600MW超临界循环流化床锅炉外置床壁温特性分析

孙献斌，胡昌华，李星华,雷秀坚，陶世健，邝伟

(1. 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市 100098；2.四川循环流化床白马示范电站有限责任公司，四川省内江市 641005)

600MW超临界循环流化床锅炉外置床壁温特性分析

孙献斌1，胡昌华2，李星华2,雷秀坚2，陶世健2，邝伟2

(1. 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市 100098；2.四川循环流化床白马示范电站有限责任公司，四川省内江市 641005)

为了防止首台600 MW超临界循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉外置床受热面发生壁温超温现象，在受热面管壁上安装了温度测点。对锅炉额定负荷下的外置床受热面管壁温度进行了测量，得到了外置床受热面管壁温度的分布特性，在测量数据的基础上分析了外置床受热面的运行安全性。研究结果表明，外置床内的高温再热器管壁温度呈中间高、两边低的马鞍形分布，而中温过热器Ⅰ及中温过热器Ⅱ管壁温度分布比较均匀；外置床受热面管壁温度均在所使用材料的最高允许温度之内，并有足够的温度裕度。最后，针对外置床运行过程中的管壁温度报警值的设定方法提出了技术建议。

循环流化床(CFB)锅炉；超临界参数；外置床；管壁温度

0 引 言

超临界循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉由于具有和煤粉锅炉相当的热效率,且燃料适应性好，同时还能够以比较经济的方式达到低的SO2及NOx排放值，由此而成为清洁煤发电技术的重要发展方向之一[1-3]。“十一五”期间，我国自主研究开发了600 MW超临界CFB锅炉，安装在四川白马示范电站有限责任公司，该台世界上容量最大的超临界CFB锅炉于2013年4月成功投入运行。白马600 MW超临界循环流化床锅炉设有6台外置床，布置在锅炉炉膛的两侧，外置床内分别布置高温再热器、中温过热器Ⅰ及中温过热器Ⅱ[4]。外置床是白马600 MW超临界CFB锅炉的关键部件，其运行可靠性对CFB锅炉的安全运行至关重要。已投运的300 MW CFB锅炉运行情况表明，外置床出现的受热面爆管等问题在一定程度上影响了部分CFB锅炉的可用率[5-6]。研究表明，影响外置床可靠性的主要因素是微振型磨损及超温过热而引起的受热面泄漏和爆管[6]。

近年来，针对国内已投运的17台引进的300 MW CFB锅炉的运行状况，锅炉制造厂和研究单位对外置床的结构设计进行了技术改进，使外置床的运行可靠性得到大幅度提高，但尚未完全解决受热面的爆管问题。除了正确设计外置床的结构外，运行过程中准确监测外置床受热面管壁温度对其运行可靠性同样重要。为了提高白马600 MW 超临界CFB锅炉的运行可靠性，在外置床受热面的出口段和联箱之间的管段上安装了壁温测点，锅炉投运后对外置床内受热面的管壁温度特性进行了测量和研究，以验证设计和计算方法的准确性，并为防止外置床受热面过热爆管及以后的外置床的优化设计提供技术依据。

1 外置床结构及壁温测点布置

600 MW 超临界CFB锅炉的外置床结构如图1所示。CFB锅炉旋风分离器分离下来的循环灰，经过锥型阀的控制，经高温灰管道和进灰口流入到外置床的进料室，在高压流化风的作用下，高温灰从进口隔墙上方流入换热室。在换热室流化风的作用下，高温灰处于低速流态化状态，并和受热面换热后经出灰口流出换热室，经低温灰管道返回炉膛。外置床内受热面采用水平布置方式，用管子悬吊和固定。

图1 外置床结构及壁温测点分布

为了在运行过程中监测外置床受热面管壁温度，每个外置床受热面出口联箱和换热室外壳体之间的直管段上，装设了铠装热电偶壁温测点。壁温测点设在高温灰的迎流面第1、3、5根管子上，每个外置床的11片屏上装有壁温测点。壁温测点采用了图2所示的集热块壁温测点结构，热电偶通过螺钉固定在集热块腔室中，集热块三面满焊在管壁上，集热块外敷设保温层[7-10]。

