600MWe超临界循环流化床锅炉的设计研究_刘静

第23卷　第1期　2003年2月
动　力　工　程
POW ER EN GIN EERIN G
Vol.23No.1　Feb.2003　
文章编号:1000-6761(2003)01-2179-06
600MWe 超临界循环流化床锅炉的设计研究
刘　静,　王勤辉,　骆仲泱,　岑可法
(浙江大学热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,杭州310027)摘　要:超临界循环流化床锅炉将循环流化床(CFB )燃烧技术与超临界蒸汽压力循环的优点相结合,是一项
发展前景十分广阔的洁净煤燃烧技术。

该文讨论了超临界大型循环流化床锅炉设计中的诸如炉膛结构、换热面布置等一些重要问题。

在此基础上给出了1台600M We 循环流化床锅炉的初步设计方案。

最后,通过热力计算,预测了锅炉运行的主要参数并讨论了负荷变化对锅炉各项参数的影响。

图4表4参7
关键词:超临界;循环流化床;锅炉设计中图分类号:TK 229.66 文献标识码:A
收稿日期:2002-01-10　修订日期:2002-04-20
作者简介:刘　静(1977-),女,博士研究生。

主要从事循环流化床锅炉大型化和动态数学模型的研究工作。

0　引言
我国的能源生产和消费结构是以煤为主、多能互补的体系。

目前,煤炭在一次能源中的比例约为75%,预计到2050年,煤炭比例还将占58%左右。

因此,煤炭在今后相当长的时间内都将是我国能源主体,在我国一次能源结构中的主导地位不会有太大的改变。

我国大气污染类型以煤烟型大气污染为主,主要包括烟尘、二氧化硫、氮氧化物、重金属、有机污染物和二氧化碳等。

由于电力生产是主要的耗煤用户。

因此,开发推广能源转化率高、污染物排放低的洁净煤发电技术是我国的一个必然选择。

作为新一代的洁净煤技术,循环流化床(CFB)燃烧技术已在世界范围内得到广泛应用。

循环流化床锅炉的低温燃烧特性(一般在850°C ～900°C 之间)使得脱硫过程得以在燃烧区内进行。

当Ca /S 比为1.5～ 2.5时,循环流化床锅炉的脱硫效率可达到90%。

循环流化床锅炉不仅燃料适应性很广,而且其燃烧效率可达97.5%～99.5%,可以与煤粉炉相媲美。

另外,通过分级燃烧,循环流化床锅炉的NO x 排放量可控制在50～150mg /kg (或40～120mg /M J)范围内,其它污染物例如CO,HCl,HF 等的排放量也很低。

以上这些都是循环流化床锅炉颇具吸引力的特点[1]。

目前,法国普罗旺斯电厂的250MWe 循环流
化床锅炉已经成功运行多年,300MWe 循环流化床锅炉也即将运行。

这证明循环流化床燃烧技术可以很好地应用于大容量锅炉。

为了适应未来电力工业发展的需求,我们需要进一步将循环流化床锅炉大型化,使它能够与大型煤粉炉(600MW e 或更大)相竞争。

由于朗肯循环的效率——也就是蒸汽的热能转化为电能的效率随着蒸汽参数的提高而提高,因此超临界压力蒸汽循环能够提高电厂效率,从而减少耗煤量和电厂运行费用。

目前,许多超临界机组已经在美国、日本、丹麦等国家成功运行多年,电厂发电效率得到了明显的提高。

例如丹麦V estkraft 电厂的3号机组,它代表了目前超临界技术的较高水平。

该机组投产于1992年7月1日,机组发电效率可达45.3%。

随着超临界机组的广泛应用,电厂效率将大大提高,耗煤量相应减少,从而使污染物的排放量随之减少[2]。

可见,如果把超临界热力循环应用于循环流化床锅炉,则兼备了循环流化床燃烧技术和超临界压力蒸汽循环的优点,显然是一项很有吸引力的洁净煤燃烧技术。

循环流化床燃烧技术所具有的以下特性使其更适合与超临界循环相结合[3,4]:
(1)由于循环流化床锅炉炉膛内的温度比常规的煤粉炉低得多,因此炉膛内的热流要比煤粉锅炉低。

