论文-外置床（FBHE）对床温、汽温调节特性的研究

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外置床（FBHE）对床温、汽温调节特性的研究肖峰陈干锦倪晓辉邵国桢周一工(上海锅炉厂有限公司，上海，200245)摘要：本文研究外置式换热器对循环流化床锅炉床温、汽温的调节特性，分析影响外置床对流化床锅炉床温、汽温的调节特性的因素，提出使用外置式的流化床锅炉在设计中应当考虑的问题。关键词：外置式换热器灰控制阀蒸发屏过热屏1前言随着循环流化床锅炉燃烧技术在我国得到了越来越广泛的应用，并且开始朝着大容量、高参数化方向发展，200MW、300MW等级及其以上的循环流化床锅炉的研制开发也即将提上日程，循环流化床锅炉随着参数的升高和容量的不断扩大，锅炉过热器、再热器热量所占的份额也越大，要求越来越多的过热器、再热器受热面必须布置在高温循环回路中以维持适合于燃料燃烧、石灰石脱硫和低NOx排放的理想温度范围。但随着容量的增大，锅炉炉膛的容积不可能随着容量的增加而按比例增加，因此造成炉内受热面布置困难，为了解决这一布置上的困难，大多数大容量的循环流化床锅炉都采用了外置式换热器（FBHE）这种换热装置。同时外置换热器（FBHE）还具有如下突出的优点：（1）通过在FBHE中布置再热器受热面，可以通过调节灰控制阀的开度，调节通过FBHE中循环灰流量来调节再热蒸汽出口温度，减小或不用喷水就可以调节再热蒸汽温度，降低锅炉热耗；（2）加大锅炉床温的调节范围。不布置FBHE的CFB锅炉，一般只能通过调节锅炉一、二次风比率和入炉燃料粒度来调节床温，调节范围有限。采用外置床（FBHE）后，可以通过调节FBHE循环灰的流量及回灰温度来调节炉膛温度。因为有了FBHE，锅炉在较大范围内调节循环主回路和锅炉尾部对流烟道的热量分配比例，从而起到调节炉膛床温的目的。另外，使用外置床（FBHE）后，特别是对于大容量的CFB锅炉，通过在FBHE中布置一定分额的过热受热面、再热受热面、蒸发预热受热（省煤器）等受热面的组合，使锅炉在一定范围内可调节三者热量的平衡，减小大型循环流化床锅炉因炉膛传热计算偏差所带来的设计风险。（3）增强锅炉燃料的适应范围。在循环流化床锅炉理想燃烧的温度范围内，不同的燃料，锅炉主循环回路和锅炉尾部的热量分配有所不同，采用外置换热器（FBHE）技术以后，锅炉可以通过调节FBHE中受热面的吸热量来灵活调节锅炉主循环回路和锅炉尾部的热量分配。从而增加锅炉543

1对煤种变化的适应能力，并使其具有更好的低负荷汽温特性。因此，研究外置式换热器（FBHE）对锅炉性能的影响对循环流化床锅炉大型化具有重要的意义，上海锅炉厂有限公司及其合作伙伴——中国科学院工程热物理研究所对外置式换热器在循环流化床技术领域内的应用进行了长期的研究，并在此基础上完成了200MW超高压参数、亚临界参数带外置床的循环流化床锅炉的多种方案设计，适合不同煤种。2外置式换热器对循环流化床锅炉调节特性影响为了便于分析，本文以上海锅炉厂有限公司为烟煤而设计的200MW亚临界参数CFB锅炉的其中一种炉型为例进行分析（见图1），该锅炉炉型整体呈M形布置，设计燃料为烟煤，炉膛为截面7683mm*19774mm，高38100mm的膜式壁结构，炉膛上部布置有6片蒸发屏，不布置过热屏和再热屏。炉膛出口和尾部对流烟道之间布置有2个直径为φ9144的板式高温旋风分离器，左右侧分离器下的回料器接有灰调节阀，通过控制进入左右外置式换热器（FBHE），左右两个外置式换热器（FBHE）分别布置有末级再热器受热面和高温级过热器受热面。在BMCR工况下，FBHE再热器吸热量占再热热的50%左右，FBHE过热器吸热量占过热热的30%左右。锅炉尾部对流单烟道依次布置有中低温过热器，低温再热器，省煤器和管式卧式空气预热器。锅炉设计参数为亚临界200MW，设计参数图１锅炉总图见表1表1锅炉设计参数序号项目符号BMCR/VWO额定工况（THA）75%THA单位1过热器出口蒸汽流量Dg683.3613.5445.3t/h2过热器出口蒸汽压力Pg17.217.217.2MPa(g)3过热器出口蒸汽温度tg"543543543℃4再热器出口蒸汽流量Dz548.5495.8366.9t/h5再热器出口蒸汽压力Pz"3.4563.2212.396MPa(g)6再热器出口蒸汽温度tZ"543543543℃544

