超超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置換熱器壁溫偏差研究

張文杰，趙四方，程 偉，韋立校，吳朝剛

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001；3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)以其節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，在近五十年得到迅速發(fā)展，特別適用于清潔高效利用各類低品位燃料［1］，是我國(guó)潔凈煤燃燒技術(shù)發(fā)展的重要方向。

隨著我國(guó)燃煤機(jī)組節(jié)能減排要求不斷提高［2］，循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）鍋爐也不斷向著高參數(shù)大容量的方向發(fā)展，已有研究人員提出帶二次再熱［3］、超超臨界參數(shù)［4-6］甚至700 ℃參數(shù)［7-8］的循環(huán)流化床鍋爐整體方案。在現(xiàn)階段，開發(fā)660 MW等級(jí)的高效超超臨界參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐是合適的選擇［9］。

隨著鍋爐容量增大、蒸汽參數(shù)提高，爐內(nèi)受熱面布置受到了爐膛截面尺寸的限制，在外置換熱器中布置受熱面，可以解決鍋爐向更大容量發(fā)展過(guò)程中爐內(nèi)受熱面布置空間不足的問(wèn)題。600 MW 超臨界CFB 鍋爐將末級(jí)再熱器和兩級(jí)過(guò)熱器置于其中，具有良好的調(diào)節(jié)床溫、汽溫效果，為660 MW 高效超超臨界的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

然而，有研究表明［10-15］，CFB 鍋爐外置換熱器存在一定的熱偏差，即沿著外置換熱器寬度方向存在受熱面壁溫分布呈兩邊低、中間高的特點(diǎn)。

對(duì)于常規(guī)超臨界及以下參數(shù)鍋爐，該熱偏差不會(huì)引起外置換熱器管子超溫，即不會(huì)影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。而對(duì)超超臨界或高效超超臨界參數(shù)鍋爐，如該熱偏差不能得到有效控制，將會(huì)導(dǎo)致材料選擇困難，鍋爐方案將難以實(shí)施。

為解決實(shí)際工程中外置換熱器內(nèi)的熱偏差問(wèn)題，以660 MW 高效超超臨界CFB 鍋爐外置換熱器為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，提出控制偏差的措施。

1 解決外置換熱器熱偏差思路分析

660 MW 高效超超臨界CFB 鍋爐的外置換熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從圖1 中可以看出，當(dāng)外置換熱器運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)從單側(cè)引入，并從單側(cè)引出，同時(shí)灰顆粒也從單側(cè)進(jìn)入外置換熱器。

圖1 外置換熱器結(jié)構(gòu)

鄭興勝等研究發(fā)現(xiàn)，600 MW 超臨界高溫再熱器外置式換熱器出口壁溫存在明顯的偏差特性，如圖2 所示［10］。從圖中沿外置換熱器寬度較為對(duì)稱的壁溫分布來(lái)看，導(dǎo)致熱偏差的主要原因應(yīng)不是來(lái)自外置換熱器的結(jié)構(gòu)和工質(zhì)側(cè)的受熱面布置，而更傾向于來(lái)自外置換熱器內(nèi)的氣固流動(dòng)。

外置換熱器內(nèi)氣固流動(dòng)為鼓泡流化床，目前的文獻(xiàn)資料通常只涉及兩個(gè)維度的流動(dòng)特性，對(duì)于物料連續(xù)進(jìn)出鼓泡床的研究極少［16］，王勤輝等試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，外置換熱器內(nèi)的傳熱特性并不均勻，中間區(qū)域傳熱系數(shù)明顯高于邊壁區(qū)域［11］。楊磊等試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，外置換熱器靠近邊壁的區(qū)域由于邊壁效應(yīng)的影響，其混合和氣固兩相流動(dòng)的劇烈程度遠(yuǎn)不如中間區(qū)域，中間的換熱系數(shù)很明顯大于兩側(cè)的換熱系數(shù)［12］。可見已有研究發(fā)現(xiàn)外置換熱器內(nèi)存在偏差，但并未提供有效的解決措施。

