大型循環(huán)流化床鍋爐外置換熱器運(yùn)行特性分析

大型循環(huán)流化床鍋爐外置換熱器運(yùn)行特性分析

 張縵1，吳海波2，孫運(yùn)凱1，呂清剛1

 (1．中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市海淀區(qū)100190；2．中國科學(xué)院研究生院，北京市海淀區(qū)100049)

文章編號(hào)：0258-8013(2012)14-0042-07中圖分類號(hào)：TK 123文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470·20

摘要：為掌握大型循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐外置換熱器(fluidized bed heat exchanger，F(xiàn)BHE)的運(yùn)行特性，在2臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的300MW CFB鍋爐上進(jìn)行了運(yùn)行特性測試研究，包括FBHE對(duì)CFB鍋爐床溫、汽溫的調(diào)節(jié)及其傳熱特性的研究。結(jié)果表明：帶FBHE的CFB鍋爐爐膛溫度沿爐膛高度分布比較均勻，且在60%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate，BMCR)以上運(yùn)行時(shí)床溫?zé)o明顯變化，而無FBHE的CFB鍋爐床溫隨負(fù)荷變化明顯，爐膛溫度沿爐膛高度差別較大，且隨著鍋爐負(fù)荷的降低，差別更明顯；錐型閥的開度隨鍋爐負(fù)荷的增加而增大；在負(fù)荷不變的情況下，過熱器的噴水量和再熱器的吸熱量隨床溫的升高遞減，但減少幅度較?。徊煌?fù)荷下FBHE內(nèi)不同受熱面的傳熱系數(shù)不同，其值均隨負(fù)荷的增加單調(diào)增大。
    關(guān)鍵詞：外置換熱器；循環(huán)流化床鍋爐；床溫；汽溫；運(yùn)行特性
    0·引言
    循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃燒技術(shù)作為一種潔凈煤技術(shù)，由于具有燃料適應(yīng)性廣、爐內(nèi)脫硫效率高、NOx排放量低、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大及其灰渣可綜合利用等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，在國內(nèi)外得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并不斷向更大容量和超臨界參數(shù)方向發(fā)展[5-8]。目前，世界最大容量460MW超臨界CFB鍋爐已經(jīng)在波蘭的Lagisza電廠投入商業(yè)運(yùn)行。中國首臺(tái)600MW超臨界CFB鍋爐將安裝在中國的四川白馬示范電站，目前正處于安裝階段。隨著CFB鍋爐容量的增加，爐內(nèi)四周水冷壁受熱面積與爐膛容積之比減小，同時(shí)，所需蒸發(fā)受熱面的面積與鍋爐容量的比例逐漸降低。為保證CFB鍋爐爐膛的溫度處于合理水平，必須在熱灰的循環(huán)回路布置更多的受熱面。熱灰的循環(huán)回路布置受熱面的形式有多種[9]，Lurgi型CFB鍋爐布置外置換熱器(fluidized bed heat exchanger，F(xiàn)BHE)[10]，F(xiàn)W公司采用“INTREX”一體化返料換熱器[11-13]，國內(nèi)部分CFB鍋爐制造企業(yè)在爐膛內(nèi)布置屏式受熱面[14]。
    FBH E內(nèi)可以布置蒸發(fā)器、過熱器和再熱器[15-16]。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入FBHE和直接返回爐膛的循環(huán)物料流量的比例，調(diào)節(jié)床溫和汽溫。FBHE具有磨損低、傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)[17]，同時(shí)，還有如下突出特點(diǎn)：
    1）可以將布置在爐膛內(nèi)的受熱面布置到FBHE內(nèi)，使受熱面布置更加合理[18]；
    2）通過FBHE灰量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)汽溫調(diào)節(jié)，避免了再熱器采用噴水調(diào)溫而對(duì)機(jī)組的效率產(chǎn)生影響；
    3）床溫調(diào)節(jié)靈活[19]，且可以加大床溫的調(diào)節(jié)范圍[20]；
    4）可提高燃料的適應(yīng)性，使燃料的燃燒更充分；
    5）可調(diào)節(jié)熱循環(huán)回路內(nèi)的吸熱份額，改善低負(fù)荷工況，使低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)鍋爐床溫控制更加靈活可靠[21]。關(guān)于FBHE的運(yùn)行特性，如FBHE對(duì)CFB鍋爐床溫和汽溫的調(diào)節(jié)特性、傳熱特性以及錐型閥開度與負(fù)荷變化的關(guān)系等，有關(guān)研究人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了相應(yīng)成果，但在實(shí)際運(yùn)行的CFB鍋爐上進(jìn)行測試研究卻鮮有報(bào)道，為此，在2臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的300MW CFB鍋爐上，對(duì)FBHE的運(yùn)行特性進(jìn)行了測試和分析研究。
    1·試驗(yàn)研究
    1.1 300MW CFB鍋爐熱循環(huán)回路
    FBHE的運(yùn)行特性試驗(yàn)是在實(shí)際運(yùn)行的300MW CFB鍋爐上進(jìn)行的，該鍋爐的熱循環(huán)回路見圖1，主要包括褲衩腿型爐膛、布置在爐膛兩側(cè)的4個(gè)高溫絕熱旋風(fēng)分離器、每個(gè)分離器下的一個(gè)回料閥和一個(gè)FBHE。4個(gè)FBHE對(duì)稱布置于爐膛下部兩側(cè)，靠近爐前的2個(gè)FBHE內(nèi)布置高溫再熱器和低溫過熱器?？拷鼱t后的2個(gè)FBHE內(nèi)布置中溫過熱器I和中溫過熱器II。每個(gè)FBHE有獨(dú)立的進(jìn)料口和返料口，分別與回料閥及爐膛相連。高溫循環(huán)物料在錐型閥的調(diào)節(jié)下進(jìn)入FBHE，與埋管受熱面進(jìn)行熱交換，然后以低溫狀態(tài)返回爐膛，從而實(shí)現(xiàn)床溫與汽溫的調(diào)節(jié)。