图2 外置床受热面壁温测点结构

2 试验结果及分析

在额定负荷下，测得600 MW超临界CFB锅炉的外置床壁温分布特性如图3所示。通过监测外置床壁温水平和分布特点，可准确掌握外置床壁温特性。由图3可知，沿外置床宽度方向，高温再热器管壁温度呈中间高、两边低的马鞍形分布，中温过热器Ⅰ及中温过热器Ⅱ管壁温度分布则相对比较均匀。外置床内受热面壁温特性和受热面吸热不均匀性、管壁热流密度、管内流量不均匀性和结构不均匀性有关。

图3 外置床受热面管壁温度分布特性曲线

在进行外置床受热面计算时，将偏差管(工质焓值大于平均值的管子)管壁金属(沿厚度)平均温度作为管子强度计算的基础，该温度称为计算壁温tb，其表达式为

(1)

式中：t为工质温度，即所求管壁温度处工质的平均温度， ℃；Δtpc为温度偏差，由于外置床受热不均造成的工质最高温度与平均温度的偏差值， ℃；β为管外径dW与内径dn的比值；μ为热散漫系数，考虑热量会沿管壁向温度低的地方散漫而管壁温度会有降低的改正系数，为小于1的数值；qmax为受热最强管在计算管壁温度处的热负荷，W/m2；δ为管壁厚度，m；λ为管壁钢材的导热系数，W/(m2· ℃)；α2为工质侧对流放热系数，W/(m2· ℃)[11-13]。

偏差管外壁温度用来评估氧化皮形成的可能性，其表达式为

(2)

由式(1)(2)可以看出：工质温度高、热偏差大、传热强度大都会使管壁温度升高；蒸汽流速高、放热系数α2大都可以使管壁温度降低。以上几个因素中，蒸汽温度的高低所起作用最大，是主要因素，其次是传热强度，再次是放热系数α2以及热偏差的大小。

观察组使用CT检查诊断准确率明显高于对照组使用B超检查诊断准确率，两组数据差异明显。有统计学意义（P＜0.05）。见附表。

布置在外置床中的过热器管子承受很高的压力，管壁温度如果过高，管子的蠕变速度就会增大。某些合金钢可以在高温下承受较大应力，蠕变速度低，是作为过热器的理想材料。国内超临界锅炉常用过热器受热面的合金钢主要有：Super304H、HR3C、SA213-TP347HFG、SA213-TP304H、SA213-TP321H、T91等。

对外置床中的受热面内的蒸汽流动方向而言，可分为如图4所示的2种布置方式。顺流可以得到较低的管壁温度，但其温压最低，需要的受热面大。逆流可以得到较高的温压，传热较强，可节省受热面，但管壁温度最高。在CFB锅炉的外置床内，由于空间位置较小，一般不采用较为复杂的混流布置方案。

图4 外置床内受热面管束布置方式

白马电厂600 MW超临界CFB锅炉外置床受热面采用逆流布置方式。高温再热器壁温的计算值为641 ℃，管子选用SA-321TP347H材料，该材料具有良好的抗蠕变性能和抗高温氧化性能，许用应力下的许用温度为680 ℃。中温过热器Ⅱ壁温的计算值为577 ℃，由于工质压力升高，采用耐高温性能更好的材料super304H，其材料允许的使用温度为620 ℃。中温过热器Ⅰ壁温的计算值为541 ℃，采用的材料为SA-321TP347H，其材料允许的使用温度为602 ℃。

由于高温再热器、中温过热器Ⅰ及中温过热器Ⅱ均采用了如图5所示的联箱端部引入工质和引出工质的U型连接方式，且受热面结构形式基本相同。故图3所示的外置床壁温分布特性和管内流量不均匀性和结构不均匀性关系不大。

