大型循环流化床机组运行瓶颈剖析与优化策略研究

大型循环流化床机组运行瓶颈剖析与优化策略研究一、引言1.1研究背景与意义在全球能源结构中，煤炭作为一种重要的基础能源，在电力生产领域占据着举足轻重的地位。长期以来，火力发电始终是我国电力供应的主要形式，尽管近年来水电、风电、核电等可再生能源发展迅速，但在可预见的未来，煤炭在电力工业中的重要地位依旧难以被彻底取代。根据国家统计局数据，2021年全国火电发电量达到58058.7亿千瓦时，在总发电量中的占比高达68%。随着全球对能源可持续发展和环境保护的关注度不断提升，高效清洁利用煤炭资源已成为电力行业发展的关键课题。在此背景下，循环流化床（CFB）燃烧技术凭借其独特优势脱颖而出，成为实现清洁煤发电的重要解决方案，在全球范围内的火力发电行业中得到了广泛应用。CFB技术采用流态化燃烧方式，使燃料在流化状态下与空气充分混合并发生剧烈的燃烧反应。这种燃烧方式使得循环流化床锅炉具备了燃料适应性强的显著特点，能够有效燃用包括褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤以及煤矸石等各类劣质燃料，极大地拓宽了煤炭资源的利用范围。同时，循环流化床锅炉在燃烧过程中呈现出充分的燃烧特性，可将未燃烧完全的煤进行循环利用，实现二次燃烧，从而显著提高了燃烧效率，降低了煤炭消耗。尤为重要的是，其污染物排放量低，在燃烧过程中，通过向炉内添加石灰石等脱硫剂，能够在850℃左右的最佳反应温度区间内实现高效脱硫，有效降低二氧化硫排放；并且该温度区域下的燃烧使得氮氧化物生成量大幅减少，直接排放即可满足环保要求，大大降低了污染物处理成本。随着技术的不断进步与发展，循环流化床机组逐渐向大型化方向迈进。大型循环流化床机组的应用不仅有助于提高能源生产效率，降低单位发电成本，还能够更好地满足大规模电力需求，在能源领域的地位愈发关键。例如，全球首台700兆瓦超超临界循环流化床机组于2023年3月21日成功并网，该机组每年发电量超过80亿千瓦时，为滇南区域提供了稳定可靠的电力支持。然而，在大型循环流化床机组规模不断扩大和技术持续改进的进程中，诸多问题与挑战也逐渐显露出来。首先，机组运行过程中会产生大量的氮氧化物、硫化物等污染物，尽管相较于传统燃煤机组已有显著降低，但随着环保标准的日益严格，这些污染物的排放仍对环境造成了不可忽视的负面影响。其次，机组运行稳定性较差，容易出现诸如振动、泄漏等故障，不仅影响了机组的正常运行，降低了发电效率，还增加了设备维护成本和安全风险。再者，机组能耗较高，这不仅意味着煤炭资源的浪费，也会导致发电成本的上升，进而影响电力企业的经济效益和市场竞争力。此外，耐火材料磨损、受热面磨损、给煤系统堵塞、冷渣器运行故障等问题也频繁出现，严重制约了大型循环流化床机组的高效、稳定、环保运行。鉴于此，深入研究大型循环流化床机组存在的问题及其解决方法具有极其重要的现实意义。通过解决这些问题，可以进一步提高机组的能源利用效率，降低污染物排放，减少对环境的影响，助力实现碳达峰、碳中和目标，推动能源行业的绿色可持续发展。同时，提升机组的运行稳定性和可靠性，能够降低设备维护成本，延长设备使用寿命，提高电力供应的安全性和稳定性，为经济社会的发展提供坚实的能源保障。此外，解决机组存在的问题还有助于降低发电成本，提高电力企业的经济效益和市场竞争力，促进电力行业的健康发展。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外在循环流化床机组领域起步较早，积累了丰富的研究成果。美国、德国、芬兰等国家在循环流化床技术研发和应用方面处于世界前列。美国的福斯特惠勒（FosterWheeler）公司在循环流化床锅炉技术研发方面历史悠久，成果卓著。该公司开发的PyroflowCompact循环流化床锅炉技术，通过独特的炉膛设计和高效的分离器结构，有效提升了燃烧效率和污染物控制水平。在其实际运行的机组中，能够实现多种煤种的稳定燃烧，燃烧效率高达98%以上。同时，该公司通过优化石灰石喷射系统和燃烧温度控制，将二氧化硫排放控制在较低水平，达到了当时严格的环保标准。德国的鲁奇（Lurgi）公司也是循环流化床技术领域的佼佼者，其研发的循环流化床技术在全球范围内得到了广泛应用。该公司注重对循环流化床内气固两相流特性的研究，通过改进布风板结构和流化风速，提高了床层的稳定性和流化质量，有效降低了床层结焦和磨损的风险。在理论研究方面，国外学者在循环流化床的气固两相流、燃烧、传热传质等基础理论研究上取得了丰硕成果。例如，瑞典查尔姆斯理工大学（ChalmersUniversityofTechnology）的研究团队通过实验和数值模拟相结合的方法，深入研究了循环流化床内颗粒的运动轨迹和浓度分布规律，建立了较为完善的气固两相流模型。美国普渡大学（PurdueUniversity）的学者对循环流化床的燃烧动力学进行了深入研究，揭示了不同煤种在循环流化床中的燃烧特性和反应机理，为优化燃烧过程提供了理论依据。然而，国外在大型循环流化床机组研究中也面临一些挑战。随着机组容量的不断增大，炉膛内的流场均匀性和燃烧稳定性问题日益突出。尽管采取了多种措施，如优化炉膛结构、改进布风系统等，但在实际运行中，仍难以完全避免局部区域出现流化不良和燃烧不均的现象，影响了机组的整体性能。此外，对于高硫、高灰分等特殊煤种的高效清洁燃烧，以及如何进一步降低氮氧化物排放，仍是国外研究尚未完全解决的难题。1.2.2国内研究现状我国在循环流化床机组研究方面虽然起步相对较晚，但发展迅速，取得了一系列具有国际影响力的成果。在国家政策的大力支持和科研人员的不懈努力下，我国在循环流化床技术研发、工程应用和理论研究等方面都取得了显著进展。在技术研发与工程应用方面，东方电气集团、上海电气集团、哈尔滨电气集团等企业在大型循环流化床锅炉研发制造方面成绩斐然。东方电气集团自主研制的全球首台700兆瓦超超临界循环流化床机组，成功实现并网发电。该机组采用了多项自主创新技术，如独特的炉膛结构设计、高效的分离器技术和先进的蒸汽参数控制技术等，大幅提高了机组的发电效率和环保性能。上海电气集团研发的660兆瓦超临界循环流化床锅炉，在燃烧效率、污染物排放控制等方面也达到了国际先进水平，已在多个电厂成功应用，为我国电力供应提供了可靠保障。在理论研究方面，清华大学、西安交通大学、华中科技大学等高校在循环流化床的基础理论研究方面成果丰硕。清华大学的研究团队在循环流化床内气固流动、燃烧和传热等方面开展了深入系统的研究，建立了一系列具有自主知识产权的数学模型和理论体系，为我国循环流化床技术的发展提供了坚实的理论基础。西安交通大学通过实验研究和数值模拟，对循环流化床的燃烧特性、污染物生成与控制机理进行了深入探讨，提出了多种优化燃烧过程和降低污染物排放的方法。尽管我国在大型循环流化床机组研究方面取得了显著成就，但仍存在一些不足之处。部分关键技术与国外先进水平相比仍有差距，如在高温部件的材料性能和可靠性方面，还需要进一步提高。此外，在机组的运行稳定性和智能化控制方面，也有待进一步加强。随着环保标准的不断提高，如何进一步降低污染物排放，实现循环流化床机组的超低排放，仍是我国面临的重要挑战。1.2.3研究现状总结与本研究视角综上所述，国内外针对大型循环流化床机组的研究在技术研发、工程应用和理论研究等方面都取得了一定成果，为解决机组存在的问题提供了有益的参考和借鉴。然而，现有研究仍存在一些不足。一方面，对于大型循环流化床机组在实际运行中出现的复杂问题，如多因素耦合作用下的设备磨损、运行稳定性与环保要求之间的矛盾等，尚未形成系统全面的解决方案。另一方面，在新技术、新材料的应用研究方面，虽然取得了一些进展，但距离实际工程应用仍有一定差距，需要进一步加强研发和验证。