裤衩腿循环流化床“翻床”过程影响因素的研究

杨志伟, 王 哲, 李 政, 孙纪宁, 倪维斗

(1.清华大学热能工程系,电力系统国家重点实验室,北京 100084;2.北京航空航天大学能源与动力工程学院,航空发动机气动热力国际重点实验室,北京 100084)

随着引进Alstom技术的300 MW等级循环流化床(CFB)锅炉在我国的应用,裤衩腿结构CFB的动态特性开始受到重视,其主要表现为:由于该类型循环流化床炉膛下部被分隔为两个彼此独立的“裤腿”,而一次风由两路相对独立的布风系统分别供入,在炉膛的两个“裤腿”之间由于运行参数不一致而容易导致横向物料转移,即很容易发生一侧“裤腿”向另一侧“裤腿”持续倒料的现象,当大量床料堆积在一侧“裤腿”中无法正常流化时,即发生了所谓的“翻床”事故.

目前,关于裤衩腿循环流化床动态特性模型的研究相对较少,主要集中于对“翻床”过程中炉膛床压(炉膛床料量)变化过程的模拟和分析[1-5],而对“翻床”过程中由物料交换所引起的炉膛燃烧、传热状态变化的研究则更少见.一些研究人员[2-4]根据国内300 MW等级CFB锅炉的运行经验,从操作参数的不平衡和控制设备故障等方面对“翻床”原因进行了分析,提出了锅炉运行中可能导致“翻床”的原因以及一些有效的预防和调节措施.李前宇等人[5]从流动特性的角度深入分析了“翻床”的具体原因,认为“翻床”的根本原因在于炉膛内存在的马鞍型的床料压降特性曲线.在风量较大的情况下,当风机总风量保持一定而两侧风量产生不平衡时(炉膛一侧风量增大而另一侧风量减小),根据该床料压降特性曲线,风量增大的一侧床料压降反而减小,而床料压降的减小又会使气流阻力减小,从而促使风量进一步增大;反之,风量减小的一侧床料压降会上升,而床料压降的上升又使风量进一步减小.这个过程将一直持续到风量大的一侧床料被吹空,而风量小的一侧床料无法流化为止,从而导致“翻床”.李金晶等人[1]从整个风烟流体网络系统的角度对“翻床”现象进行了分析,他们借鉴了李政等人[6-9]的循环流化床复合压降模型,将左右侧的风门、风箱、布风板和炉膛视为风烟流体网络中的不同支路,由于两侧支路具有相同的出口和入口,因此支路的总压降是相同的,与李前宇等人只是针对布风板和炉膛所组成的支路相比,这种分析方法更能反映处在风烟系统耦合压降流体网络下的循环流化床的运行特性.通过采用集总参数法对左、右两侧炉膛分别建模,李金晶等人成功地模拟了裤衩腿循环流化床“翻床”过程中两侧物料的变化情况.

在考虑复合压降的循环流化床两段模型[10]的基础上,通过考虑两侧炉膛参数不一致时炉内气体和物料的横向流动过程,笔者建立了裤衩腿循环流化床的动态数学模型,并得到实际“翻床”过程运行数据的验证.该模型与李金晶等人模型的主要区别为:①以循环流化床两段模型为基础,使模型能够反映炉膛上、下段的温度差异,而这种考虑对正在设计中的四川白马电站600 MW超临界循环流化床的直流汽水蒸发系统模拟过程求解精度的提高很有必要;②重新考虑了横向气体和物料交换量的计算方法;③考虑了两侧炉膛间横向气体交换过程对循环流化床炉膛内能量平衡的影响.笔者利用该模型对裤衩腿循环流化床“翻床”过程产生的原因及影响因素进行了分析.

1 风机稳定性与床料压降变化对“翻床”过程的影响

当裤衩型循环流化床两侧炉膛的流动状态不一致时,炉膛两侧的压力差将驱动气体从一侧流向另一侧,由于气体的横向流动对固体物料有拖曳作用,炉膛两侧的固体物料也会随气体的携带而发生横向流动.炉膛内的床料对流化风来说相当于阻力件,炉膛两侧床料量的差异将直接导致两侧床料压降产生差异.

