大型循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器關(guān)鍵技術(shù)研究

辛勝偉，張 縵，王君峰，賀 峰，曹培慶，蔡潤(rùn)夏，張 鵬，王 虎，陳建斌，楊海瑞

(1.神華國(guó)能集團(tuán)有限公司，北京 100033；2.清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系，北京 100084； 3.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引 言

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)具有煤種適應(yīng)性廣、SO2爐內(nèi)脫除成本低、NOx原始生成低等優(yōu)點(diǎn)，是大規(guī)模燃用高灰分、低熱值劣質(zhì)燃料的最佳選擇[1]。相比煤粉爐，CFB鍋爐在環(huán)保性能等方面具有優(yōu)勢(shì)，但供電效率仍顯不足[2]。因此，開(kāi)發(fā)更高蒸汽參數(shù)的超(超)臨界CFB鍋爐以提高循環(huán)效率是CFB鍋爐發(fā)展的必由之路[3]。在國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃的支持下，我國(guó)成功研制了世界上第一臺(tái)600 MW超臨界CFB鍋爐，以及批量的350 MW超臨界CFB鍋爐，為開(kāi)發(fā)超超臨界CFB鍋爐積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[4]。2016年7月，國(guó)家科技部批復(fù)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“超超臨界循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)與示范”項(xiàng)目，我國(guó)開(kāi)始了660 MW超超臨界CFB鍋爐的研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)CFB發(fā)電技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)代。國(guó)內(nèi)三大鍋爐廠針對(duì)660 MW超超臨界CFB鍋爐，提出了不同的設(shè)計(jì)方案，但在蒸汽參數(shù)方面均選擇了高效超超臨界參數(shù)[5]，其中主蒸汽壓力為29.4 MPa，主蒸汽溫度為605 ℃，再熱蒸汽溫度為623 ℃。

外置式換熱器是大型循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部件，可通過(guò)控制進(jìn)入換熱器內(nèi)循環(huán)灰流量靈活調(diào)節(jié)爐內(nèi)和爐外受熱面的吸熱比例，使受熱面布置更加靈活[6]。學(xué)者對(duì)比了帶外置式換熱器和不帶外置式換熱器的300 MW CFB鍋爐運(yùn)行結(jié)果，發(fā)現(xiàn)外置式換熱器顯著改善中低負(fù)荷條件下?tīng)t膛溫度的均勻性[7]。白馬600 MW超臨界CFB鍋爐運(yùn)行狀況表明：CFB鍋爐大型化及參數(shù)提升后，采用外置式換熱器設(shè)計(jì)能有效減少爐內(nèi)受熱面的布置，增強(qiáng)床溫的可控性及均勻性[8]。這對(duì)于進(jìn)一步降低NOx排放，同時(shí)提高爐內(nèi)脫硫效率具有重要作用[9]。

高效超超臨界CFB鍋爐過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽溫度均較高，爐內(nèi)燃燒溫度采用800～900 ℃中溫燃燒技術(shù)。為了保持良好的低負(fù)荷汽溫調(diào)節(jié)特性，解決低負(fù)荷爐膛傳熱溫差不足的問(wèn)題，有必要采用外置式換熱器。此外，污染物超低排放指標(biāo)也要求更為精準(zhǔn)的控制CFB鍋爐爐膛溫度，體現(xiàn)了外置式換熱器的重要性。早期外置式換熱器運(yùn)行存在廠用電高、運(yùn)行維護(hù)困難等問(wèn)題[10]，改進(jìn)后仍存在管束磨損、傳熱偏差等問(wèn)題，危脅超超臨界CFB鍋爐安全運(yùn)行。因此，本文將綜述外置式換熱器的研究現(xiàn)狀和超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，提出660 MW超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器的設(shè)計(jì)方案，為超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。

1 外置式換熱器研究現(xiàn)狀

外置式換熱器的結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)對(duì)于灰量調(diào)節(jié)與吸熱量控制有重要影響。文獻(xiàn)報(bào)道的外置式換熱器形式主要有：Lurgi型外置式換熱器[11]、Foster Wheeler型整體式換熱器(INTREX)[12]、緊湊式分流回灰換熱器[13]、非機(jī)械閥控制外置式換熱器[14]、一體式外置式換熱器[9]等。其中商業(yè)應(yīng)用最多的是Lurgi型和Foster Wheeler型外置式換熱器。

圖1 Lurgi型外置式換熱器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of EHE of Lurgi type

