300 MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐外置床運(yùn)行特性試驗(yàn)

黃元生，張利君，王 虎，盧嘯風(fēng)

300 MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐外置床運(yùn)行特性試驗(yàn)

黃元生1，張利君1，王 虎2，盧嘯風(fēng)3

（1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，河北 保定 071003；2.國(guó)家能源集團(tuán)循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心，陜西 西安 710065；3.重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400044）

在測(cè)量某臺(tái)燃用貧煤的300 MW機(jī)組循環(huán)流化床（CFB）鍋爐外置床熱力參數(shù)及煙氣成分基礎(chǔ)上，對(duì)大型CFB鍋爐外置床運(yùn)行特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：燃燒貧煤的CFB鍋爐外置床內(nèi)存在燃燒現(xiàn)象；不同類型的外置床內(nèi)吸熱份額、燃燒釋放熱量及流經(jīng)外置床的循環(huán)灰流量不同；通過建立外置床平衡方程或者直接測(cè)量外置床煙氣成分均可獲得滿足工程精度的外置床內(nèi)燃燒釋放熱量。該研究結(jié)果可為超（超）臨界CFB鍋爐外置床設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考。

CFB鍋爐；外置床；熱力參數(shù)；煙氣成分；運(yùn)行特性；燃燒特性；循環(huán)灰流量

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣和污染物排放量低的特點(diǎn)，是公認(rèn)的具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的清潔煤發(fā)電技術(shù)之一[1]。為了更好地平衡爐內(nèi)床溫和控制蒸汽參數(shù)，鍋爐可采用外置床設(shè)計(jì)，在床溫控制、污染物排放控制、燃燒與脫硫效率方面均具有較明顯的優(yōu)勢(shì)[2-5]。外置床內(nèi)受熱面的吸熱份額在某種程度上代表了外置床對(duì)爐內(nèi)溫度調(diào)節(jié)能力的大小，是大型CFB鍋爐及未來超超臨界CFB鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問題之一[6-7]。隨著我國(guó)CFB鍋爐進(jìn)入超臨界時(shí)代，超（超）臨界CFB鍋爐外置床內(nèi)的氣固流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)以及吸熱份額等運(yùn)行特性引起高度關(guān)注[8-12]。

張縵等[13]在一臺(tái)燃用褐煤的亞臨界300 MW機(jī)組CFB鍋爐上測(cè)量了外置床的總吸熱份額，并分 析了外置床的運(yùn)行特性；孫獻(xiàn)斌等[14]在一臺(tái)超臨界600 MW機(jī)組CFB鍋爐上測(cè)量了外置床管組壁溫分布，對(duì)外置床運(yùn)行特性開展研究；Cai Runxia等[15]在一臺(tái)超臨界600 MW CFB鍋爐外置床上進(jìn)行管屏傳熱特性模型研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了壁溫分布特性。實(shí)際上，受運(yùn)行中煤質(zhì)變化等因素的影響，大型CFB鍋爐外置床的運(yùn)行特性差異較大，當(dāng)鍋爐燃用貧煤時(shí)外循環(huán)回路存在一定的燃燒現(xiàn)象[16]，加之現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試難度大，考慮燃燒特性的外置床運(yùn)行特性研究較少。

基于此，為系統(tǒng)掌握大型CFB鍋爐外置床運(yùn)行特性，本文在某電廠一臺(tái)燃用貧煤的300 MW機(jī)組CFB鍋爐上進(jìn)行了外置床運(yùn)行特性的測(cè)試，通過測(cè)量外置床內(nèi)受熱面的吸熱份額、進(jìn)出口灰溫以及煙氣成分等運(yùn)行參數(shù)，定量研究了大型CFB鍋爐外置床的運(yùn)行特性，可為超（超）臨界CFB鍋爐外置床的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1 試驗(yàn)對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

