600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置床壁溫特性分析

孫獻(xiàn)斌，胡昌華，李星華,雷秀堅(jiān)，陶世健，鄺偉

(1. 中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 100098；2.四川循環(huán)流化床白馬示范電站有限責(zé)任公司，四川省內(nèi)江市 641005)

600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐外置床壁溫特性分析

孫獻(xiàn)斌1，胡昌華2，李星華2,雷秀堅(jiān)2，陶世健2，鄺偉2

(1. 中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 100098；2.四川循環(huán)流化床白馬示范電站有限責(zé)任公司，四川省內(nèi)江市 641005)

為了防止首臺(tái)600 MW超臨界循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐外置床受熱面發(fā)生壁溫超溫現(xiàn)象，在受熱面管壁上安裝了溫度測(cè)點(diǎn)。對(duì)鍋爐額定負(fù)荷下的外置床受熱面管壁溫度進(jìn)行了測(cè)量，得到了外置床受熱面管壁溫度的分布特性，在測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了外置床受熱面的運(yùn)行安全性。研究結(jié)果表明，外置床內(nèi)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(nèi)，并有足夠的溫度裕度。最后，針對(duì)外置床運(yùn)行過程中的管壁溫度報(bào)警值的設(shè)定方法提出了技術(shù)建議。

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐；超臨界參數(shù)；外置床；管壁溫度

0 引 言

超臨界循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐由于具有和煤粉鍋爐相當(dāng)?shù)臒嵝?且燃料適應(yīng)性好，同時(shí)還能夠以比較經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到低的SO2及NOx排放值，由此而成為清潔煤發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[1-3]?！笆晃濉逼陂g，我國(guó)自主研究開發(fā)了600 MW超臨界CFB鍋爐，安裝在四川白馬示范電站有限責(zé)任公司，該臺(tái)世界上容量最大的超臨界CFB鍋爐于2013年4月成功投入運(yùn)行。白馬600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐設(shè)有6臺(tái)外置床，布置在鍋爐爐膛的兩側(cè)，外置床內(nèi)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(guān)鍵部件，其運(yùn)行可靠性對(duì)CFB鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。已投運(yùn)的300 MW CFB鍋爐運(yùn)行情況表明，外置床出現(xiàn)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(duì)國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的17臺(tái)引進(jìn)的300 MW CFB鍋爐的運(yùn)行狀況，鍋爐制造廠和研究單位對(duì)外置床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，使外置床的運(yùn)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(shè)計(jì)外置床的結(jié)構(gòu)外，運(yùn)行過程中準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)外置床受熱面管壁溫度對(duì)其運(yùn)行可靠性同樣重要。為了提高白馬600 MW 超臨界CFB鍋爐的運(yùn)行可靠性，在外置床受熱面的出口段和聯(lián)箱之間的管段上安裝了壁溫測(cè)點(diǎn)，鍋爐投運(yùn)后對(duì)外置床內(nèi)受熱面的管壁溫度特性進(jìn)行了測(cè)量和研究，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和計(jì)算方法的準(zhǔn)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(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

1 外置床結(jié)構(gòu)及壁溫測(cè)點(diǎn)布置

600 MW 超臨界CFB鍋爐的外置床結(jié)構(gòu)如圖1所示。CFB鍋爐旋風(fēng)分離器分離下來的循環(huán)灰，經(jīng)過錐型閥的控制，經(jīng)高溫灰管道和進(jìn)灰口流入到外置床的進(jìn)料室，在高壓流化風(fēng)的作用下，高溫灰從進(jìn)口隔墻上方流入換熱室。在換熱室流化風(fēng)的作用下，高溫灰處于低速流態(tài)化狀態(tài)，并和受熱面換熱后經(jīng)出灰口流出換熱室，經(jīng)低溫灰管道返回爐膛。外置床內(nèi)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(jié)構(gòu)及壁溫測(cè)點(diǎn)分布

為了在運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)外置床受熱面管壁溫度，每個(gè)外置床受熱面出口聯(lián)箱和換熱室外殼體之間的直管段上，裝設(shè)了鎧裝熱電偶壁溫測(cè)點(diǎn)。壁溫測(cè)點(diǎn)設(shè)在高溫灰的迎流面第1、3、5根管子上，每個(gè)外置床的11片屏上裝有壁溫測(cè)點(diǎn)。壁溫測(cè)點(diǎn)采用了圖2所示的集熱塊壁溫測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，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(shè)保溫層[7-10]。

圖2 外置床受熱面壁溫測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在額定負(fù)荷下，測(cè)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(jiān)測(cè)外置床壁溫水平和分布特點(diǎn)，可準(zhǔn)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(duì)比較均勻。外置床內(nèi)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(nèi)流量不均勻性和結(jié)構(gòu)不均勻性有關(guān)。

圖3 外置床受熱面管壁溫度分布特性曲線

在進(jìn)行外置床受熱面計(jì)算時(shí)，將偏差管(工質(zhì)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(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)，該溫度稱為計(jì)算壁溫tb，其表達(dá)式為

(1)

式中：t為工質(zhì)溫度，即所求管壁溫度處工質(zhì)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(zhì)最高溫度與平均溫度的偏差值， ℃；β為管外徑dW與內(nèi)徑dn的比值；μ為熱散漫系數(shù)，考慮熱量會(huì)沿管壁向溫度低的地方散漫而管壁溫度會(huì)有降低的改正系數(shù)，為小于1的數(shù)值；qmax為受熱最強(qiáng)管在計(jì)算管壁溫度處的熱負(fù)荷，W/m2；δ為管壁厚度，m；λ為管壁鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2· ℃)；α2為工質(zhì)側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m2· ℃)[11-13]。

