660MW超超临界循环流化床锅炉技术研究分析

660MW超超临界循环流化床660MW超超临界循环流化床锅炉技术研究分析清华大学热能工程系清华大学热能工程系吕俊复杨海瑞张缦岳光溪2016.9.26郑州一、660MW超超临界CFB锅炉的必要性和可行性二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础目录二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础三、660MW超超临界CFB锅炉的研究内容电力以煤为主，煤炭提高电煤比例：•煤炭是我国的主要能源，发电、其他利用•降低污染、规模处理：洗选加工一、660MW超超临界CFB锅炉的必要性和可行性•降低污染、规模处理：洗选加工•煤炭开采、洗选：副产低热值燃料•低热值燃料规模化经济环保利用：CFB燃烧发电电力以煤为主，煤炭提高电煤比例：•一般标准下CFB有低成本污染控制上•我国：超低排放一、660MW超超临界CFB锅炉的必要性和可行性•我国：超低排放•2009年波兰460MW•2011年白马600MW。•2013至今，大量的350MW•超低排放、超低能耗、超超临界660MW洗选获得的优质动力煤：洗选获得的优质动力煤：USCPC+LNB+SCR+FGD+DeHg低热值的劣质煤：(U)SCCFB+LNC(+SNCR)+DSL(+FGD)•我国对SCCFB锅炉技术的持续研究•2002年863：技术可行性研究和方案设计研究•“十五”支撑计划(滚动)：工程可行性一、660MW超超临界CFB锅炉的必要性和可行性•“十五”支撑计划(滚动)：工程可行性•“十一五”科技支撑计划：600MWSCCFB工程示范•“十二五”350MWSCCFB批量推广：利用“十一五”科技支撑计划在600MWSCCFB研制过程中进行的系列研究成果。延迟：金融危机汶川地震机构改革•600MWSCCFB和350MWSCCFB非常顺利，远比引进技术SCPC顺利，技术路线的固有安全性（热流密度分布特征）一、660MW超超临界CFB锅炉的必要性和可行性正在运行的600MW超临界CFB(白马)正在运行的350MW超临界CFB(河曲)出口罗马尼亚600MW项目(2013年)出口波黑350MW项目(2015年)•国外也在赶超中国：容量、参数、能耗、污染物排放等方面•应开展660MW超低排放超超临界CFB锅炉技术研究与工程示范韩国-FW一、660MW超超临界CFB锅炉的必要性和可行性俄罗斯-FW推迟5年4550供电效率%蒸汽温度600oC超临界CFB最高水平(十一五)超超临界CFB中国70余台陆续投产白马30354051015202530过热蒸汽压力MPa供电效率蒸汽温度500oC蒸汽参数与供电效率的关系亚临界CFB最高水平高水平(十一五)•韩国550MW一、660MW超超临界CFB锅炉的必要性和可行性FW：25.6MPa白马：25.4MPa本项目：29.4MPaFW：603/603℃白马：569/571℃本项目：603/623℃汽温主汽压力白马：600MW,301g/(kWh)FW：550MW,296g/(kWh)本项目：660MW,290g/(kWh)白马(mg/m3)：SO2200,NOx100,烟尘10FW(mg/m3)：SO250,NOx30,烟尘2本项目：29.4MPa本项目：603/623℃力SNCR+SemidryFGDFW(mg/m3)：SO250,NOx30,烟尘2本项目(mg/m3)：SO235,NOx50,烟尘10厂白马：5.5%用FW：6.8%电本项目：5.1%600MWe超临界循环流化床锅炉炉膛研究(1)炉膛高度：二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础(2)炉膛面积：MW50100200MW50100200300600炉膛高度102030床压降/kPa左侧炉膛右侧炉膛床面积2003006000100500100015002000时间/s床压降床面积660MW超超临界循环流化床锅炉与600MWe超临界循环流化床锅炉炉膛(3)分离器：直径大、数量多：相同分离器的放大二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础多分离器并联流动均匀性动态不稳定性—流量波动(4)水冷壁结构：垂直管:相同垂直管-低质量流速管鳍片高度对传热的影响(5)水动力：热流密度:相似低热流密度、低质量流速?换热？流阻？传热恶化？流量下限？换热？流阻？传热恶化？流量下限？(6)控制特性:相似水侧与亚临界CFB不同：借鉴超临界煤粉炉？