本研究将在前人研究的基础上，从多学科交叉的角度出发，综合运用工程热力学、燃烧理论、材料科学、自动控制等学科知识，深入分析大型循环流化床机组存在的问题。通过实地调研、数值模拟和实验研究相结合的方法，全面系统地研究机组运行中的关键问题，并提出针对性的解决方法。同时，注重新技术、新材料的应用研究，探索提高机组性能和可靠性的新途径，以期为大型循环流化床机组的高效、稳定、环保运行提供更加完善的理论支持和技术解决方案。1.3研究方法与创新点为全面深入地研究大型循环流化床机组存在的问题及解决方法，本研究综合运用多种研究方法，确保研究的科学性、全面性和深入性。文献研究法是本研究的基础方法之一。通过广泛查阅国内外相关的学术论文、研究报告、专利文献以及行业标准等资料，对大型循环流化床机组的研究现状、技术发展趋势、运行中出现的问题及已有的解决措施进行系统梳理和分析。例如，对国内外关于循环流化床燃烧理论、污染物生成与控制、设备磨损机理等方面的研究成果进行深入研读，了解前人在该领域的研究思路和方法，为后续研究提供理论支持和研究思路借鉴。案例分析法也是本研究的重要手段。选取多个具有代表性的大型循环流化床机组实际运行案例，包括不同容量、不同煤种、不同运行环境的机组，深入调研其运行过程中出现的问题及采取的解决措施。通过对这些案例的详细分析，总结出大型循环流化床机组在实际运行中常见问题的发生规律、影响因素以及解决方法的有效性和局限性。例如，对某电厂700兆瓦超超临界循环流化床机组运行中出现的受热面磨损问题进行深入剖析，从机组的运行参数、煤质特性、设备结构等方面查找原因，并分析所采取的防磨措施的实施效果。数值模拟方法为本研究提供了重要的技术支持。运用专业的数值模拟软件，建立大型循环流化床机组的数学模型，对机组内的气固两相流、燃烧过程、传热传质以及污染物生成与排放等复杂物理化学过程进行数值模拟。通过数值模拟，可以直观地观察到机组内部各种参数的分布和变化情况，深入分析问题产生的机理，为提出针对性的解决方法提供理论依据。例如，利用数值模拟研究炉膛内不同位置的温度分布、颗粒浓度分布以及速度场分布，分析流化不均匀和燃烧不均的原因，并通过模拟不同的改进方案，评估其对机组性能的影响。本研究的创新点主要体现在以下几个方面。首先，提出了新的解决思路。从多学科交叉的视角出发，综合运用工程热力学、燃烧理论、材料科学、自动控制等多学科知识，对大型循环流化床机组存在的问题进行全面分析和系统解决。例如，在解决设备磨损问题时，不仅从材料科学角度研究新型耐磨材料的应用，还结合工程热力学和燃烧理论，优化机组的运行参数和燃烧过程，减少磨损因素的产生。其次，注重多方法融合。将文献研究、案例分析和数值模拟等方法有机结合，相互验证和补充，提高研究结果的可靠性和准确性。通过文献研究获取理论基础和研究现状，通过案例分析了解实际问题和解决经验，通过数值模拟深入探究问题机理和解决方案的可行性，形成一个完整的研究体系。最后，探索新技术、新材料的应用。积极关注国内外相关领域的新技术、新材料发展动态，将其引入大型循环流化床机组的研究中，探索提高机组性能和可靠性的新途径。例如，研究新型高温耐腐蚀材料在循环流化床机组高温部件上的应用，以及智能控制技术在机组运行优化中的应用，为机组的发展提供新的技术支持。二、大型循环流化床机组概述2.1工作原理与结构组成大型循环流化床机组的工作原理基于气固流态化技术，实现了燃料的高效清洁燃烧以及能量的有效转换。在机组运行过程中，燃料首先经过预处理，被破碎至合适的粒度范围，通常为0-13mm。随后，通过给煤机将燃料输送至炉膛底部的布风板上方。一次风从布风板下方均匀送入，使床料（包括燃料、脱硫剂、灰渣等固体颗粒）在炉膛内呈现流化状态，宛如沸腾的液体，故而得名流化床。在流化状态下，燃料与炽热的床料迅速混合，燃料颗粒被快速加热，达到着火温度后开始剧烈燃烧。由于一次风的流化作用，燃烧产生的高温烟气携带大量固体颗粒向上运动，充满整个炉膛。在炉膛内，燃料的燃烧过程持续进行，同时伴随着强烈的质量和热量交换。炉膛内的温度一般控制在850-950℃之间，这一温度区间不仅有利于燃料的充分燃烧，还为炉内脱硫反应创造了极佳条件。当燃料中含有硫元素时，向炉内添加的石灰石（CaCO₃）脱硫剂在高温下分解为氧化钙（CaO），CaO与燃烧产生的二氧化硫（SO₂）发生化学反应，生成硫酸钙（CaSO₄），从而实现高效脱硫，有效降低了二氧化硫的排放。随着高温烟气和固体颗粒向上运动，到达炉膛出口后，进入气固分离器。气固分离器是循环流化床机组的关键部件之一，其作用是将烟气中的固体颗粒高效分离出来。常见的气固分离器有旋风分离器、惯性分离器等，其中旋风分离器应用最为广泛。旋风分离器利用离心力的作用，使高速旋转的烟气中的固体颗粒在离心力的作用下被甩向分离器内壁，沿内壁向下滑落，从而与烟气分离。分离出的固体颗粒通过返料装置重新送回炉膛底部，再次参与燃烧和循环过程，这使得未燃尽的燃料有更多机会充分燃烧，提高了燃烧效率。而经过分离器净化后的高温烟气则进入尾部烟道，依次流经过热器、再热器、省煤器和空气预热器等受热面。在这些受热面中，烟气与工质（水或蒸汽）进行热量交换，将自身的热量传递给工质，使工质温度升高、压力增大，从而产生高温高压的蒸汽，用于驱动汽轮机发电。大型循环流化床机组主要由炉膛、分离器、回料装置、受热面以及其他辅助设备等部分构成。炉膛是燃料燃烧和热量释放的核心区域，通常采用膜式水冷壁结构，具有良好的密封性和热交换性能。炉膛底部的布风板上均匀布置着风帽，一次风通过风帽小孔进入炉膛，使床料流化。布风板的设计对于保证床层流化的均匀性和稳定性至关重要，如果布风不均匀，可能导致局部流化不良，引发床层结焦等问题。在炉膛内部，根据不同的高度和区域，其气固流动特性和燃烧状态也有所不同。一般来说，炉膛下部为密相区，固体颗粒浓度较高，燃烧反应较为剧烈；炉膛上部为稀相区，固体颗粒浓度相对较低，但仍有部分燃料在继续燃烧。分离器的作用是实现气固分离，确保固体颗粒能够高效地从烟气中分离出来并返回炉膛循环利用。如前所述，旋风分离器是应用最广泛的分离器类型，其具有结构简单、分离效率高、可靠性强等优点。为了提高旋风分离器的性能，通常会对其结构进行优化设计，如合理选择分离器的直径、高度、进口和出口尺寸等参数，以确保在不同工况下都能实现高效的气固分离。此外，为了防止分离器内部的磨损，还会在其内壁敷设耐磨材料，如耐火砖、耐磨涂料等。回料装置是连接分离器和炉膛的重要部件，其作用是将分离器分离出的固体颗粒稳定、可靠地送回炉膛。回料装置需要具备良好的密封性，以防止烟气反窜，同时还要能够根据炉膛内的工况自动调节回料量，保证物料循环的稳定。常见的回料装置有U型阀、L型阀等，这些回料装置利用物料的重力和气体的压力差来实现物料的输送和控制。受热面是实现热量传递和蒸汽生产的关键部件，主要包括过热器、再热器、省煤器和空气预热器等。过热器的作用是将汽包产生的饱和蒸汽进一步加热成过热蒸汽，提高蒸汽的焓值，以满足汽轮机的进汽要求；再热器则用于对汽轮机高压缸排出的蒸汽进行再次加热，提高蒸汽的温度和焓值，然后送回汽轮机低压缸继续做功，从而提高机组的循环效率；省煤器利用锅炉尾部烟气的余热来加热给水，提高给水温度，减少燃料消耗，提高锅炉效率；空气预热器则利用烟气余热加热燃烧所需的空气，提高空气温度，强化燃烧过程，同时也降低了排烟温度，减少了排烟热损失。2.2技术特点与应用领域大型循环流化床机组具有诸多显著的技术特点，使其在能源领域展现出独特的优势。首先是高效燃烧特性，循环流化床机组采用流态化燃烧方式，燃料与空气在流化状态下充分混合，极大地强化了燃烧过程中的质量和热量传递。在这种燃烧方式下，燃料颗粒能够在炉膛内快速、充分地燃烧，与传统的煤粉炉相比，其燃烧效率可达到97%-99%。