    
    1.2 FBHE結(jié)構(gòu)
    靠近爐前的每個(gè)FBHE由3個(gè)分室組成，第一分室為空室，不布置受熱面，第二、三分室內(nèi)布置埋管式受熱面，高溫再熱器布置在第二分室內(nèi)，低溫過熱器布置在第三分室。爐前2個(gè)FBHE的主要作用是，通過調(diào)整進(jìn)料錐型閥的開度調(diào)節(jié)再熱汽溫?？拷鼱t后的每個(gè)FBHE同樣由3個(gè)分室組成。第一分室為空室，第二分室布置中溫過熱器I，中溫過熱器II布置在第三分室。爐后2個(gè)FBHE的主要作用是通過調(diào)整進(jìn)料錐型閥的開度調(diào)節(jié)爐內(nèi)床溫。FBHE各分室由水冷隔墻分隔而成，F(xiàn)BHE結(jié)構(gòu)見圖2。

             
    1.3試驗(yàn)原理及方法
    1.3.1爐膛溫度分布的測量
    為研究FBHE對(duì)爐內(nèi)溫度分布的影響，在2臺(tái)不同爐型300MW CFB鍋爐上采用高溫耐磨熱電偶進(jìn)行了沿爐膛高度方向爐膛溫度分布的測量，其中一臺(tái)鍋爐為無FBHE的單布風(fēng)板爐膛，另一臺(tái)鍋爐為帶有FBHE的雙布風(fēng)板爐膛，選定不同的運(yùn)行工況，沿爐膛不同高度，分5層布置溫度測點(diǎn)，其中對(duì)于雙布風(fēng)板爐膛，測點(diǎn)在左右褲衩腿側(cè)分別布置，為避免由于給煤和某個(gè)循環(huán)回路工作特性的改變而引起爐膛溫度波動(dòng)，不同高度的溫度取層內(nèi)所有測點(diǎn)的平均值。
    1.3.2 FBHE傳熱的測量和計(jì)算
    通過測量FBHE內(nèi)的受熱面進(jìn)出口工質(zhì)的溫度和壓力，可獲得每個(gè)分室內(nèi)受熱面工質(zhì)的進(jìn)出口焓值，過熱器受熱面的工質(zhì)流量利用鍋爐汽水系統(tǒng)上布置的給水流量計(jì)和減溫水流量計(jì)測量和計(jì)算，再熱器流量通過機(jī)組運(yùn)行時(shí)汽機(jī)的熱平衡計(jì)算獲得。在已知FBHE內(nèi)各受熱面工質(zhì)焓增和流量的基礎(chǔ)上，可計(jì)算出每個(gè)分室內(nèi)受熱面的吸熱量，通過公式(1)求得每組受熱面的平均傳熱系數(shù)。在FBHE的每個(gè)分室的進(jìn)出口均設(shè)有高溫耐磨熱電偶，測量進(jìn)出口灰溫。

             
    2·結(jié)果和討論
    2.1不同負(fù)荷爐膛溫度的分布
    表1為帶FBHE鍋爐不同負(fù)荷下的運(yùn)行主要參數(shù)，圖3是其爐膛的左褲衩腿側(cè)和右褲衩腿側(cè)的溫度沿爐膛高度的分布。

            
            
