成都万基电力设备制造有限公司
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程乐鸣 1，许霖杰 1，夏云飞 1，王勤辉 1，骆仲泱 1，倪明江 1，岑可法 1， 聂立 2，周棋 2，苏虎 21．能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省 杭州市 3100272．东方电气集团东方锅炉股份有限公司四川省 自贡市 643000
摘要四川白马600MW超临界循环流化床锅炉研发在设计过程中，面临不少亟需解决的关键性问题。这些问题主要包括双布风板大炉膛密相区颗粒混合问题、床料平衡与控制问题，高炉膛中气固浓度分布，二次风穿透问题，悬吊受热面表面颗粒流动问题，六分离器循环回路物料平衡问题，炉膛水冷壁、中隔墙和悬吊受热面的热流分布规律，超临界水动力特性，回料系统受阻对炉膛运行的影响和水冷壁的防磨等。这些问题均是600MW超临界CFB锅炉设计和运行中至关重要和必须解决的问题。该文主要介绍为解决这些问题而开展的大量实验研究和数值模拟研究工作及其主要结果。实炉的运行结果验证了研究结果的预测。关键词超临界；循环流化床；600MW；白马电厂；锅炉关键问题
0引言循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃烧技术有着燃料适应性广、污染排放低、负荷调节比大、灰渣利用率高等优点，近年来取得了快速的发展。超临界循环流化床(SCFB)兼具了CFB燃烧技术和超临界蒸汽循环的特点，是一种高效清洁燃煤发电技术，商业前景广阔。
大型超临界CFB锅炉技术综合了低成本污染控制和高供电效率两方面优势，是循环流化床锅炉的发展方向。近十几年来，国外多家CFB制造商、国内三大锅炉厂和多家科研单位陆续提出了各自的超临界循环流化床锅炉设计方案，具体见表1。总体上看，大炉膛对称布置多个分离器和外置式换热器成为共性，采用双布风板方案居多，炉膛截面积400m2左右、炉膛高度达到50m左右。
2013年4月14日，四川白马600MW超临界CFB锅炉顺利通过168h全负荷试运行，成功投入商业运营。该机组是继波兰Lagisza460MW超临界CFB机组投运后，单机容量最大的超临界CFB机组。
白马600MW超临界CFB锅炉为超临界直流炉，炉膛宽15m，深28m，高55m。锅炉采用单炉膛双布风板结构，中间设置有中隔墙，左右对称布置6个分离器及回料系统。这种带有中隔墙、双布风板大炉膛、6回路的超临界循环流化床锅炉为世界第1台，设计具有挑战性。气固流场、传热、水动力、稳定性，如大炉膛双布风板支腿密相区颗粒混合问题、床料平衡与控制问题，高炉膛气固浓度分布，二次风穿透问题，悬吊受热面表面颗粒流动问题，六分离器循环回路物料平衡问题，炉膛水冷壁、中隔墙和悬吊受热面的热流分布规律，超临界水动力特性，回料系统受阻对炉膛运行的影响等问题，是600MW超临界循环流化床锅炉设计和运行中至关重要和必须解决的问题。
本文将主要介绍这些问题相关的实验室试验和数值模拟解决方法和主要研究结果。
1炉内气固混合与流动特性循环流化床锅炉炉膛中气固间强烈的混合有利于固体颗粒和气相间的质量、热量传递，改善炉内燃烧、温度均衡、产物生成及与受热面间传热，对炉内燃烧及稳定操作运行均有着重要的作用。随着锅炉容量和蒸汽参数的不断增大，炉膛横截面尺寸也随之增大。四川白马600MW超临界CFB锅炉横截面积为15mX28m，炉膛中部设有中隔墙，并在顶部设有多个悬吊屏，这些结构对炉内固相颗粒的混合均会产生不利影响。炉内固相颗粒的混合成为超临界循环流化床锅炉研发过程中的一大关键问题。
中隔墙对炉内固相颗粒混合的影响冷态试验在浙江大学600MW超临界循环流化床锅炉模化试验系统中进行，见图1。试验以铁粉为床料，并在运行稳定时从炉膛单侧加入示踪粒子。试验结果如图2所示，随着时间推进，固相颗粒混合得越好。中隔墙能够影响固相颗粒的横向扩散，其影响程度由中隔墙的几何尺寸和布置决定。
为满足炉内吸热要求，CFB锅炉通常在炉内设有悬吊屏或翼墙。当锅炉容量达到600MW超临界时，炉膛顶部需要设有更多的悬吊屏或翼墙来满足锅炉蒸汽参数和负荷要求，这将不可避免地影响炉内固相颗粒的混合。为研究悬吊屏对屏区气固流场的影响，试验采用光纤颗粒浓度速度仪，对相同运行条件下有、无悬吊屏时，屏区的颗粒浓度和速度进行测量。图3、4分别为600MW超临界CFB锅炉冷态试验台设有悬吊屏和未设悬吊屏时，无因次高度0.8处的颗粒悬浮浓度及速度分布。比较可知，二者在颗粒悬浮浓度及速度分布上有明显差异。在炉膛悬吊受热面设计与运行中均需要注意这点。