圖2 高溫再熱器出口壁溫分布

從鍋爐設(shè)計(jì)角度出發(fā)，有多種解決受熱面偏差的措施，包括通過(guò)流量調(diào)節(jié)、敷設(shè)耐火材料調(diào)整傳熱等等?？紤]到外置換熱器的實(shí)際情況不便敷設(shè)耐火材料，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)工質(zhì)流量分配，使其與壁溫偏差特性相適應(yīng)，從而從工質(zhì)側(cè)解決偏差問(wèn)題。另一方面，也可以同時(shí)考慮從灰側(cè)入手，通過(guò)改善其氣固流動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)減少偏差的效果。

2 灰側(cè)解決外置換熱器偏差試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及工況

試驗(yàn)裝置見圖3，主要由循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)（由風(fēng)室、布風(fēng)板、爐膛和分離器構(gòu)成）和外置換熱器組成，循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)主要提供外置換熱器所需的物料，用于外置換熱器進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

圖3 外置換熱器試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

研究表明，在小尺寸試驗(yàn)臺(tái)上即可觀察到外置換熱器的偏差特性［11-12］，呂俊復(fù)等還推導(dǎo)出適用鼓泡流化床的一組相似準(zhǔn)則數(shù)［17］?；跓o(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)和實(shí)際外置換熱器尺寸，可以確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庵脫Q熱器的寬深尺寸需要在1 m 左右，同時(shí)結(jié)合實(shí)際輔助設(shè)備出力及場(chǎng)地，確定外置換熱器試驗(yàn)臺(tái)尺寸，如表1 所示。

表1 外置換熱器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

外置換熱器試驗(yàn)臺(tái)與實(shí)際鍋爐結(jié)構(gòu)類似，即都有兩個(gè)倉(cāng)室。第一個(gè)倉(cāng)室與立管相連，因此該倉(cāng)室也叫進(jìn)料倉(cāng)，其主要將顆粒溢流入第二倉(cāng)，實(shí)際受熱面均布置于第二倉(cāng)，其與爐膛相連接，也稱作返料倉(cāng)。為便于研究消除偏差措施，在外置換熱器側(cè)壁設(shè)置了吹掃風(fēng)，同時(shí)，沿外置換熱器寬度方向，設(shè)置了3 個(gè)獨(dú)立的風(fēng)室，在外置換熱器左側(cè)墻距布風(fēng)板720 mm 高度處設(shè)置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖4 所示。測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量距離壁面25 mm、125 mm、225 mm深度的濃度數(shù)據(jù)。

圖4 外置換熱器試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)采用PV6 型顆粒速度統(tǒng)計(jì)分布測(cè)量?jī)x測(cè)量外置換熱器內(nèi)局部顆粒濃度［18-19］，從而研究其氣固流動(dòng)特性以及改善措施。

PV6 型顆粒速度測(cè)量?jī)x應(yīng)用計(jì)算兩通道信號(hào)互相關(guān)函數(shù)的方法測(cè)量顆粒物料運(yùn)動(dòng)速度。PV6 測(cè)量?jī)x用光導(dǎo)纖維做為測(cè)量探頭，光源通過(guò)探頭內(nèi)的光導(dǎo)纖維引入到探頭前端的測(cè)量區(qū)域，測(cè)量區(qū)域處物料的反射光再由同束光纖傳回到探頭內(nèi)的光電檢測(cè)器，轉(zhuǎn)換成與物料濃度成比例的電壓信號(hào)，可由V=L／τ得出物料的運(yùn)動(dòng)速度分布，通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?biāo)定，也可由信號(hào)的電壓平均值得出物料的相對(duì)濃度或空隙率。

在試驗(yàn)開始之前，需要開展一系列標(biāo)定試驗(yàn)，比如標(biāo)定顆粒濃度與電信號(hào)、循環(huán)灰流量等。試驗(yàn)采用實(shí)際循環(huán)灰作為床料。

試驗(yàn)主要工況如表2 所示。各工況每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣10 組，采樣頻率100 kHz，采樣時(shí)間1.3 s。

表2 試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 外置換熱器內(nèi)氣固流動(dòng)特性

外置換熱器內(nèi)物料建立循環(huán)后，物料由分離器、立管進(jìn)入外置換熱器進(jìn)料倉(cāng)。隨著進(jìn)料倉(cāng)風(fēng)量增加，床層內(nèi)有大量氣泡產(chǎn)生，在到達(dá)床層頂部后氣泡破裂，顆粒被拋灑到上部的自由空間，一部分隨著氣流夾帶進(jìn)入返料倉(cāng)，另一部分落入床層。返料倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)情況與之類似，由于返料倉(cāng)的氣體速度略低，因此其流化程度不如進(jìn)料倉(cāng)劇烈。

