600MW超臨界循環流化床鍋爐外置床壁溫特性分析

孫獻斌，胡昌華，李星華,雷秀堅，陶世健，鄺偉

(1. 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京市 100098；2.四川循環流化床白馬示范電站有限責任公司，四川省內江市 641005)

600MW超臨界循環流化床鍋爐外置床壁溫特性分析

孫獻斌1，胡昌華2，李星華2,雷秀堅2，陶世健2，鄺偉2

(1. 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京市 100098；2.四川循環流化床白馬示范電站有限責任公司，四川省內江市 641005)

為了防止首臺600 MW超臨界循環流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐外置床受熱面發生壁溫超溫現象，在受熱面管壁上安裝了溫度測點。對鍋爐額定負荷下的外置床受熱面管壁溫度進行了測量，得到了外置床受熱面管壁溫度的分布特性，在測量數據的基礎上分析了外置床受熱面的運行安全性。研究結果表明，外置床內的高溫再熱器管壁溫度呈中間高、兩邊低的馬鞍形分布，而中溫過熱器Ⅰ及中溫過熱器Ⅱ管壁溫度分布比較均勻；外置床受熱面管壁溫度均在所使用材料的最高允許溫度之內，并有足夠的溫度裕度。最后，針對外置床運行過程中的管壁溫度報警值的設定方法提出了技術建議。

循環流化床(CFB)鍋爐；超臨界參數；外置床；管壁溫度

0 引 言

超臨界循環流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐由于具有和煤粉鍋爐相當的熱效率,且燃料適應性好，同時還能夠以比較經濟的方式達到低的SO2及NOx排放值，由此而成為清潔煤發電技術的重要發展方向之一[1-3]。“十一五”期間，我國自主研究開發了600 MW超臨界CFB鍋爐，安裝在四川白馬示范電站有限責任公司，該臺世界上容量最大的超臨界CFB鍋爐于2013年4月成功投入運行。白馬600 MW超臨界循環流化床鍋爐設有6臺外置床，布置在鍋爐爐膛的兩側，外置床內分別布置高溫再熱器、中溫過熱器Ⅰ及中溫過熱器Ⅱ[4]。外置床是白馬600 MW超臨界CFB鍋爐的關鍵部件，其運行可靠性對CFB鍋爐的安全運行至關重要。已投運的300 MW CFB鍋爐運行情況表明，外置床出現的受熱面爆管等問題在一定程度上影響了部分CFB鍋爐的可用率[5-6]。研究表明，影響外置床可靠性的主要因素是微振型磨損及超溫過熱而引起的受熱面泄漏和爆管[6]。

近年來，針對國內已投運的17臺引進的300 MW CFB鍋爐的運行狀況，鍋爐制造廠和研究單位對外置床的結構設計進行了技術改進，使外置床的運行可靠性得到大幅度提高，但尚未完全解決受熱面的爆管問題。除了正確設計外置床的結構外，運行過程中準確監測外置床受熱面管壁溫度對其運行可靠性同樣重要。為了提高白馬600 MW 超臨界CFB鍋爐的運行可靠性，在外置床受熱面的出口段和聯箱之間的管段上安裝了壁溫測點，鍋爐投運后對外置床內受熱面的管壁溫度特性進行了測量和研究，以驗證設計和計算方法的準確性，并為防止外置床受熱面過熱爆管及以后的外置床的優化設計提供技術依據。

1 外置床結構及壁溫測點布置

600 MW 超臨界CFB鍋爐的外置床結構如圖1所示。CFB鍋爐旋風分離器分離下來的循環灰，經過錐型閥的控制，經高溫灰管道和進灰口流入到外置床的進料室，在高壓流化風的作用下，高溫灰從進口隔墻上方流入換熱室。在換熱室流化風的作用下，高溫灰處于低速流態化狀態，并和受熱面換熱后經出灰口流出換熱室，經低溫灰管道返回爐膛。外置床內受熱面采用水平布置方式，用管子懸吊和固定。

圖1 外置床結構及壁溫測點分布

為了在運行過程中監測外置床受熱面管壁溫度，每個外置床受熱面出口聯箱和換熱室外殼體之間的直管段上，裝設了鎧裝熱電偶壁溫測點。壁溫測點設在高溫灰的迎流面第1、3、5根管子上，每個外置床的11片屏上裝有壁溫測點。壁溫測點采用了圖2所示的集熱塊壁溫測點結構，熱電偶通過螺釘固定在集熱塊腔室中，集熱塊三面滿焊在管壁上，集熱塊外敷設保溫層[7-10]。

