密封风的隔离，可缓冲煤流冲击皮带，同时解决了易发生上闸板堵煤的问题。缓冲仓和常规上闸板等布置位置可见图 2。

2.2.2 设置给煤机下气动关断门和手动闸板门

锅炉运行中或停运初期，给煤机停止后应连锁关闭气动关断门，如隔离不严时可关闭手动闸板门，防止烟气通路形成和炉内高温烟气反窜。

2.2.3 减小落煤管斜段安装倾角

图 2 所示落煤管与水平面夹角为 50°，对应与前墙垂直倾角为 40°，以减缓给煤机落煤口煤流高差重力势能的衰减，缓解落煤管斜段积煤堵煤。

2.2.4 合理设置播煤风接入口

播煤风分为两路，其中主播煤风接入炉膛给煤口前的落煤管上，使煤流煤粒能被高速播煤风夹带顺畅地吹入炉膛。另引一路播煤风分支接入落煤管垂直段与倾斜段设置的文丘里喷嘴处，作为环形喷射器的驱动风。

2.2.5 落煤管斜段配置文丘里喷嘴

播煤风支路经文丘里喷嘴构成环形射流器，射流器下游管段风速提升，有助于保持落煤管的畅通；射流器上游形成抽吸负压，使落煤管上部及给煤机落煤口形成负压密封，防止漏风、漏煤，如图 3 所示。

2.2.6 增设压缩空气辅助吹堵风

在落煤管易产生积煤的垂直转角段、进入炉膛给煤口段分别设置两路气化板松动风，形成气垫托板效应减缓积煤。气源接压缩空气，根据现场需要开启。

2.3 完善控制策略实现安全可控

2.3.1 给煤量的自动调节

给煤量的自动调节通过称重给煤机和中心给料机相互匹配的控制算法来实现，如图 4 所示。称重给煤机采用高精度称重传感器实时检测皮带上的煤量，将煤量信号与分散控制系统（Distributed Control System，DCS）设定的给煤量信号相比较，根据其偏差进行计算后得出皮带电机运行速度，通过变频器改变皮带电机的转速从而改变计量输送皮带的输送速度，使实际给煤量与要求的给煤量相同。中心给料机的转速通过给料量拟合函数 F（x）折算中心给料机变频器指令，通过变频调速改变中心给料机的转速，自动调节程序中允许运行人员手动偏置进行给煤量手动修正。图 4 中，中心给料机的给料量拟合函数 F（x）需通过现场试验测定，（f x）反映中心给料机（给煤机）变频器频率指令（转速）与给料量的对应关系。

2.3.2 系统设备连锁保护

（1）为防止高温烟气反窜，配置了落煤管温度、给煤机内温度监测报警，给煤机停运或温度超限时保护关闭气动闸板门。

（2）为防止转动设备损坏，配置了给煤机皮带跑偏、清扫断链，中心给料机断油等监测，连锁保护停止给煤机或中心给料机。

（3）为防止给煤系统堵煤、断煤，配置了堵煤、断煤检测开关，并设置了给煤机、中心给料机电流超限监测，异常工况下的及时报警和连锁停运。

2.4 相关设计方案比对说明

给煤方式主要由现场布置条件决定，流化床本身只要求给煤连续、均匀、可靠。部分投运机组因设计给煤量偏大，采用了前、后墙综合给煤方式，且后墙给煤受制于现场布置条件，往往设计为二级给煤，一定程度上可能影响系统可靠性。给煤系统相关方案比对说明如表 3 所示。

方形落煤管利用底板结构进行防磨、布风衬板等细节设计，一定程度上可缓解堵煤和磨损问题。随着新技术发展和应用，采用 SolidWorks 进行三维设计和立体建模，借助颗粒学仿真技术对气固两相流的煤流输送过程进行模拟，对圆形落煤管进行充分的设计、测试和优化后，落料不顺畅、局部磨损、管段密封等问题均可得到很好解决。

改进型的异形落煤口方案充分研究了方形管口高温形变、温差应力分布等因素，通过优化外形结构设计，一次铸造成型等措施，有效解决了落煤口烧损、变形等问题。

机械振打、空气炮、清塞机等技术均属于被动防堵清堵措施，在防止堵煤、清理积煤技术发展的过程中收到了一定的效果。径向刮刀式清塞机将转动轴、刮板、弹性支撑安装在落煤管内，落煤管正常时，清塞机伴随转动，也可选择将刮刀停止在落煤管正上方；发生堵塞时，启动清塞机转动刮刀即可进行疏通。清塞机对落煤管内壁粘煤板结能起到较好的作用，可以被动解决大部分落煤管堵塞问题，有助于提高给煤系统的稳定性，降低现场人员劳动强度。

3 给煤系统应用研究

机组投运后，给煤系统各项设计优化方案效果均得到了充分验证。持续跟踪统计了近三年入炉煤煤质变化情况，重点关注收到基全水分指标偏离设计值的情况。煤的全水分指标包括外在水分和内在水分两部分，同一煤种的内在水分相对稳定，全水分指标主要受外在水分变化的影响。影响原煤附集、黏结、成团等特性的主要因素是外在水分。入炉煤煤质的统计如表 4 所示。

相比于 2019 年，随着系统优化的日趋完善，2021 年断煤堵煤次数明显降低。近三年的入厂煤结构包括印尼褐煤、国能烟煤、少量湖南无烟煤和煤矸石等。其中以印尼褐煤为主，受长途海运、港口堆存等因素影响，如表 4 统计数据，入厂煤收到基全水分远超 20 %，甚至出现大量批次>40% 的情况，入炉煤含水量偏大威胁输煤系统、给煤系统安全稳定运行。