    從圖3可見，在不同的鍋爐負(fù)荷下，左、右褲衩腿側(cè)的床溫差別不大；當(dāng)鍋爐運(yùn)行在60%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate，BMCR)以上時(shí)，床溫隨鍋爐負(fù)荷改變沒有明顯變化，且沿爐膛高度方向溫度變化很小，最大溫差不超過30℃；當(dāng)鍋爐運(yùn)行在更低負(fù)荷時(shí)，如圖3中的28%BMCR負(fù)荷和34%BMCR負(fù)荷時(shí)，床溫整體較低，上下溫差在50℃左右。
    床溫沿爐膛高度變化較小是因?yàn)閹в蠪BHE的鍋爐取消了位于爐膛上部的屏式受熱面，這使得水冷壁沿高度方向吸熱較均勻；此外，由于FBHE通過冷、熱灰的比例可以靈活地調(diào)節(jié)床溫，保證了鍋爐在60%BMCR負(fù)荷以上床溫基本維持不變。當(dāng)鍋爐在更低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，入爐熱量大幅度減少，同時(shí)，由于爐內(nèi)流化速度降低，被送至爐膛上部的物料量減少，導(dǎo)致了內(nèi)外循環(huán)量同時(shí)降低，爐內(nèi)的物料返混和FBHE的調(diào)節(jié)能力減弱，最終表現(xiàn)出爐內(nèi)床溫降低，同時(shí)床溫與爐膛出口溫度差值增加。表2是單布風(fēng)板無FBHE的300MW CFB鍋爐在不同測試工況下的鍋爐主要參數(shù)，圖4是其爐膛沿高度方向的溫度分布。

              
    從圖4可以看出，隨著鍋爐負(fù)荷的降低，床溫降低，這是由于隨著鍋爐負(fù)荷的降低，燃料入爐熱量減少，床溫隨之降低。在鍋爐較高負(fù)荷時(shí)，沿爐膛高度方向溫度差別較小。在91%BMCR負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，沿爐膛高度方向溫差不超過20℃，這是因?yàn)殄仩t滿負(fù)荷時(shí)煙氣量較大，較高的氣體流速可以把更多的固體物料和能量攜帶到爐膛上部，由于爐膛內(nèi)存在大量的內(nèi)循環(huán)物料量，使循環(huán)流化床內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的熱量和質(zhì)量交換。顆粒團(tuán)在攜帶著彌散顆粒的連續(xù)氣流中運(yùn)動(dòng)，這在壁面處的下降環(huán)流中表現(xiàn)得特別明顯，強(qiáng)化了爐內(nèi)傳熱和傳質(zhì)過程，使整個(gè)爐內(nèi)的溫度分布十分均勻，而鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于爐膛內(nèi)循環(huán)量相對(duì)減少，同時(shí)由于上部較多的屏式受熱面的吸熱，使得爐膛上部溫度明顯低于下部，沿爐膛高度方向形成較大的溫度梯度，在52%BMCR負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐膛出口溫度與床溫溫差接近100℃，而在25%BMCR負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，此溫差達(dá)到130℃。
    2.2 FBHE的運(yùn)行調(diào)節(jié)特性
    為得到不同運(yùn)行工況下，F(xiàn)BHE對(duì)床溫和汽溫的調(diào)節(jié)特性，還進(jìn)行了如下測試：
    1）當(dāng)鍋爐的運(yùn)行工況改變時(shí)，F(xiàn)BHE的進(jìn)灰量隨之改變。為研究不同負(fù)荷下FBHE的進(jìn)灰量變化情況，測量了錐型閥開度與鍋爐負(fù)荷的關(guān)系，結(jié)果見圖5。1、2、3、4號(hào)錐型閥分別對(duì)應(yīng)于圖1熱循環(huán)回路的FBHE。由圖5可見，隨著鍋爐負(fù)荷的增加，F(xiàn)BHE內(nèi)受熱面的吸熱量增加，同時(shí)熱循環(huán)回路內(nèi)的循環(huán)物料量增加，為保證熱循環(huán)回路內(nèi)足夠的傳熱量并維持合理的床溫，錐型閥的開度需相應(yīng)增加。但當(dāng)鍋爐從啟動(dòng)至20%負(fù)荷之間，錐型閥處于全關(guān)狀態(tài)，這是由于在啟動(dòng)初期，鍋爐的外循環(huán)物料量較少，為維持分離器立管內(nèi)適當(dāng)?shù)牧现叨?，且鍋爐在啟動(dòng)過程中，再熱器內(nèi)沒有工質(zhì)冷卻，為保證受熱面不處于干燒狀態(tài)，也要求FBHE內(nèi)不進(jìn)入熱灰。

