低負(fù)荷下高流動(dòng)穩(wěn)定性的超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種循環(huán)流化床鍋爐，特別是超臨界參數(shù)的循環(huán)流化床鍋爐水冷壁系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超臨界鍋爐發(fā)電機(jī)組能夠獲得更高的發(fā)電效率，超臨界循環(huán)流化床鍋爐是指鍋爐輸出的蒸汽的壓力和溫度高于水蒸汽的臨界參數(shù)(22.12MPa，374.15°C )。然而超臨界狀態(tài)下，水和蒸汽沒(méi)有物理參數(shù)上的區(qū)別，導(dǎo)致亞臨界參數(shù)以下鍋爐所采用的汽包-下降管-水冷壁-汽包構(gòu)成的自然循環(huán)(或強(qiáng)制循環(huán))水冷壁系統(tǒng)無(wú)法采用。超臨界鍋爐水冷壁系統(tǒng)采用一次直流鍋爐，即水冷壁內(nèi)的工質(zhì)(水或者水蒸氣)一次通過(guò)水冷壁。水冷壁內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速相比亞臨界鍋爐自然循環(huán)(或強(qiáng)制循環(huán))更低，水冷壁管被工質(zhì)冷卻的狀況變差，水冷壁管金屬的溫度更高，容易出現(xiàn)超溫?fù)p壞的問(wèn)題。
[0003]超臨界鍋爐水冷壁工質(zhì)一次直流，水冷壁工質(zhì)出口是過(guò)熱蒸汽，爐膛水冷壁在不同位置，例如前墻水冷壁，側(cè)墻水冷壁，由于位置不同，長(zhǎng)度不同，所吸收的熱量不同，會(huì)引起水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的溫度不同，引起水冷壁管材料溫度不同。這種溫差如不加以控制，惡劣的情況下會(huì)因溫度差異起熱應(yīng)力拉裂、破壞水冷壁管子。
[0004]常規(guī)的超臨界煤粉鍋爐水冷壁一般采用“螺旋盤(pán)管”的水冷壁結(jié)構(gòu)，減小水冷壁管的流通面積，提高水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速，同時(shí)螺旋盤(pán)管依次經(jīng)過(guò)水冷壁的不同位置，盡量均勻吸熱，解決水冷壁安全的問(wèn)題。超超臨界煤粉鍋爐水冷壁的質(zhì)量流速一般大于
1000kg/m2.So
[0005]循環(huán)流化床鍋爐因?yàn)闋t膛內(nèi)有大量的循環(huán)物料，靠近水冷壁壁面附近有大量的貼壁下降流物料。螺旋盤(pán)管結(jié)構(gòu)水冷壁會(huì)被貼壁下降流嚴(yán)重磨損，因而無(wú)法在循環(huán)流化床鍋爐上采用。
[0006]基于上述原因，超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁采用垂直管布置，水冷壁的質(zhì)量流速一般較低，一般小于1000kg/m2.s，被稱為“垂直管低質(zhì)量流速”。低質(zhì)量流速的水冷壁系統(tǒng)利用工質(zhì)的“自補(bǔ)償特性”分配水冷壁的流量，使得吸熱強(qiáng)的管子分配到多的流量，增強(qiáng)管子冷卻，降低管壁溫度。
[0007]但是，本專利發(fā)明人在研究中卻發(fā)現(xiàn)，采用低質(zhì)量流速的超臨界CFB鍋爐水冷壁存在著較嚴(yán)重的低負(fù)荷下流動(dòng)穩(wěn)定性差的難題:鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于水冷壁的流量減少，水冷壁管子內(nèi)工質(zhì)(水或者蒸汽，或者兩者的混合物)流動(dòng)的穩(wěn)定性下降，在受到擾動(dòng)，例如外部加熱增強(qiáng)，或者流量減少，容易出現(xiàn)工質(zhì)流動(dòng)速度急劇變化，水被加熱氣化，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)一步阻塞水冷壁管子，引發(fā)流量減少，形成負(fù)向的反饋，最終引發(fā)管壁溫度升尚ο
