CN107958117B - 基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命推算方法 - Google Patents

基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命推算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命推算方法，此系以“环‑核流结构模型”为基本依据，以可直接与间接获取的入炉煤粒均径、循环倍率、水冷壁材料的屈服极限以及几何尺寸等数值为实际参量，通过自有推算模型而求得的水冷壁连续工作时间，即磨损阶段寿命，此参量可使CFB安全运行及高效率的热转换生产。

Description

基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命推 算方法
技术领域
本发明属于涉及循环流化床锅炉技术领域，特别是涉及基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命的推算方法。
背景技术
基于能实现对较低热值(3500kcal/kg)较高硫份(1-2％)燃煤的有效利用、能兑现清洁燃烧以及出于一次投资经济性较好的考量，循环流化床锅炉相对其他炉型被认为有较强的比较优势。
而在运行层面，合理降低辅机耗电量，并在其内在优势基础上推算出水冷壁管在额定工况下的磨损阶段寿命，以提升机组运行可靠性，确保机组的额定热转换能力，一直是CFB继续作为热电热力企业主力炉型所应亟待要做的事。
发明内容
针对CFB运行实际的需求，本发明提供了一种基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命推算方法，其能可靠并比较符合运行实际地推算出水冷管壁的磨损阶段寿命，凭此推算出的磨损阶段寿命，管理层可从容制定生产计划，适时调整入炉煤粒的质量，适时合理优化床料颗粒流态，进而有效降低CFB辅机电耗，增加机组可用率及实现安全高效运行。
本发明基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命推算方法，包括如下步骤：
S1、数据分析与整理，对CFB原有运行记录及数据进行详尽分析与整理，根据燃烧室内水冷壁结构和床料参数设定燃烧室床料的形态与气固流场模型，所述气固流场模型为环-核流结构模型；
S2、建立推算模型，以环-核流结构模型模拟气固流场，建立可推算出水冷壁管磨损阶段寿命的推算模型；
S3、获取推算模型参量，直接或间接地获取与确定床料颗粒参数、CFB运行的循环倍率、水冷壁材料的屈服极限以及几何尺寸等实际参量；
S4、数值推算，根据S3中获得的实际参量和水冷壁管磨损阶段寿命的推算模型通过excel进行计算以获得磨损阶段寿命数值；
S5、推算模型验证、修正与确认，对照实际运行记录，对推算出的数据进行验证或重复之前过程，直至两者吻合，并以此确定推算模型。
进一步地，所述床料的物理形态可表述为，燃煤颗粒占比为14％，被热空气流化了的，于核区是由下而上，于环区是由上而下流动；所述热空气为含氧量约为21％、风室风压约10kPa、核区风速约为5m/s，所述燃煤颗粒最低热值为3500kcal/kg、堆密度1.25—1.35t/m3，所述床料还包括与入炉燃煤均混的灰渣。
进一步地，所述磨损阶段寿命推算模型包括的重要参量h表述为：
Figure GDA0002855110860000021
其中，h：一个流化颗粒在额定工况对水冷壁完成一次划蹭的作动深度模拟量，单位m，
mi：流化颗粒质量，单位kg；
v0：流化颗粒流速，单位m/s；
ηi：流化颗粒之间能量传递系数
Figure GDA0002855110860000022
k：CFB锅炉额定运行的循环倍率；
β：颗粒流速方向与燃烧室中轴线夹角，取值45°；
θ：流化颗粒微锥模型半锥角，取值30°；
σs：水冷壁材料于额定工况下的屈服极限，单位MPa。
进一步地，所述磨损阶段寿命推算模型还包括重要参量ΣVo，其表述为：
Figure GDA0002855110860000023
其中，ΣVo：在稳定磨损阶段床料颗粒循环流化过程中发生磨损的总体积模拟量，单位m3；
d：水冷壁管直径，单位m；
b:水冷壁管厚度，单位m；
γ：水冷壁管被磨损截面边界点与管中心连线与法向线的夹角。