轴向固相浓度分布是循环流化床锅炉气固流场的重要参数，直接影响炉内各受热面的传热系数和受热面的布置，同时还对炉内气固混合，如二次风穿透等存在影响。白马600MW CFB锅炉炉膛高度达到54m，高于已有的绝大部分实验台或锅炉，因而锅炉设计过程中需要对炉内轴向气固流动特性重新认识。
HuNan等在54m高冷态试验台上的研究结果表明：当风速大于快速流态化起始点风速，且系统床料量高于临界值时，提升管内可形成轴向快速流态化S型分布，上部气固流动达到饱和携带状态，此时炉膛高度及床料量不会改变上部气固浓度和循环流率的大小(图5)。此外，二次风也能影响固相颗粒间的混合。图6所示为二次风对固相颗粒混合影响的试验装置。入射口的几何结构和尺寸、入射流的速度和动量、气固流体温度和悬浮浓度及入射口间距离均能影响固相颗粒间的混合。如果是单布风板大床面，为了解决大床面受热面布置、炉膛中间受热面的强度、震动和二次风穿透问题，图7给出了一种解决方案。2床料平衡及翻床控制白马600MW CFB锅炉采用双布风板结构设计，当双布风板支腿间物料失衡，易导致翻床事故，影响锅炉安全稳定运行。因此，研究CFB双布风板支腿间床压平衡特性及机理，并提出有效的双布风板支腿物料平衡策略是超临界CFB锅炉研发过程中的一项关键内容。国内对翻床的研究主要集中在引进型300MW CFB锅炉，相应的研究工作包括大量实炉运行调试、试验台研究和数值仿真模拟。研究认为由于左右侧炉膛外界条件的不对称(如给煤量，回料量等存在偏差)，引起两侧炉膛内物料流动不对称，进而导致裤衩腿上部物料发生横向不对称流动，当单侧床压流阻达到一定程度时会造成翻床。
浙江大学就600MW CFB双布风板支腿床料翻床特性在双布风板支腿循环流化床冷态试验台上进行了试验研究，双布风板支腿左右两侧布风板流量可单独控制。
图8为双布风板支腿风量偏差和床压偏差动态曲线。试验时，逐步减小总流化风量，两侧支腿的流化风量一开始同步减小，表现为风量偏差动态平衡。当总流化风量减小到某一数值时，开始发生翻床现象，左侧支腿流化风量突然增大，而右侧支腿的流化风量急剧减小，整个翻床过程仅需约125s。翻床过程中的风压偏差与风量偏差的方向相反，在翻床过程中阻力和风量呈正反馈。当翻床发生时，右侧支腿床压大于左侧，即右侧支腿的床料量较大，流化风更多地从阻力较小的左侧支腿通过，如此又将更多的床料带到右侧，这样循环作用下便形成了翻床。根据试验结果，在试验台上建立了床压平衡控制系统，采用可编辑逻辑控制器(PLC)实现控制。当试验台出现翻床时，床压平衡控制系统将根据左右流化风流量的偏差自动调整左右流化风阀门的开度，使左右支腿炉膛的风量恢复平衡，从而控制床压平衡。图9显示两侧风量偏差与双布风板支腿区床压偏差动态曲线为周期波动函数，且与两侧流量偏差曲线周期相同，相位相差半个周期。
CFB锅炉双布风板支腿结构具有自平衡特性，但当总流化风量低于某一临界值时将导致翻床事故发生。具有双布风板设计的循环流化床锅炉运行中使双布风板支腿系统始终处于自平衡状态运行是保证锅炉安全稳定运行的第一选择。

