低負荷下高流動穩定性的超臨界循環流化床鍋爐水冷壁的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種循環流化床鍋爐，特別是超臨界參數的循環流化床鍋爐水冷壁系統。
【背景技術】
[0002]超臨界鍋爐發電機組能夠獲得更高的發電效率，超臨界循環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(22.12MPa，374.15°C )。然而超臨界狀態下，水和蒸汽沒有物理參數上的區別，導致亞臨界參數以下鍋爐所采用的汽包-下降管-水冷壁-汽包構成的自然循環(或強制循環)水冷壁系統無法采用。超臨界鍋爐水冷壁系統采用一次直流鍋爐，即水冷壁內的工質(水或者水蒸氣)一次通過水冷壁。水冷壁內工質的質量流速相比亞臨界鍋爐自然循環(或強制循環)更低，水冷壁管被工質冷卻的狀況變差，水冷壁管金屬的溫度更高，容易出現超溫損壞的問題。
[0003]超臨界鍋爐水冷壁工質一次直流，水冷壁工質出口是過熱蒸汽，爐膛水冷壁在不同位置，例如前墻水冷壁，側墻水冷壁，由于位置不同，長度不同，所吸收的熱量不同，會引起水冷壁管內工質的溫度不同，引起水冷壁管材料溫度不同。這種溫差如不加以控制，惡劣的情況下會因溫度差異起熱應力拉裂、破壞水冷壁管子。
[0004]常規的超臨界煤粉鍋爐水冷壁一般采用“螺旋盤管”的水冷壁結構，減小水冷壁管的流通面積，提高水冷壁管內工質的質量流速，同時螺旋盤管依次經過水冷壁的不同位置，盡量均勻吸熱，解決水冷壁安全的問題。超超臨界煤粉鍋爐水冷壁的質量流速一般大于
1000kg/m2.So
[0005]循環流化床鍋爐因為爐膛內有大量的循環物料，靠近水冷壁壁面附近有大量的貼壁下降流物料。螺旋盤管結構水冷壁會被貼壁下降流嚴重磨損，因而無法在循環流化床鍋爐上采用。
[0006]基于上述原因，超臨界循環流化床鍋爐水冷壁采用垂直管布置，水冷壁的質量流速一般較低，一般小于1000kg/m2.s，被稱為“垂直管低質量流速”。低質量流速的水冷壁系統利用工質的“自補償特性”分配水冷壁的流量，使得吸熱強的管子分配到多的流量，增強管子冷卻，降低管壁溫度。
[0007]但是，本專利發明人在研究中卻發現，采用低質量流速的超臨界CFB鍋爐水冷壁存在著較嚴重的低負荷下流動穩定性差的難題:鍋爐在低負荷運行時，由于水冷壁的流量減少，水冷壁管子內工質(水或者蒸汽，或者兩者的混合物)流動的穩定性下降，在受到擾動，例如外部加熱增強，或者流量減少，容易出現工質流動速度急劇變化，水被加熱氣化，產生的蒸汽進一步阻塞水冷壁管子，引發流量減少，形成負向的反饋，最終引發管壁溫度升尚ο
[0008]因此低質量流速的的超臨界CFB鍋爐水冷壁設計需要設法解決在低負荷時候流動的穩定性問題，防止負向反饋發生。然而，如何實現低質量流速條件下，完成低負荷下高流動穩定性的超臨界CFB鍋爐水冷壁設計，并沒有相關的技術公開。
[0009]另外，低質量流速的超臨界CFB鍋爐水冷壁采用一次直流鍋爐，即水冷壁內的工質(水或者水蒸氣)一次通過水冷壁吸熱，直接被加熱成過熱蒸汽。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，水冷壁系統必須增加更多的面積才能滿足要求。如果不采取改進措施鍋爐水冷壁的高度會增加很快，造成鍋爐造價的升高。另外循環流化床鍋爐爐膛內換熱依賴于循環的物料，爐膛高度增加后爐膛上部的循環物料濃度會降低，水冷壁換熱效果也會下降。因此要設法增加超臨界循環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，現有技術中存在水冷壁和擴展屏串聯的方案，該方案在爐膛內增加屏式擴展受熱面，降低了爐膛高度，降低了鍋爐造價和制造難度。但是這種串聯結構對水冷壁出口的蒸汽的干度有嚴格要求，比如“鍋爐30%負荷工況下，工質干度要多80% ” “鍋爐50%負荷工況下，水冷壁將工質加熱為飽和蒸汽”。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。此外水冷壁和擴展屏串聯，水冷壁系統質量流速很高，尤其是擴展屏的質量流速。質量流速增大對降低管壁的溫度作用有限，還會使水冷壁的阻力增加，增大鍋爐給水栗的能耗，降低電廠的經濟性。
[0011]發明的內容
[0012]本發明的目的:超臨界CFB鍋爐水冷壁實現低質量流速，同時解決低質量流速下增加水冷壁面積和爐膛高度問題；特別是，解決低質量流速的超臨界CFB鍋爐水冷壁在低負荷下流動穩定性下降問題，防止水冷壁系統負向反饋發生。
[0013]本專利的目的通過下述技術方案來實現:
[0014]超臨界CFB鍋爐水冷壁實現低質量流速的方法，步驟為:
