超临界循环流化床锅炉具有可燃用低热值劣质燃料、燃料适应性广、燃烧效率及可用率与煤粉炉相近的优点,此外还具有燃烧温度低、污染物排放低、超临界蒸汽循环效率高等优势,是洁净煤发电技术的良好选择。因此,大容量、高参数超(超)临界循环流化床机组发展前景广阔。对于循环流化床锅炉而言,冷态空气动力场试验是锅炉点火前一项重要的试验,它对于了解锅炉的布风板阻力特性、临界流化风量、流化均匀性等具有重要意义,是热态运行、燃烧调整、安全高效运行的重要参考依据。
1 锅炉构造及风帽布置形式
1.1 锅炉基本构造
本文所述锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的350MW超临界直流循环流化床锅炉,型号为DG1241/25.49-Ⅱ1,图1为锅炉本体基本构造。锅炉采用单炉膛、平衡通风、一次中间再热、固态排渣、循环流化床燃烧方式。布置3个高温冷却式旋风分离器进行烟气气固分离,旋风分离器下部各布置1台U型回料器,返料腿采用一分为二结构,保证了沿炉膛宽度方向回料的均匀性。为避免炉膛内高浓度灰的磨损,水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏,炉膛四周水冷壁采用光管,双面水冷壁和风室水冷壁采用内螺纹管。炉膛内前墙布置12片中温过热器管屏、12片高温过热器管屏、8片高温再热器管屏,前墙布置了3片双面水冷壁,后墙布置了12片双面水冷壁。管屏均采用膜式壁结构,垂直布置,在下部管屏L型转弯段、密相区以及穿墙处的受热面管子上均敷设有耐磨材料,防止炉膛内高浓度灰磨损受热面。
锅炉共布置10个给煤口,全部布置于炉前。炉膛底部布置布风板,布风板下是由水冷壁管弯制围成的水冷风室。水冷风室后布置4个点火风道,每个点火风道内布置1台点火燃烧器用于点火和助燃,炉后布置有5台滚筒冷渣器。
1.2 布风板结构与形式
风帽采用钟罩式风帽,风帽总长294mm,外径98mm,内径53mm,内部有27个通风孔,通风孔单双交替布置,见图2。位于风帽外壁的风帽眼为类椭圆形,风帽眼长轴26mm,短轴12mm,风帽眼斜向下倾斜8°。
安装于布风板上的风帽,共有2个规格,分别为四周型风帽和中心型风帽,这两种规格风帽眼数量相同,共6个风帽眼,四周型风帽内部通风孔直径较中心型风帽通风孔略大。如图3所示:四周型风帽为绿色,分布于布风板四周,靠近左墙和右墙各布置25列,靠近前墙和后墙各布置4排;中心型风帽为红色,分布于布风板中间,由四周型风帽包围,共104列,12排。此种风帽布置形式的优点在于通过改变布风板四周与中心位置的风速及流量,避免四周物料的堆积,优化四周物料的流化状况。
2 试验原理
2.1 布风板阻力特性试验原理
布风板阻力为一次流化风通过布风板后的压力降,由风帽进口局部阻力、风帽通道摩擦与局部阻力、风帽出口阻力等构成。试验前需要将布风板上的床料清理干净,漏出风帽,使风帽可以自由通风,因此布风板阻力特性试验又称之为空床阻力特性试验。
布风板阻力计算:
风量计算:
温度t下的空气密度、风量与标准状况下空气密度、风量的关系为:
将式(2)、式(3)、式(4)代入式(1)得到布风板阻力与风量之间的关系式:
式中:
Δpt———布风板阻力,Pa;ξ———风帽阻力系数;t———温度,℃; ρt———温度为t时的空气密度,kg/m3; ρN———标准状况下的空气密度,kg/m3; w———风帽小孔风速,m/s; A———风帽小孔截面积,m2; Qt———温度为t时的风量,m3/h; QN———标准状况下的风量,m3/h。
将式(5)中常数归纳为常数K,则为
在布风板不铺床料的情况下,调整一次流化风量,得到各个风量下的布风板阻力,经过二次函数拟合,即可得到布风板的阻力与一次流化风量的关系。
2.2 临界流化风量试验原理
流体向上流过床层颗粒,在流速较低时颗粒静止不动,流体从颗粒间的空隙流过。随着流体速度的增加,流体通过床层的摩擦阻力相应增大,当流速增加到某一数值后,颗粒不再由布风板所支撑,而全部由流体摩擦力所承托。此时,单颗粒不再依靠临近颗粒的接触而维持中间位置,每个颗粒可在床层中自由运动,整个床层具有了类似流体的性质,这种状态称为流态化,颗粒床层从静止状态转变为流态化的最低速度称为临界流化速度。
床料中颗粒在床内受到3个力的作用,分别是粒子本身的重力Fg、流化气体的浮力Fa、颗粒运动时的阻力Fd,见图4。
颗粒的重力Fg为:
流化气体的浮力Fa为:
颗粒运动时的阻力Fd:
式中:CD———阻力系数;dp———颗粒直径,m;ρp———颗粒密度,kg/m3;ρg———流体密度,kg/m3;up———临界流化速度,m/s;g———重力加速度,m/s2。
当3个力相平衡时,即满足式(10)时,粒子处于临界流化状态。
2.3 流化均匀性试验原理