某鍋爐采用雙布風(fēng)板單爐膛結(jié)構(gòu)，爐膛左右兩側(cè)對(duì)稱布置4臺(tái)高溫絕熱式旋風(fēng)分離器，每臺(tái)分離器下對(duì)應(yīng)布置1個(gè)外置床。試驗(yàn)選取位于鍋爐爐膛對(duì)角線的2個(gè)外置床為研究對(duì)象，外置床的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。外置床分為3個(gè)倉(cāng)室：倉(cāng)室I為空室；倉(cāng)室II位于外置床高溫段，布置高溫再熱器（HTR）或中溫過熱器II（ITS-II）；倉(cāng)室III位于外置床低溫段，布置低溫過熱器（LTS）或中溫過熱器I（ITS-I），靠近前墻的外置床用于控制再熱汽溫，靠近后墻的外置床用于控制床溫。除了尺寸和受熱面類型差異外，圖1a)中外置床的倉(cāng)室II和倉(cāng)室III之間還布置有水冷隔墻。

1.2 試驗(yàn)方法

由于2臺(tái)外置床倉(cāng)室II和倉(cāng)室III之間無灰溫測(cè)點(diǎn)，分別加裝了1個(gè)循環(huán)灰溫度測(cè)點(diǎn)。該溫度測(cè)點(diǎn)由耐熱不銹鋼套管和工業(yè)級(jí)K分度防磨熱電偶組成。布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，為避免邊壁效應(yīng)影響，將溫度測(cè)點(diǎn)安裝在外置床頂部中間位置，且熱電偶測(cè)量部分浸沒在床層以下500 mm左右。為了研究不同類型的外置床燃燒特性，在2臺(tái)外置床出口處分別加裝了1個(gè)由耐熱不銹鋼套管和密封球閥組成的煙氣取樣測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)過程中，外置床的灰溫采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)測(cè)量，出口煙氣取樣采用一套自行設(shè)計(jì)制作的煙氣取樣裝置。試驗(yàn)使用的取樣管，管長(zhǎng)3.2 m，可深入外置床內(nèi)2.5 m，由內(nèi)外2層套管組成，外層為不銹鋼管，內(nèi)層為剛玉管[16-17]。采用MGA5紅外煙氣分析儀（O2測(cè)量精度為0.2%，CO測(cè)量精度為讀數(shù)的5%）進(jìn)行煙氣在線測(cè)量，取樣管連有電加熱管線。鍋爐汽水側(cè)所用測(cè)點(diǎn)均采用電廠已有的各級(jí)受熱面汽水側(cè)的壓力、溫度以及流量測(cè)點(diǎn)；外置床灰側(cè)所用測(cè)點(diǎn)，如進(jìn)出口灰溫、流化風(fēng)量及風(fēng)溫等，均取自電廠DCS數(shù)據(jù)。試驗(yàn)工況為95%負(fù)荷（（285±6） MW），鍋爐運(yùn)行參數(shù)無較大變化。鍋爐試驗(yàn)煤種煤質(zhì)分析見表1。

表1 鍋爐試驗(yàn)煤種煤質(zhì)分析

Tab.1 Quality analysis for the test coal

1.3 計(jì)算方法

所有受熱面的吸熱量等于流經(jīng)受熱面的蒸汽流量與受熱面進(jìn)、出口焓增的乘積。流經(jīng)鍋爐各級(jí)過熱器的過熱蒸汽流量根據(jù)給水流量與減溫水量計(jì)算得到。再熱蒸汽流量根據(jù)主蒸汽流量與高壓缸的抽汽量計(jì)算得到。

流經(jīng)外置床的循環(huán)灰流量根據(jù)外置床內(nèi)物料平衡和熱平衡計(jì)算得到，計(jì)算中考慮外置床內(nèi)燃燒放出的熱量。由于外置床內(nèi)焦炭量消耗相比于流經(jīng)外置床循環(huán)灰量極少，故假設(shè)物料平衡中進(jìn)出口循環(huán)灰量相同。由于低溫段焦炭燃燒量非常少，故假設(shè)外置床內(nèi)燃燒全部在高溫段完成。

通過外置床內(nèi)高溫段和低溫段分別建立平衡方程，聯(lián)列求解得出外置床內(nèi)燃燒釋放熱量（簡(jiǎn)稱計(jì)算值）和循環(huán)灰量。外置床內(nèi)燃燒釋放熱量還可直接根據(jù)測(cè)量的外置床出口煙氣成分按化學(xué)計(jì)量法計(jì)算獲得（簡(jiǎn)稱測(cè)量值），化學(xué)方程式如下：

