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實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001；3.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，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，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］，是我國潔凈煤燃燒技術(shù)發(fā)展的重要方向。

隨著我國燃煤機組節(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)展過程中爐內(nèi)受熱面布置空間不足的問題。600 MW 超臨界CFB 鍋爐將末級再熱器和兩級過熱器置于其中，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。

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。

對于常規(guī)超臨界及以下參數(shù)鍋爐，該熱偏差不會引起外置換熱器管子超溫，即不會影響鍋爐安全穩(wěn)定運行。而對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，將會導致材料選擇困難，鍋爐方案將難以實施。

為解決實際工程中外置換熱器內(nèi)的熱偏差問題，以660 MW 高效超超臨界CFB 鍋爐外置換熱器為研究對象，通過試驗臺試驗，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，當外置換熱器運行時，工質(zhì)從單側(cè)引入，并從單側(cè)引出，同時灰顆粒也從單側(cè)進入外置換熱器。

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稱的壁溫分布來看，導致熱偏差的主要原因應不是來自外置換熱器的結(jié)構(gòu)和工質(zhì)側(cè)的受熱面布置，而更傾向于來自外置換熱器內(nèi)的氣固流動。

外置換熱器內(nèi)氣固流動為鼓泡流化床，目前的文獻資料通常只涉及兩個維度的流動特性，對于物料連續(xù)進出鼓泡床的研究極少［16］，王勤輝等試驗研究發(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)域由于邊壁效應的影響，其混合和氣固兩相流動的劇烈程度遠不如中間區(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］?？梢娨延醒芯堪l(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

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

2 灰側(cè)解決外置換熱器偏差試驗

2.1 試驗裝置及工況

試驗裝置見圖3，主要由循環(huán)流化床試驗臺（由風室、布風板、爐膛和分離器構(gòu)成）和外置換熱器組成，循環(huán)流化床試驗臺主要提供外置換熱器所需的物料，用于外置換熱器進行相關(guān)試驗。

圖3 外置換熱器試驗臺系統(tǒng)

研究表明，在小尺寸試驗臺上即可觀察到外置換熱器的偏差特性［11-12］，呂俊復等還推導出適用鼓泡流化床的一組相似準則數(shù)［17］?；跓o量綱準則數(shù)和實際外置換熱器尺寸，可以確定試驗模型外置換熱器的寬深尺寸需要在1 m 左右，同時結(jié)合實際輔助設備出力及場地，確定外置換熱器試驗臺尺寸，如表1 所示。

表1 外置換熱器主要設計參數(shù)

外置換熱器試驗臺與實際鍋爐結(jié)構(gòu)類似，即都有兩個倉室。第一個倉室與立管相連，因此該倉室也叫進料倉，其主要將顆粒溢流入第二倉，實際受熱面均布置于第二倉，其與爐膛相連接，也稱作返料倉。為便于研究消除偏差措施，在外置換熱器側(cè)壁設置了吹掃風，同時，沿外置換熱器寬度方向，設置了3 個獨立的風室，在外置換熱器左側(cè)墻距布風板720 mm 高度處設置6 個測點，具體布置如圖4 所示。測點分別測量距離壁面25 mm、125 mm、225 mm深度的濃度數(shù)據(jù)。

圖4 外置換熱器試驗臺結(jié)構(gòu)

試驗采用PV6 型顆粒速度統(tǒng)計分布測量儀測量外置換熱器內(nèi)局部顆粒濃度［18-19］，從而研究其氣固流動特性以及改善措施。

PV6 型顆粒速度測量儀應用計算兩通道信號互相關(guān)函數(shù)的方法測量顆粒物料運動速度。PV6 測量儀用光導纖維做為測量探頭，光源通過探頭內(nèi)的光導纖維引入到探頭前端的測量區(qū)域，測量區(qū)域處物料的反射光再由同束光纖傳回到探頭內(nèi)的光電檢測器，轉(zhuǎn)換成與物料濃度成比例的電壓信號，可由V=L／τ得出物料的運動速度分布，通過適當?shù)臉硕ǎ部捎尚盘柕碾妷浩骄档贸鑫锪系南鄬舛然蚩障堵省?/p>

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

試驗主要工況如表2 所示。各工況每個測點采樣10 組，采樣頻率100 kHz，采樣時間1.3 s。

表2 試驗工況

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 外置換熱器內(nèi)氣固流動特性

外置換熱器內(nèi)物料建立循環(huán)后，物料由分離器、立管進入外置換熱器進料倉。隨著進料倉風量增加，床層內(nèi)有大量氣泡產(chǎn)生，在到達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入返料倉，另一部分落入床層。返料倉內(nèi)的流動情況與之類似，由于返料倉的氣體速度略低，因此其流化程度不如進料倉劇烈。

當流化風速較低時，返料倉內(nèi)有靜滯區(qū)存在，該區(qū)域主要位于返料倉四周區(qū)域，角部區(qū)域尤為明顯。隨著風量的增加，物料循環(huán)流率增加，返料倉內(nèi)物料靜滯區(qū)逐漸減少，并直至消失。當減小返料倉某側(cè)風室風量后，該側(cè)物料移動速度明顯下降，當風量過低后，該區(qū)域物料呈現(xiàn)靜滯狀態(tài)。當打開側(cè)墻吹掃風后，對應風口產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡的破裂導致該側(cè)區(qū)域流化加強，明顯強于未打開的一側(cè)。工況1 條件下返料倉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?shù)竭_外置換熱器中間時，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，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)墻對應返料倉風室風量（工況2），對濃度分布影響明顯，高濃度區(qū)域增加。增加側(cè)墻對應返料倉風室風量（工況3），高濃度區(qū)域減少，均勻性變好。而當增加返料倉的整體流化風速（工況4）時，高濃度區(qū)域明顯減少濃度分布更加均勻，這也與實爐試驗的結(jié)果相符［14］。而在兩側(cè)風室流化風速達到0.25 m／s 時，降低中間風室的流化風量（工況5），整體仍然較為均勻。當打開側(cè)墻吹掃風（工況6，單個風管吹掃風量4 m3／h）時，吹掃風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

從以上試驗結(jié)果可以看出，適當增加返料倉流化風的速度水平，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，通過側(cè)壁送入橫向的吹掃風，也有利于改善顆粒濃度分布水平。

3 結(jié)語

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

通過試驗研究，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；通過分區(qū)布風，單獨設置布風板、側(cè)壁吹掃風等措施，可以改善邊界層顆粒濃度，解決外置換熱器偏差問題；后續(xù)擬進一步開展試驗，研究吹掃風風量與顆粒濃度分布的關(guān)系，以及顆粒濃度改善對熱負荷分布的影響，從而將兩方面措施有機結(jié)合，最終確保外置換熱器的安全、可靠。