布风板流化均匀性试验可在临界流化风量试验完成后进行。增大一次流化风量保证床料处于完全流化状态,此时将一次风机、二次风机、引风机、返料风机全部停止,待悬浮床料沉淀后进入炉内检查床料平整程度。若床料平整,表明布风板布风均匀,流化质量良好。若发现床料有凸凹不平的现象,则表明布风不均匀,床料低的地方流化风量大,高的地方流化风量小,检查风帽小孔是否有堵塞现象,找到原因并及时处理。
3 试验结果及分析
3.1 布风板阻力特性试验结果及分析
布风板阻力特性试验可以测定一次流化风量与布风板阻力的关系,判断风帽的工作情况,为运行调整提供依据。一般新安装的锅炉投运前,大小修后、床料结焦及怀疑风帽堵塞严重、风帽磨损严重或大量更换后进行该试验。
本试验设定一次风流量变化梯度为15~20kNm3/h,得到冷态一次风温为29℃时,冷态一次流化风量与布风板阻力的拟合关系曲线,如图5中冷态曲线。根据试验结果,对数据进行最小二乘法拟合,布风板阻力和一次风量关系为:
式中:Δp0———冷态布风板阻力,kPa;Q0———冷态一次流化风量(标准状况下),kNm3/h。
冷态试验期间,温度近似为恒温29℃,而BMCR热态工况下空气预热器出口热一次风温度为297℃,由式(6)、式(11)可得,热态布风板阻力特性为:
式中:Δpb———热态BMCR工况下布风板阻力,kPa;Qb———热态BMCR工况标况下一次流化风量,kNm3/h。
BMCR工况下布风板阻力与一次风流量关系中热态曲线见图5。
通过图5可以看出布风板阻力与一次流化风量呈二次函数关系,布风板阻力随风量增加呈现规律上涨趋势。布风板流化良好,风室布风均匀,根据冷态试验结果,推算出额定负荷参数运行时,即空气预热器出口热一次风温297℃,一次流化风量400kNm3/h时,布风板阻力大约为5.5kPa。
3.2 临界流化风量试验结果分析
临界流化风量是指床料从固定状态至稳定流化状态时所需的最小风量,它是循环流化床锅炉运行时最低一次风量。一般来说,新安装的锅炉投运前,锅炉大修小修后,布风板阻力特性改变后,燃料或启动床料粒径调整后,临界流化风量的定值可能发生改变,若锅炉仍依据原临界流化风量定值运行,可能会带来流化不均、床料结焦等安全隐患,因此需要进行临界流化风量试验,确定新的临界流化风量定值。
流化床锅炉在床层底部布置有下层床压测点,因此床层阻力等于下层床压与炉膛压力之差。随着一次风量增加,床层阻力逐渐增大,当风量超过某一数值时,继续增大一次风量,床层阻力将不再增加,该风量值即为临界流化风量。
本试验以炉渣为床料,最大粒径不大于6mm,D50≈0.85mm,可燃物含量小于5%,添加床料186t,床料厚度811mm,进行临界流化风量试验,试验结果见图6:
从图6可知,一次流化风量变化范围为107~262kNm3/h,随着一次流化风量的增大,风室压力由9.9kPa逐渐增大至11.5kPa。一次流化风量由107kNm3/h逐渐上升至166kNm3/h过程中,床层阻力基本呈线性直线增加,在一次流化风量为166kNm3/h时,床层阻力达到最大值8.3kPa,此处为床层阻力拐点。一次流化风量从166kNm3/h缓慢增加至195kNm3/h的过程中,床层阻力呈现缓慢下降的趋势,这一段可以认为是床层阻力缓慢过渡段。当一次流化风量从195kNm3/h继续增加时,床层阻力则基本保持不变,床层阻力进入稳定阶段,稳定值为8.1kPa。东方锅炉股份有限公司提供临界流化风量数值为180kNm3/h,依据本试验结果,该一次流化风量下床层阻力处于过渡段,床料已基本流化。为锅炉长期安全运行起见,保证炉内床料完全充分流化,流化风量宜选取在更加稳定的阶段,即风量应不小于195kNm3/h。
3.3 流化均匀性试验结果分析
布风板流化不均会造成床料分布不均,热态运行时容易出现局部流化不良,引起床温分布不均,严重时可能导致部分区域结焦。因此良好的布风板流化均匀性是锅炉顺利点火、低负荷稳燃成功的必要条件。
如图7所示:本试验整个床层床料平整性较好,没有明显凸凹的地方,粗细颗粒分层明显,流化情况比较均匀。
4 结语
本文阐述了350MW超临界循环流化床锅炉构造及风帽的布置形式,并进行动力场试验研究。
(1)布风板阻力与一次流化风量呈二次函数关系,锅炉额定负荷参数运行时,布风板阻力大约为5.5kPa。
(2)床料完全流化状态时,床层阻力8.1kPa,临界流化风量195kNm3/h。
(3)布风板流化良好,风室布风均匀,床料平整性较好,粗细颗粒分层明显,流化情况比较均匀。
文献信息
马新喜.350 MW循环流化床锅炉机组负荷动态优化控制方法[J].自动化应用,2023,64(14):60-62+73.
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