CN106224942B - 1000mw超超临界参数循环流化床锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，包括炉膛、旋风分离器，以及连接旋风分离器固相出口和炉膛的立管和回料装置，旋风分离器由上部的柱段和下部的锥段组成，炉膛由四周水冷壁围成，还沿烟气流向依次包括分离器出口水平烟道、分离器出口烟道至尾部竖井连接烟道和尾部竖井；炉膛采用单炉膛多布风板或环形炉膛环形布风板结构，其中单炉膛多布风板的布风板数量n≥2；回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H与分离器总高h之比H/h≥2；旋风分离器数量不少于8台，且分为2组围绕炉膛中心呈中心对称布置或沿炉膛对称轴呈轴对称布置。本发明实现不同蒸汽参数和燃用不同燃料的1000MW级超超临界循环流化床锅。

Description

1000MW超超临界参数循环流化床锅炉

技术领域

本发明涉及一种循环流化床锅炉，特别是1000MW级的超超临界参数循环流化床锅炉。

背景技术

循环流化床燃烧技术以其节能、环保及灰渣综合利用等方面的优势在世界范围内得到广泛应用。截至2016年4月，全球共有10台超临界循环流化床锅炉投运，循环流化床燃烧技术已经全面进入超临界时代。然而，为了进一步提高发电效率，我国对现役和新建燃煤机组的能耗要求不断提高。2015年12月，在国家三部委联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划》后仅一年，国务院研究决定将东部、中部地区原计划2020年前完成的节能减排任务提前至2017年和2018年完成，国家对燃煤机组升级提效的要求达到空前高度。因此，循环流化床锅炉也必然向着更高参数、更大容量的超超临界、高效超超临界、带二次再热甚至700℃参数方向发展。

在此背景下，研发机组效率更高的1000MW级超超临界循环流化床锅炉势在必行。国家制造强国建设战略咨询委员会于2015年发布的《中国制造2025》重点领域技术创新绿皮书也已明确发展1000MW级超超临界循环流化床锅炉。

超超临界参数，一般指压力超过25MPa，温度超过580℃的蒸汽。理论计算结果表明，当蒸汽温度达到600℃，蒸汽压力达到26MPa时，一次中间再热的机组效率可以达到47.99％，远优于亚临界仅37％的机组效率，也明显优于常规超临界机组。

但循环流化床锅炉在如何实现1000MW超超临界参数方面遇到较大的困难。这是因为，现有循环流化床锅炉最大容量为600MW级，且世界范围内仅一台投运，在进一步向1000MW级放大过程中会再次面临锅炉整体方案布置与主要性能间的匹配问题。

专利——循环流化床锅炉(ZL201110031308.9)给出了一种新的思路，即采用环形截面的炉膛，有效解决了锅炉容量的增大与炉膛进一步放大的问题。然而，该专利并未给出针对1000MW级超超临界循环流化床锅炉的关键约束参数与具体方案，因此其思路无法直接指导1000MW超超临界锅炉研制。

专利——超超临界循环流化床锅炉(ZL201520506361.3)给出了一种再热器三级布置的循环流化床锅炉方案。然而，该技术主要针对660MW等级的超超临界循环流化床锅炉，锅炉容量远小于1000MW。同时由于再热器三级布置将增加再热器系统的阻力，会降低机组效率，因此该方案并非超超临界循环流化床锅炉最理想的方案。

此外，从600MW超临界循环流化床锅炉的实际运行情况看，当布置外置换热器时，外置换热器因其内部气固流动的不均匀使得受热面出口工质具有一定热偏差，降低了现有锅炉用钢的安全裕量，但目前带连续进出物料的鼓泡流化床换热器的报道极少。

再者，循环流化床的燃烧特性和传热特性也决定了其炉膛截面比煤粉锅炉更大，加之配有外循环回路，使整个锅炉占地面积远远大于煤粉锅炉。因此，如何可以更紧凑的布置以减少占地面积也是需要思考的问题。

