75t_h循环流化床锅炉变工况热态试验研究_马素霞.pdf

第 25 卷 第3 期 2005 年 6月 动力工程 Vol. 25 No. 3 June 2005 文章编号 10006761 2005 03 034804 75 t h 循环流化床锅炉变工况热态试验研究 马素霞 1 , 张建春 2, 牛建斌2, 杨献勇1 1. 清华大学 热能工程系, 北京 100084; 2. 太原锅炉集团, 太原 030021 摘 要 针对 75 t h 循环流化床锅炉进行的大量变工况试验, 通过分析给出了不同负荷下炉内的 压力分布曲线和温度分布曲线. 主要研究了稀相区固体物料浓度随负荷的变化规律, 并将其拟合成 经验关联式, 为循环床锅炉燃烧系统的自动控制提供了依据。图 6 表 1参 9 关键词 动力机械工程; 循环床锅炉; 变工况; 试验研究 中图分类号 TK229. 6 文献标识码 A Test Studying a 75t h Circulating Fluidized Bed Boiler Under Various Modes of Hot State Operation MA Suxia, Z HANG Jianchun 2, NIUJianbin2, YANG Xian yong1 1. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084; 2. Taiyuan Boiler Group, Taiyuan 030021, China Abstract A 75t h circulating fluidized bed boiler was tested under various modes of operation and, as the result of an analytical study, the pressure and temperature profiles of the furnace under various load conditions are being presented. Laws that govern the dilute phase s solid suspension density varying with load has moreover been studied and a relevant empirical corelation deduced, which may serve as a reference for automatic control of combustion systems of circulating fluidized bed boilers. Figs 6, table 1 and refs 9. Key words power and mechanical engineering; circulating fluidized bed boiler; operation mode variation; test studies 收稿日期 2004 03 15 修订日期 200502 13 基金项目 国家自然科学基金专项基金项目50323002 作者简介 马素霞 1966 , 女, 山西太原人, 清华大学热能工程 系博士研究生。研究方向 循环流化床的动态特性及控制策略。 循环流化床锅炉已经大量投入商业化运营, 但 自动控制问题仍是存在的主要问题之一, 究其原因 是由于循环床锅炉燃烧系统的动态特性的复杂性, 使得对其变工况下的宏观动力特性的的了解仅仅限 于定性上, 而很少在定量上加以分析研究。循环床 锅炉内气固两相流体的宏观动力特性主要是指空 隙率 或固体物料浓度 、 颗粒速度和气体速度的分 布特性。由于流化床的气固两相流体动力特性决 定着炉内吸热量、 温度分布、 燃烧情况及其份额分 布、 床存量和磨损, 对流化床的运行至关重要, 所以, 从鼓泡床到循环床, 很多研究者致力于气固两相流 体动力特性的研究, 但多数研究基于实验室 [ 1 3] , 其 重点主要集中在密相区表面的扬析和输送分离高度 以上的夹带 [ 4] , 很少有关于工业循环床锅炉内的固 体物料浓度分布尤其是变负荷下炉内固体物料浓度 分布的研究报道。 循环床内的固体物料是炉内热量的载体, 起着 传热和传质的作用, 尤其是稀相区的固体物料浓度 对于炉内传热量的计算有直接的、 决定性的影响, 有 研究报道, 炉内的平均传热系数和稀相区截面平均 固体物料浓度的平方根成正比 [ 5] 。对于没有外置式 换热器的循环床锅炉, 锅炉负荷的控制主要是控制 炉膛中的热量吸收, 吸热量的多少由温度和固体物 料浓度决定, 温度又和固体物料浓度相关, 炉膛上部 固体物料浓度大, 则温度就高。