进一步地，所述磨损阶段寿命推算模型是针对75t/h CFB额定工况，水冷壁管簇、冷壁磨损尺寸极限设定值、水冷壁管屈服极限及几何尺寸等技术状态于正常情况下，根据可直接或间接获取的燃煤颗粒参数、循环倍率、颗粒坠落速度以及运行实际，借助Excel在合理定义域内反复取值运算验证并基于运行记录修正而确认的，其计算公式：
Figure GDA0002855110860000031
其中，t：水冷壁管基于上述工况及技术状态的磨损阶段寿命，单位h；
ki：与累计运行时限关联的调整系数；
Vu10：床料颗粒在密相环区于一个坠落期在每一条作动线所完成的磨损体积，单位m3；
nh10：沿磨损面与一个水平面所截取交线内排列的可形成流化划蹭的颗粒数；
ηhΣ：在nh10中可形成划蹭充要条件颗粒占比，％；
这里Vu10＝2hr2nv10ηvi10ηvΣ10，假设划蹭长度l＝2r；
nv10：在一条纵向作用线可排列的床料颗粒数；
ηvi10：一个坠落期床料颗粒对一点完成纵向划蹭比率，％；
ηvΣ10：一个坠落期一条作动线形成划蹭条件点占比，％。
进一步地，建立磨损阶段寿命推算模型中，在计入单位时间内流态颗粒对一个点位形成纵向划蹭概率因数的同时，在纵向和横向二个维度单列可磨损区域内，还分别计入了形成划蹭条件的二个概率因数。
进一步地，所述环-核流结构模型的构成可表述如下：
S201、循环流化床床料颗粒的流态结构是由位于燃烧室中轴附近的稀相核区和分布于水冷壁管周边的密相环区组成，气固床料颗粒在稀相核区做快速上升流动，流化速度在5m/s附近，处于密相环区与水冷壁管有高频次摩擦触碰的气固床料颗粒则以密集的“方阵”向下坠落；
S202、密相环区的床料温度维持在850—900℃之间，床料颗粒基于其形体与截面的非对称性，在核区向上热气流作用下，以近于抛物线的轨迹由稀相核区向水冷壁方向的环区流动，流动速度与所处环境的空隙率成正比，与至核区中轴的距离成反比，且流场的空隙率沿燃烧室中轴从下而上呈递增之势；
S203、源于风室的热空气自下而上仅经核区通过环-核流化场，而环区附近的空隙率值很小，且此数值从核区中轴至环区水冷壁呈径向递减之态，热空气越接近水冷壁其通量就越小，环区由上而下流动的颗粒下滑速度一般被认为是恒定值，其数值在0.5-1.5m/s之间；
S204、燃烧室床料包容燃尽率不同的燃料颗粒，循环倍率、煤粒燃尽率、颗粒的真密度、表面积及颗粒形态等对颗粒流态起重要作用。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明通过可直接或间接获取的入炉燃煤粒径、循环倍率、水冷管壁材料的屈服极限以及几何尺寸等数值为实际参量，通过构建的磨损阶段寿命推算模型，能可靠地推算出水冷壁连续工作时间即磨损阶段寿命，此对CFB安全运行与高热转换效率生产十分有益。
另外，本发明可通过推算出的比较符合运行实际地水冷管壁的磨损阶段寿命，管理层凭此可合理制定生产计划，适时调整入炉煤粒的质量，适时合理优化床料颗粒流态，进而有效降低CFB辅机电耗，增加机组可用率及实现安全高效运行。
附图说明
图1为本发明的流程结构示意图；
图2中的图2a为炉内床料流态示意图，图2b为流态颗粒微锥体作用壁管放大示意图；
图3为水冷管壁受流态颗粒作动部位截面示意图；
图4为本发明推算方法一种实施例的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
本发明基于75t循环流化床锅炉，3500kcal/kg燃煤作为燃料，20、20g钢系水冷壁管材料等为基本技术状态。
本发明包括如下步骤：
第一，根据75t循环流化床锅炉原有的运行数据、燃烧室内水冷壁结构和床料参数等确定用于模拟燃烧室床料流化物理形态的气固流场模型，分析并确定气体参数、颗粒参数、风室风压、稀相核区以及密相环区的流态等，确定燃烧室气固流场床料颗粒流态为环-核流结构模型，相应界定颗粒于核区环区的流态。
所述环-核流结构模型的表述如下：
S201、循环流化床的动态结构是由位于燃烧室中轴附近的稀相核区和分布于水冷壁管周边的密相环区组成，气固床料颗粒在稀相核区做快速上升流动，流化速度在5m/s附近，处于密相环区与水冷壁管有高频次摩擦触碰的气固床料颗粒则以密集的“方阵”向下坠落；
S202、密相环区的床料温度维持在850—900℃之间，床料颗粒基于其形体与截面的非对称性，在核区向上热气流作用下，以近于抛物线的轨迹由稀相核区向水冷壁方向的环区流动，流动速度与所处环境的空隙率成正比，与至核区中轴的距离成反比，且流场的空隙率沿燃烧室中轴从下而上呈递增之势；