以往的研究[1-5]和工业经验已经表明,炉膛两侧床料压降的差异对两侧风量的不平衡性具有正反馈作用,这是导致该类型循环流化床发生“翻床”事故的主要原因.图1为裤衩型循环流化床两侧床料压降对物料横向流动影响的示意图,黑色箭头代表炉膛两侧对应参量之间的定性大小关系.图中两侧炉膛的总压降均由风门、风箱和布风板的压降与床料压降组成,并且两侧炉膛总压降相同[1].当两床的运行参数在扰动下发生失稳,导致一侧(如左侧)炉膛的床料压降小于右侧时,则该侧风门、风箱和布风板的总压降必定大于右侧.由于风门、风箱和布风板等固定节流件的阻力大小与布风板入口风速的平方成正比,因此左侧入口的风量也大于右侧.两侧风量的差异引起气体和固体物料从左侧流向右侧,进而导致左侧床料压降更小,右侧床料压降更大.炉膛两侧床料压降的偏差越大时,风量偏差也越大,气体和物料的横向流动越剧烈.这样,裤衩型循环流化床炉膛两侧床料压降的偏差对物料的横向流动就形成了正反馈作用.当不存在风量自动控制系统对两侧风量的不平衡性进行调节时,两侧床料压降的不一致就有可能导致炉内物料转移不断加剧,直至发生“翻床”.

图1 裤衩型循环流化床两侧床料压降对物料横向流动影响的示意图Fig.1 Influence of bed pressure drop at both sides on the horizontal solid flow

由以上分析可知,裤衩型循环流化床内风量对床料压降的敏感程度可作为衡量其是否容易发生“翻床”事故的重要指标.而这种敏感性主要由一次风机(罗茨风机)的运行特性决定,同时也受到整体流体网络中各结构部件(包括风门、风箱、布风板)以及床料阻尼特性的影响.一次风机的运行稳定性不仅与自身性能有关,而且与工作条件有关,当在不稳定工况区工作时,其运行稳定性大大下降.而各流体阻力部件对风量变化的影响主要反映在床料压降占总压降的比例上,床料压降占炉膛总压降的比例越大,则炉内风量受床料压降波动的影响就越大.

图2 不平衡扰动时两侧炉膛参数的变化Fig.2 Parameters variation at both sides of furnace with unbalanced disturbances

利用模型可对不同条件下循环流化床的运行性能进行模拟,结果示于图2.模拟的初始时刻,循环流化床处于稳定运行状态,两侧床料压降相同,然后给右侧压降施加一脉冲扰动,使右侧床料压降在一段很短的时间内大于左侧,考察两侧炉膛内床料压降和布风板入口风量的变化情况.

由图2可见,在case1的条件下,由于布风板风量对床料压降变化的敏感性较强,两侧床料压降的不一致使得两侧风量产生不平衡并逐渐加剧,最终导致左侧床料被吹空;而在case2的条件下,由于床料压降的变化与总压降相比几乎可以忽略,因此两侧布风板风量基本保持不变.这种情况是一种理想情况,在实际条件下床料压降很小意味着物料量很少,不利于循环流化床内燃料的稳定燃烧和床温的控制,同时也失去了流态化燃烧传热能力强、燃烧强度大的优点.

实际情况中更有可能实现的是适当降低床料压降占炉膛总压降的比例,即图2中case3的情况.case1和case3中布风板风量对床料压降的敏感性见图3.由图2可见,当适当降低床料压降占炉膛总压降的比例时,随着布风板风量对床料压降变化的敏感性减弱,炉内物料横向流率及其增长速度都减小,尽管两侧物料的不平衡性仍然会随时间逐渐加剧,但变化速度明显减慢.

图3 图2中case1和case3条件下布风板风量对床料压降的敏感性Fig.3 Sensitivity of air flow rate through air distributor to bed pressure drop under case 1 and case 3 in Fig.2

需要注意的是,在实际运行的裤衩型循环流化床中,两侧炉膛的床料压降始终处于小幅度的波动状态,不可能完全相同,这一方面是由于无法保证两床的操作参数完全一致,另一方面主要是由于循环流化床内的气固两相流动十分剧烈,并且包含强烈的湍流混合,因此两侧炉膛间始终存在随机性的压力势差和固体移动,从而导致两侧床料压降不断波动.在模型中,由于没有考虑湍流混合的影响并且假设稳定运行时床内各点的流动状态保持稳定,因此不能反映床料压降的波动状态,但这并不影响其对不同扰动条件下循环流化床整体动态性能的预测.