C+O2→CO2+394 000 kJ/kmol (1)

C+1/2O2→CO+111 000 kJ/kmol (2)

2 結(jié)果與分析

2.1 主要測(cè)量數(shù)據(jù)

鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)見表2。單個(gè)外置床受熱面進(jìn)出口蒸汽側(cè)及灰側(cè)熱力參數(shù)見表3和表4。

表2 鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

Tab.2 Main operation parameters of the boiler

表3 外置床蒸汽側(cè)熱力參數(shù)

Tab.3 The steam-side parameters of the FBHE

表4 外置床灰側(cè)熱力參數(shù)

Tab.4 The ash-side parameters of the FBHE

圖2給出了不同類型的外置床出口煙氣成分測(cè)量值，圖3給出了2種類型外置床進(jìn)出口顆粒含碳量。由于外置床進(jìn)風(fēng)為壓縮空氣，因此只測(cè)量了其出口處的煙氣成分。

圖3 2種類型外置床進(jìn)出口顆粒含碳量

從圖2和圖3可以看出：外置床出口氧體積分?jǐn)?shù)明顯低于入口，同時(shí)此處CO體積分?jǐn)?shù)很高，靠近后墻的外置床內(nèi)耗氧量是靠近前墻的外置床 2倍；靠近前后墻的外置床進(jìn)出口顆粒含碳量也略有差異。由此說明外置床內(nèi)存在燃燒現(xiàn)象，且燃燒并不完全，不同類型的外置床燃燒特性差異較大。分析認(rèn)為，由于外置床內(nèi)吸熱份額和循環(huán)灰量不同，在流化用風(fēng)量略有差異（兩者偏差約7%）的條件下，外置床內(nèi)氣固流動(dòng)特性和床層高度明顯不同，流經(jīng)外置床的循環(huán)灰流量較大時(shí)，外置床內(nèi)焦炭顆粒數(shù)增加，焦炭與氧氣發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)更加強(qiáng)烈，耗氧量增加，不完全燃燒程度也進(jìn)一步增大。

2.2 外置床受熱面吸熱份額

外置床內(nèi)吸熱份額某種程度上代表了爐膛溫度調(diào)節(jié)能力的高低，客觀上反映了該鍋爐運(yùn)行時(shí)床溫控制能力的優(yōu)劣。圖4給出了外置床內(nèi)再熱器和過熱器吸熱份額的測(cè)量值。從圖4可以看出：滿負(fù)荷時(shí)外置床內(nèi)再熱器吸熱份額可達(dá)到8.37%，過熱器吸熱份額可達(dá)到29.43%，其中參與爐溫調(diào)節(jié)的中溫過熱器II和中溫過熱器I之和可達(dá)到25.15%；且均能有效控制再熱汽溫和鍋爐床溫，可作為超（超）臨界CFB鍋爐受熱面吸熱份額分配設(shè)計(jì)優(yōu)化的依據(jù)。

圖4 外置床內(nèi)再熱器和過熱器吸熱份額

2.3 外置床燃燒釋放熱量

圖5給出了外置床燃燒釋放熱量的測(cè)量值與計(jì)算值比較。由圖5可以看出：靠前墻的外置床內(nèi)控制再熱汽溫，外置床內(nèi)燃燒釋放熱量測(cè)量值為5.17 MW，由于同負(fù)荷下循環(huán)灰量調(diào)節(jié)相對(duì)穩(wěn)定，計(jì)算值與測(cè)量值之間的偏差約19 %；靠后墻的外置床用于爐溫調(diào)節(jié)，外置床內(nèi)燃燒釋放熱量測(cè)量值為11.14 MW，由于同負(fù)荷下循環(huán)灰量調(diào)節(jié)較為頻繁，計(jì)算值與測(cè)量值之間的偏差約28 %。由此可見，通過建立外置床平衡方程也可獲得滿足工程要求的外置床內(nèi)燃燒釋放熱量，且一定程度地反映外置床內(nèi)的燃燒情況，但與測(cè)量值相比還有一定的偏差，偏差范圍可控制在20%~30%。