Lurgi型外置式換熱器示意如圖1所示。循環(huán)灰部分進(jìn)入外置式換熱器，部分直接返回爐膛，可以通過(guò)錐形機(jī)械閥較為準(zhǔn)確地控制兩部分灰流量的比例。Zhang等[11]研究了300 MW CFB鍋爐外置式換熱器的傳熱特性，結(jié)果表明灰側(cè)傳熱系數(shù)與進(jìn)口灰溫度、灰流量呈正相關(guān)，滿(mǎn)負(fù)荷最大傳熱系數(shù)可達(dá)到300～400 W/(m2·K)，該傳熱系數(shù)顯著高于爐內(nèi)蒸發(fā)受熱面的傳熱系數(shù)。此外，負(fù)荷從100% BMCR降至50% BMCR時(shí)，外置式換熱器內(nèi)總吸熱量從35%降至18%。較寬的吸熱量調(diào)節(jié)范圍有利于提高變負(fù)荷條件下?tīng)t膛溫度的穩(wěn)定性。而Wang等[8]在600 MW超臨界CFB鍋爐中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，從亞臨界條件進(jìn)入超臨界條件，外置式換熱器內(nèi)吸熱比例也存在明顯差別，再熱器吸熱減少，過(guò)熱器吸熱增多。Foster Wheeler型的整體式換熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜(圖2)，其通常直接布置于爐膛的前后墻，與爐膛連為一體。顆粒存在2個(gè)入口：來(lái)自回料閥的外循環(huán)和來(lái)自爐膛的內(nèi)循環(huán)；2個(gè)出口：返料口和旁路溢流口。Blaszczuk等[15]研究表明，由于INTREX與爐膛直接連通，爐膛內(nèi)循環(huán)使得大顆粒進(jìn)入換熱器內(nèi)部，因此顆粒平均粒徑變化較大(200～450 μm)，但最大傳熱系數(shù)與Lurgi型外置式換熱器基本一致。該換熱器沒(méi)有獨(dú)立的熱灰回送系統(tǒng)，幾乎所有熱灰均流經(jīng)受熱面，少部分經(jīng)熱灰旁路通道返回爐膛?；伊髁考按矞卣{(diào)節(jié)依賴(lài)于返料口處的返料風(fēng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致其調(diào)控能力不如機(jī)械錐形閥。Li等[16]研究發(fā)現(xiàn)不同負(fù)荷條件下，INTREX內(nèi)受熱面吸熱比例變化較小，這是與Lurgi型外置式換熱器的重要差別。這2類(lèi)外置式換熱器代表著世界上2種CFB鍋爐的設(shè)計(jì)流派，由于國(guó)內(nèi)大型CFB鍋爐主要都采用Lurgi型外置式換熱器，關(guān)于其傳熱運(yùn)行特性的研究也較為充分。

圖2 Foster Wheeler型外置式換熱器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of EHE of Foster Wheeler

外置式換熱器另一個(gè)研究關(guān)注點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定性。我國(guó)首臺(tái)300 MW亞臨界CFB鍋爐示范機(jī)組引進(jìn)法國(guó)Alstom公司技術(shù)[17]。其外置式換熱器整體運(yùn)行較為成功，但存在受熱面管束爆管、個(gè)別管子磨損和管夾與吊掛管之間的磨損(圖3)等問(wèn)題，影響機(jī)組的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于外置式換熱器內(nèi)顆粒粒徑較細(xì)，流化風(fēng)速較低，顆粒沖刷所導(dǎo)致的磨損較小。局部管束磨損主要是因?yàn)閭鳠崞罴熬植苛骰涣紝?dǎo)致的。而管夾與懸吊管束之間的磨損則較為嚴(yán)重。低溫條件下管夾與懸吊管束之間緊固，而高溫條件導(dǎo)致的熱膨脹使得兩者出現(xiàn)相對(duì)位移[18]。氣泡破裂和顆粒宏觀水平流動(dòng)將導(dǎo)致管夾與懸吊管束發(fā)生嚴(yán)重磨損。為解決這個(gè)問(wèn)題，600 MW CFB鍋爐中將管屏由垂直于宏觀灰流動(dòng)方向改為平行于宏觀灰流動(dòng)布置，并將管卡與吊掛管之間焊接固定，解決了管卡磨損的問(wèn)題。現(xiàn)階段，制約超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題，主要是受熱管屏壁溫偏差。

