300 MW循环流化床锅炉屏式过热器传热特性及壁温研究

程竹静，管 坚

(中国特种设备检测研究院，北京 100013)

0 引言

循环流化床(CFB)锅炉以其高燃烧效率、低污染物排放、广泛的燃料适应性等优点，近年来得到了迅猛的发展［1－5］。大型循环流化床锅炉炉膛内广泛使用屏式受热面来吸收炉膛热量，维持合理的炉膛温度。循环流化床锅炉炉膛内屏式受热面的传热与煤粉锅炉有着本质差别［6－7］。煤粉炉中，屏式受热面的传热以辐射为主，而在循环流化床锅炉中，由于大量颗粒的存在，使得屏式受热面的传热同时受到对流和辐射两方面因素的影响［8］，因此更为复杂。

本文以某电厂一台国产300 MW循环流化床锅炉为研究对象，考察了实炉运行过程中高温过热屏的传热系数随负荷的变化规律。同时，采用建立的循环流化床屏式受热面烟气侧传热模型，分析了高温过热屏在3个典型的锅炉负荷条件下，管内蒸汽温度和管壁金属温度沿管长方向的变化趋势。其结果为深入了解循环流化床锅炉屏式过热器传热特性和壁温分布特性提供了重要参考。

1 锅炉结构简介

该300 MW循环流化床锅炉采用单炉膛、单布风板结构，炉膛出口布置3个绝热式旋风分离器，炉膛上部布置10片水冷屏、12片中温过热屏、12片高温过热屏和6片高温再热屏。尾部采用双烟道布置方式，分别布置低温过热器、低温再热器和省煤器，尾部烟道下部布置旋转式空气预热器。

2 循环流化床锅炉高温过热屏换热模型

2.1 计算对象基础参数

本文研究的某电厂300 MW循环流化床锅炉高温过热屏结构如图1所示，屏由低温段和高温段两片小屏组成，每片小屏由20根管径为51 mm的管子构成。值得注意的是，为了提高蒸汽在管内的流动速度，两片小屏采用的较为特殊的串联方式(如图1所示)。为了研究的方便，我们规定了每片小屏边界的管子代号，如图1所示，沿着炉膛前墙至后墙的方向分别为01#，20#，21#和40#管，下面将对这4根典型的受热面管子进行重点研究。

图1 高温过热器结构及蒸汽流程图

本文选取了锅炉的3个典型工况进行研究，分别是BMCR，75%BMCR和50%BMCR工况，表1为锅炉实际运行工况的参数。

表1 实炉运行工况参数

在考虑高温过热屏烟气侧传热模型时，将受热面管子划分为n个区段进行研究，考察每个区段管子的传热特性及壁温分布特性。以01#管为例进行说明，根据循环流化床锅炉屏式受热面传热系数的公式，烟气侧传热系数由辐射和对流两部分构成，总传热系数可表示为

式中 α1(01，i)——烟气侧传热系数/W·m－2·℃－1;

αr(01，i)——炉膛向屏的辐射传热系数/W·m－2·℃－1;

αc(01，i)——炉膛向屏的对流传热系数/W·m－2·℃－1，(01，i)代表 01#管的第 i区段。

2.2 烟气侧辐射传热模型建立

根据辐射传热原理，辐射传热系数与黑度ε、炉膛温度Tb和屏式受热面金属外表面壁温Tw关联

式中 σ——斯蒂芬 －波尔兹曼常数/W·m－2·℃－4，取值 5.67 ×10－8;

ε——系统黑度;

Tw(01，i)——受热面金属外表面壁温/℃ ;

Tb(01，i)——炉膛温度/℃。

Tw(01，i)与工质温度、受热面管结构、管壁厚度、管壁导热系数、热负荷以及工质传热系数等有关，锅炉热力计算方法［9］，Tw(01，i)可由下式确定

式中 Tf(01，i)——该区段管内工质温度/℃;

δ——管壁厚度/m;

β——管外径与内径比值;

λ——管壁金属导热系数/W·m－1·℃－1;

μ——热散漫系数;

q(01，i)——该区段的热负荷/W·m－2;

α2(01，i)——管内工质与受热面的对流传热系数/W·m－2·℃－1，反映了管内工质对金属管壁的冷却效果。

2.3 烟气侧对流传热模型的建立

根据大量学者的研究经验，循环流化床锅炉屏式受热对流传热与颗粒密度、颗粒粒径、空隙率、烟气速度以及循环系统的工作性能有关，已有学者对炉内对流传热进行了一系列的研究并给出了相应的函数形式［10－11］，根据实际运行的 300MW CFB 锅炉数据求得的经验公式如式(4)［12］

