摘要： 分析循环流化床锅炉电厂烟风系统设计原则和设计实例，指出其设计优化趋势。为了降低厂用电率，应对工艺过程参数进行分析和量化，确定风源和设备，通过调研，合理设计参数，避免过大的余量。采用液力耦合器和变频器的变速调节代替节流调节，是降低烟风阻力损失的有效方法。现阶段推荐采用液力耦合器调节。从源头上采取措施非常重要。尽量减少、取消不必要的风机。在锅炉设计时，应合理选取部件结构，从根本上降低送风阻力损失。
关键词： 循环流化床锅炉；优化设计；调节；液力耦合器；变频器
我国已有2000多台不同蒸发量的循环流化床锅炉（CFB）投入商业运行，总装机容量达25000MW，居世界之首。我国的CFB燃料包括了各种煤以及煤矸石、油页岩、石油焦等劣质燃料，积累了不同燃料的设计与运行经验。1999年前后三大锅炉厂分别引进的Alstom德国分公司EVT型、Alstom美国ABB－CE型、FW型100～150MW等级的CFB机组已经有数十台投入商业运行，并有数百台国产和引进型135MW等级的CFB机组在制造之中。由西安热工研究院设计、哈尔滨锅炉厂制造的国产200MW
CFB机组正在江西分宜电厂建设。39台引进Alstom技术的300MW CFB机组正在制造。2005年，随着内江白马电厂300MW等级的循环流化床电站的并网运行，世界上的三大主要CFB技术流派的炉型：芬兰Pyroflow型、德国Lurgi型、德国Circofluid型在中国发电领域都建立了运行业绩。CFB锅炉的数量占行业锅炉总数的1/3，容量上约占8%，已经成为一种重要的清洁燃烧方式。但商业运行显示，现有的135～150MW
CFB锅炉的经济性、安全可靠性、可用率尚不如煤粉锅炉。CFB作为一种燃烧技术，还需要在理论和设计上进行探索，有所突破，以提高其竞争力。
CFB锅炉在经济性方面主要存在2个问题：①锅炉的燃烧效率和热效率达不到设计值，而且低于同容量同煤种的煤粉锅炉；飞灰可燃物高，供电煤耗大。②多数CFB电站的厂用电率偏高。尽管在煤的制备方面，CFB电站可以节省用电，但其厂用电率还是高于同容量煤粉锅炉的厂用电率，作为主要耗能设备的风机系统设计优化势在必行。
1 循环流化床锅炉对送风系统的要求
一二次风、返料风、播煤风是CFB锅炉的基本风源。一次风的作用是流化床料，要克服布风板阻力、料层阻力，所以，一次风压头要高。二次风主要是补充空气助燃，一般在密相中、上部送入，料层阻力小，所以风压可低一些。播煤风主要是为了消除播煤口的燃料集中现象。一般给料口靠近布风板，料层阻力较大。回料风要松动立管物料，并克服回料阀阻力和炉膛、分离器阻力，才能完成流化返料过程，风源压力最高。在风量方面，按分级燃烧及物料流化的要求，一、二次风的风率设计为50/50～60/40，播煤风一般为一次风的3%～5%；返料风虽然压力要求非常高，但风量较小，一般小于2%。
CFB锅炉从冷态启动开始，经过低负荷过程达到额定负荷，因此，烟风系统需要有一个适当的调节范围。在启动工况时，主要目的是安全点火，尽量节约启动燃料；在低负荷工况时，应取得低的稳定的无助燃油负荷，以满足机组调峰运行的需要。因此，启动时必然要尽量降低一次风量以减少热量损失。高负荷与额定负荷工况主要解决的问题是经济地将热量带出密相区。一次风是主要的吸热介质［1］。
2 循环流化床锅炉烟风系统的设计原则
(1) 安全原则。风机设计应有必要的设计余量，以保证可以燃烧设计的多种燃料。其主要原因为：使其具有负荷快速变化的能力和一定的超负荷能力；具有适应环境温度变化的能力；具有适应燃料品种变化的能力；应给锅炉提供额外的保证。为此，风机设计时，在锅炉最大连续出力工况下，应有15%的最小风量余度，25%的静压头余度和5～6℃的温度余度。
(2) 经济原则。根据对象要求，选择不同的动力源。
