大型循环流化床锅炉外置换热器运行特性分析

大型循环流化床锅炉外置换热器运行特性分析

 张缦1，吴海波2，孙运凯1，吕清刚1

 (1．中国科学院工程热物理研究所，北京市海淀区100190；2．中国科学院研究生院，北京市海淀区100049)

文章编号：0258-8013(2012)14-0042-07中图分类号：TK 123文献标志码：A学科分类号：470·20

摘要：为掌握大型循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉外置换热器(fluidized bed heat exchanger，FBHE)的运行特性，在2台实际运行的300MW CFB锅炉上进行了运行特性测试研究，包括FBHE对CFB锅炉床温、汽温的调节及其传热特性的研究。结果表明：带FBHE的CFB锅炉炉膛温度沿炉膛高度分布比较均匀，且在60%锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continue rate，BMCR)以上运行时床温无明显变化，而无FBHE的CFB锅炉床温随负荷变化明显，炉膛温度沿炉膛高度差别较大，且随着锅炉负荷的降低，差别更明显；锥型阀的开度随锅炉负荷的增加而增大；在负荷不变的情况下，过热器的喷水量和再热器的吸热量随床温的升高递减，但减少幅度较小；不同负荷下FBHE内不同受热面的传热系数不同，其值均随负荷的增加单调增大。
    关键词：外置换热器；循环流化床锅炉；床温；汽温；运行特性
    0·引言
    循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃烧技术作为一种洁净煤技术，由于具有燃料适应性广、炉内脱硫效率高、NOx排放量低、煤种适应性强、负荷调节比大及其灰渣可综合利用等优点[1-4]，在国内外得到了越来越广泛的应用，并不断向更大容量和超临界参数方向发展[5-8]。目前，世界最大容量460MW超临界CFB锅炉已经在波兰的Lagisza电厂投入商业运行。中国首台600MW超临界CFB锅炉将安装在中国的四川白马示范电站，目前正处于安装阶段。随着CFB锅炉容量的增加，炉内四周水冷壁受热面积与炉膛容积之比减小，同时，所需蒸发受热面的面积与锅炉容量的比例逐渐降低。为保证CFB锅炉炉膛的温度处于合理水平，必须在热灰的循环回路布置更多的受热面。热灰的循环回路布置受热面的形式有多种[9]，Lurgi型CFB锅炉布置外置换热器(fluidized bed heat exchanger，FBHE)[10]，FW公司采用“INTREX”一体化返料换热器[11-13]，国内部分CFB锅炉制造企业在炉膛内布置屏式受热面[14]。
    FBH E内可以布置蒸发器、过热器和再热器[15-16]。通过调节进入FBHE和直接返回炉膛的循环物料流量的比例，调节床温和汽温。FBHE具有磨损低、传热性能好等优点[17]，同时，还有如下突出特点：
    1）可以将布置在炉膛内的受热面布置到FBHE内，使受热面布置更加合理[18]；
    2）通过FBHE灰量调节实现汽温调节，避免了再热器采用喷水调温而对机组的效率产生影响；
    3）床温调节灵活[19]，且可以加大床温的调节范围[20]；
    4）可提高燃料的适应性，使燃料的燃烧更充分；
    5）可调节热循环回路内的吸热份额，改善低负荷工况，使低负荷运行时锅炉床温控制更加灵活可靠[21]。关于FBHE的运行特性，如FBHE对CFB锅炉床温和汽温的调节特性、传热特性以及锥型阀开度与负荷变化的关系等，有关研究人员在实验室进行了大量的研究工作，并取得了相应成果，但在实际运行的CFB锅炉上进行测试研究却鲜有报道，为此，在2台实际运行的300MW CFB锅炉上，对FBHE的运行特性进行了测试和分析研究。
    1·试验研究
    1.1 300MW CFB锅炉热循环回路
    FBHE的运行特性试验是在实际运行的300MW CFB锅炉上进行的，该锅炉的热循环回路见图1，主要包括裤衩腿型炉膛、布置在炉膛两侧的4个高温绝热旋风分离器、每个分离器下的一个回料阀和一个FBHE。4个FBHE对称布置于炉膛下部两侧，靠近炉前的2个FBHE内布置高温再热器和低温过热器。靠近炉后的2个FBHE内布置中温过热器I和中温过热器II。每个FBHE有独立的进料口和返料口，分别与回料阀及炉膛相连。高温循环物料在锥型阀的调节下进入FBHE，与埋管受热面进行热交换，然后以低温状态返回炉膛，从而实现床温与汽温的调节。

