[发明专利]低负荷下高流动稳定性的超临界循环流化床锅炉水冷壁

说明书

技术领域

本发明涉及一种循环流化床锅炉，特别是超临界参数的循环流化床锅炉水冷壁系统。

背景技术

超临界锅炉发电机组能够获得更高的发电效率，超临界循环流化床锅炉是指锅炉输出的蒸汽的压力和温度高于水蒸汽的临界参数(22.12MPa，374.15℃)。然而超临界状态下，水和蒸汽没有物理参数上的区别，导致亚临界参数以下锅炉所采用的汽包-下降管-水冷壁-汽包构成的自然循环(或强制循环)水冷壁系统无法采用。超临界锅炉水冷壁系统采用一次直流锅炉，即水冷壁内的工质(水或者水蒸气)一次通过水冷壁。水冷壁内工质的质量流速相比亚临界锅炉自然循环(或强制循环)更低，水冷壁管被工质冷却的状况变差，水冷壁管金属的温度更高，容易出现超温损坏的问题。

超临界锅炉水冷壁工质一次直流，水冷壁工质出口是过热蒸汽，炉膛水冷壁在不同位置，例如前墙水冷壁，侧墙水冷壁，由于位置不同，长度不同，所吸收的热量不同，会引起水冷壁管内工质的温度不同，引起水冷壁管材料温度不同。这种温差如不加以控制，恶劣的情况下会因温度差异起热应力拉裂、破坏水冷壁管子。

常规的超临界煤粉锅炉水冷壁一般采用“螺旋盘管”的水冷壁结构，减小水冷壁管的流通面积，提高水冷壁管内工质的质量流速，同时螺旋盘管依次经过水冷壁的不同位置，尽量均匀吸热，解决水冷壁安全的问题。超超临界煤粉锅炉水冷壁的质量流速一般大于1000kg/m².s。

循环流化床锅炉因为炉膛内有大量的循环物料，靠近水冷壁壁面附近有大量的贴壁下降流物料。螺旋盘管结构水冷壁会被贴壁下降流严重磨损，因而无法在循环流化床锅炉上采用。

基于上述原因，超临界循环流化床锅炉水冷壁采用垂直管布置，水冷壁的质量流速一般较低，一般小于1000kg/m².s，被称为“垂直管低质量流速”。低质量流速的水冷壁系统利用工质的“自补偿特性”分配水冷壁的流量，使得吸热强的管子分配到多的流量，增强管子冷却，降低管壁温度。

但是，本专利发明人在研究中却发现，采用低质量流速的超临界CFB锅炉水冷壁存在着较严重的低负荷下流动稳定性差的难题：锅炉在低负荷运行时，由于水冷壁的流量减少，水冷壁管子内工质(水或者蒸汽，或者两者的混合物)流动的稳定性下降，在受到扰动，例如外部加热增强，或者流量减少，容易出现工质流动速度急剧变化，水被加热气化，产生的蒸汽进一步阻塞水冷壁管子，引发流量减少，形成负向的反馈，最终引发管壁温度升高。

因此低质量流速的的超临界CFB锅炉水冷壁设计需要设法解决在低负荷时候流动的稳定性问题，防止负向反馈发生。然而，如何实现低质量流速条件下，完成低负荷下高流动稳定性的超临界CFB锅炉水冷壁设计，并没有相关的技术公开。

另外，低质量流速的超临界CFB锅炉水冷壁采用一次直流锅炉，即水冷壁内的工质(水或者水蒸气)一次通过水冷壁吸热，直接被加热成过热蒸汽。这要求超临界锅炉水冷壁的吸热量比例(约36-40％)比亚临界水冷壁吸热比例(小于29％)增加，水冷壁系统必须增加更多的面积才能满足要求。如果不采取改进措施锅炉水冷壁的高度会增加很快，造成锅炉造价的升高。另外循环流化床锅炉炉膛内换热依赖于循环的物料，炉膛高度增加后炉膛上部的循环物料浓度会降低，水冷壁换热效果也会下降。因此要设法增加超临界循环流化床锅炉水冷壁的面积，但不引起炉膛高度快速增加。

在解决水冷壁面积增加方面，现有技术中存在水冷壁和扩展屏串联的方案，该方案在炉膛内增加屏式扩展受热面，降低了炉膛高度，降低了锅炉造价和制造难度。但是这种串联结构对水冷壁出口的蒸汽的干度有严格要求，比如“锅炉30％负荷工况下，工质干度要≥80％”“锅炉50％负荷工况下，水冷壁将工质加热为饱和蒸汽”。上述要求使得水冷壁还是必须有足够的面积，使得炉膛高度降低幅度有限。此外水冷壁和扩展屏串联，水冷壁系统质量流速很高，尤其是扩展屏的质量流速。质量流速增大对降低管壁的温度作用有限，还会使水冷壁的阻力增加，增大锅炉给水泵的能耗，降低电厂的经济性。

发明的内容

本发明的目的：超临界CFB锅炉水冷壁实现低质量流速，同时解决低质量流速下增加水冷壁面积和炉膛高度问题；特别是，解决低质量流速的超临界CFB锅炉水冷壁在低负荷下流动稳定性下降问题，防止水冷壁系统负向反馈发生。

本专利的目的通过下述技术方案来实现：

超临界CFB锅炉水冷壁实现低质量流速的方法，步骤为：