圖3 外置式換熱器磨損及爆管Fig.3 Diagram of wear and pipe burst in EHE

2 受熱管屏壁溫偏差問(wèn)題

600 MW超臨界CFB鍋爐的外置式換熱器運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了明顯的壁溫偏差問(wèn)題。壁溫分布呈馬鞍形，中心區(qū)域管屏壁溫高，邊壁區(qū)域管屏壁溫低[19]。CFB鍋爐外置式換熱器中高溫再熱受熱面壁溫見(jiàn)表1，不同容量CFB鍋爐中都出現(xiàn)了類(lèi)似的壁溫不均勻現(xiàn)象。即使現(xiàn)階段的最高壁溫仍然可以接受，但在超超臨界CFB鍋爐中，再熱蒸汽設(shè)計(jì)溫度達(dá)到623 ℃。若保證平均蒸汽溫度達(dá)標(biāo)，中心區(qū)域的最高溫度可能會(huì)超過(guò)管材料的許用溫度。長(zhǎng)期運(yùn)行中，容易引起受熱面管束爆管導(dǎo)致鍋爐停機(jī)。為了保證超超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器安全運(yùn)行，必須弄清受熱管屏壁溫偏差產(chǎn)生機(jī)制。

表1 CFB鍋爐外置式換熱器中高溫再熱受熱面壁溫

為此在冷態(tài)外置式換熱床中測(cè)量床側(cè)傳熱系數(shù)的空間分布規(guī)律[20]，如圖4所示(x為外置式換熱器內(nèi)測(cè)點(diǎn)與避面的距離，Xw為外置式換熱器床面寬度，Ug為流化風(fēng)速)?？芍庵檬綋Q熱器內(nèi)傳熱系數(shù)與受熱面布置的空間位置密切相關(guān)。流化風(fēng)速Ug=0.4 m/s時(shí)，床中央至x/Xw≈0.6處傳熱系數(shù)基本一致，而靠近壁面區(qū)域，傳熱系數(shù)顯著降低。邊壁流動(dòng)區(qū)占床面寬度的25%～30%。這主要是由于氣泡在布風(fēng)板生成后，逐漸向床中央移動(dòng)，導(dǎo)致靠近壁面出現(xiàn)乏氣泡區(qū)[21-22]。氣泡頻率降低導(dǎo)致傳熱管表面顆粒更新頻率下降，傳熱系數(shù)減小[23-24]。

圖4 單管布置條件下傳熱系數(shù)沿寬度方向分布規(guī)律Fig.4 Distribution of heat transfer coefficient along width direction under single tube arrangement

管屏布置位置對(duì)于傳熱系數(shù)的影響如圖5所示，分別測(cè)量錯(cuò)列布置管屏第2排和第3排傳熱系數(shù)沿床寬度方向的分布規(guī)律(X表示水平橫向，H表示高度縱向)；第3排傳熱系數(shù)橫向不均勻性顯著強(qiáng)于第2排管束，最大值和最小值傳熱系數(shù)偏差從15%降至6%。表明當(dāng)傳熱管遠(yuǎn)離壁面邊壁區(qū)時(shí)，傳熱系數(shù)偏差問(wèn)題可以得到改善。

圖5 錯(cuò)列管束布置條件下傳熱系數(shù)沿寬度方向分布規(guī)律Fig.5 Distribution of heat transfer coefficient along the width direction under the conditions of staggered tube barrel arrangement

3 超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器方案

3.1 外置式換熱器受熱面布置

由于外置式換熱器內(nèi)受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，管束壁溫和汽溫差較大，實(shí)際管壁溫度也需要進(jìn)行核算，結(jié)果顯示：高溫再熱器管子中徑壁溫與汽溫差接近60 ℃，增加了管屏溫度控制的難度。根據(jù)前文分析，外置式換熱器內(nèi)壁溫偏差與鼓泡流態(tài)化下氣泡行為密切相關(guān)。通過(guò)一些手段可以緩解壁溫偏差，但實(shí)際運(yùn)行中管屏可靠性也很難保證。因此，在660 MW超超臨界CFB鍋爐的外置式換熱器中不再布置高溫再熱器，全部布置汽溫相對(duì)較低的中溫過(guò)熱器，以保證受熱面的可靠性。

660 MW超超臨界CFB鍋爐的中溫過(guò)熱器分為兩級(jí)，分別布置于4個(gè)外置式換熱器中。每級(jí)中溫過(guò)熱器的溫升較小，只有37 ℃，管屏偏差可以控制在20 ℃以?xún)?nèi)，為保證足夠余量管屏偏差，按30 ℃考慮。同樣對(duì)外置式換熱器內(nèi)中溫過(guò)熱器高溫段壁溫進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。若中溫過(guò)熱器管屏壁溫和出口汽溫差在極端工況為48 ℃，通過(guò)受熱面比配和計(jì)算，可以控制中溫過(guò)熱器高溫段的汽溫在560 ℃以下，再考慮管屏偏差30 ℃，極限壁溫為560+48+30=638 ℃。對(duì)于外置式換熱器內(nèi)中溫過(guò)熱器采用TP347H和TP347HFG材料即可滿(mǎn)足要求，并仍可以保證一定的余量。