这样, 锅炉负荷的调 节主要通过调节炉膛上部的固体物料浓度来实现, 所以炉内固体物料浓度随负荷的变化规律对于负荷 的控制极其重要。本文针对 75 t h 循环床锅炉, 在 大量变工况试验的基础上, 通过炉内沿轴向的压力 分布和温度分布, 分析了固体物料浓度沿轴向的分 布规律, 给出了稀相区两段的平均固体物料浓度随 负荷变化的关系式, 为循环床锅炉燃烧系统的自动 控制提供重要的和必要的依据。 1 试验简介 循环流化床内的压力分布反映了床内气 固相 之间的动量交换和固体物料的浓度分布, 是循环床 的基本特点之一, 不同负荷下炉内的压力分布是不 同的, 固体物料的浓度分布不同, 则传热量不同。压 力分布受许多因素影响, 即使对于相同容量的循环 床锅炉, 由于结构因素、 燃料种类 [6] 、 运行参数 [ 7] 等 的不同, 同一负荷下它们的固体物料浓度分布也不 同, 故对特定的循环床实施控制方案, 需了解其特定 的炉内压力分布规律。试验目的就是获得该炉不同 负荷下各测点的压力、 温度及其相关参数。 1. 1 锅炉测点布置 试验在山西孝义配有 DCS 系统的75 t h 循环床 锅炉上进行, 锅炉额定蒸汽压力 3. 82 MPa, 额定蒸 汽温度 450 , 给水温度 150 , 排烟温度 145 , 锅 炉设计效率 86. 36, 该锅炉由太原锅炉集团设计 和制造, 炉高 21. 56 m, 床截面积为 18. 2 m 2, 空床风 速5 m s, 炉内耐火防磨材料铺设高度 4m, 分离器为 绝热高温旋风筒, 给料位置、 返料位置、 二次风切入 位置及测点布置如图 1 所示 图中尺寸单位mm 。 图 1 锅炉结构示意图 Fig 1 Schema of the boiler 1. 2 燃料分析 该锅炉燃用煤种为矸石 中煤, 给料粒度为 0 8 mm, 燃料分析表 1 所示 表 1 燃料分析 Table 1 Fuel analysis Car Har Oar Nar Sar War Aar Vr Qar. net kJkg- 1 31. 252. 161. 481. 423.144.4255. 79 32. 4712607 2 锅炉的运行方式 如前所述, 炉内固体物料浓度的分布同锅炉的 运行参数 或运行方式 有关, 循环床锅炉的规范运 行方式为 50 负荷以上, 随负荷的增减同时增减 一、 二次风, 如图 2 a 所示。图中 R 为负荷率, Q 0 1 和 Q 0 2分别为一次额定风量和二次额定风量; 但大 多数锅炉用户为了保证流化质量, 通常采用不规范 运行方式 图 2 b 所示 , 50 负荷以上, 一次风量 不变, 随负荷增加增二次风量; 50 以下, 二次风维 持风嘴安全的最低风量 实际运行中有时不投二次 风 , 一次风量随负荷减小而减小, 但最低一次风量 不得低于下限值, 此时对应的冷态空截面风速不低 于 0. 7 0. 8 m s [8] 。本试验是在不规范运行方式下 进行的。 图2 锅炉运行方式 Fig 2 Boiler s mode of operation 3 试验方法 由于目前绝大多数循环流化床锅炉燃用 0 8 mm 的宽筛分燃料, 所以炉膛下部为粗颗粒的鼓泡 床, 上部为细颗粒组成的快速床。锅炉炉膛下部的 磨损相当严重, 为了防磨, 炉膛下部的膜式壁上通过 防磨销钉覆盖一层防磨耐火材料, 该 75 t h 循环床 锅炉防磨材料标高 8. 2 m, 因此炉膛的吸热主要集 中在标高 8. 2 m 以上的稀相区。从燃烧的角度来 讲, 可将循环床锅炉炉内分为三区 二次风口以下的 密相区、 二次风口以上的稀相区和分离器区, 本文的 试验分析着重于二次风口以上的稀相区的固体物料 浓度。 循环床炉内沿轴向任一段高度 h 内的平均固 349 第 3 期马素霞, 等 75 t h 循环流化床锅炉变工况热态试验研究 体物料浓度Cp p 1- 和该段的压降 p 的关系 可用下式表示 p p 1- g h 为截面平均空隙率 1 由上式知 h 内的压降 p 大, 固体物料浓度 就大, 固体物料浓度的变化可通过压降的变化反映 出来。 根据锅炉现有的测点, 可测得稀相区两段的压 降 1 段高度 h2 18. 4 m- 6. 9 m 11. 5 m, 2 段高 度 h3 23. 8 m- 18. 4 m 5. 4 m, 其压降分别以 p2和 p3表示, 密相区的压降以 p1表示, 密相 区高度 h1 6. 9 m- 4. 2 m 2. 7 m, 则对应的平均 固体物料浓度分别为 Cp3 p3 gh3; Cp2 p2 gh2; Cp1 p1 gh1 2 炉膛标高 23. 8 m 25. 8 m 间的固体物料浓度可取 为 Cp3, 因为此段可认为处于输送分离高度以上, 固 体物料浓度不再发生变化, 实际试验测量也显示出 此趋势。 