3六分离器循环物料分配特性受限于锅炉尺寸和分离器效率，大型CFB锅炉通常采用多分离器设计。白马600MW CFB在炉膛左右对称布置有6个分离器。不均匀的气固两相流进入不同分离器后，有可能导致各分离器分离效率不一致，并最终导致循环物料分配不均匀。Hartge等在波兰235MW CFB锅炉上测得平行分布的两个分离器出口顶部流量并不相同。Kim等也发现某大型CFB锅炉对称分布的两个出口处磨损形态存在明显差异，间接说明出口流量并不均匀。气固两相流不均匀分布影响炉膛壁面的气固流动，将导致换热面不均匀换热、局部超温、不均匀燃烧和污染排放等诸多问题。因此，研究分离器循环物料分配特性是超临界循环流化床研发过程中的一项重要内容。图10示出了浙江大学基于东方600MW超临界CFB锅炉设计方案建立的模化试验台，用以研究该布置形式下六分离器回路的循环物料分配特性。试验测量内容分为以下3个方面：1）采用光纤探针技术测量炉膛烟窗出口水平方向和水平烟道内纵向方向的颗粒速度和浓度分布，计算得到各分离器入口颗粒流率分布；2）测量六个分离器压降变化情况，分析判断颗粒流分布变化；3）利用设置在六条立管上的物料截止阀，根据积料法原理测量各回路的床料外循环流率。对测量得到的3方面数据进行比较分析，从各角度研究分离器循环物料分配特性。

图11为同侧三分离器流动参数百分比分布的文献对比结果，其中文献中循环流化床的工况参数以及分离器结构尺寸虽然各不相同，但均采用了单侧三分离器非对称布置形式。由图可见，本试验的外循环流率分布与廖磊等和Yue等的六分离器试验结果规律一致，但是其外循环流率的分布偏差大于本试验结果。Guo等在一台单侧非对称布置三分离器300MW CFB锅炉上测量了冷态回料堆积高度，其结果显示中间回料阀的床料堆积量低于两边回料阀，其床料堆积量的百分比分布于本试验结果比较相似。图12为600MW超临界CFB锅炉单侧三分离器压降分布图。由图可见，中间分离器压降明显低于两侧，说明中间分离器的循环流率低于两侧分离器，这与本试验结果吻合良好。

4受热面热流分布特性合理优化的水冷壁及炉内换热面布置是锅炉，尤其是超临界锅炉安全稳定运行的重要基础。研究炉内受热面热流分布是超临界CFB锅炉研发过程中的一项重要内容。
由于白马600MW CFB是国内第1台超临界循环流化床锅炉，没有现成锅炉可以进行现场测试。因而，浙江大学通过试验和数值模拟两方面对受热面热流分布特性进行了研究：首先针对实验室模化试验台进行数值模拟计算和试验测试，然后将试验结果与模拟计算结果进行对比，验证决定循环流化床燃烧、传热、产物生成和磨损等的基础——炉膛气、固流场分布特性规律，推导到可预测大型循环流化床锅炉炉膛的计算模型。在此基础上，进行600MW超临界CFB实炉数值模拟计算，得到炉内气固流场分布，再根据循环流化床颗粒团更新传热模型，得到炉内热流分布。图13为600MW CFB锅炉主循环回路的数值模拟气固流场分布图。图14为实炉数值模拟不同高度颗粒流动情况。由于中隔墙的作用，左右炉膛的气固流动相对独立，整体而言，炉内为颗粒双环核流动分布。从横截面颗粒流动分布可以看出，实炉环核流动结构并没有一个集中均匀的稀相上行核心区，核心区的位置也不一定出现在炉膛正中心位置，颗粒的浓度速度径向分布很大程度上与炉膛出口位置相关。由图14(b)可见，右侧炉膛存在3个局部核心区域，3条气流通道对应3个炉膛出口。炉膛热流分布取决于炉膛侧热量传递和受热面侧工质吸热情况。循环流化床炉膛中，传热系数可分为对流和辐射两部分，它们的数值取决于炉膛气、固流动特性和受热面温度分布。

