1、发展超临界循环流化床锅炉 几个需要重视的技术问题,周一工 上海电气电站集团,经过二十多年的发展，中国循环流化床锅炉不仅在技术上有了长足的进步，而且在容量和参数等级上一直稳步提高。大致上讲，我国循环流化床锅炉技术的发展可分为以下几个时期：二十世纪六十年代末至八十年代初为鼓泡床沸腾炉时期，八十年代中期以后进入循环流化床锅炉时期，其中：二十世纪八十年代中期为低压发展时期，典型容量为10t/h、20t/h，典型参数为1.25MPa/400；二十世纪八十年代后期为中压发展时期，典型容量为35t/h、75t/h，典型参数为3.82MPa/450；,二十世纪九十年代初期为中压完善化时期，典型容量为75t/h
2、、130t/h（25MW），典型参数仍为3.82MPa/450；二十世纪九十年代中期为高压发展时期，典型容量为140t/h（30MW）、220t/h（50MW），典型参数为9.8MPa/540；二十世纪九十年代后期为高压大型化时期，典型容量为410t/h（100MW），典型参数仍为9.8MPa/540；二十一世纪头十年初期为超高压中间再热发展时期，典型容量为440t/h（135MW），典型参数为13.7MPa/540/540； 二十一世纪头十年中期为亚临界发展时期，典型容量为1025t/h（300MW），典型参数为17.4MPa/540/540。预计二十一世纪头十年后期将进入超临界发展时期，典
3、型容量将为1900t/h（600MW），典型参数为26.2MPa/566/566。,循环流化床锅炉是否适用超临界蒸汽参数的问题，学术界长期存在争论。反对者认为，对超临界锅炉来说，就水冷壁安全性而言，本生型螺旋管圈是最好的选择，这一结构适合于煤粉炉但不适合于循环流化床锅炉，因为螺旋管圈结构在循环流化床锅炉内磨损会相当严重。,但是，在使用垂直管水冷壁能解决水动力安全性的前提下（采用西门子技术的低循环倍率的本生型垂直管水冷壁就能较好地解决水动力安全性问题），与煤粉炉相比，循环流化床锅炉还是有一些更适合超临界参数的特性：,由于循环流化床锅炉炉膛内的温度比煤粉炉低得多，因此炉膛内的热流比煤粉炉低。超临界
4、直流锅炉中，由于工质的质量流量较低而温度却很高，水冷壁的冷却能力是一个重大问题，而循环流化床锅炉炉内较低的热流密度降低了对水冷壁冷却能力的要求。,循环流化床锅炉炉膛内固体浓度和传热系数在炉膛底部最大，随炉膛高度的增加而逐渐减小，所以热流曲线的最大值出现在炉膛底部附近。这个特性可以使炉膛内高热流密度区域刚好处于工质温度最低的炉膛下部区域，从而避免了煤粉炉炉膛内热流曲线的峰值位于工质温度较高的炉膛上部区域这一矛盾。因此，循环流化床锅炉炉内热流分布曲线比较有利于水冷壁金属温度的控制。,循环流化床锅炉的低温燃烧使得炉膛内的温度水平低于一般煤灰的灰熔点，再加上炉膛内较高的固体颗粒浓度，所以水冷壁上基本没
5、有积灰结渣，保证了水冷壁的吸热能力。,超临界循环流化床锅炉是解决劣质煤高效利用最有效的途径，因此，在300MW亚临界循环流化床锅炉产品开发的同时，600MW超临界循环流化床锅炉的研究工作已经起步。早在“十五”期间，国家高技术研究发展计划（863计划）就将超临界循环流化床锅炉列入了研究课题，进行了一部分可行性研究和概念设计工作。随着300MW亚临界循环流化床锅炉的成功投运，超临界循环流化床锅炉的产品开发工作正式启动，目前，科技部已将“超临界循环流化床”列入“十一五”国家科技支撑计划，国家发改委也已启动600MW超临界循环流化床锅炉示范工程，三大锅炉制造企业均已完成了600MW超临界循环流化床锅炉