[0008]因此低質(zhì)量流速的的超臨界CFB鍋爐水冷壁設(shè)計(jì)需要設(shè)法解決在低負(fù)荷時(shí)候流動(dòng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，防止負(fù)向反饋發(fā)生。然而，如何實(shí)現(xiàn)低質(zhì)量流速條件下，完成低負(fù)荷下高流動(dòng)穩(wěn)定性的超臨界CFB鍋爐水冷壁設(shè)計(jì)，并沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)公開(kāi)。
[0009]另外，低質(zhì)量流速的超臨界CFB鍋爐水冷壁采用一次直流鍋爐，即水冷壁內(nèi)的工質(zhì)(水或者水蒸氣)一次通過(guò)水冷壁吸熱，直接被加熱成過(guò)熱蒸汽。這要求超臨界鍋爐水冷壁的吸熱量比例(約36-40% )比亞臨界水冷壁吸熱比例(小于29% )增加，水冷壁系統(tǒng)必須增加更多的面積才能滿足要求。如果不采取改進(jìn)措施鍋爐水冷壁的高度會(huì)增加很快，造成鍋爐造價(jià)的升高。另外循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)換熱依賴于循環(huán)的物料，爐膛高度增加后爐膛上部的循環(huán)物料濃度會(huì)降低，水冷壁換熱效果也會(huì)下降。因此要設(shè)法增加超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的面積，但不引起爐膛高度快速增加。
[0010]在解決水冷壁面積增加方面，現(xiàn)有技術(shù)中存在水冷壁和擴(kuò)展屏串聯(lián)的方案，該方案在爐膛內(nèi)增加屏式擴(kuò)展受熱面，降低了爐膛高度，降低了鍋爐造價(jià)和制造難度。但是這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)水冷壁出口的蒸汽的干度有嚴(yán)格要求，比如“鍋爐30%負(fù)荷工況下，工質(zhì)干度要多80% ” “鍋爐50%負(fù)荷工況下，水冷壁將工質(zhì)加熱為飽和蒸汽”。上述要求使得水冷壁還是必須有足夠的面積，使得爐膛高度降低幅度有限。此外水冷壁和擴(kuò)展屏串聯(lián)，水冷壁系統(tǒng)質(zhì)量流速很高，尤其是擴(kuò)展屏的質(zhì)量流速。質(zhì)量流速增大對(duì)降低管壁的溫度作用有限，還會(huì)使水冷壁的阻力增加，增大鍋爐給水栗的能耗，降低電廠的經(jīng)濟(jì)性。
[0011]發(fā)明的內(nèi)容
[0012]本發(fā)明的目的:超臨界CFB鍋爐水冷壁實(shí)現(xiàn)低質(zhì)量流速，同時(shí)解決低質(zhì)量流速下增加水冷壁面積和爐膛高度問(wèn)題；特別是，解決低質(zhì)量流速的超臨界CFB鍋爐水冷壁在低負(fù)荷下流動(dòng)穩(wěn)定性下降問(wèn)題，防止水冷壁系統(tǒng)負(fù)向反饋發(fā)生。
[0013]本專利的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0014]超臨界CFB鍋爐水冷壁實(shí)現(xiàn)低質(zhì)量流速的方法，步驟為:
[0015]首先，根據(jù)CFB鍋爐的蒸汽流量(T)和燃料，計(jì)算出燃燒生成的煙氣流量(Q)，然后由煙氣流量和爐膛內(nèi)的煙氣流速得到爐膛的截面面積:燃料中的主要元素碳(C)氫(H)硫(S)燃燒會(huì)放出熱量，也會(huì)產(chǎn)生煙氣，放出的熱量和產(chǎn)生的煙氣量由公知的化學(xué)知識(shí)可知。根據(jù)蒸汽需要吸收的熱量和燃料燃燒產(chǎn)生的熱量平衡，可以計(jì)算得到煙氣流量Q。爐膛內(nèi)的煙氣流速選擇一般為V = 4-6m/s.Q/V = S，S就是爐膛的截面面積。
[0016]第二步，根據(jù)得到爐膛的截面面積，以及設(shè)計(jì)的爐膛的截面形狀，得到爐膛的周長(zhǎng)(L);如果選擇的是矩形截面爐膛，綜合考慮循環(huán)流化床鍋爐爐膛的長(zhǎng)(a)寬(b)比例，a*b=5，確定3，13。爐膛周長(zhǎng)L = 2*(a+b)。
[0017]第三步，根據(jù)得到的爐膛周長(zhǎng)(L)，按質(zhì)量流速范圍是700?350kg/m2.s選取組成爐膛水冷壁管子的內(nèi)徑和數(shù)量，且爐膛水冷壁由四周水冷壁和水冷中隔墻并聯(lián)構(gòu)成:
[0018]四周水冷壁管內(nèi)徑rl，四周水冷壁管數(shù)量ml，水冷中隔墻管內(nèi)徑r2，水冷中隔墻管數(shù)量m2 ；
[0019]爐膛水冷壁流通面積A = (3.14*rl2/4) *ml+(3.14*r22/4)m2.水冷壁質(zhì)量流速t=T/A.t最佳的范圍是700?350kg/m2.s’ ml和m2要同時(shí)滿足水冷壁扁鋼溫度的要求。
[0020]本專利方法中，水冷壁管數(shù)量ml和中隔墻管數(shù)量m2太少扁鋼尺寸大，扁鋼溫度會(huì)超過(guò)允許數(shù)值。水冷壁管內(nèi)徑面積和數(shù)量的乘積就是爐膛水冷壁的流通面積。為實(shí)現(xiàn)最佳的低質(zhì)量流速效果，最佳的質(zhì)量流速范圍是700?350kg/m2.s。質(zhì)量流速高水冷壁不同管內(nèi)工質(zhì)流量偏差就大，出口的溫差就大。太低的質(zhì)量流速，也有可能引發(fā)流動(dòng)停止，導(dǎo)致傳熱惡化。通過(guò)本專利的上述3個(gè)步驟，特別是四周水冷壁和水冷中隔墻并聯(lián)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)低質(zhì)量流速。
[0021]—種低負(fù)荷下高流動(dòng)穩(wěn)定性的超臨界CFB鍋爐水冷壁，包括低質(zhì)量流速的爐膛四周水冷壁和水冷中隔墻，以及集中下降管和連接管，工質(zhì)的流動(dòng)在四周水冷壁和水冷中隔墻是并聯(lián)的，鍋爐的給水由集中下降管分別引至四周水冷壁和水冷中隔墻，然后由連接管引至匯聚集箱混合，匯聚集箱出口的蒸汽引至下游的過(guò)熱器，且爐膛四周水冷壁和水冷中隔墻的管子在蒸汽比例大于50%以上的位置的內(nèi)徑大于其下位置的內(nèi)徑，管子大內(nèi)徑部分的截面積是小內(nèi)徑部分截面積的1.05?3倍。
[0022]本專利裝置的超臨界循環(huán)流化床水冷壁系統(tǒng)包含四周水冷壁和水冷中隔墻。雖然四周水冷壁和水冷中隔墻這種部件在小容量、特別是亞臨界參數(shù)以下的鍋爐上已經(jīng)有應(yīng)用。但鍋爐的參數(shù)達(dá)到超臨界以后，亞臨界參數(shù)以下鍋爐所采用的汽包-下降管-水冷壁-汽包構(gòu)成的自然循環(huán)(或強(qiáng)制循環(huán))水冷壁系統(tǒng)無(wú)法采用。本專利的四周水冷壁和水冷中隔墻并聯(lián)設(shè)計(jì)解決低質(zhì)量流速下增加水冷壁面積和爐膛高度問(wèn)題。同時(shí)由于采用低質(zhì)量流速設(shè)計(jì)(質(zhì)量流速一般小于1000kg/m2.s，特別是700?350kg/m2.s)，如前所述，本專利發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，四周水冷壁和水冷中隔墻出現(xiàn)了超臨界循環(huán)流化床鍋爐所特有的低負(fù)荷流動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。