(3) 全过程控制的原则。要考虑机组运行的各种工况,不仅要满足锅炉最大连续出力工况，还要兼顾部分负荷以及低负荷的情况。在设计时，应根据机组规划的和可预见的主要运行方式，预先设计并列运行及经济的拖动方式。首先，根据需求分析确定风源和动力。除此之外，需要选取更加经济的调节方式［2］。
3 烟风系统的设计选型实践
较早时期CFB烟风系统的设计比较保守。锅炉厂、设计院和风机制造厂在风机选型时都不同程度的取了较大安全系数，逐级放大的结果是风机特别是一次风机的裕度太大。而且，没有对经济拖动作出设计考虑。如分宜100MW
CFB电厂的一次风机容量可以供给锅炉的一次风和二次风的需要；该厂还专门从一次风道上接引管道去二次风道，以解决点火时一次风大的问题。在调节方式上，2003年以前投产的100～135MW
CFB机组的风机基本采取节流调节的运行方式，能量损失很大。CFB烟风系统的设计直接影响着CFB电厂的厂用电率。表1为一些CFB电厂厂用电率的统计结果。
表1 2003年CFB电厂厂用电率统计
机组容量/MW
100
100
135
厂用电率/%
11.39
10.62
11.43
投产日期
1996 - 09 - 23
2003 - 06 - 19
2003 - 03
机组容量/MW
135
145
145
厂用电率/%
12.14
8.26
9.20
投产日期
2003－02
2003－09－29
2003－08－10
机组容量/MW
135
135
135
厂用电率/%
13.55
10.4
10.7
投产日期
2003 - 10 - 09
2003 - 07 - 22
2003 - 08 - 17
2003年以来，研究设计单位开始关注和重视CFB的经济性问题，用户也对风机的节能设计提出需求。CFB电站设计工程中，液力耦合器被逐渐应用于风机拖动调节上。先是引风机上采用液力耦合器，并出现在几台135MW等级的CFB机组上。然后，在第二批135～150MW等级的CFB机组设计上，引风机和二次风机采用液力耦合器。2004年，平朔2台50MW
CFB机组的引风机、一次风机和二次风机全部采用液力耦合器。2005年，经历了运行考验的各个CFB电厂，为了降低厂用电率，开始了大规模的风机节能改造。表2～表7为近年来不同时期国内典型CFB电厂烟风系统和风机的规范。从中可以看到烟风系统的设计变化情况，可以从中预测，CFB电站烟风系统选择调速调节方式是总的发展趋势。
表2 内江410t/h CFB锅炉MCR工况时
烟风系统的主要参数
项 目
一次风机
二次风机
引风机
烟气再循
环风机
罗茨风机
运行台数
2
1
2
1
1
风量/Nm3·h-1
135 432
86 784
199 620
23 400
4 104
风压/Pa
15 989
7 350
4 540
13 360
50 000
表3 分宜100MW CFB主要风机技术规范
设备名称
数量
全压
/Pa
风量
/Nm3·h-1
轴功率
/kW
电机功率
/kW
一次风机
2
25280
174816
1240
1400
二次风机
1
17730
143000
1045
1250
引风机
2
6700
362500
958
1000
高压返料风机
2
60000
6228
160
185
石灰石输送风机
2
50000
2952
37
45
冷渣风机
2
19170
22873
250
250
点火增压风机
1
4000
17387
24.8
30
表4 华能济宁145MW CFB送、引风机设备规范及参数
项 目
一次风机
二次风机
引风机
流量/Nm3·h-1
139826.4
56800～113600
288811
风压/Pa
22393
16431～11981
6759
电机容量/kW
1250
630
1250/530
电机转速/r·min-1
1485
1480
994/747
调节方式
进口调节门
进口调节门
进口调节门