由于床料压降的波动性,工业上为了防止“翻床”事故的发生,一般通过风量自动控制系统对两侧风门开度进行自动调节,以保持两侧床料压降的相对平衡.但这种控制系统的调节能力也是有限的,当两侧床料压降差异超出允许范围时,循环流化床仍然会有发生“翻床”的危险.根据上述讨论结果,选用对压力变化相对稳定的一次风机并保证其在稳定工况区工作以及在合理范围内适当减小两侧床料压降占炉膛总压降的比例,可以减小炉膛两侧风量对两侧床料压降差异的敏感性,降低物料横向不平衡流动的剧烈程度,有助于增强风量自动控制系统的可靠性,抑制“翻床”现象的发生.

2 温度对“翻床”过程的影响

除床料压降会对炉膛两侧风量变化产生重要影响外,两侧的温度偏差对其也有一定影响.这主要是由于在炉膛两侧流通面积和气体摩尔流量等同的情况下,温度高的一侧气体体积流量大于温度低的一侧,这种风量偏差所引起的气、固体的横向转移虽然不如床料压降的正反馈作用强烈,但在两侧温度偏差较大时也有可能导致两侧床料量的失稳.

为了说明这种情况,假设炉膛两侧给风量对床料压降变化的敏感性极低,模拟左侧炉膛发生传热恶化时循环流化床的整体动态变化,结果示于图4.由图4可见,当循环流化床左侧炉膛突然发生传热恶化时,该侧的传热系数减小,温度骤升,导致炉膛内风速增大,左、右两侧炉膛的风速偏差导致物料的横向持续转移,两侧床料的不平衡性也逐渐加剧.可见在风量对床料压降的敏感性较低时,炉膛两侧较大的温度偏差也会导致两侧床料失稳.

虽然一般情况下,炉膛两侧床料压降对炉膛风量的影响程度大于温度的影响,但是当两侧温度偏差较大时,其对炉膛内风量变化的影响也不能忽略.并且在实际运行的裤衩型循环流化床中,床温不仅会影响炉内的流化风速,还会影响物料的流化性能,这一点在模型中无法得到反映,因为模型中假设物料流化性能属于其自身属性,与温度无关.

在实际情况中,温度越高,物料流化性能越好,反之则越差.因此,当炉膛两侧温度偏差较大时,两侧物料的流化特性也会产生较大差异,若控制不及时或处理不当,同样可能导致两床流动状态出现失稳.因此,在裤衩腿循环流化床的运行控制中,应尽量保持炉膛两侧床温基本一致,从而保证在相同配风条件下两侧炉膛床料量和流动特性的相对平稳.

图4 炉膛左、右两侧温度差异导致的“翻床”过程Fig.4 The“bed turning” process caused by temperature difference between the two sides of the furnace

3 “翻床”过程中各重要参数的变化

图5给出了裤衩型循环流化床在不平衡扰动下的“翻床”过程中各重要参数的变化情况.起初循环流化床处于稳定运行状态,0时刻施加扰动使炉膛两侧床料压降出现微小差异.由图5可见,床料压降差异导致两侧布风板风量出现失稳,两侧炉膛间开始出现气体和物料的横向流动,在床料压降变化对物料横向流动的正反馈作用下,两侧床料压降偏差和布风板给风量偏差迅速增大,物料横向流率不断加剧,直至一侧物料被完全吹空.这些现象在前文的分析中已经得到解释.

值得注意的是,“翻床”过程中两侧炉膛内的流化风速差异并没有如同布风板风量差值一样持续增大,如图5(b)所示.这是由于流化风速不仅与布风板给风量有关,还与温度有关.当一侧炉膛物料量不断减少时,该侧碳燃烧率减小,温度下降,从而使该侧流化风速上升的趋势逐渐减缓甚至向反方向变化,这在一定程度上也减弱了炉内气体和物料横向流动的剧烈程度,见图5(c)所示.但总体来说,两侧床料压降差异对两侧风量变化的正反馈作用还是对“翻床”的最终进程起了主导作用.

图5 “翻床”过程中各参数的变化Fig.5 Parameters variation during“bed turning” process

4 结 论

(1)炉膛压降与风机流量的相互影响是导致“翻床”现象发生的根本原因.当炉膛两侧存在压差时,床料压降大的一侧风量减小,物料持续向该侧转移,导致床料压降更大,风量更小,加剧两侧的不平衡,导致“翻床”现象发生.