    
    1.2 FBHE结构
    靠近炉前的每个FBHE由3个分室组成，第一分室为空室，不布置受热面，第二、三分室内布置埋管式受热面，高温再热器布置在第二分室内，低温过热器布置在第三分室。炉前2个FBHE的主要作用是，通过调整进料锥型阀的开度调节再热汽温。靠近炉后的每个FBHE同样由3个分室组成。第一分室为空室，第二分室布置中温过热器I，中温过热器II布置在第三分室。炉后2个FBHE的主要作用是通过调整进料锥型阀的开度调节炉内床温。FBHE各分室由水冷隔墙分隔而成，FBHE结构见图2。

             
    1.3试验原理及方法
    1.3.1炉膛温度分布的测量
    为研究FBHE对炉内温度分布的影响，在2台不同炉型300MW CFB锅炉上采用高温耐磨热电偶进行了沿炉膛高度方向炉膛温度分布的测量，其中一台锅炉为无FBHE的单布风板炉膛，另一台锅炉为带有FBHE的双布风板炉膛，选定不同的运行工况，沿炉膛不同高度，分5层布置温度测点，其中对于双布风板炉膛，测点在左右裤衩腿侧分别布置，为避免由于给煤和某个循环回路工作特性的改变而引起炉膛温度波动，不同高度的温度取层内所有测点的平均值。
    1.3.2 FBHE传热的测量和计算
    通过测量FBHE内的受热面进出口工质的温度和压力，可获得每个分室内受热面工质的进出口焓值，过热器受热面的工质流量利用锅炉汽水系统上布置的给水流量计和减温水流量计测量和计算，再热器流量通过机组运行时汽机的热平衡计算获得。在已知FBHE内各受热面工质焓增和流量的基础上，可计算出每个分室内受热面的吸热量，通过公式(1)求得每组受热面的平均传热系数。在FBHE的每个分室的进出口均设有高温耐磨热电偶，测量进出口灰温。

             
    2·结果和讨论
    2.1不同负荷炉膛温度的分布
    表1为带FBHE锅炉不同负荷下的运行主要参数，图3是其炉膛的左裤衩腿侧和右裤衩腿侧的温度沿炉膛高度的分布。

            
            
    从图3可见，在不同的锅炉负荷下，左、右裤衩腿侧的床温差别不大；当锅炉运行在60%锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continue rate，BMCR)以上时，床温随锅炉负荷改变没有明显变化，且沿炉膛高度方向温度变化很小，最大温差不超过30℃；当锅炉运行在更低负荷时，如图3中的28%BMCR负荷和34%BMCR负荷时，床温整体较低，上下温差在50℃左右。
    床温沿炉膛高度变化较小是因为带有FBHE的锅炉取消了位于炉膛上部的屏式受热面，这使得水冷壁沿高度方向吸热较均匀；此外，由于FBHE通过冷、热灰的比例可以灵活地调节床温，保证了锅炉在60%BMCR负荷以上床温基本维持不变。当锅炉在更低负荷下运行时，入炉热量大幅度减少，同时，由于炉内流化速度降低，被送至炉膛上部的物料量减少，导致了内外循环量同时降低，炉内的物料返混和FBHE的调节能力减弱，最终表现出炉内床温降低，同时床温与炉膛出口温度差值增加。表2是单布风板无FBHE的300MW CFB锅炉在不同测试工况下的锅炉主要参数，图4是其炉膛沿高度方向的温度分布。

              
    从图4可以看出，随着锅炉负荷的降低，床温降低，这是由于随着锅炉负荷的降低，燃料入炉热量减少，床温随之降低。在锅炉较高负荷时，沿炉膛高度方向温度差别较小。在91%BMCR负荷运行时，沿炉膛高度方向温差不超过20℃，这是因为锅炉满负荷时烟气量较大，较高的气体流速可以把更多的固体物料和能量携带到炉膛上部，由于炉膛内存在大量的内循环物料量，使循环流化床内发生强烈的热量和质量交换。颗粒团在携带着弥散颗粒的连续气流中运动，这在壁面处的下降环流中表现得特别明显，强化了炉内传热和传质过程，使整个炉内的温度分布十分均匀，而锅炉在低负荷运行时，由于炉膛内循环量相对减少，同时由于上部较多的屏式受热面的吸热，使得炉膛上部温度明显低于下部，沿炉膛高度方向形成较大的温度梯度，在52%BMCR负荷运行时，炉膛出口温度与床温温差接近100℃，而在25%BMCR负荷运行时，此温差达到130℃。
    2.2 FBHE的运行调节特性
    为得到不同运行工况下，FBHE对床温和汽温的调节特性，还进行了如下测试：
    1）当锅炉的运行工况改变时，FBHE的进灰量随之改变。为研究不同负荷下FBHE的进灰量变化情况，测量了锥型阀开度与锅炉负荷的关系，结果见图5。1、2、3、4号锥型阀分别对应于图1热循环回路的FBHE。由图5可见，随着锅炉负荷的增加，FBHE内受热面的吸热量增加，同时热循环回路内的循环物料量增加，为保证热循环回路内足够的传热量并维持合理的床温，锥型阀的开度需相应增加。但当锅炉从启动至20%负荷之间，锥型阀处于全关状态，这是由于在启动初期，锅炉的外循环物料量较少，为维持分离器立管内适当的料柱高度，且锅炉在启动过程中，再热器内没有工质冷却，为保证受热面不处于干烧状态，也要求FBHE内不进入热灰。