圖2 外置床受熱面壁溫測點結構

2 試驗結果及分析

在額定負荷下，測得600 MW超臨界CFB鍋爐的外置床壁溫分布特性如圖3所示。通過監測外置床壁溫水平和分布特點，可準確掌握外置床壁溫特性。由圖3可知，沿外置床寬度方向，高溫再熱器管壁溫度呈中間高、兩邊低的馬鞍形分布，中溫過熱器Ⅰ及中溫過熱器Ⅱ管壁溫度分布則相對比較均勻。外置床內受熱面壁溫特性和受熱面吸熱不均勻性、管壁熱流密度、管內流量不均勻性和結構不均勻性有關。

圖3 外置床受熱面管壁溫度分布特性曲線

在進行外置床受熱面計算時，將偏差管(工質焓值大于平均值的管子)管壁金屬(沿厚度)平均溫度作為管子強度計算的基礎，該溫度稱為計算壁溫tb，其表達式為

(1)

式中：t為工質溫度，即所求管壁溫度處工質的平均溫度， ℃；Δtpc為溫度偏差，由于外置床受熱不均造成的工質最高溫度與平均溫度的偏差值， ℃；β為管外徑dW與內徑dn的比值；μ為熱散漫系數，考慮熱量會沿管壁向溫度低的地方散漫而管壁溫度會有降低的改正系數，為小于1的數值；qmax為受熱最強管在計算管壁溫度處的熱負荷，W/m2；δ為管壁厚度，m；λ為管壁鋼材的導熱系數，W/(m2· ℃)；α2為工質側對流放熱系數，W/(m2· ℃)[11-13]。

偏差管外壁溫度用來評估氧化皮形成的可能性，其表達式為

(2)

由式(1)(2)可以看出：工質溫度高、熱偏差大、傳熱強度大都會使管壁溫度升高；蒸汽流速高、放熱系數α2大都可以使管壁溫度降低。以上幾個因素中，蒸汽溫度的高低所起作用最大，是主要因素，其次是傳熱強度，再次是放熱系數α2以及熱偏差的大小。

觀察組使用CT檢查診斷準確率明顯高于對照組使用B超檢查診斷準確率，兩組數據差異明顯。有統計學意義（P＜0.05）。見附表。

布置在外置床中的過熱器管子承受很高的壓力，管壁溫度如果過高，管子的蠕變速度就會增大。某些合金鋼可以在高溫下承受較大應力，蠕變速度低，是作為過熱器的理想材料。國內超臨界鍋爐常用過熱器受熱面的合金鋼主要有：Super304H、HR3C、SA213-TP347HFG、SA213-TP304H、SA213-TP321H、T91等。

對外置床中的受熱面內的蒸汽流動方向而言，可分為如圖4所示的2種布置方式。順流可以得到較低的管壁溫度，但其溫壓最低，需要的受熱面大。逆流可以得到較高的溫壓，傳熱較強，可節省受熱面，但管壁溫度最高。在CFB鍋爐的外置床內，由于空間位置較小，一般不采用較為復雜的混流布置方案。

圖4 外置床內受熱面管束布置方式

白馬電廠600 MW超臨界CFB鍋爐外置床受熱面采用逆流布置方式。高溫再熱器壁溫的計算值為641 ℃，管子選用SA-321TP347H材料，該材料具有良好的抗蠕變性能和抗高溫氧化性能，許用應力下的許用溫度為680 ℃。中溫過熱器Ⅱ壁溫的計算值為577 ℃，由于工質壓力升高，采用耐高溫性能更好的材料super304H，其材料允許的使用溫度為620 ℃。中溫過熱器Ⅰ壁溫的計算值為541 ℃，采用的材料為SA-321TP347H，其材料允許的使用溫度為602 ℃。

由于高溫再熱器、中溫過熱器Ⅰ及中溫過熱器Ⅱ均采用了如圖5所示的聯箱端部引入工質和引出工質的U型連接方式，且受熱面結構形式基本相同。故圖3所示的外置床壁溫分布特性和管內流量不均勻性和結構不均勻性關系不大。

圖5 外置床內受熱面的聯箱布置方式

通過以上分析可知，圖3所示外置床壁溫分布特性可能和沿寬度方向的灰流分布不均勻及由此而引起的吸熱不均勻性有關，而這種吸熱不均勻性仍有待于通過進一步的試驗研究來確定，以更準確地確定偏差管的位置。

管壁溫度分布可用不均勻系數來表征，管壁溫度不均勻系數為

(3)

式中：Δx為管壁溫度不均勻系數，%；tbmax為最高管壁溫度， ℃；tbmin為最低管壁溫度， ℃；tbpj為平均管壁溫度， ℃；

為了便于運行人員判斷是否存在超溫并調整CFB鍋爐的燃燒工況，CFB鍋爐的外置床管壁溫度都設有報警值，各個管組的報警值應根據在各種工況下的管壁溫度計算值和試驗值來設定。

