大型循環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．中國科學院工程熱物理研究所，北京市海淀區100190；2．中國科學院研究生院，北京市海淀區100049)

文章編號：0258-8013(2012)14-0042-07中圖分類號：TK 123文獻標志碼：A學科分類號：470·20

摘要：為掌握大型循環流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐外置換熱器(fluidized bed heat exchanger，FBHE)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、汽溫的調節及其傳熱特性的研究。結果表明：帶FBHE的CFB鍋爐爐膛溫度沿爐膛高度分布比較均勻，且在60%鍋爐最大連續蒸發量(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內不同受熱面的傳熱系數不同，其值均隨負荷的增加單調增大。
    關鍵詞：外置換熱器；循環流化床鍋爐；床溫；汽溫；運行特性
    0·引言
    循環流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃燒技術作為一種潔凈煤技術，由于具有燃料適應性廣、爐內脫硫效率高、NOx排放量低、煤種適應性強、負荷調節比大及其灰渣可綜合利用等優點[1-4]，在國內外得到了越來越廣泛的應用，并不斷向更大容量和超臨界參數方向發展[5-8]。目前，世界最大容量460MW超臨界CFB鍋爐已經在波蘭的Lagisza電廠投入商業運行。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，爐內四周水冷壁受熱面積與爐膛容積之比減小，同時，所需蒸發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，必須在熱灰的循環回路布置更多的受熱面。熱灰的循環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，FBHE)[10]，FW公司采用“INTREX”一體化返料換熱器[11-13]，國內部分CFB鍋爐制造企業在爐膛內布置屏式受熱面[14]。
    FBH E內可以布置蒸發器、過熱器和再熱器[15-16]。通過調節進入FBHE和直接返回爐膛的循環物料流量的比例，調節床溫和汽溫。FBHE具有磨損低、傳熱性能好等優點[17]，同時，還有如下突出特點：
    1）可以將布置在爐膛內的受熱面布置到FBHE內，使受熱面布置更加合理[18]；
    2）通過FBHE灰量調節實現汽溫調節，避免了再熱器采用噴水調溫而對機組的效率產生影響；
    3）床溫調節靈活[19]，且可以加大床溫的調節范圍[20]；
    4）可提高燃料的適應性，使燃料的燃燒更充分；
    5）可調節熱循環回路內的吸熱份額，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]。關于FBHE的運行特性，如FBHE對CFB鍋爐床溫和汽溫的調節特性、傳熱特性以及錐型閥開度與負荷變化的關系等，有關研究人員在實驗室進行了大量的研究工作，并取得了相應成果，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，該鍋爐的熱循環回路見圖1，主要包括褲衩腿型爐膛、布置在爐膛兩側的4個高溫絕熱旋風分離器、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，靠近爐前的2個FBHE內布置高溫再熱器和低溫過熱器。靠近爐后的2個FBHE內布置中溫過熱器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。高溫循環物料在錐型閥的調節下進入FBHE，與埋管受熱面進行熱交換，然后以低溫狀態返回爐膛，從而實現床溫與汽溫的調節。

    
    1.2 FBHE結構
    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、三分室內布置埋管式受熱面，高溫再熱器布置在第二分室內，低溫過熱器布置在第三分室。爐前2個FBHE的主要作用是，通過調整進料錐型閥的開度調節再熱汽溫。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整進料錐型閥的開度調節爐內床溫。FBHE各分室由水冷隔墻分隔而成，FBHE結構見圖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的單布風板爐膛，另一臺鍋爐為帶有FBHE的雙布風板爐膛，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，其中對于雙布風板爐膛，測點在左右褲衩腿側分別布置，為避免由于給煤和某個循環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內的受熱面進出口工質的溫度和壓力，可獲得每個分室內受熱面工質的進出口焓值，過熱器受熱面的工質流量利用鍋爐汽水系統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內各受熱面工質焓增和流量的基礎上，可計算出每個分室內受熱面的吸熱量，通過公式(1)求得每組受熱面的平均傳熱系數。在FBHE的每個分室的進出口均設有高溫耐磨熱電偶，測量進出口灰溫。