例如，某300兆瓦循环流化床机组在实际运行中，燃烧效率稳定在98%以上，而同等容量的煤粉炉燃烧效率约为95%，循环流化床机组在燃烧效率上具有明显优势。这主要得益于循环流化床内大量固体颗粒的循环流动，使得未燃尽的燃料有更多机会再次参与燃烧，从而提高了燃料的燃尽程度，减少了不完全燃烧损失，提高了能源利用效率。燃料适应性强是该机组的又一突出特点。循环流化床机组能够适应多种燃料，包括各种煤种以及生物质、石油焦等其他燃料。对于不同种类的燃料，循环流化床机组可以通过调整燃烧参数来优化燃烧效果。这是因为循环流化床内的高温循环灰为新加入燃料的快速着火和燃烧提供了稳定的热源，使得燃料能够迅速被加热并着火燃烧。例如，在燃用褐煤时，通过适当降低一次风风速，增加二次风比例，能够有效提高燃烧效率；在燃用无烟煤时，通过提高床温、延长燃料在炉膛内的停留时间，也能实现稳定燃烧。这种广泛的燃料适应性，使得循环流化床机组能够充分利用各种劣质燃料，降低燃料成本，同时也拓宽了能源利用的范围。低污染排放是循环流化床机组备受关注的重要技术特点。在燃烧过程中，循环流化床机组通过多种方式实现了对污染物的有效控制。一方面，通过向炉内添加石灰石等脱硫剂，在850-950℃的最佳反应温度区间内，能够实现高效脱硫。在此温度下，石灰石分解产生的氧化钙与燃烧产生的二氧化硫发生化学反应，生成硫酸钙，从而有效降低了二氧化硫的排放。在实际运行中，当钙硫比为2.5时，脱硫效率可高达90%以上，使得二氧化硫排放浓度能够满足严格的环保标准。另一方面，循环流化床机组采用低温燃烧和分级燃烧技术，有效降低了氮氧化物的生成。低温燃烧可以抑制热力型氮氧化物的产生，而分级燃烧则通过合理控制燃烧区域的氧气浓度，使燃料在缺氧条件下燃烧，减少了燃料型氮氧化物的生成。此外，循环流化床机组的灰渣含碳量较低，减少了固体废物的产生，有利于环保和资源再利用。大型循环流化床机组在多个领域得到了广泛应用。在火电领域，循环流化床机组作为火力发电厂的核心设备，为电网提供稳定的电力输出。随着技术的不断发展，循环流化床机组的单机容量不断增大，已从早期的几十兆瓦发展到目前的700兆瓦超超临界机组。这些大容量机组具有更高的发电效率和更好的经济性，能够满足大规模电力需求。例如，全球首台700兆瓦超超临界循环流化床机组的成功并网，标志着火电领域在清洁煤发电技术方面取得了重大突破。该机组采用了先进的超超临界技术，提高了蒸汽参数，使机组的发电效率大幅提升，同时也降低了能源消耗和污染物排放。在工业供热领域，循环流化床机组也发挥着重要作用。许多工业生产过程需要大量的热能，循环流化床机组可以为工厂、建筑等提供所需的热能，满足生产和生活需要。与传统的供热锅炉相比，循环流化床机组具有燃烧效率高、燃料适应性强、污染物排放低等优点，能够降低工业供热成本，提高供热质量，同时减少对环境的污染。例如，在化工、造纸、纺织等行业，循环流化床机组被广泛应用于提供蒸汽和热水，为生产过程提供稳定的热源。在生物质能利用领域，循环流化床机组也展现出了巨大的潜力。生物质作为一种可再生能源，具有丰富的资源和较低的碳排放。循环流化床机组能够有效地燃烧生物质燃料，将生物质能转化为热能和电能，实现生物质的高效利用。例如，在一些农村地区和生物质资源丰富的地区，建设了以生物质为燃料的循环流化床机组，用于发电和供热，不仅解决了当地的能源问题，还促进了生物质资源的综合利用，减少了对化石能源的依赖，降低了碳排放。三、运行中存在的主要问题3.1燃烧稳定性问题3.1.1结焦现象分析结焦是大型循环流化床机组运行过程中较为常见且危害较大的问题之一。以某电厂300兆瓦循环流化床机组为例，在实际运行过程中曾多次出现结焦现象，严重影响了机组的安全稳定运行。煤质变化是导致结焦的重要原因之一。该电厂在某次运行中，由于采购的煤种发生了变化，实际燃用煤的灰熔点低于设计煤种。当这些低灰熔点的煤在炉膛内燃烧时，在高温环境下，煤颗粒容易呈现熔融态或者液态。这些处于熔融或液态的煤颗粒相互连接，形成较大的结块，进而导致结焦现象的发生。例如，当煤的灰熔点从设计的1300℃降至1100℃时，在炉膛内850-950℃的正常运行温度区间内，煤颗粒就更容易达到软化和熔融状态，增加了结焦的风险。运行参数控制不当也会引发结焦问题。在该电厂的运行案例中，一次风风量不足是导致结焦的常见因素。一次风作为使床料流化的关键动力，若风量不足，床料无法充分流化，就会导致局部区域的固体颗粒堆积。这些堆积的颗粒相互摩擦产生热量，且热量无法及时散发，使得局部温度升高。当局部温度超过灰熔点时，就会发生结焦。比如，在某次运行中，由于一次风机故障，一次风风量从设计的正常工况下的30万立方米每小时降至20万立方米每小时，导致炉膛下部局部区域床料流化不良，最终在该区域出现了结焦现象。此外，布风不均也是结焦的重要诱因。布风板上的风帽若存在堵塞、磨损或安装不当等问题，会导致一次风在布风板上分布不均匀。在某电厂的机组中，就曾因为部分风帽被杂物堵塞，使得对应区域的一次风风量减小，固体颗粒无法正常流化，形成局部死区。在死区内，颗粒堆积，温度迅速上升，很快就出现了结焦现象。结焦对机组运行会产生诸多严重危害。首先，它会严重影响流化质量。结焦形成的结块会破坏床层的正常流化状态，使流化变得不均匀，甚至导致局部流化中断。这不仅会降低燃料与空气的混合效果，影响燃烧效率，还可能引发一系列其他问题，如床温分布不均、局部超温等。其次，结焦会降低传热效率。结焦层的导热系数远低于正常的床料和受热面材料，当结焦发生在受热面表面时，会在受热面与床料之间形成一层隔热层，阻碍热量的传递，导致受热面无法充分吸收热量，从而降低了机组的整体传热效率，影响蒸汽的产生和机组的发电能力。3.1.2熄火事故探讨熄火事故在大型循环流化床机组运行中也时有发生，对机组设备和生产造成严重影响。以某电厂200兆瓦循环流化床机组为例，在一次运行过程中就发生了熄火事故，导致机组被迫停机，给生产带来了较大损失。给煤中断是引发熄火的常见原因之一。在该电厂的事故案例中，给煤机故障是导致给煤中断的主要因素。给煤机在运行过程中，由于内部部件的磨损、卡涩等问题，无法正常向炉膛输送燃料。当给煤中断时间较长时，炉膛内的燃料迅速燃尽，而又没有新的燃料补充，床温就会急剧下降。当床温降低到650℃以下，且此时又未及时投用床上或床下燃烧器助燃，就会引发熄火事故。例如，在某次运行中，给煤机的刮板链条突然断裂，导致给煤完全中断。在发现故障并进行抢修的过程中，由于处理时间较长，床温持续下降，最终导致熄火。风量不足同样会引发熄火事故。在循环流化床机组中，适量的风量是保证燃料充分燃烧的关键。如果一次风或二次风的风量不足，燃料无法与足够的氧气充分接触，燃烧反应就会受到抑制。随着燃烧反应的减弱，释放的热量逐渐减少，床温随之降低。当床温降低到一定程度，燃烧无法维持，就会导致熄火。在某电厂的事故中，由于风机调节系统故障，一次风风量从正常运行时的25万立方米每小时降至15万立方米每小时，导致炉膛内燃料燃烧不充分，床温迅速下降，最终引发熄火。床温过低也是导致熄火的重要原因。当床温过低时，燃料的着火和燃烧条件变差，燃烧反应难以维持。床温过低可能是由于多种因素引起的，如煤质变差、负荷调整不当、启动过程中操作失误等。在某电厂的机组中，在一次负荷调整过程中，运行人员未能及时根据负荷变化调整给煤量和风量，导致床温持续下降。当床温降至700℃以下时，尽管采取了一些调整措施，但由于床温过低，燃烧反应已无法稳定进行，最终导致熄火。熄火事故对机组设备和生产的影响十分严重。一方面，熄火会对锅炉设备造成损害。在熄火瞬间，炉膛内的压力和温度会发生剧烈变化，这种急剧的变化可能会导致炉膛、受热面等设备受到热应力和机械应力的冲击，从而产生变形、裂纹等损坏。另一方面，熄火会影响生产的连续性，导致电力供应中断，给企业带来经济损失。此外，频繁的熄火事故还会增加设备的维护成本和检修工作量，降低设备的使用寿命。