论文-循环流化床锅炉热流密度分布.pdf

循环流化床锅炉热流密度分布循环流化床锅炉热流密度分布 吕俊复1 于 龙2 岳光溪1 杨海瑞1 张建胜1 张 缦2 杨仲明2 1 清华大学热能工程系 100084 北京 2 哈尔滨锅炉有限责任公司 哈尔滨 150040 摘摘 要 要 循环流化床 CFB 燃烧技术的发展方向是超临界 超临界CFB锅炉的主要技术关键是炉膛受热面的横向 热流分布 本文在管内工质温度不同的三个容量实际运行的循环流化床锅炉上 在水冷壁不同高度上测量了膜 式壁特征金属壁温 将有限元用于水冷壁的换热分析 得到了循环流化床向水冷壁的换热系数分布 该结果为 超临界CFB锅炉的设计提供了基础 关键词 关键词 循环流化床锅炉 热流密度 分布 测量 0 引 言 引 言 循环流化床燃烧技术在低成本控制污染物 排放方面 具有明显的优势 但在提高供电效率 上上存在着挑战 超临界参数可以弥补这一不 足 循环流化床炉膛特点使其更适合与超临界循 环相结合 1 2 发展更大容量和超临界蒸汽参数 的循环流化床锅炉就必然成为循环流化床燃烧 技术下一步发展的主要方向 已经受到关注 1 3 4 从 1995 年开始 人们开始了相关的研究 工作 但是研究开发超临界循环流化床锅炉需要 一定的条件 其中最重要的是对水冷壁热流密度 的了解 1 目前 已经投运的循环流化床锅炉蒸汽参数 均为亚临界以下 以自然循环汽包炉为主 基本 上不考虑热流分布的不均匀性导致的流量偏差 由于自然循环水动力的自补偿特性 没有产生问 题 但在超临界条件下 是直流锅炉 必须充分 考虑热流分布 1 3 目前 关于循环流化床锅炉热流密度分布的 研究文献非常少 仅有关于平均传热系数的纵向 分布的描述 水冷壁沿炉膛高度方向上换热系数 的分布呈现出典型的下降趋势 5 但是仅仅这些 还不足以对水冷壁的工质流动清楚掌握 需要更 加详细的关于热流密度的分布规律 关于循环流化床锅炉横向热流分布特点 人 们延续了煤粉炉的有关思想 曾经有过错误的认 识 这主要是缺少这方面的测量和运行实践 事 实上 热流密度的核心是传热系数的分布 由于 管内工质的温度 流速影响了整体传热系数 6 所以可以进一步认为热流的本质是床向受热面 的换热系数 正是由于床向受热面的局部换热系 数测量困难 对这一问题的研究比较少 Animesh等曾经进行过探索性测试 7 由于研究 对象是冷态实验台 传热和流动状况和实际相差 太远 只得到了一些定性结果 Leckner等在炉 膛截面为 1 44m 1 7m的热水炉上 对水冷壁的 横向换热系数进行过测试 8 这是公开发表的对 于热流分布研究的最早的也是唯一的研究 由于 测量的对象为强制循环的热水炉 管内工质的流 动均匀性以及工质相变直接影响测量结果 因此 得到的数据的可靠性受到质疑 该研究的重要意 义在于 测量结果提示人们 循环流化床锅炉水 冷壁的热流并非如以前人们认为的那样均匀 为了便捷可靠地测量床向受热面换热系数 人们进行了很多努力 8 比较成功的方法是测量 膜式壁典型位置的壁温 根据有限元分析计算得 到床向受热面的换热系数 采用测量膜式水冷壁背面温度来测量换热 系数的方法已经得到应用 8 Bowen等人采用了 有限差分法研究了膜式水冷壁的换热特点 9 Fang等人用有限元方法对水冷壁进行了换热 分析认为 流向壁面的热流通量与壁面上任何 两点的温差都近似成线性关系 10 Andersson 等用有限元法计算了水冷壁温度场与热流的关 系 并与实验相结合 确定了适当的经验系数 用测量壁面温度差乘以经验系数的方法来确定 热流密度 8 这种不破坏水冷壁结构的比较准确 的方法适合于换热系数分布的大量测量 本文利用有限元分析作为工具 对不同容量 的 不同工质温度的三台循环流化床锅炉 在不 同高度位置和横向管子进行了温度测量 作为有 限元计算的条件 得到了床向受热面换热系数的 分布 1 膜式壁传热的有限元分析膜式壁传热的有限元分析 锅炉运行中 负荷和蒸汽参数稳定时 