6、的技术设计方案。,从300MW亚临界循环流化床锅炉到600MW超临界循环流化床锅炉，决不是简单的放大，其中有一些特殊的技术问题需要花大力气进行攻关，只有将这些特殊技术问题一一解决了，产品开发工作才能得到可靠保证。,炉膛高度的合理选择； 床面积放大后的配风均匀性问题； 二次风的穿透能力问题； 分离器放大后的分离效率及阻力； 沿炉膛高度及宽度方向的热负荷分布； 炉膛内附加受热面的布置与磨损； 合适的点火方式； 极端工况下的水循环安全性； 配套辅机问题。,炉膛高度的合理选择对于煤粉炉来说，炉膛内的气固两相流体处于气力输送状态，因此增加炉膛高度基本不受技术性因素的制约，换言之，制约增加炉膛高度的主要是
7、非技术性因素，如锅炉造价等。循环流化床锅炉的情况有所不同，炉膛内的气固两相流体呈流态化状态，炉膛高度受制于气体对固体颗粒的携带能力。因此，一定存在一个炉膛“极限高度”，即超过这一高度后被烟气携带出炉膛的颗粒浓度不能满足外循环所需的最小颗粒循环量，导致回料器、外置式换热器对床温及再热蒸汽温度的调节性能丧失。当然，“极限高度”并不是一个定值，它与一次风机压头、布风板阻力、流化速度、炉膛截面积甚至煤的折算灰份等诸多因素密切相关。,炉膛高度的合理选择事实上，在循环流化床锅炉技术发展的过程中一直存在对炉膛“极限高度”的认识。在开发小型循环流化床锅炉（50MW以下）时，普遍认为“极限高度”不应超过30米，
8、工程设计中应以28米左右为宜；在开发中型循环流化床锅炉（100 150MW）时，认为“极限高度”不应超过35米，工程设计中应以34米左右为宜；在开发大型循环流化床锅炉（300MW等级）时，认为“极限高度”不应超过40米，工程设计中应以37米左右为宜。,炉膛高度的合理选择在产品大型化过程中对“极限高度”数值的不断突破是以大量试验研究为基础，同时也是以一次风机压头的不断提高为代价的。由于超临界汽水工况的特殊性，目前600MW超临界循环流化床锅炉的几种方案设计中炉膛高度为5060米，个别方案的炉膛高度甚至超过60米。,炉膛高度的合理选择现在的问题是，由于在产品大型化过程中“极限高度”不断被突破，很多
9、设计者的头脑中已经淡化了“极限高度”的概念，这是非常危险的。在以前“极限高度”被突破的研究和实践中，发达国家循环流化床锅炉研究者和制造商一直走在我们前面，所以前面提到的这些突破性工作都是别人做的，我们只是借鉴了别人成功的经验。而600MW超临界循环流化床锅炉没有国外成熟的经验可以借鉴，我们需要对这一问题进行自主研究。,炉膛高度的合理选择在“极限高度”不断被提高的情况下， 可能我们正在逼近真正的极限!,床面积放大后的布风均匀性问题随着循环流化床锅炉容量的不断增大，布风均匀性越来越成为问题。为保证大容量循环流化床锅炉的布风均匀，往往提高布风板和风帽的阻力，从而导致一次风机压头增加，厂用电耗增大。6
10、00MW超临界循环流化床锅炉的布风板面积在300MW循环流化床锅炉基础上又增加了一倍，布风均匀性的风险进一步加大了。,床面积放大后的布风均匀性问题在300MW循环流化床锅炉开发研究初期，为防止布风板面积增加带来的风险，采用了分叉型双炉膛设计，在分叉型双炉膛设计取得一定运行经验后，又开发了单炉膛设计。采用分叉型双炉膛的300MW循环流化床锅炉因床面积较小，对600MW超临界循环流化床锅炉参考意义不大；采用单炉膛的300MW循环流化床锅炉尽管与采用分叉型双炉膛的600MW超临界循环流化床锅炉床面积比较接近，可提供一定的参考依据，但分叉型双炉膛设计中特有的双床偶合问题（即所谓“翻床”事故）在床面积放