以上均限制了1000MW级超超临界参数循环流化床锅炉的实施，使循环流化床锅炉机组效率的进一步提高难于实现。

发明内容

本发明的目的在于：提供1000MW级超超临界循环流化床锅炉总体布置方案，实现不同蒸汽参数和燃用不同燃料的1000MW级超超临界循环流化床锅。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，包括炉膛、旋风分离器，以及连接旋风分离器固相出口和炉膛的立管和回料装置，旋风分离器由上部的柱段和下部的锥段组成，炉膛由四周水冷壁围成，还沿烟气流向依次包括分离器出口水平烟道、分离器出口烟道至尾部竖井连接烟道和尾部竖井；炉膛采用单炉膛多布风板或环形炉膛环形布风板结构，其中单炉膛多布风板的布风板数量n≥2；回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H与分离器总高h之比H/h≥2；旋风分离器数量不少于8台，且分为2组围绕炉膛中心呈中心对称布置或沿炉膛对称轴呈轴对称布置，每组共用一段分离器出口水平烟道，分离器出口烟道至尾部竖井连接烟道在分离器出口水平烟道上的接口不在该段分离器出口水平烟道的端侧。

作为选择，各回料装置和炉膛之间还设有循环灰热回收管路，循环灰热回收管路上设有外置换热器，此时回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H的低点位置为其循环灰热回收管路在炉膛的返料口中的最低点。

作为进一步选择，外置换热器上垂直其内气固两相流体主流流动方向的方向上的两侧壁设有扰动风。

作为另一进一步选择，外置换热器内部仓室沿气固两相流体主流流动方向的各处截面积不完全相等。作为选择，外置换热器上垂直其内气固两相流体主流流动方向的方向上的两侧壁上形成凹凸结构。

作为选择，尾部竖井内设有过热器和再热器，部分再热器布置在最高烟温区，且该级再热器受热面直接跨过过热器，形成该过热器嵌套于周围再热器内的结构。

作为选择，分离器出口水平烟道、分离器出口烟道至尾部竖井连接烟道采用膜式壁结构。

作为选择，尾部竖井内设有并排的双烟道，各烟道内分别设有受热面。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本专利发明人研究表明，1000MW超超临界循环流化床锅炉研发的核心为主循环回路各关键参数的确定，体现在各区域受热面布置与不同气固流动与传热特性及燃料热量释放规律的匹配关系。因此为使循环流化床锅炉进一步大型化并成功实现1000MW级超超临界参数，需要解决好主循环回路的气固流动特性、传热特性及燃料热量释放规律间的匹配问题。

研究表明，为了保证炉膛上部足够的对流传热份额，炉内需要足够的细颗粒存量，1000MW级超超临界循环流化床锅炉与已投运的超临界循环流化床锅炉相比，其炉膛高度只高不低，考虑到随着炉膛高度的增加，炉内颗粒浓度和颗粒粒径都逐渐衰减，因此需要更高效的分离器效率。从分离机理看，对于入口固气质量比量级约为10的宽筛分B类粒子的大尺寸旋风分离器，当气固两相流体进入分离器后，超出饱和夹带率的颗粒会立刻被分离下来，即为沉降分离，而其余颗粒将进入内漩涡经历离心分离过程。研究表明，无论哪种分离机制，都与旋风分离器的几何尺寸密切相关。

分离器直径是影响分离器性能的一个重要参数，1000MW级超超临界循环流化床锅炉烟气量将远超现有任何已投运的循环流化床锅炉，若进一步增加分离器直径，则对细小颗粒产生的离心力不足，从而会降低离心分离效率。而分离器直径减小，则需要布置更多的分离器数量，分离器数量越多，对炉内气固流动也越敏感，这会引入多并联分离器的气固流动均匀性问题。

在保证分离器效率和阻力等性能指标维持不变或略有优化的情况下，分离器数量需要达到8台以上才能满足1000MW超超临界循环流化床锅炉烟气量的需求。同时为确保较好的流场均匀性，宜将分离器围绕炉膛中心呈中心对称布置或沿炉膛对称轴呈轴对称布置。

除了分离器直径，分离器总高也是影响分离器效率的关键因素，总高过小，容易造成已经被分离下来的颗粒出现二次夹带，这会大幅降低分离效率，而总高过大，会压缩其他外循环回路的布置空间，同时也会提高分离器阻力。