在超临界直流循环中,由于工质的质量流量较低而温度却很高,所以水冷壁部件的冷却能
力是问题之一。

而循环流化床锅炉炉内较低的热流密度降低了对水冷壁冷却能力的要求。

(2)循环流化床锅炉炉膛内,固体浓度和传热系数在炉膛底部最大,而且随着炉膛高度的增加而逐渐减小,所以热流曲线的最大值出现在炉膛底部附近。

这个特性可以使炉膛内高热流密度区域刚好处于工质温度最低的炉膛下部区域,从而避免了煤粉锅炉炉膛内热流曲线的峰值位于工质温度较高的炉膛上部区域这一矛盾。

因此,循环流化床锅炉炉内热流分布曲线比较有利于水冷壁金属温度的控制。

(3)循环流化床锅炉的低温燃烧使得炉膛内的温度水平低于一般煤灰的灰熔点,再加上炉膛内较高的固体颗粒浓度,所以水冷壁上基本没有积灰结渣,保证了水冷壁的吸热能力。

(4)与煤粉炉相比,循环流化床锅炉炉膛内的温度沿炉膛高度方向更加均匀,因而水冷壁沿高度方向的吸热也更加均匀。

可见,随着循环流化床锅炉技术的日益成熟,超临界蒸汽循环和循环流化床燃烧技术相结合是完全可能的,并会成为洁净煤燃烧技术的主要发展方向之一。

本文在下面将对超临界循环流化床锅炉设计中的一些问题进行讨论,并给出1台600M We的超临界直流循环流化床锅炉的设计方案。

1　600M We超临界CFB锅炉设计中的关键问题
1.1　大容量循环流化床锅炉的实现
当锅炉尺寸增大时,炉膛体积增加的速度大于四周水冷壁换热面增加的速度,使得换热面积相对不足。

这个问题虽然可以通过增加炉膛高度解决,但是对于600MWe大型循环流化床锅炉来说却不能只增加炉膛高度。

这是由于当炉膛高度增加时,增加的是固体浓度最低的顶部区域,也就是传热系数较低的区域,这样就要求增加较多的炉膛高度。

比较可行的解决方法之一是在炉外固体颗粒循环回路上布置外置式换热器(EHE),即让部分高温循环物料进入布置有受热面(如过热器、再热器等)的低速流化床,进行热交换。

这样, EHE不仅能够补偿炉膛内部传热面积的不足而且还能够用来控制炉膛温度。

对于超大型循环流化床锅炉,如果炉膛底部仍然使用传统的单炉膛结构,则会由于锅炉炉膛尺寸大,造成前后墙或左右墙水冷壁之间的距离很大,使得二次风不能很好地到达炉膛中心,这将会影响炉膛内的燃烧过程及污染物排放控制。

为解决这个问题,可以采用“裤衩管”设计,即把炉膛底部分成两个独立的流化区(称为“支腿”),通过限制支腿深度的方法来解决炉膛大型化中的一些主要问题[5]。

这种方法可以确保送入循环流化床锅炉高浓度区的二次风能够很好地穿透到达炉膛中心。

1.2　超临界蒸汽参数锅炉受热面的布置
在超临界直流锅炉中,没有固定的蒸发区域,即汽、水之间没有明确的分界面。

在本文的设计中,工质在省煤器出口已经稍有过热。

工质在水冷壁内继续吸热过程,其温度持续上升,所以炉膛可以被看作是一个大型的过热器。

随着锅炉容量的增加,主蒸汽和给水的温度和压力都相应增加。

由于温度和压力的改变,给水的预热和过热过程吸收的热量占总换热量的份额也相应发生变化。

蒸汽参数提高时,过热吸热的份额增加很快。

因此,本文在EHE中布置了一部分换热面作为过热器,以适应工质过热过程吸热份额的增加。

1.3　超临界锅炉的变负荷运行
超临界锅炉的设计是以锅炉的运行方式为基础的。

在超临界蒸汽参数条件下,锅炉有两种不同的运行方式:定压运行和滑压运行。

在低负荷运行时,滑压方式较之定压方式有许多优点:首先,在滑压方式下,蒸汽温度在负荷改变时能够保持恒定,这使得变负荷时汽轮机内的热应力较小,而且负荷降低时蒸汽压力水平也相应减小,因而能够延长汽轮机的使用寿命。