當(dāng)流化風(fēng)速較低時(shí)，返料倉(cāng)內(nèi)有靜滯區(qū)存在，該區(qū)域主要位于返料倉(cāng)四周區(qū)域，角部區(qū)域尤為明顯。隨著風(fēng)量的增加，物料循環(huán)流率增加，返料倉(cāng)內(nèi)物料靜滯區(qū)逐漸減少，并直至消失。當(dāng)減小返料倉(cāng)某側(cè)風(fēng)室風(fēng)量后，該側(cè)物料移動(dòng)速度明顯下降，當(dāng)風(fēng)量過(guò)低后，該區(qū)域物料呈現(xiàn)靜滯狀態(tài)。當(dāng)打開側(cè)墻吹掃風(fēng)后，對(duì)應(yīng)風(fēng)口產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡的破裂導(dǎo)致該側(cè)區(qū)域流化加強(qiáng)，明顯強(qiáng)于未打開的一側(cè)。工況1 條件下返料倉(cāng)的顆粒濃度分布如圖5 所示。

圖5 工況1 的顆粒濃度分布情況

由圖5 可以看出，在邊避附近，顆粒濃度更高，當(dāng)?shù)竭_(dá)外置換熱器中間時(shí)，顆粒濃度最低。此特性在不同高度上均有發(fā)現(xiàn)，并與之前的研究結(jié)果一致。該區(qū)域的存在類似爐膛的環(huán)核結(jié)構(gòu)，即該邊界層內(nèi)的顆粒濃度較高，不易流動(dòng)，為此可考慮如何破壞該邊界層，或盡量降低邊界層的作用。

2.2.2 減少邊界層影響的措施

從其他工況的顆粒濃度分布情況可以發(fā)現(xiàn)，與工況1 相比，在減小側(cè)墻對(duì)應(yīng)返料倉(cāng)風(fēng)室風(fēng)量（工況2），對(duì)濃度分布影響明顯，高濃度區(qū)域增加。增加側(cè)墻對(duì)應(yīng)返料倉(cāng)風(fēng)室風(fēng)量（工況3），高濃度區(qū)域減少，均勻性變好。而當(dāng)增加返料倉(cāng)的整體流化風(fēng)速（工況4）時(shí)，高濃度區(qū)域明顯減少濃度分布更加均勻，這也與實(shí)爐試驗(yàn)的結(jié)果相符［14］。而在兩側(cè)風(fēng)室流化風(fēng)速達(dá)到0.25 m／s 時(shí)，降低中間風(fēng)室的流化風(fēng)量（工況5），整體仍然較為均勻。當(dāng)打開側(cè)墻吹掃風(fēng)（工況6，單個(gè)風(fēng)管吹掃風(fēng)量4 m3／h）時(shí)，吹掃風(fēng)位置附近的物料濃度明顯降低，顆粒均勻性變好。工況2—工況6的顆粒濃度分布如圖6 所示。

圖6 工況2—工況6 的顆粒濃度分布情況

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，適當(dāng)增加返料倉(cāng)流化風(fēng)的速度水平，有助于改善外置換熱器的濃度分布，有利于消除或減緩邊界層效果，改善偏差。此外，通過(guò)側(cè)壁送入橫向的吹掃風(fēng)，也有利于改善顆粒濃度分布水平。

3 結(jié)語(yǔ)

以660 MW 高效超超臨界CFB 鍋爐外置換熱器為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)的方法，提出灰側(cè)消除外置換熱器熱偏差的解決措施。

通過(guò)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)外置換熱器邊壁存在顆粒濃度更高的邊界層區(qū)域；通過(guò)分區(qū)布風(fēng)，單獨(dú)設(shè)置布風(fēng)板、側(cè)壁吹掃風(fēng)等措施，可以改善邊界層顆粒濃度，解決外置換熱器偏差問(wèn)題；后續(xù)擬進(jìn)一步開展試驗(yàn)，研究吹掃風(fēng)風(fēng)量與顆粒濃度分布的關(guān)系，以及顆粒濃度改善對(duì)熱負(fù)荷分布的影響，從而將兩方面措施有機(jī)結(jié)合，最終確保外置換熱器的安全、可靠。