[0023]常規(guī)的超臨界水冷壁管徑一般下部?jī)?nèi)徑大，上部?jī)?nèi)徑小。這是因?yàn)?，上部工質(zhì)溫度高，使用較小的內(nèi)徑能夠提高蒸汽的流速，增強(qiáng)對(duì)管壁的冷卻能力，降低管壁溫度。另外，上部管徑比下部小，是為了增加管子承受內(nèi)壓的能力。鍋爐設(shè)計(jì)者清楚，相同管子內(nèi)壓情況下，管徑越小，所需的壁厚就越小。
[0024]而本專利的發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn):低質(zhì)量流速的超臨界循環(huán)流化床鍋爐與常規(guī)的鍋爐不同，解決穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，不能按常規(guī)的方法。四周水冷壁和水冷中隔墻的管子內(nèi)的工質(zhì)(水、蒸汽或汽水混合物)在流動(dòng)過(guò)程中被加熱，體積流速隨著被加熱不斷增加，為實(shí)現(xiàn)低質(zhì)量流速的“自補(bǔ)償特性”，防止水被加熱氣化，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)一步阻塞水冷壁管子，引發(fā)流量減少，形成負(fù)向的反饋，本專利發(fā)明人在四周水冷壁和水冷中隔墻的上部需根據(jù)工質(zhì)的比容變化，增大管子的內(nèi)徑。即形成:爐膛四周水冷壁和水冷中隔墻的上部的管子內(nèi)徑大于下部的內(nèi)徑。此外，四周水冷壁、水冷中隔墻管子上部和下部管徑變化的位置應(yīng)避開(kāi)管內(nèi)工質(zhì)相變(由水變成蒸汽)的區(qū)域，因此在蒸汽比例大于50%以上的位置增大管徑。且上部管子的截面積是下部管子截面積的1.05?3倍。
[0025]作為選擇，四周水冷壁、水冷中隔墻管子上部和下部之間沒(méi)有混合或(和)分配的裝置。該方案能避免在混合或(和)分配裝置中發(fā)生工質(zhì)分層、水和蒸汽分配不均勻。
[0026]作為選擇，水冷中隔墻從爐膛底部一直延伸到頂部。該方案中，為了增加水冷壁系統(tǒng)換熱面積，同時(shí)不過(guò)多增加鍋爐高度，造成成本大幅度增加，本專利公開(kāi)的四周水冷壁和水冷中隔墻有很多優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)展屏，如果布置在爐膛的上部，超臨界循環(huán)流化床鍋爐爐膛高度增加后，爐膛上部物料濃度較低，上部的傳熱系數(shù)下降，擴(kuò)展屏的換熱效率較低，為達(dá)到相同的吸熱量，需要更多的材料。本專利的水冷中隔墻從爐膛底部一直延伸到頂部，在爐膛的中下部布置有水冷中隔墻，換熱系數(shù)高，能夠節(jié)約材料。
[0027]作為選擇，水冷中隔墻布置在與爐膛煙氣出口通道正對(duì)的爐膛水冷壁上，在相接位置，水冷中隔墻與爐膛水冷壁焊接連接在一起。該方案中，水冷中隔墻布置在與爐膛煙氣出口通道正對(duì)的爐膛水冷壁上，有利于爐膛內(nèi)煙氣有組織流動(dòng)，防止出現(xiàn)不規(guī)則的渦流，發(fā)生煙氣沖刷磨損。水冷中隔墻和四周水冷壁焊接連接，有利于防止水冷中隔墻震動(dòng)和變形。