300 MW循環(huán)流化床鍋爐屏式過熱器傳熱特性及壁溫研究

程竹靜，管 堅(jiān)

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

0 引言

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐以其高燃燒效率、低污染物排放、廣泛的燃料適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了迅猛的發(fā)展［1－5］。大型循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)廣泛使用屏式受熱面來吸收爐膛熱量，維持合理的爐膛溫度。循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)屏式受熱面的傳熱與煤粉鍋爐有著本質(zhì)差別［6－7］。煤粉爐中，屏式受熱面的傳熱以輻射為主，而在循環(huán)流化床鍋爐中，由于大量顆粒的存在，使得屏式受熱面的傳熱同時受到對流和輻射兩方面因素的影響［8］，因此更為復(fù)雜。

本文以某電廠一臺國產(chǎn)300 MW循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，考察了實(shí)爐運(yùn)行過程中高溫過熱屏的傳熱系數(shù)隨負(fù)荷的變化規(guī)律。同時，采用建立的循環(huán)流化床屏式受熱面煙氣側(cè)傳熱模型，分析了高溫過熱屏在3個典型的鍋爐負(fù)荷條件下，管內(nèi)蒸汽溫度和管壁金屬溫度沿管長方向的變化趨勢。其結(jié)果為深入了解循環(huán)流化床鍋爐屏式過熱器傳熱特性和壁溫分布特性提供了重要參考。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)簡介

該300 MW循環(huán)流化床鍋爐采用單爐膛、單布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，爐膛出口布置3個絕熱式旋風(fēng)分離器，爐膛上部布置10片水冷屏、12片中溫過熱屏、12片高溫過熱屏和6片高溫再熱屏。尾部采用雙煙道布置方式，分別布置低溫過熱器、低溫再熱器和省煤器，尾部煙道下部布置旋轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

2 循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱屏換熱模型

2.1 計(jì)算對象基礎(chǔ)參數(shù)

本文研究的某電廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱屏結(jié)構(gòu)如圖1所示，屏由低溫段和高溫段兩片小屏組成，每片小屏由20根管徑為51 mm的管子構(gòu)成。值得注意的是，為了提高蒸汽在管內(nèi)的流動速度，兩片小屏采用的較為特殊的串聯(lián)方式(如圖1所示)。為了研究的方便，我們規(guī)定了每片小屏邊界的管子代號，如圖1所示，沿著爐膛前墻至后墻的方向分別為01#，20#，21#和40#管，下面將對這4根典型的受熱面管子進(jìn)行重點(diǎn)研究。

圖1 高溫過熱器結(jié)構(gòu)及蒸汽流程圖

本文選取了鍋爐的3個典型工況進(jìn)行研究，分別是BMCR，75%BMCR和50%BMCR工況，表1為鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況的參數(shù)。

表1 實(shí)爐運(yùn)行工況參數(shù)

在考慮高溫過熱屏煙氣側(cè)傳熱模型時，將受熱面管子劃分為n個區(qū)段進(jìn)行研究，考察每個區(qū)段管子的傳熱特性及壁溫分布特性。以01#管為例進(jìn)行說明，根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的公式，煙氣側(cè)傳熱系數(shù)由輻射和對流兩部分構(gòu)成，總傳熱系數(shù)可表示為

式中 α1(01，i)——煙氣側(cè)傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

αr(01，i)——爐膛向屏的輻射傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

αc(01，i)——爐膛向屏的對流傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1，(01，i)代表 01#管的第 i區(qū)段。

2.2 煙氣側(cè)輻射傳熱模型建立

根據(jù)輻射傳熱原理，輻射傳熱系數(shù)與黑度ε、爐膛溫度Tb和屏式受熱面金屬外表面壁溫Tw關(guān)聯(lián)

式中 σ——斯蒂芬 －波爾茲曼常數(shù)/W·m－2·℃－4，取值 5.67 ×10－8;

ε——系統(tǒng)黑度;

Tw(01，i)——受熱面金屬外表面壁溫/℃ ;

Tb(01，i)——爐膛溫度/℃。

Tw(01，i)與工質(zhì)溫度、受熱面管結(jié)構(gòu)、管壁厚度、管壁導(dǎo)熱系數(shù)、熱負(fù)荷以及工質(zhì)傳熱系數(shù)等有關(guān)，鍋爐熱力計(jì)算方法［9］，Tw(01，i)可由下式確定

式中 Tf(01，i)——該區(qū)段管內(nèi)工質(zhì)溫度/℃;

δ——管壁厚度/m;