             
    2·結果和討論
    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，圖3是其爐膛的左褲衩腿側和右褲衩腿側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、右褲衩腿側的床溫差別不大；當鍋爐運行在60%鍋爐最大連續蒸發量(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節床溫，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，由于爐內流化速度降低，被送至爐膛上部的物料量減少，導致了內外循環量同時降低，爐內的物料返混和FBHE的調節能力減弱，最終表現出爐內床溫降低，同時床溫與爐膛出口溫度差值增加。表2是單布風板無FBHE的300MW CFB鍋爐在不同測試工況下的鍋爐主要參數，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，由于爐膛內存在大量的內循環物料量，使循環流化床內發生強烈的熱量和質量交換。顆粒團在攜帶著彌散顆粒的連續氣流中運動，這在壁面處的下降環流中表現得特別明顯，強化了爐內傳熱和傳質過程，使整個爐內的溫度分布十分均勻，而鍋爐在低負荷運行時，由于爐膛內循環量相對減少，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的運行調節特性
    為得到不同運行工況下，FBHE對床溫和汽溫的調節特性，還進行了如下測試：
    1）當鍋爐的運行工況改變時，FBHE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系，結果見圖5。1、2、3、4號錐型閥分別對應于圖1熱循環回路的FBHE。由圖5可見，隨著鍋爐負荷的增加，FBHE內受熱面的吸熱量增加，同時熱循環回路內的循環物料量增加，為保證熱循環回路內足夠的傳熱量并維持合理的床溫，錐型閥的開度需相應增加。但當鍋爐從啟動至20%負荷之間，錐型閥處于全關狀態，這是由于在啟動初期，鍋爐的外循環物料量較少，為維持分離器立管內適當的料柱高度，且鍋爐在啟動過程中，再熱器內沒有工質冷卻，為保證受熱面不處于干燒狀態，也要求FBHE內不進入熱灰。

             
    2）在鍋爐運行過程中，FBHE對床溫的調節及對再熱汽溫的調節是相互影響的。FBHE在調節床溫的同時，為滿足過熱蒸汽及再熱蒸汽參數的要求，必將對過熱器系統的噴水量和高溫再熱蒸汽的吸熱比例產生影響；反之，FBHE在調節再熱汽溫的同時，也會對床溫和過熱器噴水量產生影響，這三者之間動態耦合。為探究三者之間的相互影響規律，在實爐運行過程中，選定鍋爐負荷為91%BMCR(發電功率為300MW)，在燃用褐煤且使鍋爐入爐燃料量、風量以及主蒸汽溫度保持不變，同時保證鍋爐穩定運行的工況下，調整錐型閥的開度，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，最終體現在噴水量的變化較小。

             
    同時，在床溫增加的過程中，根據位于高溫再熱器進出口集箱上的熱電偶和壓力表的讀數，可知位于FBHE內的高溫再熱器的吸熱量也發生了變化，測試結果見圖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不同負荷各受熱面傳熱系數
    根據FBHE內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，根據公式(1)求得各受熱面的平均傳熱系數，結果見圖8。由圖8可見，隨著鍋爐負荷的增加，各受熱面傳熱系數增加。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分別為302、262、240、253W/(m2℃)。如此高的傳熱系數，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得到廣泛應用的原因之一。

             
    3·結論
    通過300MW CFB鍋爐FBHE的相關測試研究，得出如下主要結論：
    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，保證旋風分離器立管內適當的料位高度和高溫再熱器受熱面的安全運行，錐型閥處于全關狀態；隨著鍋爐負荷的繼續增加，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遞減，但減少幅度較小；
    5）隨著鍋爐負荷的增加，FBHE內各受熱面傳熱系數逐漸增加。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分別為302、262、240、253W/(m2℃)。
    參考文獻：略