测量 过程中操作条件如床存量 过量空气系数 风配 比 排渣等处于稳定状态 则膜式壁结构处于稳 态导热过程 水冷壁一般较长 在循环流化床锅 炉条件下 床侧温度上下梯度非常小 若为蒸发 过程 管内工质的温度没有变化 因此可以不考 虑其纵向导热 简化为二维导热问题 出于对称 性的考虑 认为单根管温度场是管中心线两侧对 称 因此可以选取半个节距作为计算区域 计算区域内的温度场为 0 2 T 1 135 f 0 2 4 n i s s s iii s T n T kTT i 6 2 计算单元采用三角形 首先对计算区域进行 单元划分 以管径为 51mm 管节距为 100mm 为例 计算网格划分见图 1 共计 68 个计算单 元 其他膜式壁结构计算单元的划分与此相似 在测试对象中 水冷壁鳍片的材料 厚度与 管子本材是一样的 认为管 鳍片和保温层的导 热系数各向同性 保温层的导热系数为常数 鳍 片和管子的导热系数为温度的函数 鳍片与管子 的焊接工艺 目前普遍可以满足焊透的要求 因 此可以忽略管子与鳍片间的接触热阻 通常保温 材料的性能参数包含有管子和保温层间的接触 热阻 因此计算中不再考虑 并且认为保温层和 环境之间的对流换热系数 6在s6表面上处处相 等 假定管内工质与管内壁的对流换热系数 2在 测量点高度截面s2上沿管内壁面与位置无关 管 壁内侧水垢热阻忽略不计 循环流化床锅炉炉膛 中气固两相流对水冷壁管的冲刷严重 外侧金属 壁面污染系数取为 0 0005 6 0 4 b Tf4 Tb li 0 02 0 04 0 02 0 06 0 0 02 0 06 0 04 2 f Tf2 Tf 6 a Tf4 Ta s5 s1 s3 s2 s4 s6 A E B CD F G H H a2 af 图 1 计算网格 假定与床侧接触的换热表面的换热系数 4 在换热表面s4上均匀分布 若节点温度A H G 与测量结果相同 则说明该假定的 4为该测试条 件下的床侧换热系数 b 由于两个节点之间的温 差与确定床温Tb下的热流之间存在着唯一确定 的关系 则采用两个节点之间的温差确定床温Tb 下的床侧的换热系数 4 可以消除温度测量误差 提高测量的可靠性 8 11 金属材料导热系数是温度的函数 按式 3 考虑 每个单元独立迭代 o1 bbT 3 式中 bo b1与选用的材料有关可查有关数据 T为该单元的平均温度 环境温度Tf4 Ta实测 环境与保温层的对流 换热系数 6 a为 15W m2 K 保温层的导热系 数 0 15W m K 管内工质温度根据汽包实际压 力对应的温度考虑 管内工质侧的对流换热系数 2的取值方法较多 但相差较大 由于该值较大 对 计 算 结 果 影 响 较 小 12 计 算 中 取 为 5000W m2 K 温度测量中 分别测量图 1 中的 A H G 三点的温度 测量采用在金属壁面埋设热 电阻的办法 2 测量结果分析与讨论测量结果分析与讨论 在截面积分别为 3m 6m 5m 10m 7m 14m 的实际循环流化床锅炉上进行膜式壁的壁面温 度测量 依据测量得到的管子三个节点的温度 通过上述有限元计算 可以获得床向该管的换热 系数 忽略出口效应对炉膛换热系数分布的影 响 前后墙及左右墙换热系数的分布以各自的中 心线对称分布 则测量一半墙 实际测量各种容量循环流化床锅炉的床侧 温度水平分布发现 只要物料循环系统工作稳 定 同时风量配比以及燃料粒度合理 温度横向 分布是比较均匀的 图2为床截面为3m 6m 炉膛净高度为20m 的炉膛上 在高度分别为 6 4m 14 2m 16 4m 截面上 炉膛侧水冷壁的靠后墙半部分进行温度 测量 计算得到三个高度上沿床深度方向的床向 受热面的换热系数分布 床截面为 5m 10m 炉膛净高度为 30m的炉 膛的测量结果见图 3 锅炉水冷壁饱和温度为 274oC 图 3 a 为布风板之上 14 6 米炉膛前墙右 侧水冷壁的结果 图 3 b 为距离布风板高度分别 为 9 