(2)一次风机(罗茨风机)的给风量对炉膛压降的敏感程度较低时,“翻床”现象不容易发生.因此,选用对压力变化相对稳定的罗茨风机并保证其工作在稳定工况区对控制“翻床”的发生具有积极意义.

(3)炉膛内压降由床料压降以及风门、风箱和布风板的总压降组成,当布风板压降占主导作用时,“翻床”现象相对不容易发生,即在风门、风箱和布风板特性不变的情况下,在合理范围内降低床料压降有助于防止“翻床”发生.

(4)即使在炉膛两侧给风量对床料压降不敏感的情况下,两侧较大的温度偏差也有可能造成两侧物料量的失稳.因此,运行时应尽量保持炉膛两侧床温基本一致.

[1]李金晶,李燕,刘树清,等.裤衩腿结构循环流化床锅炉床料不平衡现象的数值模拟[J].动力工程,2008,28(1):28-32.LI Jinjing,LI Yan,LIU Shuqing,et al.Numerical simulation of the bed material unbalance between the breeches-legs in a circulating fluidized bed boiler[J].Journal of Power Engineering,2008,28(1):28-32.

[2]蒋茂庆,高洪培,邝伟,等.300 MW 循环流化床锅炉床料翻床原因分析及运行对策[J].热力发电,2007,36(6):127-129.JIANG M aoqing,GAO Hongpei,KUANG Wei,et al.Cause analysis concerning turning-over of the bedmaterial in 300 MW CFB boiler and countermeasures in its operation[J].Thermal Power Generation,2007,36(6):127-129.

[3]刘剑,董志乾,朱劲松.300 MW循环流化床锅炉两床失稳及“翻床”的特性分析[J].热力发电,2007,36(4):53-73.LIU Jian,DONG Zhiqian,ZHU Jingsong.Cause analysis of losing stability and turning over for two beds in a 300 M W CFB boiler[J].Thermal Power Generation,2007,36(4):53-73.

[4]吴玉平,周嗣林,蒋茂庆.300 MW循环流化床锅炉“翻床”现象及处理方法[J].热力发电,2007,36(8):55-57.WU Yuping,ZHOU Silin,JIANG M aoqing.Bed-overturn phenomenon of underpants leg in 300 MW CFB boiler and remedial method thereof[J].Thermal Power Generation,2007,36(8):55-57.

[5]李前宇,赵凯,米子德.双支腿循环流化床锅炉“翻床”问题研究[J].华北电力技术,2007(7):43-51.LI Qianyu,ZHAO Kai,MI Zide.Research on overturn beds of CFB boiler with double feet structure[J].North China Electric Power,2007(7):43-51.

[6]李政,倪维斗,张巍,等.循环流化床整体物料平衡通用动态数学模型[J].清华大学学报:自然科学版,1997,37(2):24-27.LI Zheng,NI Weidou,ZHANG Wei,et al.General dynamic mathematical model for the total mass balance of CFBC[J].Journal of TsinghuaUniversity:Science and Technology,1997,37(2):24-27.

[7]李政,倪维斗,王哲,等.循环流化床实时动态数学模型研究[J].动力工程,1999,19(2):33-36.LI Zheng,NI Weidou,WANG Zhe,et al.A real time dynamic mathemtical model of CFBC[J].Journal of Power Engineering,1999,19(2):33-36.

[8]李政,王哲,倪维斗.循环流化床全工况实时动态数学模型的研究[J].动力工程,2000,20(1):511-514.LI Zheng,WANG Zhe,NI Weidou.Study of full working scope dynamic mathematical model for CFBC[J].Journal of Power Engineering,2000,20(1):511-514.

[9]李政,倪维斗,岳光溪,等.循环流化床复合压降数学模型[J].动力工程,1997,17(3):13-16.LI Zheng,NI Weidou,YUE Guangxi,et al.The compounded pressure drop mathematical model of circulating fuidized bed boilers(CFBC)[J].Journal of Power Engineering,1997,17(3):13-16.

[10]王哲,李政,倪维斗.多工况吻合的两段循环流化床动态仿真模型研究[J].动力工程,2009,29(7):627-631.WANG Zhe,LI Zheng,NI Weidou.Dynamic simulation model of two-stage CFB with multi-condition coincidence[J].Journal of Power Engineering,2009,29(7):627-631.