3.2受热面磨损问题3.2.1磨损部位与机理大型循环流化床机组的受热面磨损是一个较为复杂且普遍存在的问题，严重影响着机组的安全稳定运行和使用寿命。水冷壁作为炉膛内重要的受热面部件，其不同部位的磨损情况各有特点。在炉膛下部的密相区，水冷壁管与高速流动的床料和二次风直接接触，受到强烈的冲刷磨损。此处的床料浓度高，且颗粒速度快，对水冷壁管的冲刷作用十分显著。例如，在某电厂的300兆瓦循环流化床机组中，密相区水冷壁管在运行一段时间后，管壁厚度明显减薄，部分区域甚至出现了穿孔泄漏的情况。过渡区域也是水冷壁磨损较为严重的部位。当固体颗粒从密相区向上运动至过渡区域时，由于气流方向和速度的变化，颗粒对水冷壁管产生了冲击磨损。在这个区域，颗粒的运动轨迹发生改变，以较大的速度和角度撞击水冷壁管，导致管壁磨损加剧。此外，炉膛四角的水冷壁管同样容易受到磨损。在四角区域，气流的流动状态较为复杂，存在明显的涡流和速度梯度，使得固体颗粒在此处的浓度较高，对水冷壁管的冲刷和撞击作用更为强烈。过热器和再热器通常布置在炉膛上部和水平烟道中，同样面临着磨损问题。在炉膛上部，高温烟气携带大量固体颗粒向上运动，这些颗粒对过热器和再热器的管束产生冲刷和撞击磨损。特别是在管束的迎风面，磨损情况更为严重。在水平烟道中，由于烟气的流速较高，且固体颗粒的浓度也相对较大，管束受到的磨损作用更为明显。例如，在某600兆瓦循环流化床机组中，水平烟道内的过热器管束在运行一段时间后，迎风面的管壁磨损深度达到了原壁厚的30%，严重影响了设备的安全运行。省煤器位于尾部烟道，其磨损主要集中在管束的两端和迎风面。在尾部烟道中，烟气经过前面的受热面后，温度有所降低，但其中仍然含有大量的飞灰颗粒。这些颗粒在高速流动的烟气带动下，对省煤器管束产生冲刷磨损。管束的两端由于气流的不均匀性和颗粒的反弹作用，磨损情况较为严重。而迎风面则直接承受着颗粒的冲击，磨损速度更快。循环流化床机组受热面磨损主要包括冲刷磨损、撞击磨损和腐蚀磨损等类型。冲刷磨损是指固体颗粒以一定的速度和角度对受热面表面进行冲击，使表面材料逐渐被去除的过程。在循环流化床中，大量的床料和飞灰颗粒在高速气流的携带下，不断地冲刷受热面，导致受热面表面的材料逐渐磨损。当烟气流速为8m/s时，水冷壁管的冲刷磨损速率可达0.2mm/年。撞击磨损是指固体颗粒以较高的速度垂直撞击受热面表面，使表面产生塑性变形、微裂纹甚至脱落的现象。在炉膛内，部分颗粒在气流的作用下，以较大的速度和角度撞击水冷壁管、过热器管束等受热面，长期的撞击作用导致受热面表面出现磨损。腐蚀磨损则是由于受热面在高温、腐蚀性介质的作用下，表面发生化学反应，形成腐蚀产物，同时受到颗粒的冲刷作用，使腐蚀产物不断脱落，从而加速受热面的磨损。在循环流化床机组中，燃料中的硫、氯等元素在燃烧过程中会产生二氧化硫、氯化氢等腐蚀性气体，这些气体与水蒸气结合后，形成酸性腐蚀介质，对受热面产生腐蚀作用。当烟气中的二氧化硫浓度为1000mg/m³时，受热面的腐蚀磨损速率会显著增加。3.2.2磨损影响因素烟气流速对受热面磨损有着至关重要的影响。在大型循环流化床机组中，烟气流速与磨损速率之间存在着密切的关联。一般来说，磨损速率与烟气流速的三次方成正比。当烟气流速增加时，固体颗粒的动能增大，对受热面的冲刷和撞击作用也随之增强，从而导致磨损加剧。例如，在某电厂的循环流化床机组中，将烟气流速从6m/s提高到8m/s后，水冷壁管的磨损速率增加了近两倍。因此，在机组运行过程中，合理控制烟气流速是减轻受热面磨损的关键措施之一。通常，应根据机组的设计参数和实际运行情况，将烟气流速控制在一个合适的范围内，以减少磨损的发生。飞灰浓度也是影响受热面磨损的重要因素。飞灰浓度越高，单位时间内撞击受热面的颗粒数量就越多，磨损也就越严重。当飞灰浓度从10g/m³增加到20g/m³时，过热器管束的磨损速率可提高50%以上。在实际运行中，煤质的变化、燃烧工况的不稳定等因素都会导致飞灰浓度发生波动。如果煤中的灰分含量增加，燃烧过程中产生的飞灰量也会相应增多，从而增大了飞灰浓度。因此，为了降低飞灰浓度对受热面磨损的影响，需要对煤质进行严格控制，确保其灰分含量在合理范围内。同时，优化燃烧工况，提高燃烧效率，减少不完全燃烧产生的飞灰，也是降低飞灰浓度的有效方法。颗粒特性对受热面磨损也有显著影响。颗粒的粒径、硬度和形状等特性都会改变磨损的程度。粒径较大的颗粒具有更大的动能，在撞击受热面时会产生更强的冲击力，从而加剧磨损。而硬度较高的颗粒，其耐磨性能较好，在与受热面接触时，更容易对受热面表面材料造成破坏。此外，颗粒的形状也会影响磨损情况。棱角分明的颗粒在冲刷受热面时，更容易切入表面，导致磨损加剧；而表面光滑的颗粒，对受热面的磨损相对较小。管材性能是影响受热面磨损的内在因素。不同材质的管材，其耐磨性能存在较大差异。例如，采用耐磨合金钢制造的受热面管材，其耐磨性能明显优于普通碳钢。这是因为耐磨合金钢中添加了铬、钼、钒等合金元素，这些元素能够提高钢材的硬度、强度和抗氧化性能，从而增强其耐磨性能。此外，管材的表面处理工艺也会对耐磨性能产生影响。通过表面渗碳、渗氮等处理工艺，可以在管材表面形成一层硬度较高的耐磨层，有效提高管材的耐磨性能。3.3污染物排放问题3.3.1氮氧化物排放在大型循环流化床机组运行过程中，氮氧化物（NOx）的产生主要源于燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx三种生成途径。燃料型NOx是由燃料中的氮化合物在燃烧过程中热分解并进一步氧化反应生成的。煤炭中的氮含量通常在0.5%-2.5%左右，它们以氮原子的状态与各种碳氢化合物结合成氮的环状化合物或链状化合物。在燃烧时，这些含氮化合物首先被热分解成氰（FCN）、氨（NH₃）和氰基（CN）等中间产物，它们随挥发分一起从燃料中析出，形成挥发分N。挥发分N中最主要的氮化合物是HCN和NH₃，在氧化性气氛中，HCN会氧化成NCO，NCO直接氧化成NO；NH₃与OH、O或H反应生成NH₂，NH₂进一步反应生成NH，NH氧化生成NO。燃料型NOx在循环流化床中生成的NOx中占比较高，常超过95%。热力型NOx是在高温下空气中的氮气和氧气直接化合生成的。一般温度在1500℃以上时，热力型NOx占NOx总量的60%以上。其生成反应主要通过N₂和O₂在高温下的直接化合反应，反应式为：N₂+O₂→2NO。在燃烧温度超过1500℃时，该反应速率显著增加。然而，循环流化床机组的运行温度范围通常在850-950℃，在此温度下，热力型NOx的生成量相对较少。快速型NOx是在燃烧初期燃料和空气混合过程中，空气中的氮和燃料中的碳氢离子团反应生成的。这种NOx的形成速度极快，占NOx总量的20%-30%。其形成涉及燃料和空气混合过程中的快速反应，反应式如：N₂+2O→2NO。在流化床燃烧条件下，由于燃烧温度相对较低，快速型NOx的生成量也相对较少。尽管循环流化床机组在控制氮氧化物排放方面具有一定优势，采用低温燃烧和分级燃烧技术，有效降低了氮氧化物的生成。但在实际运行中，仍存在氮氧化物排放超标的情况。以某500兆瓦循环流化床机组为例，在燃用高氮煤种时，即使采取了一系列控制措施，其氮氧化物排放浓度仍达到350mg/Nm³，超过了当地环保标准规定的300mg/Nm³。氮氧化物排放超标会对环境和人体健康造成严重危害。它是形成酸雨的重要前体物之一，当氮氧化物排放到大气中后，会与水蒸气、氧气等发生一系列化学反应，形成硝酸等酸性物质，随着降雨返回地面，导致土壤和水体酸化，破坏生态平衡。氮氧化物还会参与光化学烟雾的形成，在阳光照射下，氮氧化物与挥发性有机物等发生复杂的光化学反应，产生臭氧、过氧乙酰硝酸酯等二次污染物，这些污染物对人体呼吸系统和眼睛具有强烈的刺激作用，会引发咳嗽、气喘、呼吸困难等健康问题。