β——管外徑與內(nèi)徑比值;

λ——管壁金屬導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

μ——熱散漫系數(shù);

q(01，i)——該區(qū)段的熱負(fù)荷/W·m－2;

α2(01，i)——管內(nèi)工質(zhì)與受熱面的對流傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1，反映了管內(nèi)工質(zhì)對金屬管壁的冷卻效果。

2.3 煙氣側(cè)對流傳熱模型的建立

根據(jù)大量學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)流化床鍋爐屏式受熱對流傳熱與顆粒密度、顆粒粒徑、空隙率、煙氣速度以及循環(huán)系統(tǒng)的工作性能有關(guān)，已有學(xué)者對爐內(nèi)對流傳熱進(jìn)行了一系列的研究并給出了相應(yīng)的函數(shù)形式［10－11］，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的 300MW CFB 鍋爐數(shù)據(jù)求得的經(jīng)驗(yàn)公式如式(4)［12］

式中 v——煙氣速度/m·s－1;

ρp(01，i)——該區(qū)段的平均顆粒質(zhì)量濃度/kg·m－3。

利用在實(shí)際運(yùn)行鍋爐爐膛內(nèi)不同高度的壓力測量數(shù)據(jù)，可得到平均顆粒質(zhì)量濃度沿爐膛高度方向的變化規(guī)律

式中 h(01，i)——第i區(qū)段到布風(fēng)板的距離/m;

H——爐膛總高度/m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模型計(jì)算了結(jié)果，得出了01#、20#、21#和40#管子在50%BMCR，75%BMCR和 BMCR負(fù)荷下，管內(nèi)工質(zhì)溫度的沿程分布情況，如圖2、圖3和圖4給出。從圖中可以看出，工質(zhì)從21#和40#管入口進(jìn)入高溫過熱屏，隨后工質(zhì)溫度沿著流動方向不斷升高，在進(jìn)入澆注料區(qū)域后溫度上升速度變得平緩，最后進(jìn)入01#和21#管繼續(xù)升溫直到管子出口。在整個工質(zhì)升溫過程中，沒有明顯的溫度突變現(xiàn)象，這也說明了循環(huán)流化床鍋爐相比于煤粉鍋爐，由于輻射傳熱和顆粒對流傳熱協(xié)同作用下，屏式受熱面熱負(fù)荷非常均勻，不存在局部極高的熱流密度區(qū)域。

圖2 50%BMCR負(fù)荷下4根管內(nèi)工質(zhì)溫度沿程分布

圖5和圖6顯示了鍋爐3個負(fù)荷下，01#，20#，21#和40#管子金屬溫度沿程分布趨勢。從圖中可見，管子在3根負(fù)荷下的金屬溫度沿著管長方向逐漸上升，在澆注料區(qū)域溫度迅速降低，接近了管內(nèi)工質(zhì)的溫度。同樣，管子金屬溫度沒有出現(xiàn)明顯的突變區(qū)域，最高金屬溫度出現(xiàn)在蒸汽出口處，所有管子3個負(fù)荷下金屬溫度低于560℃，均在高溫過熱屏材料SA213－T91的溫度許用范圍內(nèi)(管子壁溫小于580℃)。

圖3 75%BMCR負(fù)荷下4根管內(nèi)工質(zhì)溫度沿程分布

圖4 BMCR負(fù)荷下4根管內(nèi)工質(zhì)溫度沿程分布

圖5 20#和21#管壁金屬溫度沿程分布

值得關(guān)注的是，在圖5和圖6中可以看出，處于低溫段受熱面的管子(21#管和40#管)的金屬溫度隨著鍋爐負(fù)荷增加而增加;但是處于高溫段受熱面的管子(01#管和20#管)的最高金屬壁溫則出現(xiàn)在75%BMCR的鍋爐負(fù)荷下。為此，對鍋爐不同負(fù)荷下高溫過熱屏的傳熱系數(shù)進(jìn)行分析，按照實(shí)爐運(yùn)行的數(shù)據(jù)計(jì)算了鍋爐不同負(fù)荷下高溫過熱屏的傳熱系數(shù)，如圖7所示。在鍋爐216 MW(約75%BMCR)負(fù)荷下，蒸汽流量為743 t/h，高溫過熱屏的傳熱系數(shù)為166 W/(m2·℃);在鍋爐301 MW(BMCR)負(fù)荷下，蒸汽流量為1 034 t/h，高溫過熱屏的傳熱系數(shù)為178 W/(m2·℃)。對比這兩個負(fù)荷，鍋爐蒸汽流量在75%BMCR負(fù)荷比BMCR負(fù)荷少了28%，但傳熱系數(shù)只下降了6.7%，在低負(fù)荷下高溫過熱屏管子壁面得不到管內(nèi)蒸汽的充分冷卻，導(dǎo)致了管壁溫度的升高。這同時也驗(yàn)證了為什么循環(huán)流化床鍋爐屏式受熱面在低負(fù)荷下易發(fā)生超溫及爆管的主要原因［13－14］。

