循環(huán)流化床鍋爐熱慣性的能量傳遞分析

循環(huán)流化床鍋爐熱慣性的能量傳遞分析

煤粉鍋爐的動(dòng)態(tài)特性循環(huán)流放鍋爐（cpb）是將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝芰康难b置。圖1顯示了傳輸能量的過程。鍋爐的動(dòng)態(tài)特性實(shí)際上是主蒸汽參數(shù)(工質(zhì)內(nèi)能)對(duì)操作參數(shù)擾動(dòng)的響應(yīng)特性,因此能量傳遞各環(huán)節(jié)的蓄熱能力大小代表了其熱慣性的大小。在循環(huán)流化床大型化過程中,隨著鍋爐容量的變化各環(huán)節(jié)的熱慣性在整個(gè)能量傳遞鏈中所占的比例也相應(yīng)發(fā)生變化。明確各環(huán)節(jié)在能量傳遞過程中影響的大小,有助于把握住能量傳遞過程中的主要因素,對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐動(dòng)態(tài)特性的研究,特別是對(duì)動(dòng)態(tài)過程的建模具有指導(dǎo)意義。早期煤粉鍋爐的模型研究中,由于煤粉和煙氣在爐膛內(nèi)停留時(shí)間很短(一般為2～4s),因此往往忽略煤粉的燃燒慣性和煙氣的熱慣性,在動(dòng)態(tài)建模時(shí)將爐膛視為一個(gè)具有集總參數(shù)的整體處理。而對(duì)于循環(huán)流化床而言,循環(huán)流化床爐膛中的燃燒慣性和床料熱慣性都不能被忽視,必須在模型中加以描述。以爐膛為例,如果將其視為一個(gè)整體,則動(dòng)態(tài)能量平衡方程可以寫成如下形式。爐側(cè):(Ms?cs+Mg?cg)dTbdt=∑Hin?∑Hout+∑Qr?∑Qa?Qt(1)工質(zhì)側(cè):(Mw?cw+Mf?cf)dTwdt=∑Wf,in?hf,in?∑Wf,out?hf,out+Qt(2)式中:Ms、Mg、Mw和Mf—固體(包括床料和受熱面表面的耐火材料)、煙氣、受熱面金屬和工質(zhì)的質(zhì)量,kg;cs、cg、cw和cf—固體、煙氣、受熱面金屬和工質(zhì)的比熱容,J/(kg·K);dTbdt和dTw/dt—床溫和受熱面金屬溫度的變化速率,K/s;∑Hin和∑Hout—單位時(shí)間流入和流出的煙氣及床料的總物理焓,J/s;∑Qr和∑Qa—化學(xué)反應(yīng)放熱和吸熱的速率,J/s;Qt—受熱面的吸熱量,J/s;Wf,in和Wf,out—流入和流出的工質(zhì)流率,kg/s;hf,in和hf,out—流入工質(zhì)比焓和流出工質(zhì)比焓,J/kg。方程左側(cè)括號(hào)內(nèi)各項(xiàng)是由CFB鍋爐本身材料的物性決定的,并不隨操作工況的改變而發(fā)生變化,其大小直接影響到熱力參數(shù)的變化速率dTb/dt和dTw/dt,即鍋爐的動(dòng)態(tài)特性,因此可用質(zhì)量與比熱容的乘積Mi·ci來表征CFB鍋爐中能量傳遞各環(huán)節(jié)的熱慣性,J/kg。下角標(biāo)i代表不同材料,s包括床料和耐火材料;g為煙氣;w為受熱面金屬;f為受熱面內(nèi)工質(zhì)。1同類型cfb鍋爐熱慣性計(jì)算按照熱慣性的定義,分別對(duì)典型的75,130,220,440,670和1025t/h等6個(gè)容量等級(jí)的同類型CFB鍋爐熱慣性進(jìn)行定量估算。鍋爐均為高溫絕熱旋風(fēng)筒簡約型布置,按照鍋爐的100%負(fù)荷工況計(jì)算。1.1壓力平衡計(jì)算CFB鍋爐與常規(guī)的煤粉爐的一個(gè)很大區(qū)別在于其床料循環(huán)系統(tǒng)中存在大量的循環(huán)物料量,這些循環(huán)物料對(duì)保證CFB鍋爐中的流態(tài)、傳熱性能和燃燒份額分配具有重要意義。由于床料本身的質(zhì)量不容忽視,因此其熱容應(yīng)該在能量傳遞過程中予以考慮。