根据气、固流动模拟结果，由颗粒团更新模型计算得到水冷壁和中隔墙壁面换热系数三维分布。图15(a)为实炉数值模拟某一工况下水冷壁热流分布，与Foster Wheele和Alstom的结果处于同一数量级且有着相同的分布规律。
研究表明，炉内颗粒浓度对换热系数有着显著的影响。对水冷壁及中隔墙而言，随着炉膛高度的增加，颗粒团壁面覆盖率、对流换热系数、总换热系数及热流量均减小。辐射换热系数的分布于对流换热系数相反，它沿床高增加而增大。此外，水冷壁及中隔墙边角区换热系数相对较大。
图16为实炉数值模拟某一工况悬吊屏换热系数分布图。由于悬吊屏区复杂的气固流动，悬吊屏壁面换热系数并不是单一的值。部分研究者通过对300MW亚临界循环流化床锅炉受热面进行测量研究，间接为600MW循环流化床锅炉的炉膛受热面的设计和研发提供一定的指导，当然超临界条件下工质的物性变化特性是需要特别考虑的。

ZhangRuiqing对不同负荷下某300MW亚临界CFB锅炉的各受热面温度分布进行了测量。同时采用有限元分析法，间接计算得到各位置受热面的换热系数。结果表明由于温度和悬浮密度等分布的不均匀，水冷壁表面各处热流密度存在差异，中部大于边角；热流密度随着负荷增加而增大，随高度增加而降低(图17)。ZhangMan等测量了某300MW CFB锅炉外置床固相进、出口温度和受热面工质进、出口温度，计算得到受热换热系数(图18)，为600MW CFB外置床的设计提供参考。5超临界循环流化床锅炉水动力运行

超临界CFB锅炉相比于与亚临界CFB锅炉，运行参数高，运行方式更加复杂，水动力设计时既需要确保锅炉不发生偏离核态沸腾(DNB)，又要保证在蒸干(DRYOUT)发生后水冷壁壁温处于安全状态。超临界循环流化床锅炉水动力研究工作主要分为试验研究和数值计算两部分。