另一方面，立管压降是外循环回路中颗粒流动的主要推动力，它和回料装置压降一起形成料封，防止烟气从返料回路反窜。在锅炉运行时，立管压降需与回料装置压降、回料装置在炉膛的返料口至炉膛出口间压降和分离器压降相平衡。当锅炉负荷变化时，比如，当负荷升高时，更多的床料会被抛到炉膛上部区域，使该区域颗粒浓度增加，而此时，为了平衡这一压力变化，立管压降也会随之升高。

研究发现，为了实现1000MW超超临界循环流化床锅炉，H/h值需要在2以上。

本专利将分离器出口烟道至尾部竖井的连接烟道接口不设在烟道的端侧，从而可以节约炉膛至尾部竖井的距离，并使流场更均匀。同时结合锅炉实际运行情况，上述烟道可以采用膜式壁结构。

在炉膛形式上，单炉膛单布风板结构无法满足1000MW容量二次风穿透性和气固流场均匀性问题，单炉膛多块布风板结构则有效解决了上述问题；对于环形炉膛，其具有内外两个壁面，为附加水冷壁和屏式受热面的安放与连接提供了足够的空间。

同时为了实现低负荷再热蒸汽温度尽量贴近额定值，同时考虑尾部过热器、再热器吸热份额，并兼顾工质侧流动阻力，将尾部烟道的部分再热器布置在最高烟温区，然后，该级再热器受热面可直接跨过过热器，形成过热器与再热器的嵌套结构。该结构在不增加工质阻力的情况下可实现低负荷(如40％THA工况)下再热蒸汽温度仍然达到额定值，提高了机组低负荷运行经济性。

与其他燃烧技术相比，循环流化床还具有高温循环灰这一换热来源，因此可以布置外置换热器。但也对设计、制造、安装、运行与检修等方面有较高的要求。特别是从实际运行情况来看，外置换热器出口工质存在一定热偏差，会压缩金属材料壁温安全裕量。在常规超超临界及以下参数时，此问题并不突出，但若要实现623℃的高效超超临界参数，则现有锅炉用钢壁温安全裕量非常小，锅炉将面临运行超温风险。

为此，研究表明，对有连续进出物料并带有埋管的外置换热器内气固流动，其沿主流流动方向的速度不均匀性是导致热偏差的主要原因。参见图9-12：从图9可以看出，新鲜颗粒在翻墙后主要进入两条流动通道，上层颗粒受颗粒翻涌的动量及床面上层气体拖曳直接流向出口，此部分颗粒基本没有参与换热；下层颗粒则主要受气体拖曳逐渐加速并在末段向上流向出口，此部分颗粒穿过整个受热面管束，因此灰侧偏差应主要观察此部分颗粒的流动特性。为了更直观的展现主流流动方向的速度不均匀性，给出了如图10中在不同高度的颗粒主流方向上的速度分布，示于图11和图12。可以看出，在四个随机选择的高度断面上，沿流体主流流动方向的中间区域颗粒流速更高，而在靠近侧壁处颗粒流速较低，会形成一个类似“流动边界层”的区域。为此可通过在两侧壁增加横向扰动风以及采用不同截面积的外置换热器仓室结构来干预此不均匀性。

需要说明的是，为使循环流化床锅炉实现容量达到1000MW级别，并非简单的将上述某一技术单独应用即可实现，而是需要根据锅炉的具体如煤质、所处位置的海拔、是否需要得到高效超超临界参数等特点，有机的将上述多项技术整合在一起，从而实现蒸汽参数和锅炉容量达到1000MW级在CFB锅炉上得以实现。

附图说明

图1是本发明实施例1的俯视结构示意图；

图2是本发明实施例1的主视结构示意图；

图3是本发明实施例2的俯视结构示意图；

图4是本发明实施例2的左视结构示意图；

图5是本发明实施例2的主视结构示意图；

图6是本发明实施例2的外置换热器俯视结构示意图；

图7是本发明实施例2的后竖井中过热器嵌套布置的结构示意图；

图8是本发明实施例3的外置换热器俯视结构示意图；

图9是基于计算颗粒流体力学的颗粒速度分布示意；

图10是随机选取的主流流动方向上不同高度的截面示意图；

图11是图10中截面a的颗粒速度分布示意图；

图12是图10中截面d的颗粒速度分布示意图。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例一

如图1和图2所示，该实施例为一种1000MW超超临界循环流化床锅炉，包括炉膛1、旋风分离器2、立管3、回料装置4、分离器出口水平烟道5、分离器出口烟道至尾部竖井的连接烟道6和尾部竖井7，旋风分离器2由上部的柱段21和下部的锥段22组成，尾部竖井7内设有并排的双烟道(如图2所示的A、B烟道)，各烟道内分别设有受热面。本实施例中，回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H与分离器总高h之比H/h为2.1。

