大型CFB锅炉低负荷再热汽温稳定特性研究 杨中智.pdf

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洁净煤技术
CleanCoalTechnology
ISSN1006-6772,CN11-3676/TD
《洁净煤技术》网络首发论文
题目:大型CFB锅炉低负荷再热汽温稳定特性研究
作者:杨中智,卢啸风,角加艺,蒙保胜,王鹏程
DOI:.1006-
网络首发日期:2022-06-23
引用格式:杨中智,卢啸风,角加艺,蒙保胜,
稳定特性研究[J/OL].洁净煤技术.
/-
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发论文视为正式出版。
:.
췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-06-2313:41:44
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DOI:.1006-
大型CFB锅炉低负荷再热汽温稳定特性研究
杨中智1,卢啸风1,角加艺2,蒙保胜2,王鹏程3
(,重庆400044;,广西533099;,山西045000)
摘要:作为灵活发电的关键环节之一,长期稳定低负荷运行技术在可再生能源并网规模不断扩大的过程
中发挥着重要作用。在循环流化床(CFB)锅炉进行负荷调节的过程中,为降低污染物排放或调平床温,
采用不均匀给煤的运行方式十分常见,这种方式对于CFB锅炉的设计和运行提出了更高的要求。同时,低
负荷时CFB锅炉炉膛出口烟气温度较低,如何保证再热蒸汽参数达到额定值是实现CFB锅炉灵活性运行亟
待解决的问题之一。通过针对两台350MW超临界CFB锅炉断煤低负荷运行工况参数进行深入的计算分析,
研究了低负荷时稳定再热汽温的措施。研究发现,锅炉在部分给煤点中断的断煤工况下运行时,床温、
炉膛出口烟温、炉膛出口氧量、高温再热器管屏出口蒸汽温度的变化趋势与各给煤口的给煤量基本呈正
相关的关系。但由于超临界CFB锅炉水冷壁具有正的流动响应特性,给煤偏差以及床温偏差对水冷壁的出
口汽温偏差影响不大。基于上述研究,提出了一种针对长期调峰与低负荷运行超临界CFB锅炉稳定炉内高
温再热器出口汽温的锅炉改造与运行优化技术方案。在低负荷下可保证高温再热器出口汽温的基本稳定。
关键词:超临界循环流化床锅炉;高温再热器;低负荷;蒸汽温度;断煤
中图分类号:TK227文献标志码:A
Studyonthestabilitycharacteristicsofreheatsteamtemperatureof
large-scaleCFBboilersatlowload
YANGZhongzhi1,LUXiaofeng1,JUEJiayi2,MENGBaosheng2,WANGPengcheng3
(,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;.,Ltd.,Guangxi,533099,China;
.,Ltd.,Shanxi045000,China)
Abstract:Asoneofthekeyprocessofflexiblepowergeneration,long-termstablelowloadoperationtechnology

regulationofcirculatingfluidizedbed(CFB)boiler,itwasverycommontoadopttheoperationmodeofuneven
coalfeedinginordertoreducepollutantemissionsoradjustbedtemperature,andthismodeputforwardhigher
,thefluegastemperatureofCFBboiler


undercoalcut-offandlowloadoperationconditionsweredeeplycalculatedandanalyzed,andthemethodsto

