辛勝偉，張 縵，王君峰，賀 峰，曹培慶，蔡潤夏，張 鵬，王 虎，陳建斌，楊海瑞

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

0 引 言

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術具有煤種適應性廣、SO2爐內脫除成本低、NOx原始生成低等優(yōu)點，是大規(guī)模燃用高灰分、低熱值劣質燃料的最佳選擇[1]。相比煤粉爐，CFB鍋爐在環(huán)保性能等方面具有優(yōu)勢，但供電效率仍顯不足[2]。因此，開發(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]。在國家“十一五”科技支撐計劃的支持下，我國成功研制了世界上第一臺600 MW超臨界CFB鍋爐，以及批量的350 MW超臨界CFB鍋爐，為開發(fā)超超臨界CFB鍋爐積累了豐富的經驗[4]。2016年7月，國家科技部批復國家重點研發(fā)計劃“超超臨界循環(huán)流化床技術研發(fā)與示范”項目，我國開始了660 MW超超臨界CFB鍋爐的研發(fā)，標志著我國CFB發(fā)電技術進入了新的發(fā)展時代。國內三大鍋爐廠針對660 MW超超臨界CFB鍋爐，提出了不同的設計方案，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)流化床鍋爐的關鍵部件，可通過控制進入換熱器內循環(huán)灰流量靈活調節(jié)爐內和爐外受熱面的吸熱比例，使受熱面布置更加靈活[6]。學者對比了帶外置式換熱器和不帶外置式換熱器的300 MW CFB鍋爐運行結果，發(fā)現(xiàn)外置式換熱器顯著改善中低負荷條件下爐膛溫度的均勻性[7]。白馬600 MW超臨界CFB鍋爐運行狀況表明：CFB鍋爐大型化及參數(shù)提升后，采用外置式換熱器設計能有效減少爐內受熱面的布置，增強床溫的可控性及均勻性[8]。這對于進一步降低NOx排放，同時提高爐內脫硫效率具有重要作用[9]。

高效超超臨界CFB鍋爐過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度均較高，爐內燃燒溫度采用800～900 ℃中溫燃燒技術。為了保持良好的低負荷汽溫調節(jié)特性，解決低負荷爐膛傳熱溫差不足的問題，有必要采用外置式換熱器。此外，污染物超低排放指標也要求更為精準的控制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行存在廠用電高、運行維護困難等問題[10]，改進后仍存在管束磨損、傳熱偏差等問題，危脅超超臨界CFB鍋爐安全運行。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鍵技術研究進展，提出660 MW超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器的設計方案，為超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器結構設計優(yōu)化和機組安全、可靠、經濟運行提供參考。

1 外置式換熱器研究現(xiàn)狀

外置式換熱器的結構選型設計對于灰量調節(jié)與吸熱量控制有重要影響。文獻報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型外置式換熱器結構示意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)灰部分進入外置式換熱器，部分直接返回爐膛，可以通過錐形機械閥較為準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，結果表明灰側傳熱系數(shù)與進口灰溫度、灰流量呈正相關，滿負荷最大傳熱系數(shù)可達到300～400 W/(m2·K)，該傳熱系數(shù)顯著高于爐內蒸發(fā)受熱面的傳熱系數(shù)。此外，負荷從100% BMCR降至50% BMCR時，外置式換熱器內總吸熱量從35%降至18%。較寬的吸熱量調節(jié)范圍有利于提高變負荷條件下爐膛溫度的穩(wěn)定性。而Wang等[8]在600 MW超臨界CFB鍋爐中進一步發(fā)現(xiàn)，從亞臨界條件進入超臨界條件，外置式換熱器內吸熱比例也存在明顯差別，再熱器吸熱減少，過熱器吸熱增多。Foster Wheeler型的整體式換熱器結構較為復雜(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個入口：來自回料閥的外循環(huán)和來自爐膛的內循環(huán)；2個出口：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，爐膛內循環(huán)使得大顆粒進入換熱器內部，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。該換熱器沒有獨立的熱灰回送系統(tǒng)，幾乎所有熱灰均流經受熱面，少部分經熱灰旁路通道返回爐膛?；伊髁考按矞卣{節(jié)依賴于返料口處的返料風氣動調節(jié)，導致其調控能力不如機械錐形閥。Li等[16]研究發(fā)現(xiàn)不同負荷條件下，INTREX內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類外置式換熱器代表著世界上2種CFB鍋爐的設計流派，由于國內大型CFB鍋爐主要都采用Lurgi型外置式換熱器，關于其傳熱運行特性的研究也較為充分。

圖2 Foster Wheeler型外置式換熱器結構示意Fig.2 Schematic diagram of EHE of Foster Wheeler

外置式換熱器另一個研究關注點是運行穩(wěn)定性。我國首臺300 MW亞臨界CFB鍋爐示范機組引進法國Alstom公司技術[17]。其外置式換熱器整體運行較為成功，但存在受熱面管束爆管、個別管子磨損和管夾與吊掛管之間的磨損(圖3)等問題，影響機組的長期安全、穩(wěn)定運行。由于外置式換熱器內顆粒粒徑較細，流化風速較低，顆粒沖刷所導致的磨損較小。局部管束磨損主要是因為傳熱偏差及局部流化不良導致的。而管夾與懸吊管束之間的磨損則較為嚴重。低溫條件下管夾與懸吊管束之間緊固，而高溫條件導致的熱膨脹使得兩者出現(xiàn)相對位移[18]。氣泡破裂和顆粒宏觀水平流動將導致管夾與懸吊管束發(fā)生嚴重磨損。為解決這個問題，600 MW CFB鍋爐中將管屏由垂直于宏觀灰流動方向改為平行于宏觀灰流動布置，并將管卡與吊掛管之間焊接固定，解決了管卡磨損的問題?，F(xiàn)階段，制約超超臨界CFB鍋爐外置式換熱器研發(fā)的關鍵問題，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題

