引言随着石化等有大量电力、蒸汽需求行业的大力发展，对特定参数和结构的锅炉需求提高。煤化工项目能源消耗巨大，一般需要配置庞大的蒸汽动力系统[1]。部分炼化基地对供汽的蒸汽参数有较为特殊的需求，为此需要配套的锅炉机组采用针对性设计。化工行业存在大量的低品位余热[2]，蒸汽温度较低，利用率差，直接排放造成能源浪费和环境热污染[3]。若将低品位余热引入锅炉进一步加热，将其品质提升后再利用，能有效提高能效[4]。这种情况下，配套的锅炉除了按常规设计将给水加热成合格蒸汽，同时还要加热来自锅炉机组系统外的蒸汽，处于耦合工作状态，对锅炉的设计及运行提出了更高要求。文中针对某330 t/h、耦合两级外来蒸汽需求的高温高压CFB锅炉项目，进行技术可行性分析与方案设计。1项目基本情况某集团煤炭分级分质清洁高效综合利用项目配套330 t/h高温高压循环流化床锅炉。锅炉除主蒸汽系统外，还需要接收两路外来饱和蒸汽进行加热，将其转变为高品质的过热蒸汽，用以发电或供至化工系统管网，实现能源的高效利用。外来蒸汽一为煤气化装置废锅产蒸汽，外来蒸汽二为变换装置废锅产蒸汽。锅炉主蒸汽和两路外来蒸汽参数如表1所示。外来蒸汽一入口压力与锅炉汽包压力相当，且为饱和蒸汽，考虑并入锅炉主蒸汽系统，采用锅炉自身过热器进行加热，即与锅炉本身饱和蒸汽合并后进入过热器系统。外来蒸汽二进口压力较低，且要求的出口蒸汽温度不高，作为独立系统在尾部烟道布置一组受热面。CFB锅炉煤质参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.020.T001表1锅炉主蒸汽和两路外来蒸汽参数项目参数数值备注主蒸汽流量/(t/h)330压力/MPa9.81温度/℃540给水温度/℃220汽包压力/MPa12.05外来蒸汽一流量/(t/h)80进口压力/MPa12进口温度/℃325.3入口压力对应的饱和温度出口压力/MPa9.81出口温度/℃540外来蒸汽二流量/(t/h)35进口压力/MPa5.62进口温度/℃272.5入口压力对应的饱和温度出口压力/MPa5.4出口温度/℃46010.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.020.T002表2CFB锅炉煤质参数项目数值全水分/%14.90收到基灰分/%26.79干燥无灰基挥发分/%37.85收到基碳/%47.01收到基氢/%2.89收到基氮/%0.69收到基氧/%7.41全硫/%0.31收到基低位发热量/(kJ/kg)17 7802锅炉设计重点及关键技术两路外来蒸汽均为饱和蒸汽，经过长距离输送到锅炉本体范围内时，蒸汽会带水。对于电站锅炉，因水中含盐量较高，在过热器里积盐，过热器易过热、爆管[5]。因此，需要采取有效措施进行汽水分离，使其重新成为干饱和蒸汽，确保锅炉受热面的安全。并入锅炉主蒸汽系统的外来蒸汽一的流量约为锅炉主蒸汽流量的1/4，占比较大，需分析其对锅炉水冷系统、过热器系统吸热份额的影响，确定各级受热面布置位置，合理设计各级受热面流程、换热面积、几何尺寸等参数。外来蒸汽一和外来蒸汽二的蒸汽来源相互独立，蒸汽流量无关联，锅炉运行中可能存在两者都有蒸汽、两者都无蒸汽、其中一个无蒸汽等情况，锅炉方案设计时需要综合考虑这些工况的运行安全。2.1两路外来蒸汽系统设计外来蒸汽一的压力与汽包压力相当，并入锅炉主蒸汽系统，提高锅炉的主蒸汽产量，进而提高机组发电量。针对外来蒸汽一的接入位置考虑两种方案。方案一：外来蒸汽一接入汽包汽空间，借鉴汽包内给水管的布置，沿汽包长度方向布置蒸汽分配管，与汽包自身饱和蒸汽一起经顶部干燥箱后流出汽包。采用该方案时，由于外来蒸汽一流量较大，汽包干燥箱数量需要增加约1/4，汽包筒身长度相应加长，与锅炉宽度尺寸明显不协调。方案二：外来蒸汽一由单独设置在锅炉钢架内的分离装置进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽与来自汽包的饱和蒸汽汇合，进入锅炉过热器系统。综合考虑经济性与锅炉运行的各种工况组合，最终决定采用方案二。在汽包上方设置饱和蒸汽汇集箱，将来自汽包的饱和蒸汽与外来蒸汽一混合，送入下一级过热器。外来蒸汽二的压力较低，在尾部烟道内设置独立的换热器。加热后温度合格的过热蒸汽送入基地的化工系统管网，为该系统提供合格品质的蒸汽。由于本项目外来蒸汽由其他设备产生，可能存在锅炉正常运行时外来蒸汽流量为零的情况。外来蒸汽换热器内无工质流过，换热器可能长期处于干烧的状态。为了保证换热器及其进出口管道的运行安全，锅炉方案设计中设置换热器旁路，从锅炉的低过入口引部分蒸汽，经过减温减压后送至该换热器，避免没有来汽情况下的换热器受热面长时间干烧问题[6]。