27再热器进口蒸汽压力Pz'3.6483.3942.525MPa(g)8再热器进口蒸汽温度tz'325317295℃9给水温度tgs275268248℃设计燃料为烟煤，煤的元素分析如下：yyyyyC55.58%H3.02%O10.45%N0.67%S0.52%yyrM12.0%A17.74%V39.64%Qdiw20142kj/kg经过计算分析，在锅炉BMCR工况下，床温和过热器喷水量之间的关系如图（2）所示；喷水量（kg/h）上限下限600009005000088040000860℃）300008402000082010000床温（8000780-10000708090100110850860870880890温度℃负荷（%）注；100%为ECR，110%为BMCR图2过热器喷水量与床温关系图3各负荷下床温调节范围锅炉设计床温为871.1℃，此时锅炉过热器喷水为20.6t/h，从图2可以看出，利用外置式换热器调节床温时，为了满足过热蒸汽汽温的要求时，必须随之调节过热器的减温喷水量，当锅炉从设计床871.1℃往上调高床温时，床温升高，过热器喷水量降低，反之，床温降低，过热器喷水量增加，但在设计中由于喷水减温系统的管路和调节阀是有一定的限制，一般按正常设计流量的2倍即41.2t/h来考虑。因此从图2可以得出，锅炉在实际运行中，依靠外置式换热器来调节床温是有一定范围的，该锅炉在BMCR工况下床温的调节范围为860-883℃，调温幅度为23℃，锅炉在各种负荷下床温的调节范围见图3。以上是锅炉为了保证锅炉蒸汽参数的情况下，外置床对床温的调节特性及调节范围。为了进一步了解外置床自身对床温的调节能力和调节特性，我们对床温和每个外置床循环灰流量进行了分析和计算，在BMCR工况下，每个外置床循环灰流量与床温的关系曲线如图4和图5所示。在设计中假设高温旋风分离器的分离效率为99.6%（设计基准），每个外置床循环灰流量与分离器循环灰的比率如图6和图7所示。从图4和图5可看出，随着床温的升高，进入过热器和再热器外置床的灰量都减小，这就是通常所说的外置式换热器可以通过控制灰流量来调节外置式换热器内受热面的吸热，从而调节循环流化床锅炉循环回路和尾部对流烟道的热量分配，达到控制床温的目的。通常有再热器外置床的循环流化床锅炉，再热蒸汽温度的调节依靠外置床来调节而不用喷水减温器，实际上再热器外置床是不能用来调节床温的，床温主要是依靠调节过热器外置床的灰量来控制的，所以从图4和图5也可看出过热器外置床灰量与床温的关系曲线要比再热器外置床灰量与床温的关系陡得多。545

3灰量（kg/h）灰量（kg/h）1,300,000700,0001,100,000650,000900,000600,000700,000550,000500,000500,000300,000850860870880890850860870880890床温（℃）床温（℃）图4过热器FBHE灰流量与床温关系曲线图5再热器FBHE灰流量与床温关系曲线进入EHE(SH)灰量的份额（%）60进入EHE(RH)灰量的份额（%）5535504540303530252520201585086087088089010床温（℃）850860870880890床温（℃）图6FBHE（RH）再热器循环灰量份额和图7FBHE（SH）过热器循环灰量份额和床温的关系（BMCR，设计煤种）床温的关系（BMCR，设计煤种）图6和图7是旋风分离器分离效率在99.6%左右时，分别进入再热器外置床和过热器外置床的灰量占分离器分离灰料量的份额，该份额的大小受各外置床吸热份额的影响，吸热份额越大则灰进入外置的份额也越多，但是对于设计好的分离器、回料器和灰控制阀，该份额对灰控制阀的调节特性会产生较大的影响。如果进入再热器外置床的份额过大，比如超过60%以上，从回料器返回炉膛的回料小，则会影响回料的正常工作，甚至会发生炉膛烟气反窜的现象；太小对床温调节范围小，因此外置床的吸热份额要根据锅炉旋风分离器的数量、分离效率和循环灰量进行综合确定。一般流入FBHE的灰量占分离器灰流量的20-35%是比较合理的。3影响外置床对床温、汽温调节特性的因素以上我们从满足锅炉蒸汽温度条件和回料器、灰控制阀等自身条件来分析了外置床对锅炉床温的调节关系、调节范围。以下我们根据以上的分析归纳出影响外置床对床温、汽温调节特性的几个因素。546