圖6 01#和40#管壁金屬溫度沿程分布

圖7 高溫過熱屏傳熱系數(shù)隨機(jī)組負(fù)荷的變化趨勢

本臺鍋爐的中溫過熱屏和高溫過熱屏均在的爐內(nèi)，在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)考慮到了屏式過熱器低負(fù)荷運(yùn)行的安全性問題，因此在BMCR負(fù)荷下兩級過熱器噴水量設(shè)計(jì)極少，而在低負(fù)荷下加大噴水量防止屏式過熱器超溫。這種設(shè)計(jì)思路有效了防止了屏式過熱器在低負(fù)荷的超溫問題，但對于設(shè)計(jì)者提出了較高的要求，必須將屏式受熱面的傳熱系數(shù)選擇的較為精確。本臺300 MW循環(huán)流化床鍋爐總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，但在高負(fù)荷運(yùn)行時出現(xiàn)了主汽溫度不夠的問題，在以后的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)建立了屏式受熱面煙氣側(cè)的傳熱模型，通過對受熱面管子的分區(qū)段計(jì)算，得到了50%BMCR、75%BMCR和BMCR負(fù)荷下，4根典型管子中工質(zhì)溫度和管壁金屬溫度的沿程分布特性。管壁金屬溫度沒有明顯突升現(xiàn)象，最高壁溫出現(xiàn)在工質(zhì)出口處，說明了爐內(nèi)的屏式受熱面熱負(fù)荷非常均勻。

(2)本文研究表明，受熱面管子最高的金屬壁溫出現(xiàn)在鍋爐75%BMCR負(fù)荷下，通過實(shí)爐運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析了循環(huán)流化床鍋爐屏式受熱面在低負(fù)荷下容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象的原因，研究結(jié)果可為大型循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供重要的參考。

［1］張縵，別如山，王鳳君.超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)特點(diǎn)比較［J］.熱能動力工程，2009，24(3):272 －276.

［2］王純良.循環(huán)流化床國內(nèi)外現(xiàn)狀分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(2):143 －144.

［3］呂清剛，宋國良，孫運(yùn)凱.690 t/h循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)與運(yùn)行特性分析［J］.動力工程學(xué)報，2010，30(12):899－903.

［4］任福權(quán).循環(huán)流化床二次風(fēng)射流的研究現(xiàn)狀［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(1):68 －72.

［5］蔣敏華，孫獻(xiàn)斌.大型循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)研制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(23):51 －56.

［6］董芃，溫龍.循環(huán)流化床傳熱研究的綜述［J］.熱能動力工程，1990，5(6):30 －36.

［7］李燕，李文凱，吳玉新，等.循環(huán)流化床鍋爐翼形墻受熱面壁溫特性分析［J］.熱能動力工程，2009，24(3):362－366.

［8］董芃，溫龍.操作參數(shù)對循環(huán)流化床傳熱特性的影響［J］.節(jié)能技術(shù)，1990(6):12－15.

［9］古爾維奇，庫茲涅佐夫.鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法［M］.北京鍋爐廠譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976:113－115.

［10］張瑞卿，楊海瑞，呂俊復(fù)，等.循環(huán)流化床鍋爐爐膛的傳熱計(jì)算［J］.動力工程學(xué)報，2011，31(4):248 －252.

［11］鄺平健，劉文鐵，曹偉武.循環(huán)流化床稀相區(qū)對流換熱的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2006，24(2):429－432.

［12］吳海波，張縵，孫運(yùn)凱，等.300 MW循環(huán)流化床鍋爐屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算及其變化規(guī)律［J］.動力工程學(xué)報，2012，32(8):586 －590.

［13］段寶.330 MW循環(huán)流化床屏式受熱面超溫分析和預(yù)防措施［J］.電站系統(tǒng)工程，2012，28(1):39 －31.

［14］吳海波，張縵，孫運(yùn)凱，等.300 MWCFB鍋爐屏式中溫過熱器管壁溫度計(jì)算分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2012，28(2):5－7.