由于所計(jì)算的CFB鍋爐均為單爐膛結(jié)構(gòu),不帶外置換熱床,因此計(jì)算中主要考慮了爐膛、分離器、分離器后立管及返料閥中的存料量,床料熱慣性即存料量與床料比熱容的乘積。爐膛內(nèi)的存料量主要表征參數(shù)為爐內(nèi)床壓降,計(jì)算中忽略加速壓降和摩擦壓降,則爐膛內(nèi)存料量與爐膛內(nèi)床壓降的關(guān)系為:Ms=∫H0AF·dp/g(3)式中:H—爐膛高度,m;dp—爐膛內(nèi)高度方向上的床壓降,Pa,計(jì)算中爐膛總床壓降取現(xiàn)場運(yùn)行平均值,如表1所示;AF為爐膛截面積,m2;g—重力加速度,9.8kg·m/s2。分離器內(nèi)的存料量與固體物料循環(huán)流率和分離器內(nèi)固體顆粒的停留時(shí)間有關(guān)。由于爐膛高度在20m以上,可以認(rèn)為細(xì)顆粒處于氣力輸送狀態(tài),固體循環(huán)流率按下式估算:Gs=ρs(1-ε)UgAFE(4)式中,ρs(1-ε)—爐膛出口物料濃度,計(jì)算中統(tǒng)一按1.5kg/m3計(jì);Ug—爐膛出口氣體流速,m/s;AFE—爐膛出口截面積,m2。分離器內(nèi)固體顆粒的停留時(shí)間估算則采用Kang等人提出的擬合關(guān)系式:tˉptˉg=0.032Re0.43p(ug?utut)0.70(ρp?ρgρg)0.42×(HH?h)?1.76(5)一般認(rèn)為分離器后立管內(nèi)的顆粒流動(dòng)屬于移動(dòng)床。實(shí)際運(yùn)行中,后立管壓降表征了后立管內(nèi)存料量,故后立管內(nèi)存料量仍采用下式估算:Ms=ASP·Δp/g式中:Δp—分離器后立管壓降,Pa,與主循環(huán)系統(tǒng)的壓力平衡有關(guān),計(jì)算中統(tǒng)一按爐膛壓降的0.9倍計(jì),根據(jù)返料口位置不同會(huì)略有偏差;ASP—立管截面積,m2。返料閥內(nèi)流動(dòng)視為鼓泡床流動(dòng),鼓泡床空隙率εLS利用Babu等人提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式估算,則返料閥內(nèi)存料量為:Ms=(1-εLS)·ρs·VLS(6)式中:ρs—床料顆粒密度,kg/m3;VLS—返料閥容積,m3。鑒于尾部煙道內(nèi)的固體顆粒濃度很低,并且受煤種的影響較大,因此計(jì)算中忽略了尾部煙道內(nèi)固體顆粒的熱慣性。1.2煙氣熱慣性的估算雖然CFB鍋爐爐膛和尾部煙道中存在一定質(zhì)量的煙氣,但煙氣在整個(gè)鍋爐系統(tǒng)中的停留時(shí)間較短(一般在10s量級(jí)),因此建模時(shí)通常不考慮煙氣的熱慣性。為便于與其它環(huán)節(jié)的熱慣性比較,本文也考慮了煙氣產(chǎn)生的熱慣性。煙氣熱慣性的估算方法較為簡單。一方面,按照鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出鍋爐各部件容積,再減去床料占據(jù)的體積便是煙氣的體積;另一方面,根據(jù)煙氣溫度可以估算出煙氣密度和比熱容,三者的乘積即為煙氣的熱慣性。1.3復(fù)合長絲床材料為防止磨損,CFB鍋爐在爐膛下部高物料濃度區(qū)域、爐膛出口區(qū)和轉(zhuǎn)向室的膜式壁內(nèi)表面覆蓋有一定厚度的耐火材料,分離器、料箱腿或料斗腿、回料裝置和分離器出口煙道為絕熱結(jié)構(gòu)。耐火材料具有相當(dāng)大的質(zhì)量(量級(jí)比鍋爐內(nèi)床料量更大),其熱慣性不容忽視。在實(shí)際運(yùn)行中,由于各廠家和用戶的習(xí)慣差異,耐火材料涂層的厚度也有所不同,本文中膜式壁敷設(shè)的耐火層厚度統(tǒng)一按照距受熱面中心線0.2m估算,分離器、后立管、返料裝置及分離器出口煙道按0.35m估算。