S203、源于风室的热空气自下而上仅经核区通过环-核流化场，而环区附近的空隙率值很小，且此数值从核区中轴至环区水冷壁呈径向递减之态，热空气越接近水冷壁其通量就越小，环区由上而下流动的颗粒下滑速度一般被认为是恒定值，其数值在0.5-1.5m/s之间；
S204、燃烧室床料包容燃尽率不同的燃煤颗粒，循环倍率、煤粒燃尽率、颗粒的真密度、表面积及颗粒形态等对颗粒流态起重要作用。
第二，根据可直接获得和可合理推算出的颗粒参数、循环倍率、水冷壁材料的屈服极限以及几何尺寸等建立水冷壁管的磨损阶段寿命推算模型。
CFB水冷壁管的材料包括20、20g等，在常温及200-500℃时，屈服极限σs将减至常温值的50％左右，相应其表面耐磨性能等技术指标自然也要大幅度下降。
第三、根据磨损阶段寿命推算模型推算磨损阶段寿命；
所述磨损阶段寿命推算模型中包括一个重要参量h，此可表述为：
Figure GDA0002855110860000051
其中，h：一个流化颗粒在额定工况对水冷壁完成一次划蹭的作动深度模拟量，单位m，
mi：流化颗粒质量，单位kg；
v0：流化颗粒流速，单位m/s；
ηi：流化颗粒之间能量传递系数
Figure GDA0002855110860000061
k：CFB锅炉额定运行的循环倍率；
β：颗粒流速方向与燃烧室中轴线夹角，取值45°；
θ：流化颗粒微锥模型半锥角，取值30°；
σs：水冷壁材料于额定工况下的屈服极限，单位MPa。
长期的CFB运行经验让我们知道，水冷壁基于较高温环境及流化颗粒作动下，其颗粒磨损过程可归结为三个阶段，初期磨合阶段、稳定磨损阶段、破裂爆管阶段。参见图2，借鉴阿查德(Archard)的颗粒磨损理论，在有效法向载荷w作用下，若单个床料颗粒由上而下沿壁管滑动距离L，那么相应的磨损体积：
Figure GDA0002855110860000062
其中，θ：锥体半角，
r：锥体与水冷壁管表面同平面外圆半径，
σs：水冷壁管材料的屈服极限，
L：床料颗粒在壁管表面作动距离，
ka：床料颗粒相对水冷壁材料额定工况下磨损系数，
Vo：在法向载荷w作用下炉床颗粒沿壁管滑动L所产生的磨损体积量。
按规范，与锅炉额定运行相对应，这里确定75t/h CFB-燃烧室水冷壁管(Φ42x4)的允许磨损厚度为≤1.2mm，再借鉴这里近二十年的CFB运行维护经验与记录，燃烧室炉床颗粒完成至允许磨损的总体积模拟量可表示：
Figure GDA0002855110860000063
令d为0.042m，b为0.004m，γ为19.46°，
这样ΣVo＝244x10x(0.000168-0.000139)＝0.0275m3
就是说，从磨损意义上讲此0.0275m3(约216kg)即是受磨维护“组构”，其作用实际就是确保水冷壁管正常工作而与颗粒磨损相制衡的基础“屏障”。
实际，受磨维护“组构”与流态颗粒总体在一个坠落时间完成磨损去除量之比即为磨损阶段寿命。相应逻辑可表达为：
Figure GDA0002855110860000071
其中，t：水冷壁管基于上述工况及技术状态的磨损阶段寿命，单位h；
ki：与累计运行时限关联的调整系数；
Vu10：床料颗粒在密相环区于一个坠落期在每一条作动线所完成的磨损体积，单位m3；
nh10：沿磨损面与一个水平面所截取交线内排列的可形成流化划蹭的颗粒数；
ηhΣ：在nh10中可形成划蹭充要条件颗粒占比，％；
这里Vu10＝2hr2nv10ηvi10ηvΣ10，假设划蹭长度l＝2r；
nv10：在一条纵向作用线可排列的床料颗粒数；
ηvi10：一个坠落期床料颗粒对一点完成纵向划蹭比率，％；
ηvΣ10：一个坠落期一条作动线形成划蹭条件点占比，％。
第四，将直接或间接地获取与确定床料颗粒参数、CFB运行的循环倍率、水冷壁材料的屈服极限以及几何尺寸等实际参量代入水冷壁管磨损阶段寿命的推算模型中，通过excel进行计算以获得磨损阶段寿命数值。
第五，将推算值与原实际运行数据进行比对并修正推算模型让二者最大限度吻合。
应用上述推算模型，借助Excel我们推算出这里(累计工作时限约4万小时)75t/hCFB额定运行状态下，基于三种典型工况的水冷壁管连续运行时间和磨损阶段寿命表如下所列：
三种典型工况下的联运时间与水冷壁磨损阶段寿命表1
Figure GDA0002855110860000081