43.1炉过热器喷水容量的影响对于依靠过热器外置床来调节床温的循环流化床锅炉，为了满足锅炉过热和再热蒸汽参数的要求，在系统设计中，过热器受热面必须具有一定的裕度，也就是说在锅炉设计工况下过热器要有一定量的喷水，这个裕度的选取要根据燃用的设计燃料、校核燃料和设计单位对炉膛传热计算的风险情况来进行合理选取。裕度过大，对炉膛温度、传热的调节能力越大，但喷水管路系统成本增加，锅炉大量喷水，尾部对流热面流量减小，传热效果降低和受热面成本增加，同时排烟温度高，对流受热面壁温升高。因此，在设计中要统筹兼顾，合理选择。3.2外置床热面布置的影响从图2看出，依靠过热器外置床对床温的调节，调节范围是有限的，对于现代大型的循环流化床锅炉，要求锅炉对煤种的变化有较好的适应性，同时要求锅炉具有良好的调峰。因此，在外置式换热器中同时布置过热器受热面，再热器受热面和蒸发，预热受热面（省煤器受热面），可以使锅炉各部分受热面的吸热量量可以通过外置床进行灵活的调节。从理论上分析，只要这3种受热面在外置床中合理的分配，锅炉可以在灵活调节床温的同时，过热器和再热器都无须喷水就能够满足汽温参数要求。更具有意义的是如果外置床中布置有一定份额的蒸发受热面或省煤器受热面，则锅炉在低负荷运行时，可通过减少蒸发受热面的吸热来提高低负荷运行时的床温，并使再热蒸汽和过热蒸汽参数满足汽机要求，提高锅炉低负荷定压运行的能力。特别是循环流化床锅炉在燃用无烟煤、贫煤等着火性能差的燃料时，可大大提高锅炉低负荷稳燃的能力。3.3外置式换热器热量分配的影响关于每个外置床中布置多少份额吸热量的问题，国际上不同流派根据炉型的不同而有所不同。我们经过计算分析认为，每个外置床合理的热量分配要根据设计者所预想的床温调节范围、分离器的数量和每个分离器的循环灰流量以及回料器的设计等因素来综合考虑。当锅炉只在外置床中布置过热器和再热器受热面的锅炉，如以上分析实例，那么锅炉只有通过调节外置床中过热器的吸热量来调节床温，在调节过程中要兼顾过热蒸汽温度的要求，因此调节床温的范围主要受到过热器受热面的裕度和减温喷水系统的余量的限制。在这种情况下，即使FBHE中过热器的热量分配再大，对床温的调节能力受制于过热器受热面的裕度，也是有限的。另外，外置床中受热面的热量分配还要充分考虑以下因素：（1）器的分离的数量和循环物料流量；（2）回料器安全可靠运行的范围；（3）灰控制阀的调节范围和调节能力。由于灰控制在调节循环物料进入FBHE的过程中，对灰的调节作用除受到自身开度的影响外，还要受到能够被分离器的分离的循环物料流量、回料器结构尺寸、回料器立管料位和炉膛运行压力等诸多因素的影响，因此在设计中应充分考虑占多少份额的循环灰能够顺畅地通过灰控制阀进入FBHE，并且在调节床温的变化过程中，灰控制控制阀都能有效的调节作用。当进入FBHE灰量最大时，分离器要有足够的循环物料量来满足灰料器正常工作，使炉膛烟气不返窜。此外，在设计中还需要认真考虑旋风分离器偏离设计分离效率的情况。根据我们的经验，进入每个FBHE的物料在设计工况下为进入该FBHE的分离器物料流量的20-40%是比较合理的，太大和太小均会影响灰控547

5制阀的调节性能。上海锅炉厂有限公司200MW循环流化床锅炉，在BMCR工况下，FBHE再热器吸热量占再热热的50%左右，FBHE过热器吸热量占过热热的30%左右，进入再热器和过热器FBHE灰量份额均为27%左右。4总结外置式换热器对循环流化床锅炉具有良好的床温、汽温调节特性，也为我们发展高参数、大容量CFB锅炉提供了广泛的思路。通过分析影响外置式换热器对锅炉床温、汽温的因素，在具体设计中我们认为：（1）对于只布置再热器和过热器外置床的循环流化床锅炉，过热器系统必须具有一定裕度，并要求减温水余量足够。（2）如果在FBHE中同时布置过热器、再热器和蒸发受热面（省煤器）受热面，锅炉床温、汽温的调节性能大大提高，可以减少过热器的喷水，增加对流受热面的经济性，并且锅炉具有较强的低负荷稳燃性。（3）每个FBHE中吸热量的分配要充分考虑分离器的分离的数量、循环物料流量、回料器安全可靠运行的范围和灰控制阀的调节能力。参考文献：[1]ereport“EERCpilot-scaleCFBEvaluationFacility,ProjectCFBTestResults”［J］.1992.[2]循环流化床锅炉的设计和运行［Ｍ］.（加）Ｐ．巴苏，Ｓ．Ａ．弗雷泽．１９９４．548