             
    2）在鍋爐運(yùn)行過程中，F(xiàn)BHE對(duì)床溫的調(diào)節(jié)及對(duì)再熱汽溫的調(diào)節(jié)是相互影響的。FBHE在調(diào)節(jié)床溫的同時(shí)，為滿足過熱蒸汽及再熱蒸汽參數(shù)的要求，必將對(duì)過熱器系統(tǒng)的噴水量和高溫再熱蒸汽的吸熱比例產(chǎn)生影響；反之，F(xiàn)BHE在調(diào)節(jié)再熱汽溫的同時(shí)，也會(huì)對(duì)床溫和過熱器噴水量產(chǎn)生影響，這三者之間動(dòng)態(tài)耦合。為探究三者之間的相互影響規(guī)律，在實(shí)爐運(yùn)行過程中，選定鍋爐負(fù)荷為91%BMCR(發(fā)電功率為300MW)，在燃用褐煤且使鍋爐入爐燃料量、風(fēng)量以及主蒸汽溫度保持不變，同時(shí)保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的工況下，調(diào)整錐型閥的開度，使床溫在840~873℃之間變化。
    在床溫變化的過程中，過熱器噴水量也在不斷變化，測試結(jié)果見圖6。由圖6可知，隨著床溫的升高，過熱器噴水量逐漸降低，但是，盡管床溫的變化幅度較大(33℃)，噴水量的變化并不十分明顯，變化幅度僅為3t/h。這是因?yàn)樵诖矞卦黾拥倪^程中，進(jìn)入FBHE中過熱器床的循環(huán)灰量減少，但由于灰溫的增加，使得過熱器在FBHE中的吸熱量變化不十分顯著，最終體現(xiàn)在噴水量的變化較小。

             
    同時(shí)，在床溫增加的過程中，根據(jù)位于高溫再熱器進(jìn)出口集箱上的熱電偶和壓力表的讀數(shù)，可知位于FBHE內(nèi)的高溫再熱器的吸熱量也發(fā)生了變化，測試結(jié)果見圖7。

             
    由圖7可見，隨著床溫的增加，高溫再熱器的吸熱量逐漸減小。這主要是由于床溫的升高，導(dǎo)致爐膛出口煙溫提高，從而進(jìn)入尾部對(duì)流受熱面的煙溫升高，位于尾部的低溫再熱器吸熱量增加，需要在再熱器高溫段吸收的熱量相應(yīng)減少，由于再熱器高溫段的吸熱量是由FBHE進(jìn)灰量控制的，因此FBHE的進(jìn)灰量減少，但由于灰溫的提高，彌補(bǔ)了FBHE進(jìn)灰量減少導(dǎo)致的高溫再熱器吸熱量的減小，所以在床溫從840~873℃之間變化時(shí)，高溫再熱器吸熱量減少幅度不大。
    2.3不同負(fù)荷各受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
    根據(jù)FBHE內(nèi)各分室進(jìn)出口溫度以及布置各組受熱面進(jìn)出口溫度，利用公式(2)計(jì)算各組受熱面的傳熱溫差，根據(jù)公式(1)求得各受熱面的平均傳熱系數(shù)，結(jié)果見圖8。由圖8可見，隨著鍋爐負(fù)荷的增加，各受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加。鍋爐在100%BMCR工況下，中溫過熱器II、中溫過熱器I、高溫再熱器和低溫過熱器的傳熱系數(shù)分別為302、262、240、253W/(m2℃)。如此高的傳熱系數(shù)，有效提高了受熱面的利用率，減少了受熱面的金屬耗量，這也是FBHE得到廣泛應(yīng)用的原因之一。

             
    3·結(jié)論
    通過300MW CFB鍋爐FBHE的相關(guān)測試研究，得出如下主要結(jié)論：
    1）帶FBHE的CFB鍋爐在60%BMCR負(fù)荷以上，床溫變化不大，且沿爐膛高度爐膛溫度分布比較均勻；
    2）無FBHE的CFB鍋爐床溫隨鍋爐負(fù)荷降低而降低，且床溫與爐膛出口溫度的差值隨著鍋爐負(fù)荷的降低而增加；
    3）鍋爐從啟動(dòng)至20%BMCR負(fù)荷之間，保證旋風(fēng)分離器立管內(nèi)適當(dāng)?shù)牧衔桓叨群透邷卦贌崞魇軣崦娴陌踩\(yùn)行，錐型閥處于全關(guān)狀態(tài)；隨著鍋爐負(fù)荷的繼續(xù)增加，錐型閥開度不斷增大；
    4）在負(fù)荷不變的情況下，過熱器的噴水量和再熱器的吸熱量隨床溫的升高單調(diào)遞減，但減少幅度較小；
    5）隨著鍋爐負(fù)荷的增加，F(xiàn)BHE內(nèi)各受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)逐漸增加。鍋爐在100%BMCR工況下，中溫過熱器II、中溫過熱器I、高溫再熱器和低溫過熱器的傳熱系數(shù)分別為302、262、240、253W/(m2℃)。
    參考文獻(xiàn)：略