300MW循環(huán)流化床鍋爐屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算及其變化規(guī)律

吳海波，張 縵，孫運(yùn)凱，呂清剛

（1.中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049）

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐由于燃燒效率高、污染物排放低、燃料適應(yīng)性廣以及負(fù)荷調(diào)節(jié)比大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于蒸汽生產(chǎn)中［1-3］.為了維持合理的爐膛溫度，隨著CFB鍋爐的大型化和蒸汽參數(shù)的不斷提高，屏式過(guò)熱器和屏式再熱器得到了廣泛應(yīng)用.由于CFB鍋爐中屏式受熱面的傳熱十分復(fù)雜，因此傳熱系數(shù)計(jì)算的正確與否直接關(guān)系到爐膛內(nèi)受熱面的設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響到鍋爐的蒸汽參數(shù)、煙氣參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行的安全可靠性［4］.

CFB鍋爐爐膛內(nèi)屏式受熱面的傳熱與煤粉鍋爐有著本質(zhì)差別［5-6］.在煤粉鍋爐中，因煙氣中固體顆粒的含量較低，而爐膛內(nèi)煙氣的溫度較高，所以煙氣對(duì)受熱面的傳熱以輻射為主.在CFB 鍋爐中，由于爐膛煙氣中固體物料的質(zhì)量濃度較高，同時(shí)煙氣溫度較低，僅為850～950 ℃，因此煙氣對(duì)受熱面的傳熱以輻射與對(duì)流并重，無(wú)論是輻射傳熱還是對(duì)流傳熱，固體物料的質(zhì)量濃度均對(duì)傳熱有非常重要的影響.正確計(jì)算爐膛內(nèi)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是大型CFB鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，也是區(qū)別于煤粉鍋爐的重要方面.鑒于測(cè)量難度和技術(shù)保密的原因，至今國(guó)內(nèi)外尚未有公開(kāi)出版的、能夠用于工程設(shè)計(jì)的CFB鍋爐屏式過(guò)熱器傳熱計(jì)算方法，而完全應(yīng)用理論推導(dǎo)又十分復(fù)雜和困難，因此結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用意義.

筆者針對(duì)3 臺(tái)燃用不同煤質(zhì)的300 MW CFB鍋爐，分別在不同運(yùn)行工況下對(duì)屏式受熱面工質(zhì)側(cè)溫度和壓力以及煙氣側(cè)溫度和壓力等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并采用2臺(tái)鍋爐的數(shù)據(jù)建立了模型，利用另一臺(tái)鍋爐的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證.在分析傳熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了屏式受熱面煙氣側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算模型.在該計(jì)算模型中，充分考慮了屏式受熱面結(jié)構(gòu)尺寸、爐膛溫度、工質(zhì)溫度、壁面黑度以及煙氣速度等因素的影響，并對(duì)這些影響因素進(jìn)行了分析.

1 煙氣側(cè)傳熱系數(shù)的計(jì)算模型

CFB鍋爐爐膛內(nèi)屏式受熱面的傳熱包括三個(gè)部分：煙氣對(duì)流、物料對(duì)流和輻射.這3個(gè)過(guò)程互相影響且不具備嚴(yán)格的可加性，但在工程應(yīng)用范圍內(nèi)通常將其簡(jiǎn)化為線性疊加，則可得到基于屏式受熱面平面投影面積的煙氣側(cè)傳熱系數(shù)：

式中：α1為煙氣側(cè)傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；αr為爐膛向屏式受熱面的輻射傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；αc為爐膛向屏式受熱面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W／（m2·K）.

1.1 煙氣側(cè)輻射傳熱模型的建立

按照經(jīng)典的輻射傳熱原理，爐膛向屏式受熱面的輻射傳熱系數(shù)受爐膛與屏式受熱面之間的系統(tǒng)黑度ε、爐膛溫度Tb和屏式受熱面金屬外表面壁溫Tw的影響：

式中：σ為斯忒潘-玻耳茲曼常數(shù)，5.67×10-8W／（m2·K4）；ε為系統(tǒng)黑度；Tw為受熱面金屬外表面壁溫，K；Tb為爐膛溫度，K.