其次,在低负荷时,蒸汽压力降低,比容增大,使得蒸汽在过热器和再热器中的分配有所改善。

另外,滑压运行能够减少外部管道阀门,简化启动过程。

而且,滑压运行可以减少电厂能耗,改善电厂的热效率。

2　600MWe CFB锅炉的设计方案
2.1　锅炉设计参数
锅炉的主要设计参数如表1所示。

设计煤种为淮南烟煤。

该煤种的元素分析和工业分析结果如表2所示。

用石灰石作脱硫剂,在Ca/S摩尔比为2.5时的设计脱硫效率为90%。

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· 动　力　工　程第23卷　
表1　锅炉的主要设计参数
项目数值项目数值总功率/M W e600再热蒸汽温度/°C580额定蒸发量/t·h-11900再热蒸汽压力/M Pa 4.4主蒸汽温度/°C580给水温度/°C290主蒸汽压力/M Pa28排烟温度/°C140再热蒸汽流量/t·h-11500锅炉效率/%90.54表2　煤种的元素分析和工业分析
煤种的工业
分析结果
/w%,ar
M V A
煤种的元素分析
结果w%,ar
C H O N S
低位发
热量/
M J/kg,ar
Q dw
8.8538.4821.3757.423.817.160.930.4622.21
2.2　锅炉总体布置方案
图1为所设计的600MWe超临界直流循环流化床锅炉的方案简图。

燃料通过给煤口送入炉膛底部的两个分开的流化区——即前述的“裤衩管”的两条“支腿”,并在炉膛内燃烧。

燃烧所放出的部分热量被布置在炉膛四周的水冷壁吸收。

燃烧产生的烟气从炉膛出口进入布置在炉膛的两侧上的6只汽冷旋风分离器。

烟气中的绝大部分固体颗粒被分离器分离下来,其中大部分经E HE 冷却后送回炉膛,另外一小部分则通过返料装置直接返回炉膛。

从分离器出去的烟气进入尾部烟道,依次冲刷高温过热器、低温再热器、省煤器和空气预热器。

2.2.1　炉膛结构
锅炉炉膛为矩形截面,炉膛净高为62m。

炉膛上部稀相区截面尺寸为21m×18m,由O28m×6.5m m的膜式壁构成。

炉膛上部两侧墙开有6个5.9m×2.3m的炉膛出口烟窗,烟气从这些烟窗进入分离器。

炉膛下部为“裤衩管”结构。

“裤衩管”将炉膛底部分成两个相互独立的流化区,每个流化区成为“裤衩管”的一条支腿。

支腿为锥形结构,高为7m,两条支腿内侧均敷有耐火材料,且各自有独立的布风装置,底部布风板的长为21m,宽7m。

每条支腿四周各有2排二次风口,每排24
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　第1期动　力　工　程
图1　600M W e超临界循环流化床锅炉方案简图
个,上排二次风口的中心距布风板的高度为2m ,下排距布风板的高度为1m 。