图5 外置床内受热面的联箱布置方式

通过以上分析可知，图3所示外置床壁温分布特性可能和沿宽度方向的灰流分布不均匀及由此而引起的吸热不均匀性有关，而这种吸热不均匀性仍有待于通过进一步的试验研究来确定，以更准确地确定偏差管的位置。

管壁温度分布可用不均匀系数来表征，管壁温度不均匀系数为

(3)

式中：Δx为管壁温度不均匀系数，%；tbmax为最高管壁温度， ℃；tbmin为最低管壁温度， ℃；tbpj为平均管壁温度， ℃；

为了便于运行人员判断是否存在超温并调整CFB锅炉的燃烧工况，CFB锅炉的外置床管壁温度都设有报警值，各个管组的报警值应根据在各种工况下的管壁温度计算值和试验值来设定。

表1外置床管壁温度不均匀系数

Tab.1Non-uniformcoefficientsoftubewalltemperatureofEHE

白马600 MW超临界CFB锅炉外置床壁温测点设置在外置床外管壁上，其测量的壁温水平低于外置床内的最高壁温值。因此，外置床内管壁最高温度可在外置床外部管壁温度测量值基础上进行叠加计算。而外置床外部管壁测点温度与其对应的外置床内部管壁温度之间的差值Δt尚无法确定, 目前暂时按已运行的300 MW CFB锅炉得到的经验值确定Δt。因此，外置床内的管壁温度为

tbi=tbo+Δt

(4)

式中：tbi为外置床内管壁温度， ℃；tbo为外置床外管壁温度， ℃；Δt为外置床内、外管壁温度差， ℃。

外置床内、外管壁温度差Δt主要受外置床外管壁温度测点保温良好程度、外置床内受热面热流密度、管内质量流速等因素影响，经验值为30～50 ℃。

为避免在特殊工况(如机组甩负荷、给水泵跳闸)下可能出现的外置床管壁温度超过材质的许用温度的情况，需要在白马600 MW超临界CFB锅炉上进一步研究直接测量床内热灰侧管壁温度的方法，对床外管壁温度测量值进行标定，准确测量出床内和床外管壁温度的差值Δt, 建立Δt的关联模型，从而设定更为准确的壁温运行允许上限值和报警值。

3 结 论

(1)600 MW超临界CFB锅炉在额定负荷工况下高温再热器管壁温度不均匀系数为13.59%，大于中温过热器Ⅰ和中温过热器Ⅱ的管壁温度不均匀系数；高温再热器管壁温度呈中间高、两边低的马鞍形分布，而中温过热器Ⅰ及中温过热器Ⅱ管壁温度分布比较均匀。(2)锅炉在额定负荷工况下，高温再热器床外管壁最高温度为591 ℃，中温过热器Ⅰ床外管壁最高温度为491 ℃，中温过热器Ⅱ床外管壁最高温度为527 ℃，均在所使用的材料的最高允许温度之内，并有足够的温度裕度。(3)外置床管壁温度报警值的设定，尚需要进一步测量出床内和床外管壁温度的差值，设定更为准确的壁温运行报警值，为外置床的安全稳定运行提供技术保障。

[1]孙献斌，黄中.大型循环流化床锅炉技术与工程应用[M]. 2版. 北京：中国电力出版社, 2013：165-166.

[2]毛健雄, 超(超)临界循环流化床直流锅炉技术的发展[J]. 电力建设, 2010, 31(1): 1-6.

[3]李利凯,李润森,黄运波. 600 MW 超临界循环流化床锅炉可行性研究[J]. 电力建设, 2010, 31(5): 94-98.

[4]聂立,王鹏,彭雷,等. 600 MW 超临界循环流化床锅炉的设计[J].动力工程,2008,28(5):701-706.

[5]董志乾，张聪，赵发家，等. 300 MW CFB锅炉外置式换热器特性分析[J]. 中国电力, 2008, 41(1):63-67.