根據(jù)受熱面的設(shè)計(jì)原則，Tw是工質(zhì)溫度Tf與受熱面管內(nèi)外壁溫差ΔT之和：

ΔT與受熱面管結(jié)構(gòu)、管壁厚度、管壁導(dǎo)熱系數(shù)、熱負(fù)荷以及工質(zhì)傳熱系數(shù)等有關(guān)，按照煤粉鍋爐的計(jì)算方法［7］，內(nèi)外壁溫差ΔT為：

式中：δ為管壁厚度，m；β為管外徑與內(nèi)徑比值；λ為管壁金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m2·K）；μ為熱散漫系數(shù)；q為管的熱負(fù)荷，W／（m2·K）；α2為管內(nèi)工質(zhì)與受熱面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W／（m2·K），反映了管內(nèi)工質(zhì)對(duì)金屬管壁的冷卻效果.

屏式受熱面與爐膛的系統(tǒng)黑度ε是屏式受熱面壁面黑度εw和爐膛黑度εb的函數(shù)［7］：

式中：εw為屏式受熱面壁面黑度，取0.7～0.9.

在CFB鍋爐中，爐膛黑度εb包括煙氣中氣相的黑度和煙氣中顆粒的固相黑度兩部分.根據(jù)發(fā)射吸收平衡，爐膛黑度與氣相黑度εg和固相黑度εp的關(guān)系為［8］：

而固相黑度為［9］：

式中：B為系數(shù)，取0.5～0.7；εps為物料表面平均黑度，可表示為［10］：

式中：n1、Cε分別為由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的常數(shù)；ρp為物料質(zhì)量濃度，kg／m3.

煙氣黑度εg可通過(guò)查表得到，也可通過(guò)經(jīng)典公式進(jìn)行計(jì)算得到.在工程計(jì)算中，重要的是確定氣體在所有光帶范圍內(nèi)輻射能的總和，所以本文通過(guò)Hottel經(jīng)典的燃燒氣體輻射黑度圖表［11］（水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)wH2O和三原子氣體體積分?jǐn)?shù)φ∑）查得煙氣黑度.煙氣黑度εg主要取決于氣體溫度Tg和pcL的值（pc為組分分壓力，L為輻射層厚度），本文中爐膛壓力pf取0.1 MPa.

對(duì)于屏式受熱面，煙氣輻射層厚度L參照經(jīng)典的計(jì)算方法：

式中：A、B、C分別為相鄰兩片屏之間煙室的高、寬和深，m.

1.2 煙氣側(cè)對(duì)流傳熱模型的建立

在本模型中，考慮到受熱面布置特點(diǎn)，煙氣對(duì)流傳熱可近似為縱掠平板的傳熱.對(duì)流傳熱系數(shù)的大小與顆粒密度、顆粒粒徑、空隙率、煙氣速度以及循環(huán)系統(tǒng)的工作性能有關(guān)，其中，煙氣速度是主導(dǎo)因素.此外，對(duì)于300 MW CFB 鍋爐，當(dāng)負(fù)荷一定時(shí)，屏式受熱面區(qū)域的顆粒粒徑和空隙率只是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，變化不大，所以近似地將對(duì)流傳熱系數(shù)看成煙氣速度的函數(shù).已有學(xué)者對(duì)爐內(nèi)對(duì)流傳熱進(jìn)行了一系列的研究并給出了相應(yīng)的函數(shù)形式［12］.筆者在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的300 MW CFB鍋爐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，列方程求解得到以下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：v為煙氣速度，m／s；ρp 按平均值計(jì)算.

在CFB 鍋爐中，隨著床層高度的增加，軸向空隙率逐漸增大，而物料的質(zhì)量濃度下降，并呈指數(shù)函數(shù)形式分布.雖然不同科研工作者的研究結(jié)果存在差異［13］，但大致分布形式相似，僅僅是系數(shù)的差異.在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，通常采用沿高度積分平均而得到一個(gè)特征物料質(zhì)量濃度，用于計(jì)算屏式受熱面的平均傳熱系數(shù)，然后利用在實(shí)際運(yùn)行鍋爐爐膛內(nèi)不同高度的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合得到：

式中：h為屏式受熱面底部到布風(fēng)板的距離，m；H為爐膛總高度，m.