1.4金屬熱慣性的影響由于受熱面工質(zhì)側(cè)具有很大的傳熱系數(shù),因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中為了簡便,一般不單獨(dú)考慮金屬受熱面的熱慣性,將金屬外壁與工質(zhì)的溫差視為定值。而在動(dòng)態(tài)描述中,金屬受熱面材料具有相當(dāng)大的質(zhì)量,其熱慣性也不容忽視。計(jì)算中受熱面平均溫度按照工質(zhì)溫度加20K估計(jì),從而得到金屬材料比熱容和密度,金屬體積可以由受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)直接計(jì)算,三者乘積即為受熱面金屬熱慣性。1.5關(guān)于汽-液兩相流動(dòng)的干級(jí)以往的動(dòng)態(tài)模型中均認(rèn)為工質(zhì)熱慣性是鍋爐熱慣性中最重要的一部分,建模過程中均予以重點(diǎn)考慮,其中最為關(guān)鍵的問題在于對(duì)水冷壁/屏內(nèi)的汽-液兩相流動(dòng)的正確描述。水冷壁/屏中工質(zhì)的平均干度為工質(zhì)循環(huán)倍率的倒數(shù)。由于水冷壁/屏中工質(zhì)的傳熱類型屬于相變傳熱,因此飽和水的比熱容為汽化潛熱與飽和蒸汽比熱容之和。2結(jié)果和討論2.1單位蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)的熱慣性如圖2所示,雖然鍋爐總熱慣性的大小隨鍋爐容量的增大而增加,但是單位蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)的熱慣性卻是隨鍋爐容量的增大而減小,對(duì)于蒸發(fā)量大于440t/h的循環(huán)流化床鍋爐,單位蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)的熱慣性約為75t/h時(shí)的1/3。2.2熱慣性對(duì)鍋爐總體模型的影響對(duì)于不同類型的受熱面,其傳熱鏈熱慣性的大小在鍋爐總熱慣性中所占的比例差異也很大,如圖3(a)所示。水冷壁/屏的熱慣性最大,占鍋爐總熱慣性的90%以上,并且隨鍋爐容量的增大呈減小的趨勢;過/再熱器受熱面和省煤器熱慣性處于相同量級(jí),在鍋爐總熱慣性中的比例在5%以內(nèi),隨鍋爐容量的增大呈增大的趨勢。由此證明,水冷壁/屏受熱面模型是正確描述整個(gè)鍋爐動(dòng)態(tài)過程的關(guān)鍵,但隨著鍋爐容量的增大,過/再熱器受熱面和省煤器在鍋爐整體動(dòng)態(tài)模型中的重要性也相應(yīng)增加。按照?qǐng)D1所示的能量傳遞環(huán)節(jié),將鍋爐總熱慣性劃分為5部分,如圖3(b)所示。在各容量等級(jí)的鍋爐中,工質(zhì)側(cè)的熱慣性最大,約占總熱慣性大小的80%以上,并且隨鍋爐容量的增大呈減小的趨勢;其次為耐火材料熱慣性,約占總熱慣性大小的3.5%～11%;再次為受熱面金屬熱慣性,約占總熱慣性大小的2.7%～7.6%,并且耐火材料熱慣性和受熱面金屬熱慣性隨鍋爐容量的增大呈增加的趨勢;第四為床料熱慣性,約占總熱慣性大小的0.16%～1.4%,并且隨鍋爐容量的增大呈增加的趨勢;最后為煙氣熱慣性,在鍋爐總熱慣性中的比例在0.05%以內(nèi),因此圖3(b)中不再標(biāo)出。CFB鍋爐中為防止磨損,敷設(shè)了大量的耐火材料,耐火材料熱慣性可以占到總熱慣性的10%,比床料熱慣性還大一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。因此耐火材料熱慣性是床側(cè)動(dòng)態(tài)過程的主導(dǎo)因素,而床料熱慣性的影響則相對(duì)較小。在建模時(shí),同時(shí)考慮耐火材料和床料熱慣性有利于更準(zhǔn)確地描述鍋爐動(dòng)態(tài)過程。煙氣熱慣性很小,在總熱慣性中的比例不足0.05%,在動(dòng)態(tài)描述中可以忽略。