2.2汽水分离装置的设计两路外来饱和蒸汽经长管道运输至锅炉后，由于重力和沿程阻力的影响，蒸汽压力会有一定的降低，干饱和蒸汽变为湿饱和蒸汽。因此锅炉方案设计中，在锅炉钢架范围内靠近蒸汽接入点附近的合适位置，设置了两个重力式汽水分离器，根据力的平衡原理，控制蒸汽向上流动速度，使蒸汽流动产生对液滴的上浮力小于液滴的重力[7]，从而分离湿饱和蒸汽中的水分。经过汽水分离器的干饱和蒸汽进入锅炉系统加热，饱和水排至除氧器。汽水分离器结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.020.F001图1汽水分离器结构结合管道布置、蒸汽流量等参数计算外来蒸汽的压降。进入汽水分离器的湿饱和蒸汽参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.020.T003表3进入汽水分离器的湿饱和蒸汽参数项目外来蒸汽一外来蒸汽二流量/(t/h)8035原始压力/MPa12.005.62原始温度/℃325.3272.5输送压降/MPa0.180.08进分离器前压力/MPa11.825.54进分离器前温度/℃324.1271.6蒸汽干度/%99.6799.95进锅炉蒸汽量/(t/h)79.7334.98疏水量/(t/h)0.270.02由表3可知，外来蒸汽一经长管道运输后，蒸汽干度降至99.67%，每小时冷凝0.27 t水；外来蒸汽二经长管道运输后，蒸汽干度降至99.95%，每小时冷凝0.02 t水。冷凝水占比不高，但设置分离器可以有效保护下游受热面，避免管内腐蚀、结垢和超温爆管问题。2.3热力系统设计本项目在常规高温高压循环流化床锅炉基础上进行开发设计。炉膛采用全膜式壁结构，炉内布置水冷中隔墙、中温过热器管屏、高温过热器管屏。尾部包墙采用单烟道，上部汽冷包墙烟道内沿烟气流程依次布置低温过热器、外来蒸汽加热器。下部烟道为护板式结构，布置省煤器和管式空预器[8-10]。由于外来蒸汽一并入主蒸汽系统，且流量约占主蒸汽的1/4，与常规锅炉相比，改造后项目过热系统的吸热量更大。同时，方案设计还需要兼顾外来蒸汽流量为0时的工况。通过蒸发系统与过热系统受热面的布置方式与布置面积的调整，可实现不同外来蒸汽流量下锅炉蒸汽参数达到设计值。330 t/h高温高压CFB锅炉设计工况如表4所示。各工况下不同系统的吸热量如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.020.T004表4330 t/h高温高压CFB锅炉设计工况项目主蒸汽外来蒸汽一外来蒸汽二工况一3308035工况二330800工况三330035工况四33000t/h10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.020.F002图2各工况下不同系统的吸热量由图2可知，不同工况下锅炉总的吸热量不同，因为各工况外来蒸汽流量存在为0的情况。对比工况一和二，差别在于是否有外来蒸汽二的吸热量，蒸发系统和过热系统的吸热量相当。工况三和工况四的对比类似。工况一和工况三对比，主蒸汽流量相同，工况一的蒸发系统吸热量大于工况三，因为在工况三设计条件下，锅炉过热器的受热面积相对较多，减温水较多，部分蒸发系统的吸热量转移到过热系统。工况二和工况四的对比类似。综上所述，锅炉的热力系统布置合理，各工况下蒸汽参数可以达到设计值。3锅炉设计方案基于以上技术和设计方案，完成了两级外来蒸汽耦合330 t/h高温高压循环流化床锅炉的设计。锅炉总体结构布置如图3所示。锅炉本体为M形布置，沿深度方向分为三跨。第一跨主要布置炉膛，炉膛内部布置屏式换热器；第二跨布置旋风分离器和非机械式简单回料阀；第三跨布置尾部烟道，上部采用汽冷包墙结构，依次布置低温过热器、外来蒸汽换热器，下部采用绝热钢板结构，依次布置省煤器、空预器，两级省煤器之间布置SCR装置。外来蒸汽一汽水分离器布置在汽包附近，经分离器分离后的干饱和蒸汽与来自汽包的干饱和蒸汽汇合后进入下一级受热面。外来蒸汽二汽水分离器布置在尾部烟道附近，经分离器分离后的干饱和蒸汽进入换热器，过热后供至化工系统管网。为了避免外来蒸汽换热器干烧，设置了蒸汽旁路。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.020.F003图3锅炉总体结构布置4结语在高温高压循环流化床锅炉基础上，开发完成了多级蒸汽耦合循环流化床锅炉方案。对方案的两路外来蒸汽系统设计、汽水分离设计、热力系统设计等多个关键技术进行研究。该锅炉方案能够满足两级外来蒸汽耦合的需求，实现低品质蒸汽的高效利用，满足炼化基地多种压力的高品质蒸汽需求。