二次风以30°的倾斜角向下送入炉膛,送风管直径为0.2m 。

二次风速为45m /s 。

2.2.2　固体分离与返料系统
循环流化床锅炉的旋风分离器需要处理大量的高温烟气。

一般来说,对于大直径的旋风分离器,其分离效率随直径的增加而降低。

目前,旋风分离器的直径通常被限制在11m 以下,因而在大型循环流化床锅炉的设计中,通常布置多个分离器。

在本设计方案中,在锅炉两侧共布置了6只汽冷旋风分离器。

汽冷旋风分离器可以减小分离器的体积并且减少设备的重量。

所布置的每只旋风分离器的内径为10.2m ,外径为10.8m ,分离器入口烟气速度为25m /s 。

图2　600M W e 超临界循环流化床锅炉的汽-水系统图
每只旋风分离器都与1台外置式换热器(E HE)相连。

炉膛的两侧各布置3台EHE :其中2台(布置再热器)用来控制再热汽温,另外4台(布置过热器)用来控制炉膛温度以及床温。

鉴于目前国内外厂家通常采用的控制进入EHE 的物料量的机械阀存在着磨损严重、维护费用高等问题,本设计采用了非机械阀控制型外置式换热器,即把外置式流化床换热器和Loo pseal 返料机构结合在一起,通过控制Loo pseal 返料机构和外置式换热器运行时送入的风量来控制进入外置式换热器的高温物料量。

如图1中的主视图所示,来自旋风分离器的高温物料经立管向下进入返料装置和外置式换热器共用的物料分流室后,一部分物料进入返料机构,另一部分则进入外置式换热器。

物料首先通过分流室隔板的位置来实现粗分流,然后通过调节返料装置返料室的流化风、物料分流室的松动风和流化床换热器的流化风的风量来控制进入返料机构和外置式换热器的物料比例[6]。

通
过控制进入外置式换热器的高温循环物料量,可以有效地控制布置在外置式换热器内的过热器或再热器的吸热量,也可以调节炉内运行温度。

在6台EHE 中,布置低温过热器的EHE 被分为两部分,分别位于分离器立管的两侧,每一部分都有自己的返料管。

EHE 和返料机构出来的物料通过返料管均从侧墙的返料口进入炉膛。

从布置有高温再热器和中温过热器的EHE 出来的物料经返料管从侧墙的返料口进入炉膛,而从与之相连的返料机构出来的物料则经返料管从前后墙进入炉膛,其返料口对称地布置在两条支腿上。

2.2.3　给煤及给石灰石系统
给煤和给石灰石系统的设计是否合理直接影响到燃料的燃烧效率、脱硫效率及其它污染物排放等锅炉性能参数。

对于600MWe 的大容量循环流化床锅炉来说,为了使燃料在燃烧室内能均匀分布和充分混合,必须有足够多的给煤点。

因此,本文中除从回料管给煤外还在炉墙上增设了给煤点。

炉膛四周总共布置了14个给煤点:炉膛两侧的6个分离器的返料管上各设有1个给煤点,炉膛的四面墙上还各布置有2个给煤点。

炉墙给料点的出口与返料管的返料口位于同一高度,其中心距离布风板的垂直高度为1.8m 。

对于大容量的循环流化床锅炉,给石灰石系统一般采用气力输送的形式,即石灰石粉通过气力输送系统从炉墙上的给料点送入。

2.2.4　汽-水系统
图2所示为本锅炉的汽-水系统图。

该锅炉布置了三级过热器,两级再热器。

高温过热器和低温再热器位于尾部烟道内。

低温过热器和中温过热器以及高温再热器均位于EHE 内。

锅炉的汽水流程如下:给水首先进入省煤器。

被加热后的一部分工质则作为冷却蒸汽先经过旋
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2182· 动　力　工　程第23卷　
风分离器,然后与另一部分工质混合后进入位于EHE中的低温过热器。