該模型忽略了爐內(nèi)床料量及顆粒粒度的影響，這是因?yàn)閲?guó)內(nèi)大型循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行模式基本上是在恒定床壓下運(yùn)行.此外，在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)燃用不同煤質(zhì)特性，嚴(yán)格控制入爐煤的粒度，所以在工程應(yīng)用領(lǐng)域可以簡(jiǎn)單地將用于傳熱計(jì)算的爐內(nèi)平均物料質(zhì)量濃度歸結(jié)為流化速度的函數(shù)，并得到3臺(tái)燃用不同煤質(zhì)的300 MW CFB鍋爐的驗(yàn)證，因此可以作為同容量級(jí)CFB鍋爐的工程設(shè)計(jì)參考.

總傳熱系數(shù)K按式（12）和式（13）計(jì)算，其中分母包括3個(gè)部分熱阻：煙氣側(cè)熱阻工質(zhì)側(cè)熱阻和受熱面本身熱阻

式中：α′1為煙氣側(cè)綜合傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；α2為工質(zhì)側(cè)傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；St為煙氣側(cè)總面積，m2；Sf為工質(zhì)側(cè)總面積，m2；δ1為管子壁厚，m；λ為受熱面金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m2·K）.

鰭片對(duì)傳熱系數(shù)的影響如下［14］：

式中：P為鰭片面積系數(shù)；ηfin為鰭片利用系數(shù)；α1為煙氣側(cè)傳熱系數(shù).

2 影響總傳熱系數(shù)的因素

采用上述傳熱模型，筆者對(duì)某300 MW CFB鍋爐在94%BMCR 負(fù)荷下?tīng)t膛內(nèi)屏式受熱面的總傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)改變其中一些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析和研究.

2.1 壁面黑度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖1為壁面黑度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，這里的壁面黑度是指屏式受熱面管子壁面的黑度.從圖1可以看出：壁面黑度在0.6～0.9變化時(shí)，傳熱系數(shù)在138～166 W／（m2·K）變化，說(shuō)明壁面黑度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較大.隨著壁面黑度的增加，傳熱系數(shù)增大.壁面黑度與受熱面的溫度、結(jié)構(gòu)以及材料性質(zhì)等因素有關(guān)，通常情況下根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定.從圖1的計(jì)算可知，正確取定壁面黑度的值對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有很重要的意義.

圖1 壁面黑度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響Fig.1 Effect of wall emissivity on the heat-transfer coefficient of platen heating surface

2.2 爐膛溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖2為爐膛溫度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響.從圖2可知：隨著爐膛溫度的升高，傳熱系數(shù)呈單調(diào)增大.爐膛溫度是影響爐膛傳熱系數(shù)的一個(gè)重要因素，這是因?yàn)楫?dāng)爐膛溫度升高時(shí)，輻射傳熱增強(qiáng).同時(shí)，爐膛溫度還影響顆粒對(duì)流傳熱系數(shù)：爐膛溫度越高，對(duì)流傳熱系數(shù)越大，進(jìn)而煙氣側(cè)的對(duì)流傳熱增強(qiáng)；而且，管壁導(dǎo)熱系數(shù)隨爐膛溫度升高而增大，熱阻減小.

圖2 爐膛溫度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響Fig.2 Effect of furnace temperature on the heat-transfer coefficient of platen heating surface

2.3 工質(zhì)平均溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖3為工質(zhì)平均溫度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響.從圖3可知：隨著屏式受熱面上工質(zhì)平均溫度的升高，傳熱系數(shù)增大，但其影響幅度比爐膛溫度的影響小.工質(zhì)溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響主要表現(xiàn)在對(duì)輻射傳熱和對(duì)工質(zhì)側(cè)傳熱系數(shù)的影響.隨著工質(zhì)平均溫度的升高，輻射傳熱系數(shù)增大，但工質(zhì)側(cè)的傳熱系數(shù)卻是減小的.綜合上述兩方面因素，總的傳熱系數(shù)隨著工質(zhì)平均溫度的升高而增大.

