炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响.pdf
《炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第第 44 卷卷 第第 4 期期 2023 年年 8 月月Vol.44 No.4Aug.2023发电技术发电技术Power Generation Technology炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响董中豪1,卢啸风1*,史丽超2,杨增增2,孔繁盛2,王鹏2,林国强3,赵鹏3(1.低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室(重庆大学),重庆市 沙坪坝区 400044;2.黄陵矿业煤矸石发电有限公司,陕西省 延安市 727307;3.宜兴市国强炉业有限公司,江苏省 宜兴市 214225)Influence of Thermal Inertia of Refractory Materi
2、al in Furnace on the Peak Regulating Rate of Circulating Fluidized Bed BoilerDONG Zhonghao1,LU Xiaofeng1*,SHI Lichao2,YANG Zengzeng2,KONG Fansheng2,WANG Peng2,LIN Guoqiang3,ZHAO Peng3(1.Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technology&System,Ministry of Education(Chongqing University),Shapi
3、ngba District,Chongqing 400044,China;2.Huangling Mining Group Co.,Ltd.,Yanan 727307,Shaanxi Province,China;3.Yixing Guoqiang Furnace Industry Co.,Ltd.,Yixing 214225,Jiangsu Province,China)摘 要摘 要:为 研 究 炉 膛 耐 火 材 料 热 惯 性 对 循 环 流 化 床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉调峰特性的影响,基于300 MW亚临界CFB锅炉实际运行工况,以数值计算方
4、式对其进行了研究。发现耐火材料热惯性受耐火材料导热系数和耐火材料厚度影响。当耐火材料导热系数由1 W/(mK)增加到15 W/(mK)时,耐火材料热平衡时间由5 812 s降低到 3 426 s;耐火材料厚度由 30 mm 增大至 90 mm 时,热平衡时间由3 267 s增加到7 771 s。实炉按1%/min、2%/min、3%/min速率由50%升至100%额定负荷工况时,若密相区采用传统耐火材料,则平衡时间分别为82、65、60 min;当采用高导热耐火材料,则相应减少到65、46、40 min。根据计算结果拟合了耐火材料吸热速率变化公式;为考察密相区耐火材料热惯性对给煤策略的影响,定
5、义并计算了耐火材料热惯性给煤影响系数。关键词关键词:循环流化床;调峰;热惯性;导热系数ABSTRACT:The influence of thermal inertia of the furnace refractory on the peak regulation characteristics of a 300 MW circulating fluidized bed boiler(CFB)was studied by using a numerical calculation method.Based on the actual operation conditions of the b
6、oiler,the calculation results reveal that the thermal inertia of refractory is affected by its thermal conductivity and the thickness.Specifically,the thermal inertia of refractory decreases with the increasing thermal conductivity and decreasing refractory thickness.As a consequence,the time that r
7、equired for the refractory to reach heat equilibrium decreases from 5 812 s to 3 426 s if the thermal conductivity of refractory increases from 1 W/(mK)to 15 W/(mK),while it increases from 3 267 s to 7 771 s if the thickness of refractory material increases from 30 mm to 90 mm.Practically in the pre
8、sence of the traditional refractory in the CFB dense phase zone,the time required to achieve heat equilibrium state becomes 82,65 and 60 min when the load of this CFB boiler rises from 50%to 100%with a rate of 1%/min,2%/min and 3%/min.For a refractory with higher thermal conductivity,the equilibrium