接着,所有工质经过中温过热器进入高温过热器,然后进入第一级汽轮机做功。

从第一级汽轮机出来,工质依次通过低温再热器、高温再热器,然后进入第二级汽轮机做功。

3　热力计算
3.1　额定负荷热力计算
在设计时,我们对锅炉进行了热力计算以预测锅炉运行的一些主要参数。

超临界锅炉与其它亚临界循环流化床锅炉在炉膛/水冷壁的热力计算上有所不同:工质在超临界锅炉的水冷壁内流动时,其温度是不断上升的,并非象在亚临界锅炉中那样保持不变。

计算时依据循环流化床锅炉炉内特殊的传热特性建立了合适的计算方法。

额定负荷热力计算结果如表3所示。

计算所得的锅炉耗煤量为66.36kg/s,锅炉效率为90.54%。

将锅炉效率代入下式计算发电厂效率。

Z P=Z B Z T Z G(1-W)=90.54×0.55×
0.998×(1-0.11)=44.23%(1)式中Z P——发电厂效率
Z B——锅炉效率,%
Z T——汽轮机热效率
Z G——发电机效率
W——电厂自用电率
显然,与亚临界机组的发电厂效率(一般为37%～39%)相比,有效地提高了发电厂效率。

3.2　变负荷热力计算
为了讨论循环流化床锅炉在变工况下的运行规律,分别对热功率为90%,70%,60%,50%和35%额定负荷的工况进行了计算。

在60%～100%额定负荷内,锅炉按超临界纯直流工况运行,在35%～60%额定负荷内,锅炉则按亚临界纯直流工况运行。

表4给出了锅炉在不同负荷下的蒸汽参数。

表3　热力计算结果(额定负荷)
项目出口烟气
温度(°C)
烟气流通
截面积(m2)
烟气速度
(m/s)
进口工质
温度(°C)
出口工质
温度(°C)
受热
面积(m2)
传热温差
(m2)
传热系数
(W/m2·°C)
传热量
(k J/kg)
密　相　区854.3148.4×2 5.85
稀　相　区850.10368.5 5.53320.00442.2511551468.22150.3310764.6高温过热器685.00185.09.65502.58580.0011000222.9559.12100.83低温再热器526.00145.09.53360.00464.7312000192.1156.531888.86一级省煤器406.00130.09.23286.23320.0010500158.2855.661340.82二级省煤器334.00125.09.17265.46286.231100092.0354.87805.08空预器(热段)212.6665.016.67100.00250.003750064.1826.801424.1空预器(冷段)140.3960.015.0725.00100.001780092.3424.18776.02外置式换热器(中过)633.00260.0 2.31463.08502.581015366.25326.81760.88外置式换热器(低过)612.00130.0 2.10442.25463.081000396.00336.81935.21外置式换热器(高再)592.27130.0 2.32464.73580.001280326.72329.81999.12
表4　不同负荷下锅炉的蒸汽参数
锅炉负荷率额定负荷(%)
锅炉蒸
发量(t/h)
过热蒸汽
温度(°C)
过热蒸汽
压力(M Pa)
再热蒸汽
流量(t/h)
再热蒸汽
温度(°C)
再热蒸汽
压力(M Pa)
给水
温度(°C)
1001900.058028.01500.0580 4.4290.0 901696.158027.71350.4580 4.0283.0 701082.758027.31065.3580 3.1268.1 60952.858022.9880.1580 2.7260.1 50906.458018.1778.4580 2.3249.1 35665.058013.9560.0580 1.6230.2·
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　第1期动　力　工　程
图3所示为锅炉密相床温度和炉膛出口温度随锅炉负荷的变化。

由图可见,随着锅炉负荷的降低,床温和炉膛出口温度都有所下降。

但是,床温下降的幅度不大,下降速度较缓慢。

这是因为当负荷降低时,循环倍率随之减小,而密相区燃烧份额却因循环倍率的减小而升高,这在某种程度上缓解了床温的降低[6]。

因此,在较低负荷时仍能维持比较满意的燃烧温度。

图3　床温和炉膛出口温度随锅炉负荷的变化
图4给出了炉膛上部稀相区的传热系数随锅炉负荷降低的变化趋势。

从图中可以看出:稀相区的传热系数随负荷的下降而减小。

这主要由以下两个方面的原因所造成:①随着负荷的降低,投煤量相应减少,炉膛烟气速度也随之降低,这导致炉膛上部稀相区的颗粒浓度明显降低。

因此,稀相区内的对流换热系数也随之减小。

②负荷的降低使得炉膛温度下降,致使辐射换热减弱。

图4　稀相区传热系数随锅炉负荷的变化
4　结论
超临界循环流化床锅炉兼备了循环流化床燃
烧技术和超临界压力蒸汽循环技术的优点,是一种具有广阔发展前景的洁净煤发电技术。