式中 v——烟气速度/m·s－1;

ρp(01，i)——该区段的平均颗粒质量浓度/kg·m－3。

利用在实际运行锅炉炉膛内不同高度的压力测量数据，可得到平均颗粒质量浓度沿炉膛高度方向的变化规律

式中 h(01，i)——第i区段到布风板的距离/m;

H——炉膛总高度/m。

3 计算结果分析

根据模型计算了结果，得出了01#、20#、21#和40#管子在50%BMCR，75%BMCR和 BMCR负荷下，管内工质温度的沿程分布情况，如图2、图3和图4给出。从图中可以看出，工质从21#和40#管入口进入高温过热屏，随后工质温度沿着流动方向不断升高，在进入浇注料区域后温度上升速度变得平缓，最后进入01#和21#管继续升温直到管子出口。在整个工质升温过程中，没有明显的温度突变现象，这也说明了循环流化床锅炉相比于煤粉锅炉，由于辐射传热和颗粒对流传热协同作用下，屏式受热面热负荷非常均匀，不存在局部极高的热流密度区域。

图2 50%BMCR负荷下4根管内工质温度沿程分布

图5和图6显示了锅炉3个负荷下，01#，20#，21#和40#管子金属温度沿程分布趋势。从图中可见，管子在3根负荷下的金属温度沿着管长方向逐渐上升，在浇注料区域温度迅速降低，接近了管内工质的温度。同样，管子金属温度没有出现明显的突变区域，最高金属温度出现在蒸汽出口处，所有管子3个负荷下金属温度低于560℃，均在高温过热屏材料SA213－T91的温度许用范围内(管子壁温小于580℃)。

图3 75%BMCR负荷下4根管内工质温度沿程分布

图4 BMCR负荷下4根管内工质温度沿程分布

图5 20#和21#管壁金属温度沿程分布

值得关注的是，在图5和图6中可以看出，处于低温段受热面的管子(21#管和40#管)的金属温度随着锅炉负荷增加而增加;但是处于高温段受热面的管子(01#管和20#管)的最高金属壁温则出现在75%BMCR的锅炉负荷下。为此，对锅炉不同负荷下高温过热屏的传热系数进行分析，按照实炉运行的数据计算了锅炉不同负荷下高温过热屏的传热系数，如图7所示。在锅炉216 MW(约75%BMCR)负荷下，蒸汽流量为743 t/h，高温过热屏的传热系数为166 W/(m2·℃);在锅炉301 MW(BMCR)负荷下，蒸汽流量为1 034 t/h，高温过热屏的传热系数为178 W/(m2·℃)。对比这两个负荷，锅炉蒸汽流量在75%BMCR负荷比BMCR负荷少了28%，但传热系数只下降了6.7%，在低负荷下高温过热屏管子壁面得不到管内蒸汽的充分冷却，导致了管壁温度的升高。这同时也验证了为什么循环流化床锅炉屏式受热面在低负荷下易发生超温及爆管的主要原因［13－14］。

图6 01#和40#管壁金属温度沿程分布

图7 高温过热屏传热系数随机组负荷的变化趋势

本台锅炉的中温过热屏和高温过热屏均在的炉内，在设计之初已经考虑到了屏式过热器低负荷运行的安全性问题，因此在BMCR负荷下两级过热器喷水量设计极少，而在低负荷下加大喷水量防止屏式过热器超温。这种设计思路有效了防止了屏式过热器在低负荷的超温问题，但对于设计者提出了较高的要求，必须将屏式受热面的传热系数选择的较为精确。本台300 MW循环流化床锅炉总体上达到了设计的要求，但在高负荷运行时出现了主汽温度不够的问题，在以后的设计中需要进一步进行优化。

4 结论

(1)建立了屏式受热面烟气侧的传热模型，通过对受热面管子的分区段计算，得到了50%BMCR、75%BMCR和BMCR负荷下，4根典型管子中工质温度和管壁金属温度的沿程分布特性。管壁金属温度没有明显突升现象，最高壁温出现在工质出口处，说明了炉内的屏式受热面热负荷非常均匀。

(2)本文研究表明，受热面管子最高的金属壁温出现在锅炉75%BMCR负荷下，通过实炉运行的数据分析了循环流化床锅炉屏式受热面在低负荷下容易出现超温现象的原因，研究结果可为大型循环流化床锅炉的设计和运行提供重要的参考。

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