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2.3 对循环流化床炉内传热的新认识
国外学者的研究鉴别了循环流化床燃烧室内的气固两相流对受热面的传热机制,但是关于能够给设计工程师使用的传热系数计算式则是由国外锅炉公司各自形成,并作为设计秘密,不对外公布。中国的研究者将工程用循环流化床锅炉传热系数控制机制简化为空间辐射及颗粒对流两项。并开发了传热系数测试手段,展开了详尽的工业测试。形成了能够反映床温、局部物料浓度、膜式壁几何参数和管内工质侧温度及其换热影响的传热系数计算半经验、半理论式,见图8。
上述传热模型是基于局部物料浓度。若能够获得任何一点的局部物料浓度,就可以获得该点的换热系数;若获得炉膛的平均物料浓度,则可以获得炉膛的平均换热系数。
2.4 中国独立知识产权的循环流化床锅炉设计体系
基于对循环流化床锅炉燃烧理论的新认知,建立了自己的循环流化床锅炉流态设计体系:这个设计体系的基点是循环流化床燃烧室内部由下部的鼓泡床或湍流床与上部的快速床流型(regimes)组合、以及快速床可能存在不同的状态(status),提出了“定态设计”的概念以解决“快速床”流型的多态性问题,这就突破了国外循环流化床流态设计完全经验性方式。清华大学在世界上首次公布了循环流化床锅炉流态图谱,如图9所示.作为设计工程师定态设计参数选择的依据。
该图谱用两个参数——流化风速和物料携带率确定循环流化床燃烧室上部的流化状态。流动下限代表该风速下的饱和夹带率,低于此线则燃烧室上部为鼓泡床过渡区的扬析夹带,只有夹带率高于此线才能进入快速床状态。上面红线是循环流化床物料平衡系统在单级旋风筒和两级串联旋风筒所能达到的最大携带率上限。所以,循环流化床的快速床状态只能设计在上下限之间。根据燃煤灰分的磨损程度不同提出了磨损要求的上限,避免工况点超过此线带来垂直受热面的严重磨损。目前国际上几乎所有的循环流化床锅炉技术在此图谱中均能找到其状态位置。
这个图谱是循环流化床锅炉流态设计的评价依据。据此可以看到某两个国外技术流派的设计点已经接触到了硬度较大的灰分磨损线,存在着磨损的潜在可能,这为其在中国的实践所证实。
依此,清华大学建议了适合中国不同煤种的合理快速床状态设计点。相应的燃烧份额分配、一、二次风比、传热系数即可按照前述的理论研究成果加以确定,从而形成了中国自己的循环流化床设计体系。使循环流化床锅炉流态设计进入自由王国,而不必盲目抄袭其他技术的设计。
3 中国循环流化床锅炉的技术进步与发展
3.1 里程碑之一:国产自然循环流化床锅炉的发展
自1980年开始,在中国设计体系建立完善发展过程中,开发了各种容量的自然循环蒸汽锅炉和用于供暖的热水锅炉。2000年之后,循环流化床锅炉从热电领域发展到发电电域,先后开发了再热135 MW到300 MW亚临界循环流化床锅炉。国产技术对循环流化床设计流态图谱水平轴的设置点进行了调整,使煤种适应性更广,并大大缓解了燃烧室磨损;结构上简化了流程,用燃烧室内的过热器或再热器插屏替代了高能耗结构复杂的外置换热床,降低了制造成本和运行维护难度。到2005年,国产循环流化床技术基本占领了国内市场,并向国外出。
300 MW容量等级亚临界循环流化床锅炉的自主开发是成功的典型,为了推进循环流化床锅炉技术的发展,国家发展改革委员会组织三大锅炉厂及设计院共同引进了Alstom公司的亚临界300~350 MW循环流化床锅炉技术,见图10a)。第一台在四川白马投运后,给用户采用同等级容量循环流化床发电带来了信心。但是同时也充分意识到,引进技术的结构和流程复杂,对中国的燃料条件运行水平适应性差,这些问题促生了适合中国条件的简约型设计的开发,见图10 b)。自第一台300 MW简约型亚临界循环流化床锅炉在宝丽华电厂成功投运后,由于流程简单、运行可靠、操作维护方便、造价较低而迅速占倨了国内市场,成为技术主流。
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