[0015]首先，根據CFB鍋爐的蒸汽流量(T)和燃料，計算出燃燒生成的煙氣流量(Q)，然后由煙氣流量和爐膛內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)燃燒會放出熱量，也會產生煙氣，放出的熱量和產生的煙氣量由公知的化學知識可知。根據蒸汽需要吸收的熱量和燃料燃燒產生的熱量平衡，可以計算得到煙氣流量Q。爐膛內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，根據得到爐膛的截面面積，以及設計的爐膛的截面形狀，得到爐膛的周長(L);如果選擇的是矩形截面爐膛，綜合考慮循環流化床鍋爐爐膛的長(a)寬(b)比例，a*b=5，確定3，13。爐膛周長L = 2*(a+b)。
[0017]第三步，根據得到的爐膛周長(L)，按質量流速范圍是700?350kg/m2.s選取組成爐膛水冷壁管子的內徑和數量，且爐膛水冷壁由四周水冷壁和水冷中隔墻并聯構成:
[0018]四周水冷壁管內徑rl，四周水冷壁管數量ml，水冷中隔墻管內徑r2，水冷中隔墻管數量m2 ；
[0019]爐膛水冷壁流通面積A = (3.14*rl2/4) *ml+(3.14*r22/4)m2.水冷壁質量流速t=T/A.t最佳的范圍是700?350kg/m2.s’ ml和m2要同時滿足水冷壁扁鋼溫度的要求。
[0020]本專利方法中，水冷壁管數量ml和中隔墻管數量m2太少扁鋼尺寸大，扁鋼溫度會超過允許數值。水冷壁管內徑面積和數量的乘積就是爐膛水冷壁的流通面積。為實現最佳的低質量流速效果，最佳的質量流速范圍是700?350kg/m2.s。質量流速高水冷壁不同管內工質流量偏差就大，出口的溫差就大。太低的質量流速，也有可能引發流動停止，導致傳熱惡化。通過本專利的上述3個步驟，特別是四周水冷壁和水冷中隔墻并聯方式，能夠實現低質量流速。
[0021]—種低負荷下高流動穩定性的超臨界CFB鍋爐水冷壁，包括低質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，工質的流動在四周水冷壁和水冷中隔墻是并聯的，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%以上的位置的內徑大于其下位置的內徑，管子大內徑部分的截面積是小內徑部分截面積的1.05?3倍。
[0022]本專利裝置的超臨界循環流化床水冷壁系統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、特別是亞臨界參數以下的鍋爐上已經有應用。但鍋爐的參數達到超臨界以后，亞臨界參數以下鍋爐所采用的汽包-下降管-水冷壁-汽包構成的自然循環(或強制循環)水冷壁系統無法采用。本專利的四周水冷壁和水冷中隔墻并聯設計解決低質量流速下增加水冷壁面積和爐膛高度問題。同時由于采用低質量流速設計(質量流速一般小于1000kg/m2.s，特別是700?350kg/m2.s)，如前所述，本專利發明人發現，四周水冷壁和水冷中隔墻出現了超臨界循環流化床鍋爐所特有的低負荷流動穩定性問題。
[0023]常規的超臨界水冷壁管徑一般下部內徑大，上部內徑小。這是因為，上部工質溫度高，使用較小的內徑能夠提高蒸汽的流速，增強對管壁的冷卻能力，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壓的能力。鍋爐設計者清楚，相同管子內壓情況下，管徑越小，所需的壁厚就越小。
[0024]而本專利的發明人在研究中發現:低質量流速的超臨界循環流化床鍋爐與常規的鍋爐不同，解決穩定性問題時，不能按常規的方法。四周水冷壁和水冷中隔墻的管子內的工質(水、蒸汽或汽水混合物)在流動過程中被加熱，體積流速隨著被加熱不斷增加，為實現低質量流速的“自補償特性”，防止水被加熱氣化，產生的蒸汽進一步阻塞水冷壁管子，引發流量減少，形成負向的反饋，本專利發明人在四周水冷壁和水冷中隔墻的上部需根據工質的比容變化，增大管子的內徑。即形成:爐膛四周水冷壁和水冷中隔墻的上部的管子內徑大于下部的內徑。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避開管內工質相變(由水變成蒸汽)的區域，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)分配裝置中發生工質分層、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換熱面積，同時不過多增加鍋爐高度，造成成本大幅度增加，本專利公開的四周水冷壁和水冷中隔墻有很多優點。現有技術的擴展屏，如果布置在爐膛的上部，超臨界循環流化床鍋爐爐膛高度增加后，爐膛上部物料濃度較低，上部的傳熱系數下降，擴展屏的換熱效率較低，為達到相同的吸熱量，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，換熱系數高，能夠節約材料。
[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的爐膛水冷壁上，有利于爐膛內煙氣有組織流動，防止出現不規則的渦流，發生煙氣沖刷磨損。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和變形。