试验工作主要在西安交通大学多相流国家重点实验室的高压汽水实验台上进行。通过在不同热负荷下，对不同尺寸的垂直上升管流动传热特性的实验研究结果表明，在超临界CFB锅炉的工作范围内，内螺纹管具有良好的传热特性，在超临界CFB锅炉的工作范围内不会发生DNB，并且在DRYOUT发生后壁温飞升也在安全范围内。
为更加准确地了解超临界循环流化床锅炉设计方案下水冷壁水动力特性，如壁温分布特性、流量偏差、热偏差和动态响应特性等，研究者根据能量、质量平衡方程开展了数值研究工作。结果表明：不同负荷下，超临界循环流化床锅炉的设计水冷壁流量偏差和热偏差较小，管壁温度均处于管子材料的允许温度范围之内；在扰动发生后，响应参数均趋于稳定不变，流动系统是稳定的，水冷壁设计和运行是安全可靠的。
工质温度随着吸热量的增加逐步升高，外壁温度也随着炉膛高度的增加而升高(图19)。壁温变化趋势和实炉运行情况一致，炉膛底部敷有防磨层热负荷较小，温度变化不大；随着炉膛高度增加，壁温随炉高变化较快，且下部比上部壁温升速更快。这主要是下部区域灰浓度大、热负荷更大的缘故，此外随着蒸汽温度的升高，蒸汽比热升高，汽温升速变缓。实炉运行结果表明前墙、后墙最大偏差分别为8、9℃，左侧墙、右侧墙最大偏差均为17.0℃，中隔墙最大偏差为28.0℃。四周各墙面水冷壁和中隔墙水冷壁最大吸热偏差均在1.1左右。结果证明了600MW超临界循环流化床锅炉水冷壁系统的安全设计。6回料系统受阻时对炉膛运行的影响CFB锅炉的物料循环系统对锅炉的安全稳定运行起着重要作用，循环回路发生故障会导致炉内颗粒浓度及压力分布发生变化，影响锅炉安全稳定运行。
为了解600MW CFB锅炉物料循环系统故障时炉膛气固流动特性的动态响应特性，在浙江大学600MW CFB冷态模化试验台上进行了试验研究。试验通过关闭/调整一路/多路回料风阀门来模拟循环回路各种受阻情况，同时对炉内颗粒浓度进行实时测量，得到回路受阻及受阻回路的位置对炉内气固特性的动态影响。
研究发现：循环回路中断后，炉内固体颗粒浓度下降；重新打开回料风阀门后，颗粒浓度可恢复到初始状态。图20为中断一/两条回路时，炉膛过渡区截面各区域颗粒浓度动态曲线。由图可见，中断一条回路后，过渡区各区固相浓度随时间呈指数降低；约600s后，曲线趋于平缓，系统达到新的平衡，颗粒浓度降低幅度不大。而同时中断两条回路时炉膛内固体颗粒浓度变化较大，特别是左、右炉膛有较大的差别，由此引起对锅炉稳定运行的影响需要关注7水冷壁大面积磨损与防磨梁防磨循环流化床炉膛中，在密、稀相区的交界处、炉膛四角角部、悬吊受热面下部、分离器入口等区域是易磨损区。特别是锅炉燃烧灰分较高的燃料时，CFB锅炉炉膛水冷壁会发生大面积磨损。水冷壁磨损爆管是CFB锅炉非正常停炉的重要原因之一。
在循环流化床炉膛中，水冷壁面存在的颗粒下降流是造成磨损的主要原因。一般锅炉厂或电厂会选择在水冷壁表面间隔设置防磨梁，以此破坏贴壁颗粒持续下降流，降低其下降速度，减轻水冷壁的磨损。对此，国内不少研究单位也提出了不同结构类型的防磨梁，如西安热工院、浙江大学和华北电力大学等。
为了解防磨梁的防磨机理和优化，浙江大学对设置有不同结构防磨梁的循环流化床炉膛气固流场进行了试验研究和数值模拟，分析防磨梁结构对炉内气固流场和壁面磨损的影响。
图21为模拟计算得到的防磨梁周边颗粒流动矢量特性和采用高速摄影得到的颗粒流动情况。由图可见，炉内贴壁颗粒下降流遇到防磨梁后部分转向炉中心区域；在防磨梁下方边壁区域出现低浓度贴壁颗粒上升流，这股上升流对防磨梁下沿附近水冷壁面有磨损作用，需要关注。
8结语四川白马600MW超临界CFB锅炉于2013年4月成功投入运营。在锅炉研发过程当中，针对600MW超临界循环流化床锅炉设计和运行中至关重要和必须解决的问题，包括大炉膛双布风板支腿密相区颗粒混合问题、床料平衡与控制问题，高炉膛气固浓度分布，二次风穿透问题，悬吊受热面表面颗粒流动问题，六分离器循环回路物料平衡问题，炉膛水冷壁、中隔墙和悬吊受热面的热流分布规律，超临界水动力，回料系统受阻对炉膛运行的影响等问题，研究者开展了大量实验室试验和数值模拟研究，提出解决方案，为进一步研发更广泛燃料、不同规模的超临界循环流化床锅炉积累了经验和解决途径。
白马600MW超临界CFB锅炉的成功运行，表明我国已掌握超临界循环流化床锅炉技术，具备自我开发创新能力。今后，在清洁高效循环流化床燃烧发电技术发展过程中，更高可靠性、更高经济性、更清洁燃烧产物排放与控制(SO2、NOx、CO2、小颗粒等)、燃料多样化、自主知识产权、技术储备及对产业发展的影响、发展炉型和配套辅机等问题是在发展过程中需要关注和投入研究的。
在循环流化床燃烧技术进一步发展过程中，下述方面是值得关注的，包括：1）单机容量更大型化、更高参数的超临界、超超临界循环流化床锅炉；2）多种燃料循环流化床燃烧技术，如煤泥煤矸石、油页岩、石油焦、中高水分褐煤、低挥发份无烟煤等；3）生物质/城市生活垃圾/工业废弃物等特种燃料循环流化床燃烧技术；4）不同燃料混烧循环流化床燃烧技术；5）循环流化床发电多联产技术；6）循环流化床锅炉生产能力与分布；7）循环流化床燃烧技术在煤清洁燃烧利用技术中的地位；8）循环流化床燃烧技术储备研究，CCS技术；9）富氧燃料法捕集CO2技术等。发展锅炉容量包括300/350MW等级超临界循环流化床锅炉、600MW等级超临界/超超临界循环流化床锅炉和1000MW超临界/超超临界循环流化床锅炉。
此外，大型高参数循环流化床锅炉的配套辅机如稳定安全的大渣量冷渣机，系统设计过程中风机流量和压头裕量问题、余热利用系统等问题也是大型高参数循环流化床锅炉应用中需要考虑的。

文献信息

程乐鸣,许霖杰,夏云飞,王勤辉,骆仲泱,倪明江,岑可法,聂立,周棋,苏虎. 600MW超临界循环流化床锅炉关键问题研究[J]. 中国电机工程学报,2015,21:5520-5532.