本实施例能实现锅炉蒸发量为3110t/h、主汽压力26.25MPa的常规超超蒸汽参数，在1000MW机组中，蒸发量较大，锅炉燃用褐煤，全水分约40％，烟气量较大。该方案中炉膛1采用环形炉膛环形布风板结构，并根据烟气量和燃料成灰粒径分布特性，配10台旋风分离器2，旋风分离器2围绕炉膛中心呈中心对称布置。对称布置的旋风分离器2分为2组，每组5台分离器共用一段分离器出口水平烟道5，且连接烟道6在分离器出口水平烟道5上的接口位于分离器出口水平烟道5的中间区域，节约了分离器至尾部竖井间距离。同时，分离器出口水平烟道5和连接烟道6均采用膜式壁结构，有利于减少散热损失。

由于本项目煤质热值较低，根据不同区域吸热份额分配决定不设置外置换热器。

以上为1000MW超超临界循环流化床锅炉燃用中高水分褐煤，蒸发量较大的优选方案。

效果数据如下：

实施例二

如图3～7所示，该实施例为一种1000MW超超临界循环流化床锅炉，包括炉膛1、旋风分离器2、立管3、回料装置4、分离器出口水平烟道5、分离器出口烟道至尾部竖井连接烟道6和尾部竖井7及布置在其中的低温再热器71、低温过热器72和其他受热面73，旋风分离器2由柱段21和锥段22组成。

本实施例能实现锅炉蒸发量为2880t/h、主汽压力29.3MPa的高效超超临界蒸汽参数，在1000MW机组中，蒸发量较小，锅炉燃用烟煤，水分低，烟气量较小。该方案中炉膛1采用单炉膛双布风板结构，配8台旋风分离器2，旋风分离器2数量为8台，分离器围绕炉膛并沿炉膛对称轴呈轴对称布置。各回料装置4和炉膛1之间还设有循环灰热回收管路10，循环灰热回收管路10上设有外置换热器9，每台旋风分离器2对应布置1台外置换热器9。本实施例中回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H与分离器总高h之比H/h为2.4，此时回料装置4在炉膛1的返料口下沿至炉顶高度H的低点位置为其循环灰热回收管路在炉膛1的返料口中的最低点。

同时，由于本方案为高效超超临界参数锅炉，末级再热蒸汽为623℃，因此留给现有锅炉用钢的壁温裕量非常小。为减小外置换热器内气固流动不均匀性带来的热偏差，本方案采用在外置换热器9上垂直其内气固两相流体主流流动方向的方向上(水平面内)的两侧壁91和92设有扰动风，从而减少外置换热器内气固流动的不均匀性，实现末级再热器的安全运行。参考图4所示，气固两相流体从旋风分离器2经循环灰热回收管路10及其外置换热器9返回炉膛1，因此，图中外置换热器9内气固两相流体主流流动方向为从左至右方向，即图中箭头方向。图6的视图为图4中外置换热器9的俯视视图，图4中水平方向上，垂直其内气固两相流体主流流动方向(箭头方向)的方向，即图6的纸面中的上下方向。

此外，参考图7所示，尾部竖井7内将低温再热器71布置于烟温最高区域，同时为兼顾尾部低温过热器72吸热份额及再热器工质流动阻力，将低温过热器72嵌套布置于低温再热器71中。采用此种布置方案可以实现40％THA工况再热汽温仍达到额定值。