11、大后会出现什么新的情况还需要认真研究。,二次风穿透能力问题随着容量的增大，循环流化床锅炉二次风穿透能力也越来越成为一个问题。由于炉膛下部固体颗粒浓度极高，二次风穿透能力一直是循环流化床锅炉设计中的一个关注点。在向大型化发展的过程中，二次风系统的设计不断被改进，从密布的高风速二次风喷口逐步向大动量二次风喷口演化。,二次风穿透能力问题与布风均匀性问题相似，分叉型双炉膛的300MW循环流化床锅炉设计本身就回避了炉膛放大后的二次风穿透能力问题。采用分叉型双炉膛的600MW超临界循环流化床锅炉需要从单炉膛300MW循环流化床锅炉中寻找技术参照，而单炉膛300MW循环流化床锅炉目前尚无运行经验。,二次风穿
12、透能力问题从技术角度讲，需要研究的问题是，大动量二次风喷口的极限，即当二次风出口动量进一步增加时，是否会发生二次风穿透能力不再随二次风出口动量增加而增加（或二次风穿透能力的增加变得非常缓慢）的情况，以及如果发生这一情况，极限点如何确定？另一个需要研究的问题是，加大二次风喷口动量使二次风喷口数量减少，二次风沿炉膛壁面方向分布的均匀性成为一个新的问题。二次风沿炉膛壁面方向横向扩散能力的研究变得不可缺少。,分离器放大后的分离效率及阻力固体颗粒在旋风分离器中受到的离心力与分离器直径成反比，因此，直径的增加会降低旋风分离器的分离效率，而高分离效率对提高燃烧效率、保证燃烧稳定性、减少污染气体排放都是非常重
13、要的。,分离器放大后的分离效率及阻力与炉膛高度问题相似，在循环流化床锅炉技术发展过程中，一直存在对高温旋风分离器“极限直径”的认识。二十年前，循环流化床锅炉从小型向中型（50MW）过渡时，认为高温旋风分离器的“极限直径”为6米左右；十五年前，循环流化床锅炉从中型向大中型（100135MW）过渡时，认为高温旋风分离器的“极限直径”为7米左右；十年前，在循环流化床锅炉从大中型向大型（250300MW）过渡时，认为高温旋风分离器的“极限直径”为8米左右，在到目前为止的工程实际应用中，旋风分离器直径最大到8.5米。,分离器放大后的分离效率及阻力同样，在产品大型化过程中对“极限直径”数值的不断突破是以大
14、量试验研究为基础的，也是以结构的不断优化为保证的。这些研究和优化工作一直是发达国家循环流化床锅炉研究者和制造商将原创性工作做在前面，而我们只是在引进技术的基础上不断验证和应用这些技术突破。,分离器放大后的分离效率及阻力目前600MW超临界循环流化床锅炉的几种方案设计中旋风分离器直径大多大于9米，有些方案中直径甚至达到10米左右，但我们尚没有对直径放大的可行性和技术保证进行系统的、全面的研究工作。,分离器放大后的分离效率及阻力在“极限直径”不断被增大的情况下， 可能我们正在逼近真正的极限。,沿炉膛宽度及高度方向的热负荷分布长期以来，对循环流化床锅炉沿炉膛宽度方向的热负荷分布的认识只是定性的“均匀
15、”二字。确实，与煤粉炉相比，它燃烧器区（给煤点）的局部热负荷峰值较小，角部效应也不大，尤其以前所做的亚临界压力以下的循环流化床锅炉汽水系统均采用自然循环，炉膛水冷壁管子内汽水流量分布的均匀性对热负荷变化不敏感，因此，对于亚临界压力以下的循环流化床锅炉来说，确实不需要对沿炉膛宽度方向的热负荷分布进行深入研究，定性地理解“均匀”就可以了。正是由于以上原因，对循环流化床锅炉沿炉膛宽度方向的热负荷分布基本没有做过认真仔细的分析研究。,沿炉膛宽度及高度方向的热负荷分布但是，超临界循环流化床锅炉汽水系统必须采用直流方案，水动力工况就大大不同了，任何局部的热负荷变化都可能造成水动力的危险工况和传热恶化。循环流化床锅炉沿炉膛宽度方向的热负荷分布只是相对的“均匀”而不是绝对的“均匀”，给煤口、回料口、二次风口、炉膛扩展受热面布置方式、炉内测点的分布情况以及运行方式的不同都会造成局部热负荷的变化，从而影响水动力安全性。,发展速度不宜过快 示范机组的燃料选择,谢 谢！,
