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3.2里程碑之二:从追赶到超越——600 MW超临界循环流化床技术研究与工程示范
从2000年起,中国与世界同步启动了超临界直流循环流化床锅炉的研究。中国的前期理论与工程实践为超临界循环流化床开发打下了坚实的理论与工业制造基础,在国家的支持下,采用产学研方式,集合了国内最有经验的研究单位,实施世界最大容量超临界循环流化床示范工程。
3.2.1 开发600 MW超临界循环流化床锅炉面临的关键挑战
从300 MW亚临界到600 MW超临界表面上是容量跨越和参数突破,但二者有本质不同。蒸汽参数提高到超临界后,锅炉汽水系统从亚临界的自然循环转变到超临界的强制循环。自然循环水冷壁管的随负荷正向水侧自补偿特性消失了。管间热负荷差别引起的阻力正向变化会造成管间管壁温度差,进而发生安全问题。超临界煤粉锅炉燃烧室膜式壁为减少管间热负荷差别的措施多采用高质量流速的螺旋上升管。这在循环流化床燃烧室是不允许的,否则会引起剧烈磨损。所以人们建议是否可以采用德国西门子早期就建议的管内水侧低质量流率设计。但到2000年为止,世界上还没有任何成功的工程实践。循环流化床热负荷范围内膜式壁采用低质量流率时的气液两相流传热和阻力特性数据也不足以支撑可靠的工程设计。因此,超临界循环流化床研发面临着三大挑战:
(1) 流化床燃烧室放大带来的气固两相流动、传热、燃烧、混合列未知问题的挑战。
(2) 将直流强制循环与循环流化床燃烧结合引发的水动力学安全性,水动力设计方法的挑战。
(3) 强制循环水系统和大惯性循环流化床燃烧系统结合带来的动态特性问题及控制问题挑战。
上述挑战从科研和工程两个层面可以归结为系列研发课题:
(1) 科学层面上需要回答:超高燃烧室的气同两相流规律——物料浓度分布规律、直流锅炉燃烧室二维传热和热流分布规律、物料平衡规律、超大截面炉膛及多路循环稳定性及分配规律、本生低质量流率水动力学和热负荷分配交联规律。
(2) 工程设计层面要回答:大容量超临界循环流化床锅炉基本结构形式、外置换热床的选择及物料循环流路热负荷分配、质量流率选取与安全性计算、水冷壁强度及安全性、锅炉动态仿真、DCS控制模式,等等。
3.2.2核心技术研究的突破
在科技支撑计划的支持下,清华大学将所分解的课题分配到最有经验的科研单位和制造单位,通过配合研究给出了上述所有关键问题的答案。
下面仅介绍部分研究成果:
超临界循环流化床采用低质量流率垂直管圈的水冷壁结构及其吸热量,要求燃烧室高度达到了55 m左右。如此高的循环流化床其内部气固两相流的流动状态和物料浓度分布规律是全世界文献里都找不到的,也从未有此类实验和理论研究结果。在白马发电厂协助下清华大学建设了世界最高的60 m冷态循环流化床模型,世界首次以实验形式回答了超高炉膛物料平衡及物料浓度与流化风速和床存量的关系,见图11。该数据直接用于600 MW超临界循环流化床燃烧室设计,也被国外的循环流化床研究著作引用。
为了获得水冷壁沿高度和沿宽度、深度的热流密度分布,需要知道炉内的局部物料浓度分布。建立了循环流化床锅炉炉膛浓度分布模型,模型计算误差见图12,可以得到循环流化床燃烧室的热流密度。
清华大学与东方 锅炉厂在300MW亚临界循环流化床锅炉的28m宽的燃烧室上进行了二维热流分布测试,验证了上述计算模型,模型计算误差见图13。
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