3.3.2二氧化硫排放在大型循环流化床机组的燃烧过程中，燃料中的硫元素经历了一系列复杂的转化过程，最终以二氧化硫（SO₂）的形式排放到大气中。当燃料进入炉膛后，其中的有机硫和无机硫在高温下迅速分解。有机硫主要以硫醇、硫醚等形式存在，在燃烧时会断裂碳-硫键，释放出硫原子。无机硫则主要以黄铁矿（FeS₂）等形式存在，黄铁矿在高温下首先分解为硫化亚铁（FeS）和硫（S）。随后，硫原子与氧气发生化学反应，生成二氧化硫。反应式如下：S+O₂→SO₂；4FeS₂+11O₂→2Fe₂O₃+8SO₂。以某电厂的400兆瓦循环流化床机组为例，在实际运行中，由于燃用的煤种含硫量较高，达到了2.5%，超出了设计煤种的含硫量范围。尽管该机组采用了向炉内添加石灰石（CaCO₃）进行脱硫的工艺，但在高硫煤的情况下，脱硫效果未能达到预期，导致二氧化硫排放超标。当钙硫比为2.0时，二氧化硫排放浓度仍高达500mg/Nm³，超过了当地环保标准规定的350mg/Nm³。二氧化硫排放不达标的主要原因除了煤质含硫量过高外，还与脱硫剂的品质和添加量、反应温度以及反应时间等因素密切相关。如果石灰石的纯度不高，有效成分氧化钙（CaO）的含量较低，就会影响脱硫效果。此外，若脱硫剂的添加量不足，无法与燃烧产生的二氧化硫充分反应，也会导致二氧化硫排放超标。在反应温度方面，循环流化床机组的最佳脱硫反应温度区间为850-950℃。当实际运行温度偏离这个区间时，脱硫反应的速率和效率都会受到影响。如果反应温度过高，石灰石会迅速分解，但其与二氧化硫的反应活性会降低；若反应温度过低，脱硫反应则无法充分进行。反应时间也是影响脱硫效果的重要因素，如果燃料在炉膛内的停留时间过短，脱硫剂与二氧化硫来不及充分反应，就会导致二氧化硫排放超标。二氧化硫排放超标会带来一系列严重的环境问题。它是酸雨形成的主要元凶之一，当二氧化硫排放到大气中后，会在大气中被氧化为三氧化硫（SO₃），SO₃与水蒸气结合形成硫酸（H₂SO₄），随着降雨落到地面，形成酸雨。酸雨会对土壤、水体、植被和建筑物等造成严重损害。在土壤方面，酸雨会使土壤酸化，降低土壤肥力，影响农作物的生长和产量。在水体方面，酸雨会导致水体酸化，破坏水生生态系统，使鱼类等水生生物的生存受到威胁。酸雨还会腐蚀建筑物和文物古迹，缩短其使用寿命。此外，二氧化硫对人体健康也有不良影响，它会刺激人体呼吸道，引发咳嗽、气喘、呼吸困难等症状，长期暴露在高浓度二氧化硫环境中，还可能导致呼吸系统疾病的发生和加重。3.4运行经济性问题3.4.1能耗过高大型循环流化床机组能耗过高是一个较为突出的问题，严重影响了机组的运行经济性。风机电耗是机组能耗的重要组成部分。在循环流化床机组中，一次风机、二次风机和引风机等各类风机需要消耗大量的电能来维持炉膛内的流化状态和烟气的排出。一次风机负责提供使床料流化的动力，其电耗通常占风机总电耗的40%-50%。以某300兆瓦循环流化床机组为例，一次风机的额定功率达到3000kW，在满负荷运行时，其实际电耗约为2500kW。二次风机用于补充燃烧所需的空气，其电耗占风机总电耗的20%-30%。引风机则负责排出炉膛内燃烧产生的烟气，其电耗占风机总电耗的30%-40%。这些风机的高电耗主要是由于循环流化床机组炉膛内固体颗粒浓度较高，需要较大的风压来克服阻力，保证流化效果和烟气的正常排出。给水泵能耗也是机组能耗的重要方面。给水泵的作用是将除氧后的给水加压，送入锅炉省煤器，为锅炉提供足够的给水。在大型循环流化床机组中，由于锅炉的蒸汽压力和温度较高，给水泵需要消耗大量的电能来满足给水压力的要求。某600兆瓦超临界循环流化床机组，给水泵的额定功率达到10000kW，在满负荷运行时，其实际电耗约为8000kW。给水泵能耗过高的原因主要是为了满足机组高参数运行的要求，需要给水泵提供较高的压力和流量。制粉系统能耗同样不容忽视。制粉系统的主要任务是将原煤磨制成合格的煤粉，以便在炉膛内进行燃烧。在磨煤过程中，磨煤机、给煤机、一次风机等设备需要消耗大量的电能。某200兆瓦循环流化床机组，制粉系统的电耗占机组总电耗的8%-10%。制粉系统能耗过高的原因主要是煤质的变化、磨煤机的选型和运行参数的不合理等。如果煤质较硬，磨煤机需要消耗更多的能量来将其磨制成煤粉。磨煤机的运行参数如磨盘转速、通风量等设置不合理，也会导致制粉系统能耗增加。能耗过高对运行成本产生了显著影响。以某300兆瓦循环流化床机组为例，假设其年运行小时数为5000小时，电价为0.6元/kWh。风机电耗每年约为（2500+1500+2000）×5000×0.6=3000万元。给水泵电耗每年约为8000×5000×0.6=2400万元。制粉系统电耗每年约为3000000×5000×0.6=900万元。仅这三项能耗的成本就高达6300万元，占机组年运行成本的很大比例。过高的能耗不仅增加了发电成本，降低了机组的经济效益，还使得电力企业在市场竞争中处于不利地位。3.4.2维护成本高大型循环流化床机组的维护成本较高，这在很大程度上影响了机组的经济效益。受热面磨损是导致维护成本增加的重要因素之一。如前文所述，循环流化床机组的水冷壁、过热器、再热器和省煤器等受热面在运行过程中会受到严重的磨损。受热面磨损会导致管壁减薄，当管壁厚度减薄到一定程度时，就会发生泄漏事故，严重影响机组的安全运行。为了修复磨损的受热面，需要停机进行检修，更换受损的管子或部件。这不仅需要耗费大量的人力、物力和时间，还会导致机组的发电量减少，造成经济损失。某电厂的300兆瓦循环流化床机组，由于水冷壁磨损严重，每年需要进行一次全面的检修，更换大量的水冷壁管。每次检修的费用高达500万元，同时由于停机检修，机组的发电量减少了500万千瓦时，按照每千瓦时0.4元的电价计算，损失的发电收入为200万元。设备故障也是导致维护成本增加的重要原因。循环流化床机组的设备众多，包括给煤机、风机、破碎机、返料器等，这些设备在长期运行过程中，由于受到高温、高压、磨损、腐蚀等因素的影响，容易出现故障。给煤机故障可能导致给煤中断，影响机组的正常运行；风机故障可能导致风量不足，影响燃烧效果；破碎机故障可能导致煤的粒径不符合要求，影响燃烧效率。当设备发生故障时，需要及时进行维修或更换零部件，这会增加维护成本。某电厂的循环流化床机组，在一年的运行过程中，由于设备故障，维修费用达到了300万元。此外，设备故障还会导致机组的非计划停机次数增加，降低了机组的可用率，进一步影响了机组的经济效益。维护成本的增加对机组经济效益产生了显著的负面影响。一方面，维护成本的增加直接导致了发电成本的上升。在电力市场竞争日益激烈的情况下，发电成本的上升会降低电力企业的市场竞争力，减少企业的利润空间。另一方面，维护成本的增加还会导致机组的停机时间延长，发电量减少，进一步降低了企业的收入。因此，降低维护成本是提高大型循环流化床机组经济效益的关键措施之一。四、问题产生的原因分析4.1设计缺陷4.1.1炉膛结构不合理炉膛作为循环流化床机组的核心部件，其结构的合理性对机组的燃烧和流化效果起着决定性作用。炉膛高度、宽度、深度比例不当会引发一系列问题，对燃烧和流化产生负面影响。在某电厂的500兆瓦循环流化床机组中，炉膛高度设计相对较低，导致燃料在炉膛内的停留时间不足。这使得部分燃料无法充分燃烧就被带出炉膛，从而降低了燃烧效率，同时增加了飞灰含碳量。研究表明，当炉膛高度降低10%时，燃料在炉膛内的停留时间缩短约15%，飞灰含碳量可增加3-5个百分点。炉膛宽度过大可能导致布风不均匀，使得床料流化状态不稳定。在宽度较大的炉膛中，气流在横向分布上难以达到均匀一致，容易出现局部流化不良的区域。这些区域内的床料无法充分流化，会导致燃料与空气混合不充分，影响燃烧效果，甚至可能引发床层结焦等问题。