[6]胡昌华.外置床受热面防磨技术研究[J].中国电力,2013,46(9):12-15，20.

[7]王孟浩,王衡,郑民牛.过热器再热器炉外壁温测点结构和报警温度设定值的探讨[J]. 热力发电, 2006, 35(7):29-32.

[8]徐海川，潘诚，程祖田，等. 600 MW机组锅炉屏式过热器壁温测试及三维计算[J]. 热力发电, 2011, 40(6):13-16.

[9]陈朝松，张树林，刘平元，等.优化壁温计算模型及其在电站锅炉壁温在线监测中的应用[J]. 动力工程, 2009, 29(9):818-822.

[10]王孟浩,王衡,郑民牛.超(超)临界锅炉炉外壁温测点的测量误差[J]. 中国电力, 2009, 42(2):45-48.

[11]郑世津,邓广发,曹长龙，等.锅炉高温受热面炉内壁温测量方法的研究[J].电站系统工程，2000，16(4):219-220.

[12]杜保华，王大鹏，董雷，等.超超临界1 000 MW机组锅炉高温受热面炉内壁温测量及分析[J]. 热力发电, 2013, 42(7):118-122.

[13]周云龙，苏耀雷.基于神经网络的锅炉过热器和再热器管壁温度预测研究[J]. 热力发电, 2012, 41(5):22-26.

[14]李冰，唐必光，余艳芝，等. 电站锅炉过热器三维壁温计算的新方法[J]. 热力发电, 2003, 32(12):5-7.

(编辑：蒋毅恒)

TubeWallTemperatureCharacteristicofExternalHeatExchangerin600MWSupercriticalCFBBoiler

SUN Xianbin1, HU Changhua2, LI Xinghua2, LEI Xiujian2, TAO Shijian2, KUANG Wei2

(1. Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 100098, China;2. Sichuan Baima CFB Demonstration Power Plant Co., Ltd., Neijiang 641005, Sichuan Province, China)

In order to prevent the overtemperature of heating surface in external heat exchanger (EHE) of the first 600 MW supercritical circulating fluidized bed (CFB) boiler, temperature measuring points were installed on the heating surface tube. The tube wall temperature of EHE was measured under boiler rated load, and its distribution characteristics were obtained. Then, the operation safety of EHE heating surface was analyzed based on measured data. The research results show that the tube wall temperature of high temperature reheater in EHE is saddle distribution which is high in the middle and low on both sides; while the tube wall temperature distribution is more uniform for medium temperature superheater Ⅰ and medium temperature superheater Ⅱ. The tube wall temperature of EHE heating surface is within the maximum allowable temperature of the material used, and has enough margins. Finally, this paper proposed some technical suggestions on the setting method of alarm value for tube wall temperature in EHE operation.

circulating fluidized bed(CFB) boiler; supercritical parameters; external heat exchanger; tube wall temperature

“十二五”国家科技支撑计划重大项目(2012BAA02B02)；国家电网公司科学技术项目(BMCFB60KY10-148)。

TM 621.2

： A

： 1000-7229(2014)04-0006-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.04.002

2013- 10- 23

：2013- 11- 30

孙献斌(1963)，男，工学硕士，研究员，院首席科学家，从事循环流化床锅炉及清洁煤发电技术研究工作，E-mail:sunxianbin@hnceri.com；

胡昌华(1965)，男，学士，教授级高级工程师，从事循环流化床锅炉的基建、调试及生产管理工作；

李星华(1964)，男，高级工程师，从事循环流化床锅炉的基建、调试及生产管理工作；

雷秀坚(1965)，男，高级工程师，从事循环流化床锅炉的运行及生产管理工作；

陶世健(1965)，男，高级工程师，从事循环流化床锅炉的基建及运行技术工作；

邝伟(1974)，男，高级工程师，从事循环流化床锅炉的运行与检修技术工作。