             
    2）在锅炉运行过程中，FBHE对床温的调节及对再热汽温的调节是相互影响的。FBHE在调节床温的同时，为满足过热蒸汽及再热蒸汽参数的要求，必将对过热器系统的喷水量和高温再热蒸汽的吸热比例产生影响；反之，FBHE在调节再热汽温的同时，也会对床温和过热器喷水量产生影响，这三者之间动态耦合。为探究三者之间的相互影响规律，在实炉运行过程中，选定锅炉负荷为91%BMCR(发电功率为300MW)，在燃用褐煤且使锅炉入炉燃料量、风量以及主蒸汽温度保持不变，同时保证锅炉稳定运行的工况下，调整锥型阀的开度，使床温在840~873℃之间变化。
    在床温变化的过程中，过热器喷水量也在不断变化，测试结果见图6。由图6可知，随着床温的升高，过热器喷水量逐渐降低，但是，尽管床温的变化幅度较大(33℃)，喷水量的变化并不十分明显，变化幅度仅为3t/h。这是因为在床温增加的过程中，进入FBHE中过热器床的循环灰量减少，但由于灰温的增加，使得过热器在FBHE中的吸热量变化不十分显著，最终体现在喷水量的变化较小。

             
    同时，在床温增加的过程中，根据位于高温再热器进出口集箱上的热电偶和压力表的读数，可知位于FBHE内的高温再热器的吸热量也发生了变化，测试结果见图7。

             
    由图7可见，随着床温的增加，高温再热器的吸热量逐渐减小。这主要是由于床温的升高，导致炉膛出口烟温提高，从而进入尾部对流受热面的烟温升高，位于尾部的低温再热器吸热量增加，需要在再热器高温段吸收的热量相应减少，由于再热器高温段的吸热量是由FBHE进灰量控制的，因此FBHE的进灰量减少，但由于灰温的提高，弥补了FBHE进灰量减少导致的高温再热器吸热量的减小，所以在床温从840~873℃之间变化时，高温再热器吸热量减少幅度不大。
    2.3不同负荷各受热面传热系数
    根据FBHE内各分室进出口温度以及布置各组受热面进出口温度，利用公式(2)计算各组受热面的传热温差，根据公式(1)求得各受热面的平均传热系数，结果见图8。由图8可见，随着锅炉负荷的增加，各受热面传热系数增加。锅炉在100%BMCR工况下，中温过热器II、中温过热器I、高温再热器和低温过热器的传热系数分别为302、262、240、253W/(m2℃)。如此高的传热系数，有效提高了受热面的利用率，减少了受热面的金属耗量，这也是FBHE得到广泛应用的原因之一。

             
    3·结论
    通过300MW CFB锅炉FBHE的相关测试研究，得出如下主要结论：
    1）带FBHE的CFB锅炉在60%BMCR负荷以上，床温变化不大，且沿炉膛高度炉膛温度分布比较均匀；
    2）无FBHE的CFB锅炉床温随锅炉负荷降低而降低，且床温与炉膛出口温度的差值随着锅炉负荷的降低而增加；
    3）锅炉从启动至20%BMCR负荷之间，保证旋风分离器立管内适当的料位高度和高温再热器受热面的安全运行，锥型阀处于全关状态；随着锅炉负荷的继续增加，锥型阀开度不断增大；
    4）在负荷不变的情况下，过热器的喷水量和再热器的吸热量随床温的升高单调递减，但减少幅度较小；
    5）随着锅炉负荷的增加，FBHE内各受热面传热系数逐渐增加。锅炉在100%BMCR工况下，中温过热器II、中温过热器I、高温再热器和低温过热器的传热系数分别为302、262、240、253W/(m2℃)。
    参考文献：略