炉膛深度设计不合理也会影响气固两相流的分布和燃烧的均匀性。如果炉膛深度过深，靠近炉膛后壁的区域可能会出现气流速度较低、固体颗粒浓度不均匀的情况，导致该区域的燃烧反应不充分，降低了炉膛整体的燃烧效率。布风板是炉膛底部的重要部件，其设计合理性直接关系到床料的流化质量。布风板的开孔率和布风均匀性是影响流化效果的关键因素。开孔率过小，会导致一次风阻力过大，风机能耗增加，同时床料流化不充分，容易出现局部死区。例如，在某电厂的循环流化床机组中，布风板开孔率设计为2%，运行过程中发现一次风阻力高达4kPa，远远超过正常范围，导致风机电耗大幅增加，且床层流化不均匀，局部区域出现了严重的结焦现象。相反，开孔率过大则会使一次风短路，无法有效托起床料，同样会影响流化质量。布风板上的风帽布置方式和结构也会对布风均匀性产生重要影响。如果风帽布置不均匀，会导致部分区域风量过大，部分区域风量过小，使得床料流化状态不稳定。风帽的结构设计不合理，如风帽出口形状、角度不当，也会影响气流的喷射方向和速度，进而影响布风均匀性。在某电厂的机组中，由于风帽出口角度设计不合理，导致气流喷射方向集中在局部区域，使得该区域的床料流化过于剧烈，而其他区域流化不足，最终影响了燃烧效率和机组的稳定运行。4.1.2受热面布置问题受热面的布置在大型循环流化床机组中起着至关重要的作用，其管径、节距和排列方式的合理性直接影响着传热效率和磨损程度。管径过小会导致工质流速过高，增加流动阻力，进而提高能耗。在某电厂的600兆瓦循环流化床机组中，过热器管径设计为38mm，运行时工质流速高达30m/s，远超过合理范围，使得流动阻力大幅增加，给水泵能耗显著提高。这不仅降低了机组的运行经济性，还可能对管道和设备造成损坏。管径过大则会使传热面积不足，导致传热效率降低。在某300兆瓦循环流化床机组中，省煤器管径设计过大，使得传热面积比合理值减少了15%，导致省煤器出口水温比设计值低了20℃，影响了机组的整体热效率。节距过小会使受热面之间的间隙减小，增加积灰和磨损的风险。在某电厂的循环流化床机组中，水冷壁管节距设计过小，运行一段时间后，管间积灰严重，传热热阻增大，导致水冷壁管的吸热量减少，炉膛温度升高。同时，积灰还会加剧磨损，使得水冷壁管的使用寿命缩短。节距过大则会降低传热效率，减少单位面积内的传热面积。在某500兆瓦循环流化床机组中，再热器管节距设计过大，导致单位面积内的传热面积减少了20%，使得再热器的出口蒸汽温度无法达到设计值，影响了机组的发电效率。受热面的排列方式也会对传热和磨损产生重要影响。顺列布置的受热面，由于烟气流动较为平稳，磨损相对较轻，但传热效率较低。而错列布置的受热面，虽然传热效率较高，但烟气对受热面的冲刷更为剧烈，磨损相对较重。在某电厂的循环流化床机组中，过热器采用错列布置，运行一段时间后，迎风面的管子磨损严重，管壁厚度减薄了30%，不得不进行更换。因此，在选择受热面排列方式时，需要综合考虑传热效率和磨损因素，根据机组的具体运行条件进行合理设计。4.2设备质量问题4.2.1制造工艺缺陷制造工艺缺陷是导致大型循环流化床机组设备质量问题的重要因素之一，对设备性能产生了多方面的负面影响。在管材加工过程中，精度不足是一个常见问题。以某电厂的400兆瓦循环流化床机组为例，其水冷壁管材在加工时，管径偏差超出了设计允许范围，部分管材的管径实际偏差达到了±3mm，而设计允许偏差仅为±1mm。这种管径偏差会导致工质在管内的流速分布不均匀，流速过高的区域会加剧对管壁的冲刷磨损，降低管材的使用寿命；流速过低的区域则可能导致工质传热不充分，影响机组的热效率。同时，管材的椭圆度不符合要求，椭圆度偏差达到了5%，而标准要求椭圆度偏差应控制在3%以内。椭圆度超标的管材在承受内部工质压力和外部热应力时，受力不均匀，容易出现局部应力集中，从而增加了管材发生破裂和泄漏的风险。焊接质量差也是制造工艺中的突出问题。在某600兆瓦循环流化床机组的受热面焊接过程中，出现了焊缝未焊透的情况，未焊透深度达到了焊缝厚度的20%。焊缝未焊透会使焊接接头的强度大幅降低，在机组运行过程中，受到高温、高压和振动等因素的影响，未焊透的焊缝容易产生裂纹，并逐渐扩展，最终导致受热面泄漏，严重影响机组的安全稳定运行。此外，焊接过程中的气孔和夹渣问题也较为常见。某电厂的循环流化床机组中，部分焊缝存在气孔和夹渣缺陷，气孔直径最大达到了3mm，夹渣长度最长为5mm。这些缺陷会削弱焊缝的承载能力，降低焊接接头的密封性，同样会引发泄漏等安全事故。部件装配不规范同样会对设备性能产生不良影响。在某电厂的循环流化床机组中，旋风分离器的进出口管道在装配时，同心度偏差过大，达到了5mm，而设计要求同心度偏差应控制在2mm以内。同心度偏差过大导致气流在进出口管道内流动不畅，产生强烈的涡流和压力损失，降低了分离器的分离效率，使大量固体颗粒无法被有效分离，从而增加了后续受热面的磨损风险。此外，在回料装置的装配过程中，阀门与管道之间的密封不严，存在较大的缝隙。这使得在机组运行时，高温烟气从缝隙中反窜，破坏了回料装置的正常工作状态，导致回料不畅，影响了物料的循环和燃烧的稳定性。4.2.2材料性能不足材料性能不足是大型循环流化床机组设备质量问题的另一个重要原因，尤其是在耐磨、耐腐蚀材料选择不当的情况下，会导致受热面磨损、腐蚀加剧。在循环流化床机组中，受热面长期处于高温、高磨损的恶劣环境中，对材料的耐磨性能要求极高。某电厂的300兆瓦循环流化床机组，在选择水冷壁管材时，由于考虑成本因素，选用了耐磨性能相对较差的普通碳钢，而未采用更适合的耐磨合金钢。在机组运行一段时间后，水冷壁管的磨损情况十分严重，管壁厚度明显减薄。在运行3年后，水冷壁管的平均壁厚减薄了2mm，部分磨损严重区域的壁厚减薄达到了3mm，大大缩短了水冷壁管的使用寿命，增加了设备维护成本和安全风险。这是因为普通碳钢的硬度和耐磨性有限，无法承受高速流动的固体颗粒的长期冲刷，而耐磨合金钢中添加了铬、钼、钒等合金元素，能够显著提高材料的硬度和耐磨性，有效抵抗颗粒的磨损。循环流化床机组在燃烧过程中会产生二氧化硫、氯化氢等腐蚀性气体，这些气体在高温和水蒸气的作用下，会对受热面材料产生强烈的腐蚀作用。某电厂的400兆瓦循环流化床机组，其过热器管材在选择时，未充分考虑燃料中的硫含量和燃烧产生的腐蚀性气体的影响，选用了耐腐蚀性不足的材料。在运行过程中，过热器管受到严重的腐蚀，出现了管壁变薄、穿孔等问题。当燃料中的硫含量为2%时，运行1年后，过热器管的局部区域出现了明显的腐蚀坑，腐蚀深度达到了0.5mm；运行3年后，部分管子因腐蚀穿孔而被迫更换。这是由于耐腐蚀性不足的材料在腐蚀性气体的作用下，表面会发生化学反应，形成疏松的腐蚀产物，这些腐蚀产物在高速气流和固体颗粒的冲刷下，不断脱落，从而加速了管材的腐蚀。材料性能不足还会影响设备的高温性能。在循环流化床机组的高温部件中，如炉膛内的高温受热面、分离器等，需要材料在高温下具有良好的强度、抗氧化性和热稳定性。某电厂的500兆瓦循环流化床机组，其炉膛内的高温受热面采用了一种高温性能较差的材料。在机组运行过程中，当炉膛温度达到900℃时，受热面材料的强度明显下降，出现了变形和鼓包现象。这不仅影响了受热面的正常传热，还降低了设备的安全性和可靠性。高温性能良好的材料应具有较高的高温强度、抗氧化性和热稳定性，能够在高温环境下长时间稳定运行，保证设备的正常工作。4.3运行操作不当4.3.1运行参数控制不合理床温作为大型循环流化床机组运行中的关键参数，其控制精度对机组运行有着至关重要的影响。当床温过高时，会引发一系列严重问题。某电厂的300兆瓦循环流化床机组在运行过程中，由于运行人员对燃料量和风量的调整不当，导致床温持续上升至1000℃以上，超出了正常运行范围。过高的床温使得煤颗粒的燃烧速度急剧加快，释放出大量的热量，进而导致炉膛内局部区域出现超温现象。