9、 response time will be reduced to 65,46 and 40 min,correspondingly.According to the calculation results,a formula for the heat absorption rate of refractory material was obtained.In addition,the influencing coefficient of the thermal inertia of refractory on coal feeding was also defined and calcula
10、ted.KEY WORDS:circulating fluidized bed(CFB);peak regulation;thermal inertia;thermal conductivity0引言引言为实现“碳达峰、碳中和”的“双碳”目标,要求风力发电、太阳能发电等可再生能源发电大规模并入电网。但风电、光电的不稳定性、不可DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22175 中图分类号:TK 22基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFB4100301)。Project Supported by National Key R&D Program of China(202
11、2YFB4100301).第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术预测性和峰值抗调节特性会造成电网波动,不利于电网安全运行,阻碍了可再生能源的大规模利用1-2,因此要求电网中其他形式的发电机组具备灵活性调峰的能力。受地理条件限制,水力发电和抽水蓄能发电难以完全解决我国电网的灵活性调峰问题3-5。同时,基于我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋限制,煤电机组在“双碳”目标达成过程中仍将承担主要的调峰功能6-8。煤电机组灵活性调峰要求煤电机组具备深度调峰和快速调峰能力。相较于煤粉炉机组,循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉机组可长期在低负荷工况下不投油稳
12、定燃烧,具备更好的深度调峰能力9-12。但由于循环流化床锅炉热惯性较大,快速调峰能力相对较差,多数机组调峰速率小于 1%/min,难以满足电网灵活性调峰要求13。因此,为促进“双碳”目标实现,提高电网对可再生能源发电消纳水平,需要提高循环流化床锅炉机组的快速调峰能力。实现循环流化床锅炉快速调峰的关键是:1)调峰过程中,确保燃烧过程风煤配比恰当,且风煤混合均匀,以保证较高的燃烧效率和较低的污染物生成量;2)保证炉膛上部合适的气固浓度和烟气温度,以适应负荷变化时的传热需求。为达到这一快速调峰要求,需要尽量减小炉侧热惯性,并在此基础上优化调峰控制模型。循环流化床锅炉炉侧热惯性主要由燃料热惯性、床料热
13、惯性、耐火材料热惯性、辅机(如给煤系统)的响应延迟等组成。由于循环流化床锅炉给煤粒径相对较大(010 mm),给煤颗粒燃烬时间相对较长(约600 s)14,因此在变负荷过程中炉膛中存在大量未燃烬碳,燃料热惯性较大15。高明明等16-19根据“即燃碳”理论提出了“先行能量平衡控制策略”,通过充分利用“即燃碳”储能,提升CFB锅炉调峰速率。床料热惯性体现在2个方面:其一是在变负荷过程中,床料颗粒温度与烟气温度达到热平衡存在时间延时;其二是在循环流化床锅炉变负荷过程中,时常需要快速增加或减少炉内床料量,这会显著改变床料热惯性。为解决此问题,Stefanitsis等20研究了在循环流化床锅炉外设置鼓泡
14、床,通过在降负荷过程中储存热循环灰,在升负荷过程中将循环灰送入炉膛,以提升循环流化床锅炉变负荷速率的方式。CFB锅炉炉膛及外循环系统的耐火材料热惯性也是影响快速调峰的重要因素。在循环流化床变负荷过程中,由于耐火材料热容量和传热热阻较大21,存在耐火材料温度变化相对炉膛温度变化响应延迟的情况。本文将耐火材料热惯性定义为:在炉膛温度发生变化情况下,耐火材料与炉膛重新达到热平衡状态所需时间。在计算耐火材料热惯性的同时,为考虑耐火材料对给煤、送风策略的影响,需要获得耐火材料温度、吸热量、吸热速率等随时间变化规律。韩小华等22研究了建筑用混凝土在水化热作用下的温度变化规律。张絮涵23通过实验与模拟结合方
15、式,对混凝土埋管式辐射冷顶板的室内非稳态辐射换热特性进行研究,发现温度随时间的变化曲线符合指数函数衰减规律。Rafique等24-26研究了高温粒子接收器中耐火材料对设备热性能的影响。但是,目前对循环流化床锅炉中耐火材料热惯性的系统研究未见详细报道。本文以某300 MW亚临界循环流化床锅炉实际运行工况为基础,对传统耐火材料和高导热耐火材料的热惯性影响因素进行研究,计算了不同变负荷速率下锅炉密相区耐火材料热平衡响应时间、吸热量和吸热速率。研究结果对大型CFB锅炉快速调峰运行具有一定的参考作用。1计算模型计算模型1.1300 MW亚临界循环流化床锅炉简介亚临界循环流化床锅炉简介300 MW亚临界锅
16、炉采用M型炉膛结构。炉膛采用膜式水冷壁结构,采用单炉膛、单布风板布置,炉内布置6片高温过热器屏、6片中温过热器屏和6片高温再热器屏。外循环回路配置3台汽冷式旋风分离器,每个分离器配备1个立管、1个回料阀及2条返料腿。尾部烟道中布置低温过热器管、低温再热器管和省煤器。锅炉总体结构及耐火材料分布如图1所示。该型耐火材料主要分布在炉膛密相区、屏式受热面、旋风分离器进口烟道、旋风分离器、立515Vol.44 No.4董中豪等董中豪等:炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响管、回料阀、返料腿、旋风分离器至尾部烟道的水平烟道段。其中炉膛中密相区受热
17、面和旋风分离器采用水/汽冷方式,此处耐火材料只有耐火防磨层。立管、回料阀及返料腿为绝热式结构,密相区炉墙由耐火防磨层、水冷壁以及外侧的保温层组成。该型锅炉耐火材料分布及敷设厚度如表1所示。耐火材料的物理性质27-28如表2所示。计算过程中假设耐火材料温度和床温一致。300 MW亚临界循环流化床锅炉耐火材料质量分布如表3所示。计算结果显示,在炉膛及外循环回路部分,耐火材料总质量为626.70 t。由于立管、回料阀和返料腿采用绝热式炉墙结构,需要较厚防磨耐火及保温材料以获得足够的防磨保温效果,因此该部分耐火材料质量较大,总质量约308.75 t,占耐火材料总质量的49.26%。1.2计算模型计算模