为了获得炉内最优燃烧状态下的固体物料浓度 分布, 在每一负荷下调节相关运行参数使炉内燃烧 稳定在下列状态 1 床温 900 左右, 以保证燃烧反应速率和清 洁燃烧; 2 炉膛负压维持在- 30 Pa 到- 100 Pa 之间, 炉膛负压根据炉膛出口烟气含氧量 Y 来调节, 含氧 量随负荷率R 的变化见下式 YO2 20. 9- R 41. 8 0 R 50 20. 9- 20. 9 0 R 50 3 式中, 0为设计过量空气系数; 3 一次风量维持额定值 Q 0 1左右 含播煤风和 返料风 ; 4 风室压力维持在 7500 10000 Pa。 4 试验结果分析 通过对大量试验数据的分析处理, 得出图 3 所 示的不同负荷下的压力分布曲线和图 6所示的不同 负荷下的温度分布曲线。 图 3的 2. 7 m 19. 6 m 的放大图示出, 沿炉膛 高度稀相区固体物料浓度呈指数规律衰减, 负荷不 同, 衰减指数不同; 随着锅炉负荷增加, 稀相区的固 图3 各种负荷下压力分布曲线 Fig 3 Pressure distribution under various load conditions 体物料浓度增大, 但稀相区两段固体物料浓度随负 荷的变化幅度不同。图 4 所示, 稀相区上部 2 段 h3的平均固体物料浓度 Cp3较稀相区 1 段 h2的 平均固体物料浓度 Cp2随负荷的变化幅度小, 例如 锅炉负荷由 78. 2 增为 98. 72 , 稀相区 2 段的平 均 固 体 物 料 浓 度 Cp3由 1. 5873 kg Nm 3 增 为 2. 4754 kg Nm 3, 增加 0. 8881 kg Nm3; 稀相区 1 段的 平均固体物料浓度 Cp2由 4. 0728 kg Nm 3 增为6. 3709 kg Nm 3, 增加 2. 2981 kg Nm3。 稀相区 1 段和 2 段的平均固体物料浓度随负荷 率 R 的变化关系可拟合成下式 Cp2 1. 6258 0. 2656e 0.03R Cp3 - 0. 061 0. 2979e 0.0217R 4 由 4 式可见 平均固体物料浓度同负荷率拟合 为指数关系, 拟合精度示于图 4。 图 5 为对应于图4 的稀相区 2 段和 1 段的压降 和负荷率的关系曲线图。 循环床锅炉炉内传热计算时, 通常取一个特征 平均固体物料浓度来计算稀相区的传热量 [ 9] , 但本 试验结果显示 稀相区 1 段和 2 段的平均固体物料 浓度存在很大差异, 如负荷率为 98. 72 时, 稀相区 1段的平均固体物料浓度为6. 3709kg Nm 3, 稀相区 350 动 力 工 程 第 25 卷 图 4 固体物料浓度 Cp3、 Cp2随负荷率的变化 Fig 4 solid s suspension density Cp3、 Cp2varying with load 2 段则为 2. 4754 kg Nm 3, 故从传热计算的角度出发, 将稀相区分为两段可提高计算的精确度, 另外也可 获得较符合实际的炉膛出口物料携带率。 图 5 压降p2、 p3随负荷率的变化 Fig 5 Pressure drop p2、 p3varying with the load 图6 所示 随着负荷的增加, 各测点处的温度都 增大, 且沿着炉膛高度的温差随负荷的增加逐渐减 小, 说明负荷大, 炉膛上部的固体物料浓度大, 更多 的挥发份和炭颗粒被夹带到炉膛上部去燃烧, 上部 的燃烧份额增加, 炉膛上下温差减小, 同时可看出, 一部分细炭颗粒在绝热旋风分离器里的燃烧使得返 料的温度和床温差不多, 有时甚至比床温还高。 5 结 论 通过对75 t h 循环流化床锅炉的大量变工况试 图6 各种负荷下温度分布曲线 Fig 6 Temperature distribution under various load conditions 验研究, 得到以下结论 1 沿炉膛高度稀相区固体物料浓度呈指数规 律衰减, 负荷不同, 衰减指数不同 随着负荷的增加, 稀相区的固体物料浓度增加, 稀相区 1 段的增加幅 度较稀相区 2 段大, 各段平均固体物料浓度同负荷 率成指数关系; 2 同一负荷下, 稀相区 1 段的平均固体物料浓 度和 2 段的平均固体物料浓度存在较大差异, 将稀 相区分为两段可提高传热计算的精确性, 也可获得 较符合实际的炉膛出口物料携带率; 3 随着负荷的增加, 各测点处的温度都升高, 且沿着炉膛高度温度随负荷增加的幅度逐渐加大, 炉膛上下温差逐渐减小。 参考文献 [1] Bai D, Kato K, Quantitative estimation of solids holdups at dense and dilute regions of circulating fluidized beds[ J]. 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