圖3 工質(zhì)平均溫度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響Fig.3 Effect of mean steam temperature on the heat-transfer coefficient of platen heating surface

2.4 管壁溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖4為管壁溫度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響.從圖4可知：隨著屏式受熱面管壁溫度的升高，傳熱系數(shù)增大.這是因?yàn)殡S著管壁溫度的升高，輻射傳熱系數(shù)明顯增大，當(dāng)其他參數(shù)（煙氣速度、溫度等）不變時(shí)，管壁溫度的變化對(duì)煙氣向管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)影響不大，一般可忽略不計(jì).

圖4 管壁溫度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響Fig.4 Effect of wall temperature on the heat-transfer coefficient of platen heating surface

2.5 煙氣速度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

在CFB鍋爐中，煙氣速度是影響屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素.煙氣速度對(duì)傳熱系數(shù)的影響比較復(fù)雜，主要取決于輻射傳熱、氣體對(duì)流分量和固體顆粒對(duì)流分量的綜合作用.圖5為煙氣速度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響.從圖5可知：煙氣速度對(duì)傳熱系數(shù)的影響較大.隨著煙氣速度的增大，傳熱系數(shù)也逐漸增大.煙氣速度的增大，大大提高了煙氣側(cè)的輻射傳熱和對(duì)流傳熱速率.對(duì)流傳熱系數(shù)主要受物料質(zhì)量濃度的影響.當(dāng)煙氣速度加快時(shí)，屏式受熱面處的物料質(zhì)量濃度增加，對(duì)流傳熱系數(shù)增大，且固相黑度也隨著物料質(zhì)量濃度的增加而增大，進(jìn)而使輻射傳熱系數(shù)也增大.

圖5 煙氣速度對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響Fig.5 Effect of flue gas velocity on the heat-transfer coefficient of platen heating surface

2.6 管間節(jié)距對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖6為管間節(jié)距對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響.從圖6可知：當(dāng)受熱面管子的外徑一定時(shí)，隨著管間節(jié)距的增大，傳熱系數(shù)減小.這是因?yàn)樵龃蠊荛g節(jié)距使得屏式受熱面內(nèi)外面積比增大，即鰭片所占的面積比例增大.研究表明，鰭片的傳熱系數(shù)小于管壁的傳熱系數(shù)，因此鰭片所占面積比例的增大會(huì)使傳熱系數(shù)減小.

圖6 管間節(jié)距對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響Fig.6 Effect of tube pitch on the heat-transfer coefficient of platen heating surface

2.7 三原子氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)傳熱系數(shù)的影響

圖7為三原子氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響.從圖7可以看出：傳熱系數(shù)隨著三原子氣體體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，但變化幅度較小.因?yàn)槿託怏w體積分?jǐn)?shù)主要影響煙氣輻射減弱系數(shù)，三原子氣體體積分?jǐn)?shù)越大，煙氣輻射減弱系數(shù)越大，導(dǎo)致煙氣黑度增大，傳熱系數(shù)增大，但三原子氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)傳熱系數(shù)的影響較小.

圖7 三原子氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響Fig.7 Effect of triatomic gas volumetric fraction on the heattransfer coefficient of platen heating surface

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合以往對(duì)CFB鍋爐傳熱系數(shù)的研究成果，建立了屏式受熱面煙氣側(cè)的傳熱模型.該模型可用于300 MW CFB鍋爐屏式過(guò)熱器和屏式再熱器的傳熱計(jì)算，可供300 MW CFB鍋爐設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行時(shí)參考.

（2）通過(guò)對(duì)某300 MW CFB 鍋爐在94%BMCR 負(fù)荷下屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行計(jì)算和分析表明：煙氣速度、爐膛溫度和壁面黑度對(duì)傳熱系數(shù)的影響較大.本文建立的傳熱模型能夠合理地反映各主要因素對(duì)CFB鍋爐屏式受熱面?zhèn)鳠岬挠绊?

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