本文依据目前国内外在循环流化床锅炉方面所取得的成果,讨论了超临界大型循环流化床锅炉设计时所面临的一些主要问题,如炉膛结构、换热面布置等。

在此基础上,给出了1台600MW e 超临界直流循环流化床锅炉的设计方案。

该锅炉炉膛下部采用“裤衩管”结构形式以保证良好的流化状态和二次风的良好混合。

6只汽冷旋风分离器被布置在锅炉的两侧,分离下来的高温物料一部分经分流进入布置有过热器或再热器的外置式换热器。

外置式换热器可以较好地解决锅炉受热面布置和炉膛温度控制等问题。

锅炉热力计算结果表明:锅炉运行参数达到设计要求,也表明超临界蒸汽参数和循环流化床燃烧技术在设计上可以相互集成。

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(下转第2204页)
组的负荷。

对于较早年代设计带基本负荷而又确实要大幅度低负荷调峰运行的机组,应重新用现代的动应力、疲劳寿命计算方法计算和评价末级叶片在受冲蚀条件下的使用寿命,并在检修停机中密切监测。

(3)机组在空负荷附近的停留时间尽量不要超过制造厂给定的控制时间。

(4)在冬季,特别是北方,应维持机组的真空不要太高,机组的运行应按低压缸效率曲线或保持背压不低于设计末级叶片的极限背压,以防叶片进汽侧的冲蚀损伤。

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Erosion Damage on the Last Stage Blades of Large Capacity
Steam Turbine in China Recently
L IU Zhi-jiang1,　X IU X iang-min1,　L I Lian-x iang2
(1.Thermal Pow er Research Institute,Xi'a n710032,China;
2.Electric Po w er Research Institute,Cha ngchun130021,China)
Abstract:La st stage blades of steam turbines operated in the v ery heav y co nditio ns,so their safety and reliability are very concerned.This article briefly introduces the mechanisms a nd harmfulness of erosion dam ag e o n the blades based o n the inv estigations of their opera tion conditio ns.It em phasized that ero sion damag e quite com mo nly o ccurred in the trailing side of the blades as the larg e capacity turbines opera ted at the co nditions of lo w load and peaking load in the lo ng term.It sho w s that ero-sio n dam ag e also occurred in the large zone o f leading side(below the ero sion prev ention part of the tip)for the turbines in North o f China.Finally this paper presented cor respo nding prev ention mea-sures,and giv es the point tha t it is necessa ry to com prehensiv ely co nsider the streng th a nd life of the last stag e blades in the opera tioin conditio n of peaking load.Figs2and ref1.
Key words:steam turbine;last stage long blade;erosio n damag e
(上接第2184页)
Design and Research on a600MWe Supercritical
Circulating Fluidized Bed Boiler
L IU J ing,　W AN G Qin-hui,　LUO Zhong-yang,　CEN Ke-f a (Institute of Therm al Pow er Eng rg.,Zhejiang Univ.,Hang zho u310027,China)
Abstract:The supercritical circulating fluidized bed(CFB)boiler is a v ery promising clean coal com-bustio n techno logy with the combination of the adv antages of the C FB co mbustio n technolog y and the supercritical pressure steam cycle.So me prima ry pro blems such as the furnace structure,the arrang e-m ent o f the hea t surface etc.w ere all discussed in this paper.And based o n the discussion,w e put fo rw ard a primary desig n o f a600MW e supercritical circulating fluidized bed boiler.At last,with ref-erence to the results of the therm al calcula tion,w e fo recast the main opera tio n pa ram eters of the boil-er a nd discussed the infection of the change o f the boiler lo ad o n so me main pa ram eters of the boiler. Figs4,tables4and refs7.
Key words:supercritical;circulating fluidized bed(CFB);boiler design。