圖5 外置床內(nèi)燃燒釋放熱量測(cè)量值與計(jì)算值比較

2.4 流經(jīng)外置床循環(huán)灰流量

圖6給出了流經(jīng)不同類型外置床的循環(huán)灰流量。流經(jīng)外置床的循環(huán)灰流量確定時(shí)，燃燒釋放熱量根據(jù)測(cè)量的外置床出口煙氣成分按化學(xué)計(jì)量法計(jì)算。從圖6可以看出，流經(jīng)布置再熱器的靠前墻外置床循環(huán)灰流量為81.57 kg/s，而流經(jīng)布置中溫過熱器的靠后墻外置床循環(huán)灰流量為185.16 kg/s。試驗(yàn)期間，流經(jīng)高溫再熱器的外置床的進(jìn)口閥門開度為14%，而流經(jīng)中溫過熱器的外置床進(jìn)口開度為32%，這也可以說明流經(jīng)高溫再熱器的外置床循環(huán)灰量較少。另外，由于外置床內(nèi)存在燃燒現(xiàn)象，且不同類型外置床內(nèi)燃燒釋放熱量不同，進(jìn)一步加大了循環(huán)灰量的差異。

圖6 流經(jīng)不同類型外置床的循環(huán)灰流量

3 結(jié)論及建議

1）通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量某燃用貧煤的300 MW機(jī)組CFB鍋爐外置床汽水側(cè)和灰側(cè)熱力參數(shù)，建立外置床平衡模型，計(jì)算燃燒釋放熱量及循環(huán)灰流量。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和計(jì)算結(jié)果可以看出，燃燒貧煤等難燃煤種時(shí)，大型CFB鍋爐外置床內(nèi)存在燃燒現(xiàn)象，可通過煙氣成分分析或者建立外置床平衡方程計(jì)算獲得燃燒釋放熱量，兩者均能滿足工程精度。

2）對(duì)于不同類型的外置床，燃燒特性及循環(huán)灰流量有較大差異，在超（超）臨界CFB鍋爐外置床設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分考慮，以獲得最佳的設(shè)計(jì)效果。

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Test on operation characteristics of fluidized bed heat exchanger of a 300 MW unit circulating fluidized bed boiler

HUANG Yuansheng1, ZHANG Lijun1, WANG Hu2, LU Xiaofeng3

(1. School of Economics and Management, North Electric Power University, Baoding 071003, China;2. CHN Energy CFB Research and Development Center, Xi’an 710065, China;3. School of Energy and Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, hina)

On the basis of measuring the thermodynamic parameters and flue gas components of the fluidized bed heat exchanger (FBHE) of a 300 MW CFB boiler fueled by lean coal under different thermal loads, the actual operation characteristics of the FBHE were experimentally investigated. The results indicate that, post-combustion phenomenon exists in the FBHE of the CFB boiler firing lean coal. The heat absorption shares of the different FBHEs are quite different from each other, as well as heat released by char combustion and ash flow rates through the FBHE. The heat release by char combustion in the FBHE can be obtained by establishing equilibrium equation in the FBHE or directly measuring the flue gas composition at outlet of the FBHEs. These results can provide referential materials for design and operation of the FBHE in large-scale CFB boilers.

CFB boiler, fluidized bed heat exchanger, thermodynamic parameter, flue gas component, operation characteristics, combustion performance, circulating ash flow rate

TK229.6

A

10.19666/j.rlfd.201904055

黃元生, 張利君, 王虎, 等. 300 MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐外置床運(yùn)行特性試驗(yàn)[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(8): 101-105. HUANG Yuansheng, ZHANG Lijun, WANG Hu, et al. Test on operation characteristics of fluidized bed heat exchanger of a 300 MW unit circulating fluidized bed boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(8): 101-105.

2019-04-19

黃元生(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榧夹g(shù)經(jīng)濟(jì)及管理，hys2656@aliyun.com。

張利君(1967—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐技術(shù)管理、效果評(píng)價(jià)及政策保障機(jī)制等，50520139@qq.com。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）