2m 15 4m 20m截面上 炉膛侧墙靠近前 墙的结果 床截面为 7m 14m 炉膛净高度为 35m 的 炉膛的测量结果见图 4 其中图 4 a b 分别为 前墙左侧 左侧墙靠近前墙在距离布风板高度分 别为 12m 18 5m 23m 的炉膛水冷壁的结果 144 146 148 150 152 154 00 10 20 30 40 5 距离中心线相对位置 床向壁面换热系数 ab W m2oC 距布风板高度6 4m 距布风板高度14 2m 距布风板高度16 4m 图 2 水冷壁横向换热系数的分布有限元测量结果 燃烧室截面积为 3m 6m 炉膛净高度 20m 床温 Tb 900 910oC 流化速度uf 4 97 5 15m s 管内工质温度 Tf 253 6 254 8oC 膜式壁结构 51 5 100 从图 2 图 4 可以看出 离布风板越高 换 热系数越小 单调下降 炉膛水冷壁中心线附近 的换热系数相对较小 而在接近炉膛角部 换热 系数有所提高 而四角燃烧煤粉炉的热流密度分 布为中间高 角部低 前后墙布置燃烧器为波浪 形分布 且前后墙与侧墙相差较大 这与煤粉炉 的分布是截然不同的 图 3 图 4 表明 侧墙换热系数的分布与前 后墙的分布相似 无论床截面的大小和炉膛的高 低 炉膛中气固两相流向受热面的换热系数 在 任何高度的水平方向上 无论侧墙还是前墙 均 呈现出中心低 角部高的现象 130 150 170 190 00 10 20 30 40 5 距离中心线相对位置 床向壁面换热系数 ab W m2oC 距离布风板高度14 6m a 130 150 170 190 00 10 20 30 40 5 距离中心线相对位置 床向壁面换热系数 ab W m2oC 距离布风板高度9 2m 距离布风板高度15 4m 距离布风板高度20 0m b 图 3 水冷壁横向换热系数的分布有限元测量结果 燃烧室截面积为 5m 10m 炉膛净高度 30m 床温 Tb 900 912oC 流化速度uf 4 75 4 93m s 管内工质温度 Tf 272 3 273 1oC 膜式壁结构 60 5 80 a 炉膛前墙右侧 b 炉膛侧墙前侧 155 165 175 185 195 00 10 20 30 40 5 距离中心线相对位置 床向壁面换热系数 ab W m2oC 距离布风板高度12 0m 距离布风板高度18 5m 距离布风板高度23 0m a 155 165 175 185 195 00 10 20 30 40 5 距离中心线相对位置 床向壁面换热系数 ab W m2oC 距离布风板高度12 0m 距离布风板高度18 5m 距离布风板高度23 0m b 图 4 水冷壁横向换热系数的分布有限元测量结果 燃烧室截面积为 7m 14m 炉膛净高度 35m 床温 Tb 882 894oC 流化速度uf 5 78 5 86m s 管内工质温度 Tf 353 8 354 6 oC 膜式壁结构 60 6 5 90 a 炉膛前墙左侧 b 炉膛左侧墙前侧 炉膛宽度 深度 物料悬浮浓度 图 5 燃烧室近壁区物料浓度分布示意图15 悬浮浓度 kg m3 距炉膛中心线的相对距离 x xo 5 10 15 20 25 0 5 0 3 0 1 0 1 0 3 0 5 30 距布风板高度 13 0m 距布风板高度 21 7m a 1 2 3 4 5 6 0 5 0 25 00 25 0 5 流化速度 uf 3 8m s 流化速度 uf 4 2m s 流化速度 uf 4 8m s 流化速度 uf 5 0m s 流化速度 uf 5 4m s 风速 ug m s 炉膛宽度相对位置 x xo b 图 6 水冷壁中心气体速度和物料浓度分布测量结果 燃烧室截面积为 7m 14m 炉膛净高度 35m a 横向物料浓度分布 uf 5 2m s b 不同流化速度下的炉膛速度分布 床向受热面换热系数的分布与炉膛中固体 物料的浓度分布具有相关性 6 10 。