undercoalcut-offconditionswithpartialcoalfeedingportsinterrupted,thebedtemperature,furnaceoutletfluegas
temperature,furnaceoutletoxygencontentandhigh-temperaturereheatedsteamtemperaturewerebasicallyposi-
,becauseofthepositiveflowresponse
基金项目:高碱固体燃料循环流化床燃烧过程床料颗粒粘性演变机理及其团聚特性基金资助项目(项目编号):52176101
作者简介:杨中智(1996-),男,河南南阳人,博士研究生,主要从事流化床锅炉相关研究。E-mail:******@
卢啸风(1962-),男,四川泸县人,教授,主要从事流化床锅炉相关研究。E-mail:******@:.
characteristicsofthewater-wallofsupercriticalCFBboilers,thecoalfeedingdeviationandbedtemperaturedevi-
ationhadlittleeffectontheoutletsteamtemperaturedeviationofwater-,aboiler
transformationandoperationoptimizationtechnicalschemeforstabilizingtheoutletsteamtemperatureofhigh-
temperaturereheaterinsupercriticalCFBboilerunderlong-termpeakshavingandlowloadoperationwasproposed,
whichisexpectedtoensurethebasicstabilityofsteamtemperatureattheoutletofhigh-temperaturereheateratlow
load.
Keywords:SupercriticalCFBboiler;hightemperaturereheater;lowload;steamtemperature;coalcut-off
0引言的低负荷运行时,高再出口汽温基本稳定在540℃
~560℃之间,波动较小。陈生斌等[13]针对某
循环流化床(CFB)锅炉是一种清洁高效的燃300MWCFB锅炉低负荷再热汽温不足的问题,提出
烧技术,其具有燃料适应性强,燃烧效率高,污染了增加再热器面积的改造方案,并基于实际运行数
物控制成本低,负荷调节灵活等优点[1-3]。近年来,
据进行热力分析,验证了该方案的可行性。宋晓童
随着污染排放标准的日益趋严,以及电网接入可再等[14]通过热力计算分析了再热系统的换热效果,结
生能源发电机组的不断增加,对大型CFB锅炉的果表明,采用收到基低位发热量接近设计煤种的燃
调峰性能提出更高要求。因此,为配合可再生能源料能够减小煤质对炉内受热面换热效果的影响,可
发电负荷不可控变化,CFB锅炉需要经常参与调峰适当提高再热汽温。
或长时间处于低负荷运行工况[4-6]。截至2022年,全
球已有50多台超临界CFB锅炉投入运行,由于具有上述有关再热汽温的研究,主要是针对带外置
更好的经济性,90%以上的超临界CFB锅炉选择将床的CFB锅炉的再热汽温控制特性,针对不带外置
末级受热面以悬吊屏的方式布置在炉膛内部。随着床的CFB锅炉炉内屏式受热面再热汽温保证方法的
CFB锅炉的大型化发展,即将投运的660MW超超研究较少。本文以两台结构相似的350MW超临界
临界CFB锅炉的蒸汽参数进一步提升,过热器和再CFB锅炉为研究对象,对给煤线路中断的低负荷工
热器出口温度将达到605/623℃[7]。但是,大型CFB况的参数变化进行分析,根据实际的床温、烟气温
锅炉的炉内燃烧温度仅为800–900℃[8],尤其是在低度以及受热面出口蒸汽温度分布,深入讨论了断煤
负荷条件下,给煤量和总风量都会减少,外循环灰工况对于炉内换热均匀性和受热面温度偏差的影
量减少,炉膛出口烟温可能降低至700℃以下[9]。此响,进而提出通过给煤偏置和再热器偏置等措施,
时,由于传热温差较小,很可能会出现末级再热汽用以保证低负荷再热蒸汽温度的运行和设计改造方
温无法达到额定值的情况,汽轮机排汽参数会进入案。相关研究内容及结果可以为CFB锅炉的规模化
干度较小的湿蒸汽区,易出现损坏末级叶片危险状的发展以及实际运行调整提供参考。
况。这一问题,有必要对其进行深入的研究。
1试验研究对象与研究方法
有关CFB锅炉低负荷再热汽温稳定问题,已有
许多机构或学者进行过研究。通常,
厂可以保证锅炉在50%或60%~100%负荷时,再热
图1为本研究中350MW超临界CFB锅炉(分
汽温达到保证值(-5~+3℃)。当锅炉负荷低于50%
别称之为锅炉A和锅炉B)的结构示意图。锅炉设
时,再热汽温无法控制在设计保证值范围内。张思
海等[10]对有、无外置床的CFB锅炉再热汽温分布进计为单炉膛单布风板,M型布置,平衡通风,两侧
行了对比,发现低负荷时,通过将高温再热器布置进风的方式。炉膛采用全膜式水冷壁,炉内靠近前
在外置床中,可在较宽负荷范围内维持再热汽温。墙布置了三片水冷隔墙,中间水冷隔墙约占炉膛深
孙思聪等[7]提出了一种固体内循环过热和再热的技
度的一半。给煤口在炉膛前墙水冷壁下部收缩段布
术,该技术利用炉膛下部高温高浓度的固体循环换置。炉膛与尾部竖井之间,布置三台汽冷式旋风分
热,提升过再热汽温,并在自行设计的试验台上验
[11]离器,每台分离器的下部布置一个“U”型回料阀,每
证了其可行性。王虎等采用实炉测试的方法,对
比研究了有、无外置床对超临界CFB锅炉受热面吸一个回料器的循环灰分两路返回炉膛。锅炉A和锅
热分配特性的影响,结果表明在低负荷下,带外置炉B的主要设计参数及煤种分析分别见表1和表2。
床的锅炉炉膛出口烟气温度比不带外置床的高约
110℃,其锅炉受热面传热温差更大,低负荷再热汽
温特性更好。蔡晋等[12]分析了某超临界350MWCFB
锅炉变负荷过程蒸汽参数的变化,发现在40%~60%
:.
图1350MW超临界CFB锅炉结构示意图