18、型本文重点研究炉膛区域耐火材料的热惯性问题。在计算过程中将耐火材料的传热过程简化为无内热源的非稳态导热过程,控制方程为(cpt)=x(tx)+y(ty)+z(tz)(1)式中:为时间;t为温度。计算过程中耐火材料两侧边界条件均采用第三类边界条件。耐火材料背火侧为水冷壁,耐火材料传热过程示意图如图2所示。工质侧对流换热系数hb可由式(2)中的Nu计算29-30,耐火材料敷设段管内工质平均温度tb由热平衡计算获得。Nu=0.049 9Re0.747 52bPr0.474 26b(2)式中:Nu为努塞尔数;Re为雷诺数;Pr为普朗特数。炉膛密相区气固两相流流动状态可考虑为鼓泡床,其炉侧换热系数采用颗
19、粒团更新模型31进表表3300 MW亚临界亚临界CFB锅炉耐火材料质量分布锅炉耐火材料质量分布Tab.3Mass distribution of refractory materials for 300 MW subcritical CFB boiler t部位炉膛旋风分离器立管及回料阀布风板炉膛锥段屏式受热面分离器入口分离器筒段分离器锥段立管回料阀返料腿耐火防磨浇注料27.53115.1723.7637.8176.1437.5744.6930.11147.99耐火保温砖16.5910.9558.42总计166.46151.49308.75图图1 300 MW亚临界亚临界CFB锅炉耐火材料分布
20、图锅炉耐火材料分布图Fig.1 Distribution diagram of refractory materials for 300 MW subcritical CFB boiler表表1300 MW亚临界亚临界CFB锅炉耐火材料分布锅炉耐火材料分布Tab.1Distribution of refractory materials for 300 MW subcritical CFB boiler分布位置炉膛旋风分离器立管及回料阀布风板炉膛锥段屏式受热面分离器入口分离器筒段分离器锥段立管回料阀返料腿耐火防磨浇注料/mm776050252525150150150耐火保温砖/mm250250
21、250表表2耐火材料热物理性质耐火材料热物理性质Tab.2Thermophysical properties of refractory materials参数导热率/W/(mK)密度/(kg/m3)比热容cp/(kJkg1K1)传统耐火材料1.527500.92+0.000 147T耐火保温砖0.093+0.000 16T5000.769+0.000 26T高导热耐火材料12.55/900 11.28/800 3 5601.229/900 516第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术行计算,如式(3)所示。hf=c(hc+hcr)+(1-c)(hd+hdr)(3)式中:hc和hd分
22、别为颗粒团与固体颗粒分散相的对流换热系数;hcr和hdr分别为颗粒团与固体颗粒分散相的辐射换热系数;c为颗粒团的时间平均覆盖率。颗粒团与固体颗粒分散相的对流换热系数可分别由式(4)、(5)算出。hc=dpg+(tc4cccc)0.5-1(4)hd=(gcpdpcg)(dp)0.3(U2tgdp)0.21Pr(5)式中:dp为颗粒粒径;g和c分别为烟气和颗粒团的导热系数;p和c分别为颗粒和颗粒团的密度;d为颗粒和空气的平均密度;g为重力加速度;cg、cc和cp分别为烟气、颗粒团和颗粒的比热容;tc为颗粒团停留时间;为颗粒团和壁面间无量纲厚度;Ut为颗粒终端沉降速度。颗粒团与固体颗粒分散相的辐射换
23、热系数为hcr=(T4f-T4w)(1ec+1ew-1)(Tf-Tw)(6)hdr=(T4f-T4w)(1ed+1ew-1)(Tf-Tw)(7)式中:为Stefan-Boltzmann常数;Tf和Tw分别为炉侧和壁面温度;ec、ed和ew分别为颗粒团、颗粒分散相和壁面的吸收率。由于耐火材料与金属管壁接触面间存在空隙,因此引入接触热阻Rc,取值为0.006 m2K/W32-33。1.3计算工况及参数计算工况及参数首先,为考察耐火材料热惯性的普遍影响因素,对不同耐火材料导热系数和耐火材料厚度工况下的耐火材料热惯性进行计算,耐火材料热惯性影响因素计算工况如表4所示。计算过程中假设炉膛温度进行如下变化
24、:第10 min时炉膛由初始温度850 开始以2/min的变化速率进行升温运行,50 min后炉膛温度达到950 并保持稳定。从变负荷时刻开始到耐火材料吸热量达到稳定状态吸热量95%时的时间定义为平衡时间。计算获得了不同工况下单位体积耐火材料的吸热量和平衡时间。其次,基于实际锅炉运行情况,对300 MW亚临界循环流化床锅炉机组密相区采用不同耐火材料在不同变负荷速率工况下进行计算。计算过程中假设锅炉运行工况进行如下变化:010 min时锅炉以 50%锅炉额定工况(boiler rated load,BRL)负荷稳定运行,第10 min时锅炉分别以1%/min、2%/min、3%/min的速率变负
25、荷运行,并假定炉膛温度线性变化,随后分别在 60、35 和27 min时锅炉达到100%额定工况负荷。计算过程中选用传统耐火材料和高导热耐火材料分别进行计算,计算工况如表5所示。图图2 锅炉密相区耐火材料传热过程示意图锅炉密相区耐火材料传热过程示意图Fig.2 Schematic diagram of heat transfer process of refractory materials in dense-phase area of boiler表表4耐火材料热惯性影响因素计算工况耐火材料热惯性影响因素计算工况Tab.4Calculation working condition of in
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 炉膛 耐火材料 惯性 循环 流化床 锅炉 速率 影响
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。