在这种高温环境下，煤中的灰分迅速软化和熔融，相互粘结形成大块的焦渣，最终引发了严重的结焦问题。结焦不仅破坏了床层的正常流化状态，使流化质量急剧下降，还会导致传热效率大幅降低，影响机组的发电能力。相反，床温过低同样会给机组运行带来诸多不利影响。当床温降至750℃以下时，燃料的着火和燃烧变得极为困难，燃烧反应无法充分进行。这是因为较低的床温无法为燃料提供足够的活化能，使得燃料的挥发分析出速度减慢，燃烧速率降低。在某电厂的机组中，由于煤质突然变差，发热量大幅下降，而运行人员未能及时调整给煤量和风量，导致床温持续下降。当床温降至700℃时，部分燃料无法正常燃烧，被气流带出炉膛，造成飞灰含碳量显著增加，燃烧效率大幅降低。飞灰含碳量的增加不仅意味着燃料的浪费，还会导致后续除尘设备的负担加重，增加了设备的磨损和维护成本。床压的控制同样不容忽视，它对床层的流化质量和设备的安全运行有着重要影响。在大型循环流化床机组中，床压过高会导致一次风阻力急剧增大。某电厂的600兆瓦循环流化床机组，在运行过程中由于排渣不及时，床压从正常的8kPa迅速升高至12kPa。过高的床压使得一次风机需要消耗更多的电能来克服阻力，导致风机电耗大幅增加。床压过高还会使床层流化状态恶化，局部区域出现流化不良的情况，甚至可能引发床层结焦。这是因为过高的床压会使床料堆积紧密，一次风难以均匀地穿透床层，导致部分区域的床料无法充分流化，从而引发一系列问题。而床压过低则会使床层的蓄热能力显著下降。当床压降至4kPa以下时，床层的蓄热能力明显不足，无法为燃料提供稳定的热源。在某电厂的机组中，由于运行人员误操作，过度排渣导致床压过低。在这种情况下，燃料进入炉膛后，无法迅速被加热着火，燃烧过程变得不稳定，容易出现熄火现象。床压过低还会导致炉膛内的物料浓度降低，影响传热效果，进而降低机组的发电效率。风量的控制是保证大型循环流化床机组正常运行的关键因素之一。一次风作为使床料流化的动力，其风量大小直接影响着流化效果。当一次风量不足时，床料无法充分流化，会出现局部流化不良的区域。在某电厂的400兆瓦循环流化床机组中，由于一次风机故障，一次风风量从正常的35万立方米每小时降至25万立方米每小时。风量的不足使得床层下部的物料无法正常流化，堆积在一起，形成局部死区。在死区内，物料无法与空气充分混合，燃烧反应无法正常进行，导致局部温度升高，最终引发了结焦问题。二次风的作用是补充燃烧所需的空气，强化燃烧过程。如果二次风分配不均匀，会导致燃烧不充分，影响机组的运行效率。在某电厂的循环流化床机组中，由于二次风管道布置不合理，部分区域的二次风风量过大，而部分区域的风量过小。这使得炉膛内的燃烧呈现不均匀状态，部分区域燃料燃烧不充分，产生大量的一氧化碳等不完全燃烧产物，不仅降低了燃烧效率，还增加了污染物的排放。给煤量的控制与机组负荷密切相关，合理的给煤量能够保证机组的稳定运行。当给煤量过大时，会导致床温迅速升高，超出正常范围。在某电厂的500兆瓦循环流化床机组中，运行人员在负荷调整过程中，错误地增加了给煤量，使得床温在短时间内从900℃升高至980℃。过高的床温不仅容易引发结焦问题，还会对设备造成热应力冲击，影响设备的使用寿命。相反，给煤量过小则无法满足机组负荷需求，导致机组出力下降。在某电厂的机组中，由于给煤机故障，给煤量不足，机组负荷从额定的500兆瓦降至400兆瓦。这不仅影响了电力供应的稳定性，还可能导致电网电压波动，给其他用电设备带来安全隐患。4.3.2启停操作不规范在大型循环流化床机组的启动过程中，升温、升压速度过快会对设备造成严重的损害。以某电厂的600兆瓦超临界循环流化床机组为例，在一次启动过程中，由于操作人员急于并网发电，将升温速度控制在每分钟10℃，升压速度控制在每分钟0.5MPa，均远远超过了规定的升温速度每分钟3-5℃和升压速度每分钟0.2-0.3MPa。过快的升温速度使得锅炉各部件受热不均，产生较大的热应力。锅炉的汽包、联箱等厚壁部件，由于内外壁温差过大，内壁受热膨胀受到外壁的约束，从而产生巨大的热应力。这种热应力可能导致部件出现变形、裂纹等损坏，严重影响设备的安全运行。过快的升压速度会使承压部件承受过高的压力冲击，增加了设备泄漏和爆破的风险。在该案例中，由于升压速度过快，导致部分管道的焊缝出现了微小裂纹，虽然在当时未发生泄漏，但为后续的运行埋下了安全隐患。暖管、暖炉不充分也是启动过程中常见的不规范操作，会对设备产生诸多不良影响。暖管的目的是使管道均匀受热，防止因温度急剧变化而产生热应力和水击现象。在某电厂的循环流化床机组启动时，暖管时间仅为30分钟，远远低于规定的1-2小时。暖管不充分使得管道温度不均匀，在通入蒸汽时，高温蒸汽与低温管道接触，会产生剧烈的热交换，导致管道局部受热膨胀不均，产生较大的热应力。这种热应力可能使管道发生变形、位移，甚至导致管道与支吊架之间的连接松动，影响管道的安全运行。暖管不充分还会导致管道内的冷凝水无法完全排出，在蒸汽通入时，会产生水击现象。水击产生的冲击力可达几十甚至上百MPa，会对管道和设备造成严重的破坏，如损坏阀门、弯头，甚至导致管道破裂。暖炉的作用是使锅炉各部件均匀缓慢受热，避免因受热不均而产生热应力。如果暖炉不充分，炉膛内的耐火材料、受热面等部件会因温度变化过快而受损。在某电厂的机组中，暖炉时间不足，炉膛内的耐火材料在启动过程中出现了剥落现象。这是因为暖炉不充分使得耐火材料内外温差过大，内部膨胀受到外部的约束，从而产生应力，当应力超过耐火材料的强度时，就会导致耐火材料剥落。耐火材料的剥落不仅会影响炉膛的保温性能，增加热量损失，还会使受热面直接暴露在高温烟气中，加速受热面的磨损和腐蚀。在机组的停止过程中，快速减负荷会对设备产生较大的冲击。当机组快速减负荷时，蒸汽流量迅速减少，而此时锅炉的燃烧调整往往跟不上负荷变化的速度，导致炉内热量不能及时被带走。某电厂的500兆瓦循环流化床机组在停止过程中，将负荷从满负荷500兆瓦在30分钟内降至零负荷。快速减负荷使得蒸汽流量急剧下降，而炉内燃料仍在继续燃烧，产生大量的热量，导致汽包水位急剧上升，严重时可能引发满水事故。快速减负荷还会使汽轮机的进汽量突然减少，导致汽轮机的转速下降过快，产生较大的轴向推力和热应力，对汽轮机的叶片、轴封等部件造成损坏。停炉后冷却过快同样会对设备造成损害。在停炉后，如果不采取适当的冷却措施，让锅炉自然冷却，而是通过大量通风或排水等方式加速冷却，会使锅炉各部件的温度急剧下降。某电厂的循环流化床机组在停炉后，为了尽快进行检修，打开了所有的通风门和排水阀，使得锅炉在短时间内温度从800℃降至常温。过快的冷却速度使得锅炉的金属部件收缩不均匀，产生较大的热应力，可能导致部件出现裂纹、变形等损坏。对于一些采用耐热材料的部件，过快的冷却还会使材料的性能下降，缩短其使用寿命。4.4燃料特性与适应性问题4.4.1煤质变化影响煤质的变化对大型循环流化床机组的运行有着多方面的显著影响。发热量作为煤质的关键指标之一，其变化直接关系到机组的能量供应和运行稳定性。当煤的发热量低于设计值时，为了维持机组的额定负荷，就需要增加给煤量。某电厂的300兆瓦循环流化床机组，在设计煤种发热量为20MJ/kg的情况下，当实际燃用煤的发热量降至18MJ/kg时，给煤量不得不从每小时50吨增加到每小时55吨。然而，给煤量的增加会使炉膛内的燃料量过多，导致床温升高。若床温升高幅度较大，超出了正常运行范围，就会引发一系列问题。过高的床温会使煤中的灰分软化和熔融，增加结焦的风险。当床温超过1000℃时，结焦的可能性会大幅增加。过高的床温还会加剧受热面的磨损，缩短设备的使用寿命。挥发分含量的变化同样会对机组运行产生重要影响。挥发分是煤在加热过程中释放出的可燃气体，其含量的高低直接影响着煤的着火特性和燃烧速度。当煤的挥发分含量降低时，煤的着火变得困难，着火时间延长。