boiler
表1锅炉A和锅炉B的主要设计参数
Table1MaindesignparametersofBoilerAandBoilerB
项目锅炉A锅炉B
蒸汽流量(t/h)11101110
过热汽压(MPa)
过热汽温(℃)571571
再热汽压(MPa)
再热汽温(℃)569569
锅炉设计热效率(%)
炉膛宽深(m×m)××
布风板尺寸(m×m)××4
给煤口个数810
表2锅炉A和锅炉B燃料的主要性质
Table2MainparametersofthefuelofBoilerAandBoilerB
项目锅炉A锅炉B
d50(mm)
Car(%)
Har(%)
Oar(%)
Nar(%):.
Sar(%)
Mar(%)
Aar(%)
V(%)
FC(%)
Qar,net(kJ/kg)1374015350

为了深入研究在锅炉低负荷下再热蒸汽温度的
变化特性,主要利用原锅炉炉内各温度测点,通过
DCS画面得到所需计算参数。所用到的主要测点如
下:在炉膛密相区,锅炉A和锅炉B分别均匀布置
了12个和16个热电偶,用以测量锅炉A和锅炉B
的床温分布,
。锅炉A(锅炉B)的水冷壁和高温再热器
出口分别安装有6(6)个和8(6)个汽水温度测点,
分别用于测量锅炉A和锅炉B水冷壁和高再出口蒸
汽温度。图2显示了锅炉A和锅炉B的给煤口和床
温测点的具体分布,本文将炉膛的给煤口从左到右图3受热面出口温度测点分布图
进行编号,记为#x(人站在炉前,面向锅炉)。图3

显示了不同受热面出口的温度测量点的具体位置。
ofheatingsurfaces

在锅炉正常运行条件下,部分给煤线路中断以
后,锅炉负荷降低。当燃烧稳定时,炉膛内将处于
新的平衡状态,在这种稳定的低负荷运行状态下,
锅炉A和锅炉B各给煤口具体的给煤量分布如表3
所示。可以发现,断煤运行工况中,锅炉A属于炉
膛右侧4个给煤口完全断煤的运行工况(50%的给煤
口断煤)。锅炉B连续经历了三个断煤工况,分别
称为工况1、工况2和工况3。工况1是两侧各2个
给煤口断煤(40%的给煤口断煤),随后发生的工
况2和工况3则分别有6个给煤口断煤(60%的给煤
口断煤)。
图2密相区给煤口以及床温测点分布图
表3低负荷运行时各给煤口给煤量分布表

measuringportsinthedensephasezoneTable3Coalfeedingratesofeachcoalfeedingportatlowloads
项目#1#2#3#4#5#6#7#8#9#10
:.
锅炉A给煤526351460000//F6)和45℃(测点R3和R6),增加至191℃(测
量(t/h)点F2与F6)和60℃(测点R3和R6)。前墙温差
增大更加明显,主要原因是由于中隔墙水冷壁的存
锅炉B工况0027232115291000
在,炉膛左侧前墙附近的燃料不能及时、充分地扩
1给煤量(t/h)
散至右侧断煤区域燃烧。
锅炉B工况00222821000300
对于锅炉A和B的断煤工况分析发现,部分线
2给煤量(t/h)
路给煤中断会导致燃料在密相区放热量降低,给煤
锅炉B工况00032260001916量的偏差会造成床温分布不均,断煤口附近的床温
3给煤量(t/h)迅速下降。炉膛一侧给煤口中断较多时,该侧氧气
相对于燃料过剩,正常给煤一侧氧量较低。这说明
断煤稳定运行时候,锅炉A与锅炉B的主要运
炉内氧量的横向扩散很弱,密相区的风、煤均匀性
行参数如表4所示。由表4可知,锅炉A和锅炉B
是影响床温分布的重要因素。此外,可以发现在断
都运行在(30%~78%负荷)亚临界直流工况,此时
煤后(30%~78%负荷)的亚临界直流工况下,炉内
水冷壁出口为有一定过热度的过热蒸汽。
流化仍然较强,颗粒混合也较强,最低床温在650℃
以上,高于无烟煤流化床燃烧的着火点[15-17],断煤
表4低负荷测试期间主要运行参数
侧给煤恢复后,投煤即可燃烧。
Table4Mainoperationparametersduringtestsatlowloads
锅炉B锅炉B锅炉B
项目锅炉A
工况1工况2工况3
锅炉负荷(MW)222175143135
过热汽温(℃)555557535528
过热汽压(MPa)
再热汽温(℃)550540516508
2测试结果分析与讨论(a)锅炉A前墙

