大型循環(huán)流化床鍋爐外置換熱器運行特性分析

 張縵1，吳海波2，孫運凱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：0258-8013(2012)14-0042-07中圖分類號：TK 123文獻標志碼：A學(xué)科分類號：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)的運行特性，在2臺實際運行的300MW CFB鍋爐上進行了運行特性測試研究，包括FBHE對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)以上運行時床溫無明顯變化，而無FBHE的CFB鍋爐床溫隨負荷變化明顯，爐膛溫度沿爐膛高度差別較大，且隨著鍋爐負荷的降低，差別更明顯；錐型閥的開度隨鍋爐負荷的增加而增大；在負荷不變的情況下，過熱器的噴水量和再熱器的吸熱量隨床溫的升高遞減，但減少幅度較小；不同負荷下FBHE內(nèi)不同受熱面的傳熱系數(shù)不同，其值均隨負荷的增加單調(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、負荷調(diào)節(jié)比大及其灰渣可綜合利用等優(yōu)點[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)運行。中國首臺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，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[17]，同時，還有如下突出特點：
    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)實現(xiàn)汽溫調(diào)節(jié)，避免了再熱器采用噴水調(diào)溫而對機組的效率產(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，改善低負荷工況，使低負荷運行時鍋爐床溫控制更加靈活可靠[21]。關(guān)于FBHE的運行特性，如FBHE對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荷變化的關(guān)系等，有關(guān)研究人員在實驗室進行了大量的研究工作，并取得了相應(yīng)成果，但在實際運行的CFB鍋爐上進行測試研究卻鮮有報道，為此，在2臺實際運行的300MW CFB鍋爐上，對FBHE的運行特性進行了測試和分析研究。
    1·試驗研究
    1.1 300MW CFB鍋爐熱循環(huán)回路
    FBHE的運行特性試驗是在實際運行的300MW CFB鍋爐上進行的，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個高溫絕熱旋風(fēng)分離器、每個分離器下的一個回料閥和一個FBHE。4個FBHE對稱布置于爐膛下部兩側(cè)，靠近爐前的2個FBHE內(nèi)布置高溫再熱器和低溫過熱器。靠近爐后的2個FBHE內(nèi)布置中溫過熱器I和中溫過熱器II。每個FBHE有獨立的進料口和返料口，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)下進入FBHE，與埋管受熱面進行熱交換，然后以低溫狀態(tài)返回爐膛，從而實現(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FBHE由3個分室組成，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FBHE的主要作用是，通過調(diào)整進料錐型閥的開度調(diào)節(jié)再熱汽溫。靠近爐后的每個FBHE同樣由3個分室組成。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FBHE的主要作用是通過調(diào)整進料錐型閥的開度調(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試驗原理及方法
    1.3.1爐膛溫度分布的測量
    為研究FBHE對爐內(nèi)溫度分布的影響，在2臺不同爐型300MW CFB鍋爐上采用高溫耐磨熱電偶進行了沿爐膛高度方向爐膛溫度分布的測量，其中一臺鍋爐為無FBHE的單布風(fēng)板爐膛，另一臺鍋爐為帶有FBHE的雙布風(fēng)板爐膛，選定不同的運行工況，沿爐膛不同高度，分5層布置溫度測點，其中對于雙布風(fēng)板爐膛，測點在左右褲衩腿側(cè)分別布置，為避免由于給煤和某個循環(huán)回路工作特性的改變而引起爐膛溫度波動，不同高度的溫度取層內(nèi)所有測點的平均值。
    1.3.2 FBHE傳熱的測量和計算
    通過測量FBHE內(nèi)的受熱面進出口工質(zhì)的溫度和壓力，可獲得每個分室內(nèi)受熱面工質(zhì)的進出口焓值，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和減溫水流量計測量和計算，再熱器流量通過機組運行時汽機的熱平衡計算獲得。在已知FBHE內(nèi)各受熱面工質(zhì)焓增和流量的基礎(chǔ)上，可計算出每個分室內(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的每個分室的進出口均設(shè)有高溫耐磨熱電偶，測量進出口灰溫。