经比对与模型修正，最终通过推算模型推算所得磨损阶段寿命数值与实际运行记录的数据(经排他因素圆整)已大体吻合。
本发明在建立磨损阶段寿命推算模型过程中，细节上在计入单位时间内流态颗粒对一个点位形成纵向划蹭概率因数的同时，在纵向和横向二个维度单列可磨损区域内，还分别计入了形成切实划蹭的二个充分(内在)与必要(外在)概率因数。

Claims (4)

1.基于循环流化床锅炉床料颗粒流态的水冷壁磨损阶段寿命推算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、数据分析与整理，对CFB原有运行记录及数据进行详尽分析与整理，根据燃烧室内水冷壁结构和床料参数设定燃烧室床料的形态与气固流场模型，所述气固流场模型为环-核流结构模型；
S2、建立推算模型，以环-核流结构模型模拟气固流场，建立可推算出水冷壁管磨损阶段寿命的推算模型，
所述磨损阶段寿命推算模型包括的重要参量h表述为：
Figure FDA0002855110850000011
其中，h：一个流化颗粒在额定工况对水冷壁完成一次划蹭的作动深度模拟量，单位m，
mi：流化颗粒质量，单位kg；
v0：流化颗粒流速，单位m/s；
ηi：流化颗粒之间能量传递系数
Figure FDA0002855110850000012
k：CFB锅炉额定运行的循环倍率；
β：颗粒流速方向与燃烧室中轴线夹角，取值45°；
θ：流化颗粒微锥模型半锥角，取值30°；
σs：水冷壁材料于额定工况下的屈服极限，单位MPa；
所述磨损阶段寿命推算模型还包括重要参量ΣVo，其表述为：
Figure FDA0002855110850000013
其中，ΣVo：在稳定磨损阶段炉床颗粒循环流化过程中发生磨损的总体积模拟量，单位m3；
d：水冷壁管直径，单位m；
b:水冷壁管厚度，单位m；
γ：水冷壁管被磨损截面边界点与管中心连线与法向线的夹角；
S3、获取推算模型参量，直接或间接地获取与确定床料颗粒参数、CFB运行的循环倍率、水冷壁材料的屈服极限以及几何尺寸的实际参量；
S4、数值推算，根据S3中获得的实际参量和水冷壁管磨损阶段寿命的推算模型通过excel进行计算以获得磨损阶段寿命数值；
S5、推算模型验证、修正与确认，对照实际运行记录，对推算出的数据进行验证或重复之前过程，直至两者吻合，并以此确定推算模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：床料的物理形态可表述为，燃煤颗粒占比为14％，被热空气流化了的，于核区是由下而上，于环区是由上而下流动；所述热空气为含氧量为21％、风室风压为10kPa、核区风速为5m/s，所述燃煤颗粒最低热值为3500kcal/kg、堆密度1.25—1.35t/m3，所述床料还包括与入炉燃煤均混的灰渣。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述磨损阶段寿命推算模型是针对75t/hCFB额定工况，水冷壁管簇、冷壁磨损尺寸极限设定值、水冷壁管屈服极限等技术状态于正常情况下，根据可直接或间接获取的燃煤颗粒参数、循环倍率、颗粒坠落速度以及运行实际，借助Excel在合理定义域内反复取值运算验证并基于运行记录修正而确认的，其计算公式：
Figure FDA0002855110850000021
其中，t：水冷壁管基于上述工况及技术状态的磨损阶段寿命，单位h；
ki：与累计运行时限关联的调整系数；
Vu10：床料颗粒在密相环区于一个坠落期在每一条作动线所完成的磨损体积，单位m3；
nh10：沿磨损面与一个水平面所截取交线内排列的可形成流化划蹭的颗粒数；
ηhΣ：在nh10中可形成划蹭充要条件颗粒占比，％；
这里Vu10＝2hr2nv10ηvi10ηvΣ10，划蹭长度l＝2r；
nv10：在一条纵向作用线可排列的床料颗粒数；
ηvi10：一个坠落期床料颗粒对一点完成纵向划蹭比率，％；
ηvΣ10：一个坠落期一条作动线形成划蹭条件点占比，％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述建立磨损阶段寿命推算模型中，在计入单位时间内流态颗粒对一个点位形成纵向划蹭概率因数的同时，在纵向和横向二个维度单列可磨损区域内，还分别计入了形成划蹭条件的二个概率因数。
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