超超臨界循環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

循環流化床燃燒技術以其節能環保優勢，在近五十年得到迅速發展，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發展的重要方向。

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

隨著鍋爐容量增大、蒸汽參數提高，爐內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展過程中爐內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，具有良好的調節床溫、汽溫效果，為660 MW 高效超超臨界的開發奠定了基礎。

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。

對于常規超臨界及以下參數鍋爐，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定運行。而對超超臨界或高效超超臨界參數鍋爐，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構如圖1 所示。從圖1 中可以看出，當外置換熱器運行時，工質從單側引入，并從單側引出，同時灰顆粒也從單側進入外置換熱器。

圖1 外置換熱器結構

鄭興勝等研究發現，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構和工質側的受熱面布置，而更傾向于來自外置換熱器內的氣固流動。

外置換熱器內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，對于物料連續進出鼓泡床的研究極少［16］，王勤輝等試驗研究發現，外置換熱器內的傳熱特性并不均勻，中間區域傳熱系數明顯高于邊壁區域［11］。楊磊等試驗研究發現，外置換熱器靠近邊壁的區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域，中間的換熱系數很明顯大于兩側的換熱系數［12］?？梢娨延醒芯堪l現外置換熱器內存在偏差，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，有多種解決受熱面偏差的措施，包括通過流量調節、敷設耐火材料調整傳熱等等?？紤]到外置換熱器的實際情況不便敷設耐火材料，因此可以通過調節工質流量分配，使其與壁溫偏差特性相適應，從而從工質側解決偏差問題。另一方面，也可以同時考慮從灰側入手，通過改善其氣固流動特性實現減少偏差的效果。

2 灰側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，主要由循環流化床試驗臺（由風室、布風板、爐膛和分離器構成）和外置換熱器組成，循環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試驗。

圖3 外置換熱器試驗臺系統

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［17］?；跓o量綱準則數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

外置換熱器試驗臺與實際鍋爐結構類似，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深度的濃度數據。

圖4 外置換熱器試驗臺結構

試驗采用PV6 型顆粒速度統計分布測量儀測量外置換熱器內局部顆粒濃度［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函數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，光源通過探頭內的光導纖維引入到探頭前端的測量區域，測量區域處物料的反射光再由同束光纖傳回到探頭內的光電檢測器，轉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，通過適當的標定，也可由信號的電壓平均值得出物料的相對濃度或空隙率。

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、循環灰流量等。試驗采用實際循環灰作為床料。

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 試驗結果分析

2.2.1 外置換熱器內氣固流動特性

外置換熱器內物料建立循環后，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，床層內有大量氣泡產生，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，返料倉內有靜滯區存在，該區域主要位于返料倉四周區域，角部區域尤為明顯。隨著風量的增加，物料循環流率增加，返料倉內物料靜滯區逐漸減少，并直至消失。當減小返料倉某側風室風量后，該側物料移動速度明顯下降，當風量過低后，該區域物料呈現靜滯狀態。當打開側墻吹掃風后，對應風口產生大量氣泡，這些氣泡的破裂導致該側區域流化加強，明顯強于未打開的一側。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，當到達外置換熱器中間時，顆粒濃度最低。此特性在不同高度上均有發現，并與之前的研究結果一致。該區域的存在類似爐膛的環核結構，即該邊界層內的顆粒濃度較高，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現，與工況1 相比，在減小側墻對應返料倉風室風量（工況2），對濃度分布影響明顯，高濃度區域增加。增加側墻對應返料倉風室風量（工況3），高濃度區域減少，均勻性變好。而當增加返料倉的整體流化風速（工況4）時，高濃度區域明顯減少濃度分布更加均勻，這也與實爐試驗的結果相符［14］。而在兩側風室流化風速達到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，提出灰側消除外置換熱器熱偏差的解決措施。

通過試驗研究，發現外置換熱器邊壁存在顆粒濃度更高的邊界層區域；通過分區布風，單獨設置布風板、側壁吹掃風等措施，可以改善邊界層顆粒濃度，解決外置換熱器偏差問題；后續擬進一步開展試驗，研究吹掃風風量與顆粒濃度分布的關系，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合，最終確保外置換熱器的安全、可靠。