由于受熱面金屬熱慣性比工質(zhì)熱慣性小一個(gè)量級(jí),因此將受熱面金屬與工質(zhì)綜合考慮,作為一個(gè)整體的簡化建模方法是合理的。工質(zhì)熱慣性作為鍋爐熱慣性的主要環(huán)節(jié),在各類型受熱面中的分配情況如圖4所示。工質(zhì)熱慣性主要集中在水冷壁/屏中,且主要來自于工質(zhì)的汽化潛熱。2.3省煤器、水冷壁/屏能量傳遞途徑目前針對(duì)大型CFB鍋爐建立動(dòng)態(tài)模型,一般都采用模塊化的建模方法,即按照煙氣、床料和工質(zhì)流動(dòng)的特點(diǎn)和物性,將鍋爐整體分為一系列獨(dú)立模塊分別建模,模塊之間通過質(zhì)量和能量的交換聯(lián)系起來,從而描述出鍋爐的整體動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)模塊化建模的思想,按照工質(zhì)狀態(tài)的變化情況,將鍋爐劃分為省煤器、水冷壁和水冷屏、包括尾部煙道汽冷包墻的過熱器和再熱器3部分。對(duì)于省煤器而言,能量傳遞的途徑是由煙氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)內(nèi)能,并且省煤器表面沒有耐火材料涂層,因此只須考慮煙氣,受熱面金屬和工質(zhì)的熱慣性,如圖5(a)所示。省煤器工質(zhì)熱慣性與金屬熱慣性處于相同量級(jí),二者之和約占總熱慣性大小的99.9%;煙氣熱慣性不足總熱慣性大小的0.1%,可以忽略,故不在圖5(a)中標(biāo)出。可見,對(duì)于省煤器而言,金屬熱慣性與工質(zhì)熱慣性同等重要,在省煤器建模中對(duì)二者作正確描述就足以保證其動(dòng)態(tài)特性描述的準(zhǔn)確性。除設(shè)置在爐膛內(nèi)的屏式過熱器外,過/再熱器能量傳遞途徑與省煤器類似,但在轉(zhuǎn)向室表面敷設(shè)有耐火材料涂層,如圖5(b)所示。包墻過熱器的耐火材料與金屬熱慣性處于相同量級(jí),二者之和占總熱慣性大小的90%以上;工質(zhì)熱慣性僅占總熱慣性大小的1%～8%,并且隨鍋爐容量的增大呈增大的趨勢;從煙氣熱慣性不足總熱慣性大小的1%,故在圖5(b)中未標(biāo)出?？梢?對(duì)于過/再熱器而言,金屬熱慣性和耐火材料熱慣性要比工質(zhì)熱慣性更為重要,其原因有兩方面:一是由于過/再熱器中的工質(zhì)密度較小使得工質(zhì)總質(zhì)量相應(yīng)較小;二是由于過/再熱器工質(zhì)溫度較高,為保證強(qiáng)度許用的金屬壁厚度較大使得受熱面金屬質(zhì)量較大。對(duì)于大容量的CFB鍋爐,在模塊化建模中,宜根據(jù)傳熱情況將過/再熱器再細(xì)分為爐膛內(nèi)受熱面和對(duì)流受熱面;另外,由于轉(zhuǎn)向室內(nèi)有耐火材料,宜對(duì)轉(zhuǎn)向室的汽冷包墻單獨(dú)建模。水冷壁/屏受熱面的傳熱情況最為復(fù)雜,如圖5(c)所示。工質(zhì)熱慣性約占總熱慣性大小的85%以上,為整個(gè)水冷壁/屏能量傳遞過程中的主要因素;耐火材料熱慣性約占總熱慣性大小的3%～11%,為爐側(cè)能量傳遞過程中的主要因素;受熱面金屬熱慣性約占總熱慣性大小的0.5%～2.3%,床料熱慣性約占總熱慣性大小的0.2%～1.5%,并隨鍋爐容量的增大呈增大的趨勢,但均為次要因素;煙氣熱慣性不足總熱慣性大小的0.05%,是可以忽略的環(huán)節(jié),故圖5(c)中未標(biāo)出。3鍋爐動(dòng)態(tài)特性通過定量計(jì)算CFB鍋爐能量傳遞過程中各環(huán)節(jié)的熱慣性,明確了各類受熱面和各個(gè)環(huán)節(jié)的比例分配關(guān)系。現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果總結(jié)如下:(1)CFB鍋爐總熱慣性的大小隨鍋爐容量的增大而增加;工質(zhì)和耐火材料熱慣性是能量傳遞過程中的控制因素,是正確描述鍋爐動(dòng)態(tài)過程的關(guān)鍵。耐火材