表1外置床管壁溫度不均勻系數

Tab.1Non-uniformcoefficientsoftubewalltemperatureofEHE

白馬600 MW超臨界CFB鍋爐外置床壁溫測點設置在外置床外管壁上，其測量的壁溫水平低于外置床內的最高壁溫值。因此，外置床內管壁最高溫度可在外置床外部管壁溫度測量值基礎上進行疊加計算。而外置床外部管壁測點溫度與其對應的外置床內部管壁溫度之間的差值Δt尚無法確定, 目前暫時按已運行的300 MW CFB鍋爐得到的經驗值確定Δt。因此，外置床內的管壁溫度為

tbi=tbo+Δt

(4)

式中：tbi為外置床內管壁溫度， ℃；tbo為外置床外管壁溫度， ℃；Δt為外置床內、外管壁溫度差， ℃。

外置床內、外管壁溫度差Δt主要受外置床外管壁溫度測點保溫良好程度、外置床內受熱面熱流密度、管內質量流速等因素影響，經驗值為30～50 ℃。

為避免在特殊工況(如機組甩負荷、給水泵跳閘)下可能出現的外置床管壁溫度超過材質的許用溫度的情況，需要在白馬600 MW超臨界CFB鍋爐上進一步研究直接測量床內熱灰側管壁溫度的方法，對床外管壁溫度測量值進行標定，準確測量出床內和床外管壁溫度的差值Δt, 建立Δt的關聯模型，從而設定更為準確的壁溫運行允許上限值和報警值。

3 結 論

(1)600 MW超臨界CFB鍋爐在額定負荷工況下高溫再熱器管壁溫度不均勻系數為13.59%，大于中溫過熱器Ⅰ和中溫過熱器Ⅱ的管壁溫度不均勻系數；高溫再熱器管壁溫度呈中間高、兩邊低的馬鞍形分布，而中溫過熱器Ⅰ及中溫過熱器Ⅱ管壁溫度分布比較均勻。(2)鍋爐在額定負荷工況下，高溫再熱器床外管壁最高溫度為591 ℃，中溫過熱器Ⅰ床外管壁最高溫度為491 ℃，中溫過熱器Ⅱ床外管壁最高溫度為527 ℃，均在所使用的材料的最高允許溫度之內，并有足夠的溫度裕度。(3)外置床管壁溫度報警值的設定，尚需要進一步測量出床內和床外管壁溫度的差值，設定更為準確的壁溫運行報警值，為外置床的安全穩定運行提供技術保障。

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(編輯：蔣毅恒)

TubeWallTemperatureCharacteristicofExternalHeatExchangerin600MWSupercriticalCFBBoiler

SUN Xianbin1, HU Changhua2, LI Xinghua2, LEI Xiujian2, TAO Shijian2, KUANG Wei2

(1. Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 100098, China;2. Sichuan Baima CFB Demonstration Power Plant Co., Ltd., Neijiang 641005, Sichuan Province, China)

In order to prevent the overtemperature of heating surface in external heat exchanger (EHE) of the first 600 MW supercritical circulating fluidized bed (CFB) boiler, temperature measuring points were installed on the heating surface tube. The tube wall temperature of EHE was measured under boiler rated load, and its distribution characteristics were obtained. Then, the operation safety of EHE heating surface was analyzed based on measured data. The research results show that the tube wall temperature of high temperature reheater in EHE is saddle distribution which is high in the middle and low on both sides; while the tube wall temperature distribution is more uniform for medium temperature superheater Ⅰ and medium temperature superheater Ⅱ. The tube wall temperature of EHE heating surface is within the maximum allowable temperature of the material used, and has enough margins. Finally, this paper proposed some technical suggestions on the setting method of alarm value for tube wall temperature in EHE operation.

circulating fluidized bed(CFB) boiler; supercritical parameters; external heat exchanger; tube wall temperature

“十二五”國家科技支撐計劃重大項目(2012BAA02B02)；國家電網公司科學技術項目(BMCFB60KY10-148)。

TM 621.2

： A

： 1000-7229(2014)04-0006-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.04.002

2013- 10- 23

：2013- 11- 30

孫獻斌(1963)，男，工學碩士，研究員，院首席科學家，從事循環流化床鍋爐及清潔煤發電技術研究工作，E-mail:sunxianbin@hnceri.com；

胡昌華(1965)，男，學士，教授級高級工程師，從事循環流化床鍋爐的基建、調試及生產管理工作；

李星華(1964)，男，高級工程師，從事循環流化床鍋爐的基建、調試及生產管理工作；

雷秀堅(1965)，男，高級工程師，從事循環流化床鍋爐的運行及生產管理工作；

陶世健(1965)，男，高級工程師，從事循環流化床鍋爐的基建及運行技術工作；

鄺偉(1974)，男，高級工程師，從事循環流化床鍋爐的運行與檢修技術工作。