表2 外置式換熱器內(nèi)中溫過(guò)熱器計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation of medium temperature superheater in EHE

3.2 外置式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了進(jìn)一步改善外置式換熱器的可靠性，減小受熱管屏壁溫偏差問(wèn)題，針對(duì)外置式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取優(yōu)化措施。

3.2.1受熱面管排布置方式

引進(jìn)型300 MW亞臨界CFB鍋爐機(jī)組外置式換熱器管排布置與灰流動(dòng)的方向垂直，在亞臨界參數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度下，其管排之間由于吸熱量不同帶來(lái)明顯的熱偏差問(wèn)題，但未影響受熱面安全。由于超超臨界CFB鍋爐蒸汽參數(shù)的提升對(duì)受熱面安全性提出了更高的要求，白馬600 MW超臨界CFB鍋爐外置式換熱器受熱面管排采用與灰流動(dòng)的方向一致的布置方式，雖然在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也存在一定的熱偏差，但主要是由于邊壁流存在造成的局部換熱不均，相比引進(jìn)型300 MW CFB鍋爐外置式換熱器受熱面管排與灰流向垂直布置方式，其熱偏差可通過(guò)結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化進(jìn)一步得到改善。因此，超超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器受熱面管排布置選擇與灰流動(dòng)的方向平行的方式(圖6)。

圖6 超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Construction chart of EHE for ultra-supercritical CFB boiler

3.2.2邊壁管屏與壁面間距離的優(yōu)化

白馬600 MW超臨界CFB鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，外置式換熱器邊壁傳熱性能較差。基于電阻法的外置式換熱器流化均勻性分布實(shí)爐測(cè)試[25]結(jié)果表明，外置式換熱器壁面附近存在一層厚度500 mm左右的流化停滯區(qū)，該區(qū)域內(nèi)高溫再熱器管屏出口溫度偏差可達(dá)50 ℃。為保證外置式換熱器管屏汽溫分布均勻，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免管屏布置在邊壁區(qū)內(nèi)，管屏距離邊壁的距離應(yīng)由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的250 mm增至500 mm以上。通過(guò)以上措施改善外置式換熱器內(nèi)的氣固流動(dòng)及傳熱行為，以減小顆粒側(cè)傳熱偏差。

最后，針對(duì)外置式換熱器吸熱量及爐膛溫度進(jìn)行校核，如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，外置式換熱器內(nèi)布置中溫過(guò)熱器對(duì)爐膛燃燒溫度有非常強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，50%以上負(fù)荷可以保證爐膛溫度基本不變。20%負(fù)荷工況下?tīng)t膛出口煙溫仍達(dá)到650 ℃，顯著優(yōu)于不帶外置式換熱器的工況。該校核計(jì)算也表明，取消高溫再熱器將其布置于爐內(nèi)并不會(huì)影響外置式換熱器對(duì)于爐膛溫度的調(diào)節(jié)能力，仍可保證低負(fù)荷時(shí)爐膛燃燒溫度和蒸汽溫度。

圖7 有無(wú)外置式換熱器條件下?tīng)t膛溫度隨負(fù)荷的變化規(guī)律Fig.7 Change of furnace temperature with load under the condition of EHE

4 結(jié) 論

1)外置式換熱器是大型循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部件，通過(guò)引進(jìn)型300 MW亞臨界CFB鍋爐和600 MW超臨界CFB鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，解決了外置式換熱器受熱面磨損爆管的問(wèn)題，其運(yùn)行可靠性大幅提升，現(xiàn)階段制約超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器的關(guān)鍵是管屏壁溫偏差控制。

2)外置式換熱器壁溫偏差普遍存在，由氣泡不均勻性分布決定，邊壁低傳熱區(qū)占床面寬度的25%～30%。將管束遠(yuǎn)離邊壁區(qū)可改善傳熱系數(shù)空間分布不均勻性，傳熱系數(shù)極值偏差從15%降至6%。

3)660 MW超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算表明，外置式換熱器布置高溫再熱器受熱面時(shí)，管子中徑壁溫與汽溫差可達(dá)到58 ℃，顯著制約外置式換熱器的安全運(yùn)行。因此，在660 MW超超臨界CFB鍋爐的外置式換熱器中將全部布置汽溫相對(duì)較低的中溫過(guò)熱器，并通過(guò)管排布置方式、邊壁管屏與壁面間的距離等措施減小顆粒側(cè)熱偏差。該設(shè)計(jì)在保證外置式換熱器安全運(yùn)行的同時(shí)，仍可有效調(diào)控爐膛溫度和蒸汽溫度。