             
    2·結(jié)果和討論
    2.1不同負荷爐膛溫度的分布
    表1為帶FBHE鍋爐不同負荷下的運行主要參數(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，在不同的鍋爐負荷下，左、右褲衩腿側(cè)的床溫差別不大；當鍋爐運行在60%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate，BMCR)以上時，床溫隨鍋爐負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℃；當鍋爐運行在更低負荷時，如圖3中的28%BMCR負荷和34%BMCR負荷時，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為帶有FBHE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負荷以上床溫基本維持不變。當鍋爐在更低負荷下運行時，入爐熱量大幅度減少，同時，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，隨著鍋爐負荷的降低，床溫降低，這是由于隨著鍋爐負荷的降低，燃料入爐熱量減少，床溫隨之降低。在鍋爐較高負荷時，沿爐膛高度方向溫度差別較小。在91%BMCR負荷運行時，沿爐膛高度方向溫差不超過20℃，這是因為鍋爐滿負荷時煙氣量較大，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)生強烈的熱量和質(zhì)量交換。顆粒團在攜帶著彌散顆粒的連續(xù)氣流中運動，這在壁面處的下降環(huán)流中表現(xiàn)得特別明顯，強化了爐內(nèi)傳熱和傳質(zhì)過程，使整個爐內(nèi)的溫度分布十分均勻，而鍋爐在低負荷運行時，由于爐膛內(nèi)循環(huán)量相對減少，同時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負荷運行時，爐膛出口溫度與床溫溫差接近100℃，而在25%BMCR負荷運行時，此溫差達到130℃。
    2.2 FBHE的運行調(diào)節(jié)特性
    為得到不同運行工況下，F(xiàn)BHE對床溫和汽溫的調(diào)節(jié)特性，還進行了如下測試：
    1）當鍋爐的運行工況改變時，F(xiàn)BHE的進灰量隨之改變。為研究不同負荷下FBHE的進灰量變化情況，測量了錐型閥開度與鍋爐負荷的關(guān)系，結(jié)果見圖5。1、2、3、4號錐型閥分別對應(yīng)于圖1熱循環(huán)回路的FBHE。由圖5可見，隨著鍋爐負荷的增加，F(xiàn)BHE內(nèi)受熱面的吸熱量增加，同時熱循環(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。但當鍋爐從啟動至20%負荷之間，錐型閥處于全關(guān)狀態(tài)，這是由于在啟動初期，鍋爐的外循環(huán)物料量較少，為維持分離器立管內(nèi)適當?shù)牧现叨龋义仩t在啟動過程中，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)不進入熱灰。

             
    2）在鍋爐運行過程中，F(xiàn)BHE對床溫的調(diào)節(jié)及對再熱汽溫的調(diào)節(jié)是相互影響的。FBHE在調(diào)節(jié)床溫的同時，為滿足過熱蒸汽及再熱蒸汽參數(shù)的要求，必將對過熱器系統(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，也會對床溫和過熱器噴水量產(chǎn)生影響，這三者之間動態(tài)耦合。為探究三者之間的相互影響規(guī)律，在實爐運行過程中，選定鍋爐負荷為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，同時保證鍋爐穩(wěn)定運行的工況下，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。這是因為在床溫增加的過程中，進入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，在床溫增加的過程中，根據(jù)位于高溫再熱器進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，從而進入尾部對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進灰量控制的，因此FBHE的進灰量減少，但由于灰溫的提高，彌補了FBHE進灰量減少導(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，高溫再熱器吸熱量減少幅度不大。
    2.3不同負荷各受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
    根據(jù)FBHE內(nèi)各分室進出口溫度以及布置各組受熱面進出口溫度，利用公式(2)計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鍋爐床溫隨鍋爐負荷降低而降低，且床溫與爐膛出口溫度的差值隨著鍋爐負荷的降低而增加；
    3）鍋爐從啟動至20%BMCR負荷之間，保證旋風(fēng)分離器立管內(nèi)適當?shù)牧衔桓叨群透邷卦贌崞魇軣崦娴陌踩\行，錐型閥處于全關(guān)狀態(tài)；隨著鍋爐負荷的繼續(xù)增加，錐型閥開度不斷增大；
    4）在負荷不變的情況下，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：略