表5 豫联135MW CFB风机设备规范及参数
设备名称
一次风机
二次风机
引风机
高压返
料风机
台数/台·炉-1
2
2
2
2
全压/Pa
24654
17441
7257
62300
风量/m3·h-1
169380
112896
459216
13391.3
电机功率/kW
1600
800
1250
400
调节方式
进口调节门
进口调节门
液力耦合器
表6 阳泉480t/h CFB锅炉送、引风机设备规范及参数
设备名称
一次风机
二次风机
引风机
台数/台·炉-1
2
2
2
风量/m3 · h-1
157854
137200
494208
全压/Pa
25700
18364
8558
调节方式
进口调节门
液力耦合器
液力耦合器
表7 平朔50MW CFB锅炉送、引风机设备规范及参数
设备名称
一次风机
二次风机
引风机
台数/台·炉-1
1
1
2
风量/m3 · h-1
193888
144480
260460
全压/Pa
24661
17290
6280
调节方式
液力耦合器
液力耦合器
液力耦合器
4 系统的设计优化
根据工艺过程需要，对各处用风的参数进行量化；根据对象要求，合理选取风源和设备，取消不必要的风机。对已投产的相近炉型进行调研非常必要，这样可以使设计值接近实际应用值，避免过大的设计余量，降低厂用电率。
改变风机的调节方式，采用变速调节，以减少节流调节产生的阻力损失。现阶段推荐采用液力耦合器调节，这也是目前多数CFB电厂技术改造首选的技术。其不足在于，这种设计还不能避免起动时电机对局部电网的冲击。另一项可行的技术选择是采用变频调速技术，这项技术可以减少设备启动时对系统的影响。20世纪80年代，中压大功率变频调速器在西方发达国家投入商业应用。1998年年底华能新华电厂调试投运了国内电厂第一套中压大功率变频调速器。大功率变频调速技术在国内发展很快，2000年开始，该技术在电力、冶金、石油、供水等行业得到越来越广泛的应用。2001年7月，华北第一套高压大功率变频调速装置在张家口发电总厂投入运行，用于2台1600kW一次风机的电机的调速；到2005年，仅京津唐地区电厂已有60多台高压变频调速装置投运。主要用于引风机、一次风机、送风机、凝结泵、循环水泵的电机调速。主要的4家高压变频调速器厂家Robincon、Siemens、AB、利德华福已制造了700多台大功率变频器，高压变频调速器厂家产品投运数量统
表8 高压变频调速器厂家产品投运数量
制造商
电力行业
其他行业
数量
/台
总容量
/MW
最大功率
/kW
数量
/台
总容量
/MW
最大功率
/kW
Robincon
130
159
2300
155
156
9500
Siemens
65
74
2500
115
197
5000
AB
53
84
3100
60
85
4000
利德华福
94
73
1800
77
54
1800
合计
342
390
407
492
计见表8［4］。目前国产变频器价格为1600～1800元/kW，进口变频器价格也低于20000元/kW。其造价相对液力耦合器调节方式而言还比较高。在具体的方案选择时，还须根据需要进行技术经济比较。
5 结论
为了降低厂用电率，应对各处用风的参数进行分析量化，根据工艺过程需要，合理选取风源和设备。并对已投产的相近炉型进行调研，使设计接近实际应用值，避免过大的设计余量。改变风机的调节方式，采用变速调节，以减少节流调节产生的阻力损失。现阶段推荐采用液力耦合器调节。另一项可行的技术选择是采用变频调速技术。从源头上采取措施非常重要，尽量减少、取消不必要的风机。在锅炉设计时，应合理选取部件结构，加紧开发适用CFB技术的高效率的高压风机和风机组件，从根本上降低送风阻力损失。
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