3.1 中心给料机充分解决煤仓棚煤问题

中心给料机在水泥、建材等行业得到了普遍应用，较好地解决了给料装置易堵塞、不易控制流量的问题。如图 5 所示的中心给料机，其用于原煤仓时需进行规格尺寸配合设计，内锥总成占据了煤仓中间部分，使煤流能沿筒仓周围流动，这样增加了筒仓四壁的煤流速度，减少了筒仓四壁积煤的可能性，同时可通过输煤系统间断补煤，将煤仓内可能出现的棚煤压塌计入锥体扰动范围，从而降低煤仓出现棚煤造成给煤机断煤的概率。

3.2 落煤管等系列优化取得良好运行效果

近三年的投运情况表明经优化后的给煤系统完全满足锅炉需求，给煤系统功能完善，播煤风、密封风设计合理，煤质正常时，落煤管下煤顺畅，满足检修隔离等功能要求。

3.2.1 堵煤原因分析

在汛期、雨季仍会偶发落煤管积煤堵煤问题，造成落煤管堵塞，煤在管壁上附着是重要因素。煤产生附着聚积进而形成堵煤主要影响因素见表 5。现场确认大多数的堵煤点处于落煤管转角，初始堵塞的煤多成团状，中心部位黏性较大，与原煤仓挂壁板结、中心给料机挤压、给煤机落煤口等黏结的大块团状煤泥一致，多为输送至给煤机端部落煤口受自身重力作用落下，在落煤管转角处堆积，越积越多。

3.2.2 规范运行管理

将落煤管运行规定编入《集控运行规程》，启动前检查给煤机密封风、播煤风的各关断门、分支门开启情况，辅助清堵压缩空气视煤质情况开启；给煤机运行中监视给煤机本体和落煤管温度，防止烟气反窜，严密监视给煤机转速、断煤、堵煤信号和煤量调节偏差情况，定时巡检落煤管落煤情况；给煤机停运后立即检查确认气动关断门关闭情况，监视落煤管温度变化情况，异常时及时关闭落煤管手动闸板门。

3.2.3 严格点检定修

日常点检应关注煤质变化情况，入炉煤湿黏时加强给煤系统检查，定期通过给煤机落煤口窥视窗检查落煤管直段、转角段是否积煤，异常时开启压缩空气和播煤风支管疏堵；检查给煤机进口缓冲仓积煤情况，必要时及时安排清理。堵煤点情况如图 6 所示。机组停运后应全面检查各落煤管内壁粘煤、板结情况，并完全清理干净；检查落煤管内部防磨衬板、气化板、文丘里射流器等完好情况，检查炉膛内落煤口及周边浇注料完好情况，发现缺陷及时修复。

3.3 改造缓冲仓有效转移落煤管易堵难题

前述原因的落煤管堵煤在行业内普遍存在，现场提出增设捅煤孔、加装空气炮、安装清堵机等方案，经过深入分析积煤、堵煤的机理，振打、空气炮、清塞机等能将贴壁附着聚积煤、搭棚煤扰动清理，但很快进入积聚成团或挤压板结的过程，往往加剧了积煤、堵煤的过程。改造情况如图 7 所示。

3.3.1 解决思路

落煤管垂直段与斜管段连接转角处为第一堵点，因为播煤风或辅助清堵风的作用，将板块状或积聚成团部分煤吹散后又黏附到斜管段形成后续堵点。锅炉运行中落煤管堵煤后很难疏通，现场无有效手段只能任由高温烟气反窜烘烤积煤，待积煤着火燃尽后，才能恢复给煤机正常投运，如果同时出现多台给煤机落煤管堵煤，机组减出力和产生锅炉热偏差不可避免。本文提出了“转移矛盾、移花接木”的创新思路，将积煤堵煤点从频发的给煤机后落煤管垂直段与倾斜段夹角处转移到给煤机前的缓冲仓，实现堵煤矛盾空间转移；将堵煤的时间点从煤流到达落煤管后转移到煤流进入给煤机前，实现堵煤矛盾的时间转移。

3.3.2 改造措施

在中心给料机下的缓冲仓加装缓冲挡板，缓冲挡板的倾角要求不大于落煤管斜段与炉墙的夹角。一是可将从中心给料机来的黏性成团煤拦截在挡板处；二是缓冲挡板减轻来煤对给煤机皮带的直接冲击，避免比重偏大的来煤压死皮带的故障；三是缓冲挡板可参考锁气器结构设计为开度可调，可满足不同煤种煤质的要求。

3.3.3 改造实施效果

（1）完全转移落煤管堵煤。改造实施后，通过完善设置参数报警和加强运行监视进行判断。如果给煤机转速异常升高，判断可能出现来煤断煤情况；如果中心给料机电流异常升高，判断缓冲仓可能出现积煤堵煤情况，以上情况均应及时检查确认，联系维护人员及时清理缓冲仓。在入炉煤阶段性水分（质量分数）>30% 甚至出现 40% 以上的情况下，连续两年未发生给煤机落煤管积煤堵煤问题；积煤堵煤故障处理时间由原堵落煤管处理的 4 小时以上缩短至半小时左右；缓冲仓堵煤清理出来的积煤经晾干、捣碎处理后可通过二次转运装置送回给煤机并继续输送至炉膛。

（2）优化后锅炉运行效果。锅炉额定负荷工况给煤系统运行参数见表 6。从图 8 显示的各项监视参数分析，原煤仓下煤顺畅，8 台中心给料机和给煤机出力分配均匀，炉膛床温分布均匀，给煤系统运行可靠，循环流化床燃烧工况稳定。