图4和图5分别显示了锅炉A和锅炉B给煤线
路中断前后床温和炉膛出口氧量随时间的变化情况。
当断煤后床温和氧含量基本保持恒定时,可将断煤
工况视为一定时间内的稳态工况。
锅炉A右侧给煤线路全部中断,炉膛床温仅靠
左侧扩散来的燃料及高温床料维持,导致该侧床温
大幅降低,最大温降达到了133℃,断煤后F6&R6
测点床温低至692℃。正常给煤的左侧前后墙#1和
#2给煤口附近温度降低在10~30℃之间,由于#3正
(b)锅炉A后墙
常给煤口靠近中隔墙,且在未断煤的炉膛一侧,前
后墙区域的温度降低了30~50℃,幅度高于#1和#2图4锅炉A前墙和后墙床温及氧量分布图
给煤口附近区域。断煤后密相区温度不均匀性明显

增大,前、后墙的最大温差分别由64℃(测点F2与
frontwallandrearwallofboilerA:.
断煤后两侧烟气温度偏差大幅增加,从68℃增加到
207℃,但是,断煤工况下,锅炉A炉膛中心线左右
℃(测点1),
℃(测点6),℃,最大偏
℃。这说明由于采用低质量
流率水动力原理[18-20],水冷壁内的工质流量具有正
的自偿特性,受热强的水冷壁管内汽水流量比受热
弱的管内汽水流量更大,因此在锅炉A右侧完全断
煤运行工况下,尽管床温及两侧烟温偏差较大,水
冷壁出口平均汽温偏差并没大幅升高,水冷壁运行
基本安全。
(a)锅炉B前墙
在锅炉B断煤工况运行期间,水冷壁最大偏差
℃,随后的锅炉负荷升高,水冷壁最大
℃。这说明,在断煤运行工况下,
由于水冷壁工质流量的自偿特性,水冷壁出口温度
的最大偏差与正常运行时的偏差相差不大。
(b)锅炉B后墙
图5锅炉B连续三个断煤工况时前墙和后墙床温及氧量
分布图

frontwallandrearwallofboilerBunderthreecontinuouscoal(a)锅炉A
cut-offconditions

图6显示了断煤前后水冷壁出口温度与锅炉负
荷之间的关系。在给煤线路中断前,锅炉A水冷壁
出口温度最大值为395℃(测点5),℃
(测点4)。℃
(测点6),℃(测点2)。即,无
论是锅炉A还是锅炉B,给煤中断前水冷壁出口温
度的偏差并不大,最大偏差值小于6℃。给煤中断后,
所有水冷壁出口蒸汽温度均随着锅炉负荷的降低而
降低,锅炉A和锅炉B各自的6个测点水冷壁出口(b)锅炉B
温度降低幅度相近,均在20~50℃之间。
图6锅炉A和锅炉B水冷壁出口温度随负荷变化图
图7进一步显示了炉膛两侧出口烟气温度随锅
-walloutlettemperatureofboilerA
炉负荷的变化情况,可以发现,对于锅炉A而言,
andboilerBwithload
:.
热温差以及受热面积成正比,因此,断煤发生后,
炉膛右侧的高温再热器出口蒸汽温度迅速下降,且
距离正常给煤线路越远,温度越低。在此之后,负
荷仍在降低的过程中,为了维持断煤一侧(右侧)
再热蒸汽温度,运行中锅炉自动调节尾部双烟道烟
气挡板开度从而增加低温再热器出口蒸汽温度。调
节过程中会导致右侧高温再热器出口温度比断煤前
有一定的升高,因此出现了一个峰值,如图8(a)所
示。
然而,在正常给煤的左侧炉膛,4个高温再热器
(a)锅炉A出口温度在断煤后不降反升,在60%BMCR的工况
下,出口温度稳定在580℃左右,比额定值高出
11℃,超过再热汽温控制要求(-5℃至+3℃)。在
锅炉B的测试中也发现了同样的现象,在约
50%BMCR的断煤工况1下,位于炉膛两侧断煤口
#1#2和#9#10附近的再热蒸汽出口温度分别只有522℃
和513℃,比正常运行时低了10~30℃,但是正常给
煤口附近,测点3和测点4的再热汽温达到了573℃,
高于设计值。锅炉B随后发生的断煤工况2和工况
3,负荷降低至40%BMCR附近,由于#9#10恢复正
常给煤,测点6附近蒸汽温度有所回升,断煤口附
近的高再汽温则进一步降低,正常给煤口附近的汽
(b)锅炉B温则波动不大。
图7锅炉A和锅炉B炉膛出口烟气温度随负荷变化图