偏差管外壁溫度用來評(píng)估氧化皮形成的可能性，其表達(dá)式為

(2)

由式(1)(2)可以看出：工質(zhì)溫度高、熱偏差大、傳熱強(qiáng)度大都會(huì)使管壁溫度升高；蒸汽流速高、放熱系數(shù)α2大都可以使管壁溫度降低。以上幾個(gè)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(qiáng)度，再次是放熱系數(shù)α2以及熱偏差的大小。

觀察組使用CT檢查診斷準(zhǔn)確率明顯高于對(duì)照組使用B超檢查診斷準(zhǔn)確率，兩組數(shù)據(jù)差異明顯。有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(huì)增大。某些合金鋼可以在高溫下承受較大應(yīng)力，蠕變速度低，是作為過熱器的理想材料。國(guó)內(nèi)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(duì)外置床中的受熱面內(nèi)的蒸汽流動(dòng)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(qiáng)，可節(jié)省受熱面，但管壁溫度最高。在CFB鍋爐的外置床內(nèi)，由于空間位置較小，一般不采用較為復(fù)雜的混流布置方案。

圖4 外置床內(nèi)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(jì)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(yīng)力下的許用溫度為680 ℃。中溫過熱器Ⅱ壁溫的計(jì)算值為577 ℃，由于工質(zhì)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(jì)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(lián)箱端部引入工質(zhì)和引出工質(zhì)的U型連接方式，且受熱面結(jié)構(gòu)形式基本相同。故圖3所示的外置床壁溫分布特性和管內(nèi)流量不均勻性和結(jié)構(gòu)不均勻性關(guān)系不大。

圖5 外置床內(nèi)受熱面的聯(lián)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(guān)，而這種吸熱不均勻性仍有待于通過進(jìn)一步的試驗(yàn)研究來確定，以更準(zhǔn)確地確定偏差管的位置。

管壁溫度分布可用不均勻系數(shù)來表征，管壁溫度不均勻系數(shù)為

(3)

式中：Δx為管壁溫度不均勻系數(shù)，%；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(yùn)行人員判斷是否存在超溫并調(diào)整CFB鍋爐的燃燒工況，CFB鍋爐的外置床管壁溫度都設(shè)有報(bào)警值，各個(gè)管組的報(bào)警值應(yīng)根據(jù)在各種工況下的管壁溫度計(jì)算值和試驗(yàn)值來設(shè)定。

表1外置床管壁溫度不均勻系數(shù)

Tab.1Non-uniformcoefficientsoftubewalltemperatureofEHE

白馬600 MW超臨界CFB鍋爐外置床壁溫測(cè)點(diǎn)設(shè)置在外置床外管壁上，其測(cè)量的壁溫水平低于外置床內(nèi)的最高壁溫值。因此，外置床內(nèi)管壁最高溫度可在外置床外部管壁溫度測(cè)量值基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加計(jì)算。而外置床外部管壁測(cè)點(diǎn)溫度與其對(duì)應(yīng)的外置床內(nèi)部管壁溫度之間的差值Δt尚無法確定, 目前暫時(shí)按已運(yùn)行的300 MW CFB鍋爐得到的經(jīng)驗(yàn)值確定Δt。因此，外置床內(nèi)的管壁溫度為

tbi=tbo+Δt

(4)

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

外置床內(nèi)、外管壁溫度差Δt主要受外置床外管壁溫度測(cè)點(diǎn)保溫良好程度、外置床內(nèi)受熱面熱流密度、管內(nèi)質(zhì)量流速等因素影響，經(jīng)驗(yàn)值為30～50 ℃。

為避免在特殊工況(如機(jī)組甩負(fù)荷、給水泵跳閘)下可能出現(xiàn)的外置床管壁溫度超過材質(zhì)的許用溫度的情況，需要在白馬600 MW超臨界CFB鍋爐上進(jìn)一步研究直接測(cè)量床內(nèi)熱灰側(cè)管壁溫度的方法，對(duì)床外管壁溫度測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)定，準(zhǔn)確測(cè)量出床內(nèi)和床外管壁溫度的差值Δt, 建立Δt的關(guān)聯(lián)模型，從而設(shè)定更為準(zhǔn)確的壁溫運(yùn)行允許上限值和報(bào)警值。

3 結(jié) 論

(1)600 MW超臨界CFB鍋爐在額定負(fù)荷工況下高溫再熱器管壁溫度不均勻系數(shù)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(shù)；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(fù)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(nèi)，并有足夠的溫度裕度。(3)外置床管壁溫度報(bào)警值的設(shè)定，尚需要進(jìn)一步測(cè)量出床內(nèi)和床外管壁溫度的差值，設(shè)定更為準(zhǔn)確的壁溫運(yùn)行報(bào)警值，為外置床的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)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(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2012BAA02B02)；國(guó)家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)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(xiàn)斌(1963)，男，工學(xué)碩士，研究員，院首席科學(xué)家，從事循環(huán)流化床鍋爐及清潔煤發(fā)電技術(shù)研究工作，E-mail:sunxianbin@hnceri.com；

胡昌華(1965)，男，學(xué)士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐的基建、調(diào)試及生產(chǎn)管理工作；

李星華(1964)，男，高級(jí)工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐的基建、調(diào)試及生產(chǎn)管理工作；

雷秀堅(jiān)(1965)，男，高級(jí)工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行及生產(chǎn)管理工作；

陶世健(1965)，男，高級(jí)工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐的基建及運(yùn)行技術(shù)工作；

鄺偉(1974)，男，高級(jí)工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行與檢修技術(shù)工作。