600 MW超臨界CFB鍋爐的外置式換熱器運行中發(fā)現(xiàn)了明顯的壁溫偏差問題。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表1，不同容量CFB鍋爐中都出現(xiàn)了類似的壁溫不均勻現(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，再熱蒸汽設計溫度達到623 ℃。若保證平均蒸汽溫度達標，中心區(qū)域的最高溫度可能會超過管材料的許用溫度。長期運行中，容易引起受熱面管束爆管導致鍋爐停機。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行，必須弄清受熱管屏壁溫偏差產生機制。

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)外置式換熱床中測量床側傳熱系數(shù)的空間分布規(guī)律[20]，如圖4所示(x為外置式換熱器內測點與避面的距離，Xw為外置式換熱器床面寬度，Ug為流化風速)。可知外置式換熱器內傳熱系數(shù)與受熱面布置的空間位置密切相關。流化風速Ug=0.4 m/s時，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。邊壁流動區(qū)占床面寬度的25%～30%。這主要是由于氣泡在布風板生成后，逐漸向床中央移動，導致靠近壁面出現(xiàn)乏氣泡區(qū)[21-22]。氣泡頻率降低導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

管屏布置位置對于傳熱系數(shù)的影響如圖5所示，分別測量錯列布置管屏第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%。表明當傳熱管遠離壁面邊壁區(qū)時，傳熱系數(shù)偏差問題可以得到改善。

圖5 錯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受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，管束壁溫和汽溫差較大，實際管壁溫度也需要進行核算，結果顯示：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，外置式換熱器內壁溫偏差與鼓泡流態(tài)化下氣泡行為密切相關。通過一些手段可以緩解壁溫偏差，但實際運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，全部布置汽溫相對較低的中溫過熱器，以保證受熱面的可靠性。

660 MW超超臨界CFB鍋爐的中溫過熱器分為兩級，分別布置于4個外置式換熱器中。每級中溫過熱器的溫升較小，只有37 ℃，管屏偏差可以控制在20 ℃以內，為保證足夠余量管屏偏差，按30 ℃考慮。同樣對外置式換熱器內中溫過熱器高溫段壁溫進行計算，結果見表2。若中溫過熱器管屏壁溫和出口汽溫差在極端工況為48 ℃，通過受熱面比配和計算，可以控制中溫過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 ℃。對于外置式換熱器內中溫過熱器采用TP347H和TP347HFG材料即可滿足要求，并仍可以保證一定的余量。

表2 外置式換熱器內中溫過熱器計算結果Table 2 Calculation of medium temperature superheater in EHE

3.2 外置式換熱器結構設計優(yōu)化

為了進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題，針對外置式換熱器的結構設計采取優(yōu)化措施。

3.2.1受熱面管排布置方式

引進型300 MW亞臨界CFB鍋爐機組外置式換熱器管排布置與灰流動的方向垂直，在亞臨界參數(shù)對應的溫度下，其管排之間由于吸熱量不同帶來明顯的熱偏差問題，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的方向一致的布置方式，雖然在實際運行過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，其熱偏差可通過結構和尺寸優(yōu)化進一步得到改善。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構示意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鍋爐運行經驗表明，外置式換熱器邊壁傳熱性能較差?；陔娮璺ǖ耐庵檬綋Q熱器流化均勻性分布實爐測試[25]結果表明，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)域內高溫再熱器管屏出口溫度偏差可達50 ℃。為保證外置式換熱器管屏汽溫分布均勻，設計時應避免管屏布置在邊壁區(qū)內，管屏距離邊壁的距離應由傳統(tǒng)設計的250 mm增至500 mm以上。通過以上措施改善外置式換熱器內的氣固流動及傳熱行為，以減小顆粒側傳熱偏差。

最后，針對外置式換熱器吸熱量及爐膛溫度進行校核，如圖7所示。計算結果表明，外置式換熱器內布置中溫過熱器對爐膛燃燒溫度有非常強的調節(jié)作用，50%以上負荷可以保證爐膛溫度基本不變。20%負荷工況下爐膛出口煙溫仍達到650 ℃，顯著優(yōu)于不帶外置式換熱器的工況。該校核計算也表明，取消高溫再熱器將其布置于爐內并不會影響外置式換熱器對于爐膛溫度的調節(jié)能力，仍可保證低負荷時爐膛燃燒溫度和蒸汽溫度。

圖7 有無外置式換熱器條件下爐膛溫度隨負荷的變化規(guī)律Fig.7 Change of furnace temperature with load under the condition of EHE

4 結 論

1)外置式換熱器是大型循環(huán)流化床鍋爐的關鍵部件，通過引進型300 MW亞臨界CFB鍋爐和600 MW超臨界CFB鍋爐運行經驗，解決了外置式換熱器受熱面磨損爆管的問題，其運行可靠性大幅提升，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計計算表明，外置式換熱器布置高溫再熱器受熱面時，管子中徑壁溫與汽溫差可達到58 ℃，顯著制約外置式換熱器的安全運行。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較低的中溫過熱器，并通過管排布置方式、邊壁管屏與壁面間的距離等措施減小顆粒側熱偏差。該設計在保證外置式換熱器安全運行的同時，仍可有效調控爐膛溫度和蒸汽溫度。