boilerAandboilerBwithload

影响
给煤中断前后,锅炉A和锅炉B的炉内屏式高
温再热器的出口蒸汽温度与负荷随时间变化的情况
分别如图8(a)和8(b)所示。从图8(a)中可以看出,在
给煤中断情况发生后的0~25分钟内,锅炉A右侧高
温再热器出口温度测点5至8的所测得的温度迅速(a)锅炉A
下降,且温度降低幅度从左向右依次增加,分别为
℃、℃、℃℃,测点8的最低值
℃,℃。这主要是由于,
给煤中断,锅炉负荷降低,给风量随之降低,气速
减小,气流对颗粒的携带能力减弱,被携带到炉膛
上部的颗粒量减小,屏式受热面附近的传热系数降
低。同时,炉膛右侧给煤中断导致炉膛右侧烟温
(如图7)大幅下降,而左侧正常给煤,烟气温度降
低幅度很小。屏式受热面的传热量与传热系数、传:.
时的再热汽温控制。(1)在不改变受热面分布的情
况下,可以在低负荷时,在各屏式再热器正下方对
应给煤口加大给煤,即人为的不均匀给煤,促进再
热汽温升高;(2)在锅炉设计或改造中,根据给煤
口的数量和布置位置,将炉内屏式过热器集中布置
或偏置布置,如图9(a)和(b)所示,在低负荷时,通
过增大再热屏对应给煤口的给煤量(相应二次风
量),保证低负荷再热汽温稳定。必要时,还可将
尾部前后双烟道布置的低温过热器与低温再热器,
改为左右双烟道布置,进一步提高锅炉低负荷时保
证再热汽温参数的能力。值得说明的是,在调节过
(b)锅炉B
程中过热汽温也会受到影响,但过热汽温调节方法
图8锅炉A和锅炉B高温再热器出口温度随负荷变化图较多,可根据实际运行状况,调节过热屏对应给煤
口给煤量并结合喷水减温等方式来保证过热汽温。
-temperaturereheateroutlettempera-
同时,针对偏置给煤对于NOx排放的影响,首先在
tureofboilerAandboilerBwithload
断煤一侧,没有燃料给入也很少有NOx产生。在正
分析上述现象导致的各再热屏出口再热汽温的常投煤一侧,煤量比各给煤口均匀给煤时的煤量更
变化与偏差情况可知,给煤线路中断之后,由于燃多,在低负荷运行时有利于减少过剩氧量,因此有
料分布不均,所造成的燃料释放热量的偏差导致炉助于抑制NOx。即本文提出的偏置运行或布置方案,
膛屏式再热器受热面的传热与温度分布不均。而由不会明显增加NOx排放。
于锅炉蒸汽温度控制系统的自动控制作用,要保证
最后的平均再热蒸汽温度达到额定值,断煤时正常
给煤一侧的再热蒸汽温度比正常运行时的再热蒸汽
温度更高。这种现象也表明,当高温再热器均匀地
布置在炉膛两侧时,在给煤偏差较大的情况下,它
们会有超温的风险,例如锅炉A高温再热屏出口测
点1所测管屏温度,在测试的第47分钟达到了582℃,
如图8(a)所示。与相同断煤工况下水冷壁出口汽温
偏差变化相比,高温再热器出口蒸汽温度的偏差大图9大型CFB锅炉再热器偏置布置方案
得多,且与所