以上为1000MW高效超超临界循环流化床锅炉燃用低水分烟煤，蒸发量较小的优选方案。

效果数据如下：

实施例三

本实施例与实施例二的区别仅在于，为减小外置换热器9内气固流动不均匀性带来的热偏差，本方案采用外置换热器9内部仓室沿气固两相流体主流流动方向的各处截面积不完全相等，如图8所示，优选外置换热器9上垂直其内气固两相流体主流流动方向的方向上(水平面内)的两侧壁上形成凹凸结构，通过此方法减少外置换热器9内气固流动的不均匀性，实现末级再热器的安全运行。参考图4所示，图中外置换热器9内气固两相流体主流流动方向为从左至右方向，即图中箭头方向。图7的视图为图4中外置换热器9的俯视视图，图4中水平方向上，垂直其内气固两相流体主流流动方向(箭头方向)的方向，即图6的纸面中的上下方向。

以上为1000MW高效超超临界循环流化床锅炉燃用低水分烟煤，蒸发量较小的优选方案。

效果数据如下：

对比例一：

本对比例为拟采用单炉膛单布风板实现1000MW级超超临界CFB锅炉，由于炉膛截面受二次风穿透性及炉内气固流动均匀性影响，深度不宜超过10m，宽度一般不超过40m。而通过计算，发现炉膛宽度需要接近80m，如此狭长形的炉膛截面将很难保证流化均匀，因此无法实现1000MW超超临界CFB锅炉。

对比例二：

本对比例为拟采用单炉膛双布风板实现1000MW级超超临界CFB锅炉，经计算需要约8台内径8.5m的旋风分离器，整体布置时，分离器没有采用对称布置，从而导致了不同长度的分离器入口烟道，使得烟气流经8台并联的分离器入口烟道会因沿程阻力的因素导致流量分配的不均匀。考虑到循环流化床是唯一一种下游会对上游产生影响的燃烧技术，烟气流量分配的不均匀不仅会对分离器及下游气固流动及传热造成偏差，还会因返料量的不均造成炉内流场、温度场的不均匀。因此，该方案也无法实现1000MW超超临界CFB锅炉。

对比例三：

本对比例为拟采用环形炉膛环形布风板实现1000MW级超超临界CFB锅炉，经计算需要约8台内径8.5m的旋风分离器，整体布置时，回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H与分离器总高h之比H/h＝1.5，使得立管过短，无法提供足够的料位压差空间，因此，该方案也无法实现1000MW超超临界CFB锅炉。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，包括炉膛、旋风分离器，以及连接旋风分离器固相出口和炉膛的立管和回料装置，旋风分离器由上部的柱段和下部的锥段组成，炉膛由四周水冷壁围成，其特征在于：还沿烟气流向依次包括分离器出口水平烟道、分离器出口水平烟道至尾部竖井连接烟道和尾部竖井；炉膛采用单炉膛多布风板或环形炉膛环形布风板结构，其中单炉膛多布风板的布风板数量n≥2；回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H与旋风分离器总高h之比H/h≥2；旋风分离器数量不少于8台，且分为2组围绕炉膛中心呈中心对称布置或沿炉膛对称轴呈轴对称布置，每组共用一段分离器出口水平烟道，分离器出口水平烟道至尾部竖井连接烟道在分离器出口水平烟道上的接口不在该段分离器出口水平烟道的端侧；尾部竖井内设有过热器和再热器，部分再热器布置在最高烟温区，且该级再热器受热面直接跨过过热器，形成该过热器嵌套于周围再热器内的结构。

2.如权利要求1所述的1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，其特征在于：各回料装置和炉膛之间还设有循环灰热回收管路，循环灰热回收管路上设有外置换热器，此时回料装置在炉膛的返料口下沿至炉顶高度H的低点位置为其循环灰热回收管路在炉膛的返料口中的最低点。

3.如权利要求2所述的1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，其特征在于：外置换热器上垂直其内气固两相流体主流流动方向的方向上的两侧壁设有扰动风。

4.如权利要求2所述的1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，其特征在于：外置换热器内部仓室沿气固两相流体主流流动方向的各处截面积不完全相等。

5.如权利要求4所述的1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，其特征在于：外置换热器上垂直其内气固两相流体主流流动方向的方向上的两侧壁上形成凹凸结构。

6.如权利要求1所述的1000MW超超临界参数循环流化床锅炉，其特征在于：分离器出口水平烟道、分离器出口水平烟道至尾部竖井连接烟道采用膜式壁结构。