某电厂在燃用低挥发分煤种时，发现煤进入炉膛后需要更长的时间才能着火，导致燃烧不稳定，床温波动较大。挥发分含量降低还会使燃烧速度减慢，燃烧效率降低。在这种情况下，部分燃料无法在炉膛内充分燃烧就被带出炉膛，增加了飞灰含碳量。当挥发分含量从设计的25%降至20%时，飞灰含碳量可能会从5%增加到8%，不仅造成了燃料的浪费，还会影响后续除尘设备的运行。灰分含量的变化会对循环流化床机组的运行产生多方面的不利影响。灰分是煤燃烧后剩余的固体物质，当灰分含量增加时，飞灰浓度会相应增大。飞灰浓度的增大意味着单位体积内的固体颗粒数量增多，这些颗粒在高速气流的携带下，会对受热面产生更强烈的冲刷和撞击，从而加剧受热面的磨损。某电厂的循环流化床机组，在灰分含量从设计的20%增加到25%后，受热面的磨损速率明显加快，在运行半年后，水冷壁管的壁厚就减薄了1mm。灰分含量的增加还会导致床层阻力增大。床层阻力的增大使得一次风需要克服更大的阻力才能使床料流化，这不仅会增加风机的能耗，还可能导致流化质量下降，影响燃烧效果。当床层阻力增大到一定程度时，可能会出现局部流化不良的情况，引发床层结焦等问题。水分含量的变化也会对机组运行产生重要影响。当煤的水分含量过高时，煤的着火变得困难。这是因为水分在蒸发过程中会吸收大量的热量，降低了炉膛内的温度，使煤难以达到着火温度。某电厂在燃用高水分煤种时，发现点火过程变得更加困难，需要投入更多的辅助燃料来提高炉膛温度，以确保煤能够正常着火。水分含量过高还会使燃烧过程不稳定，床温波动较大。在燃烧过程中，水分的蒸发会导致炉膛内的气体体积膨胀，影响气流的稳定性，从而使床温出现波动。某电厂在燃用水分含量为15%的煤种时，床温波动范围在±50℃左右，而在燃用水分含量为20%的煤种时，床温波动范围扩大到±80℃，严重影响了机组的稳定运行。水分含量过高还会增加烟气湿度，可能导致尾部受热面的腐蚀和积灰。在尾部烟道中，高温烟气中的水蒸气在遇到低温的受热面时会凝结成水滴，这些水滴与烟气中的二氧化硫等酸性气体结合，形成酸性腐蚀介质，对受热面产生腐蚀作用。同时，水分还会使飞灰更容易粘附在受热面上，导致积灰增加，降低传热效率。4.4.2生物质燃料应用挑战生物质燃料具有一些独特的特点，这些特点在应用于大型循环流化床机组时带来了诸多挑战。生物质燃料的水分含量普遍较高，一般在30%-60%之间。某生物质发电厂在使用秸秆作为燃料时，秸秆的水分含量达到了45%。过高的水分会导致燃料着火困难，因为水分在蒸发过程中会吸收大量的热量，使燃料难以达到着火温度。在点火初期，大量水分的蒸发会降低炉膛内的温度，延长点火时间，增加点火难度。水分含量过高还会使燃烧过程不稳定，床温波动较大。在燃烧过程中，水分的蒸发会导致炉膛内的气体体积膨胀，影响气流的稳定性，从而使床温出现波动。某生物质循环流化床机组在运行过程中，由于燃料水分含量较高，床温波动范围达到了±80℃，严重影响了机组的稳定运行。生物质燃料的挥发分含量通常较高，一般在70%-80%之间。高挥发分使得生物质燃料在燃烧时释放出大量的可燃气体，燃烧速度较快。这就需要更加精确地控制燃烧过程，否则容易导致燃烧不完全，产生大量的一氧化碳等污染物。某生物质发电厂在运行初期，由于对燃烧过程的控制不够精准，导致一氧化碳排放浓度高达1000mg/Nm³，远远超过了环保标准规定的500mg/Nm³。高挥发分还会使炉膛内的温度分布不均匀，容易出现局部过热现象。在炉膛内，挥发分迅速燃烧释放出大量热量，导致局部区域温度过高，增加了结焦和腐蚀的风险。生物质燃料的灰熔点较低，一般在700-1000℃之间。某生物质发电厂在使用稻壳作为燃料时，稻壳灰的熔点仅为800℃。较低的灰熔点使得生物质燃料在燃烧过程中容易结焦。当炉膛内的温度超过灰熔点时，灰分就会软化和熔融，相互粘结形成大块的焦渣。结焦不仅会破坏床层的正常流化状态，使流化质量下降，还会导致传热效率降低，影响机组的发电能力。某生物质循环流化床机组在运行过程中，由于燃料灰熔点较低，频繁出现结焦现象，导致机组被迫停机检修，严重影响了生产的连续性。生物质燃料的灰中含有较多的碱金属和氯元素，这些元素在燃烧过程中会与金属发生化学反应，导致受热面腐蚀。某生物质发电厂的循环流化床机组在运行一段时间后，发现受热面出现了严重的腐蚀现象，管壁厚度明显减薄。分析原因发现，生物质燃料中的碱金属和氯元素在高温下与受热面金属发生反应，形成了疏松的腐蚀产物，这些腐蚀产物在高速气流和固体颗粒的冲刷下，不断脱落，从而加速了受热面的腐蚀。为了应对生物质燃料应用带来的挑战，需要采取一系列措施。对于水分含量高的问题，可以在燃料进入炉膛前进行干燥处理，降低水分含量。可以采用热风干燥、真空干燥等方法，将燃料的水分含量降低到合适的范围。针对挥发分高的问题，需要优化燃烧控制系统，精确控制燃料和空气的比例，确保燃烧充分。可以采用先进的燃烧控制技术，如智能燃烧控制系统，根据燃料的特性和炉膛内的燃烧情况，实时调整燃料和空气的供应量，提高燃烧效率，降低污染物排放。为了解决灰熔点低和腐蚀的问题，可以在炉膛内添加适量的添加剂，提高灰熔点，减少结焦和腐蚀的风险。可以添加一些碱性物质，如石灰石、白云石等，与灰中的酸性物质反应，提高灰熔点。还可以采用耐腐蚀材料制造受热面，提高受热面的抗腐蚀能力。五、解决方法与优化策略5.1优化设计方案5.1.1改进炉膛结构在优化炉膛结构时，精确的数值模拟是关键环节。通过运用专业的计算流体力学（CFD）软件，如ANSYSFluent等，对炉膛内的气固两相流、燃烧过程和温度分布进行深入模拟。在模拟某600兆瓦循环流化床机组的炉膛时，通过建立详细的物理模型，准确模拟了不同工况下炉膛内的复杂流动和燃烧现象。根据模拟结果，对炉膛高度、宽度和深度的比例进行精细调整。对于该600兆瓦机组，经过模拟分析，将炉膛高度从原来的45米增加到50米，使燃料在炉膛内的停留时间延长了约10%。这一调整使得燃料能够更充分地燃烧，飞灰含碳量降低了2-3个百分点，有效提高了燃烧效率。同时，根据模拟结果，合理缩小炉膛宽度，将宽度从18米调整为16米，改善了布风的均匀性，使床料流化更加稳定，避免了局部流化不良区域的出现，从而提高了燃烧的稳定性。布风板的优化设计同样至关重要。在设计布风板时，利用CFD软件对不同开孔率和布风均匀性进行模拟分析。对于某300兆瓦循环流化床机组，通过模拟对比，将布风板开孔率从原来的3%调整为4%，使一次风阻力降低了15%，同时保证了床料的充分流化。在风帽布置方面，采用新型的等压风帽，并通过模拟优化风帽的布置方式，使风帽在布风板上均匀分布，且出口角度经过精确设计，确保气流能够均匀地喷射到床层中。在实际运行中，这种优化后的布风板使床层流化更加均匀，燃烧效率提高了3-4个百分点，有效避免了床层结焦等问题的发生。在二次风布置优化方面，通过CFD模拟，精确确定二次风的喷入位置、角度和风速。对于某500兆瓦循环流化床机组，将二次风喷入位置从原来的炉膛高度的1/3处调整为1/4处，并优化喷入角度，使二次风能够更有效地与一次风混合，增强了燃烧区域的扰动，使燃烧更加充分。通过模拟不同的二次风速，确定了最佳风速为25m/s，在此风速下，炉膛内的氧量分布更加均匀，一氧化碳排放浓度降低了30%，燃烧效率提高了2-3个百分点。5.1.2优化受热面布置在优化受热面布置时，需要全面考虑管径、节距和排列方式等因素，以实现传热效率的提升和磨损的有效控制。在管径选择方面，运用传热学和流体力学原理进行精确计算。对于某600兆瓦循环流化床机组的过热器，根据工质流量、流速和传热要求，通过公式计算和模拟分析，将管径从原来的42mm调整为45mm。这一调整使工质流速从32m/s降低到28m/s，处于合理范围内，有效减少了流动阻力，降低了给水泵能耗约10%。同时，通过增加管径，传热面积相应增加，提高