炉侧与煤粉炉不同：残炭效应、热惯性600MW超临界循环流化床锅炉的主要关键技术(1)超高炉膛的气固两相流动455055床料量Iv,kg40二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础05101520253035400.900.920.940.960.981.00床料量Iv,kg515152030304050607080空隙率测点高度z,mUg=3.9m/sHr=38m05101520253035400.940.960.981.00405060708090空隙率测点高度z,mUg=3.9m/sHr=54m已有最高炉膛的炉膛高度600MWe空隙率a空隙率细化、精确化，为风机选型提供准确依据(2)两床翻动机理研究与控制措施60708090一次风量/Nm3/s左侧炉膛右侧炉膛二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础40500100200300时间/s一次风量5060708090二次风量/Nm3/s左侧炉膛右侧炉膛直接借鉴，深化机理研究实验装置ssddCwkCx40500100200300时间/s0204060800500100015002000时间/s二次风量/Nm3/s左侧炉膛右侧炉膛(2)同床波动机理研究与控制措施M0.5K0.5K二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础10LM等效力学模型2202dd20ddXXXtt2uP10L10L50m,与风速相关ug=5m/s:50mL2gbssg0=exp(-)uPaLcu直接借鉴，深化机理研究(3)高效大型分离器开发—整体布置二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础直接借鉴(3)高效大型分离器开发—整体布置、多分离器并联流动均匀性二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础直接借鉴(3)多分离器并联回路流动动态不稳定性二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础压力平衡和物料平衡：气固流动的限制方程组压力平衡和物料平衡：气固流动的限制方程组提升管压降随该侧回路循环流率的非单调变化对于双并联：均平衡于最大值或最小值时：单值性两个回路的最小/大值存在差异:偏流分别最小、最大值，无扰动下稳定偏流发生扰动，动态不稳定性直接借鉴(4)热流密度—局部换热模型燃烧室受热面传热l物料浓度-固体颗粒d炉膛二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础l物料浓度-固体颗粒l燃烧室的温度l近壁区贴壁下降流l粒径l受热面的结构尺寸1s边壁流炉膛1hbrcaaa180270360测量结果abW/(m2oC)t1asbff111hHHaagpcccaaapsP1exp()1nCCopcfPcpcaamuC090090180270360模型预测结果abW/(m2oC)测量结果22rbwbw()()TTTTa(4)热流密度—物料分布模型2f02c()()cXuDXaaXu2f02()()cYuDYaaYuPfS=()()(,,)XYzCDXDYDzuG2.0固体相对悬浮浓度二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础cussffs012sfsfc(,)()()()()exp[]dzGGuDz,u,GPfPnnnzuuu0.51.01.5-0.5-0.2500.250.5距离中心线相对位置固体相对悬浮浓度6090120悬浮浓度测量结果Cpkg/m30300306090120悬浮浓度模型预测结果Cpkg/m3悬浮浓度测量结果3m×6m(高20m)4m×8m(高28m)5m×10m(高30m)7m×14m(高35m)直接借鉴，深化机理研究(4)热流密度测量二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础175190205W/(m2oC)0306090120020406080100120距左侧的管节距数热流密度，kW/m3—模型计算值左侧墙和左侧水冷屏之间的实测热流130145160175130145160175190205换热系数测量结果abW/(m2oC)模型计算结果abW/(m绝大部分在4%范围内表明模型是可靠的直接借鉴，深化机理研究(5)水动力实验研究600650内螺纹管G=400kg/(m2s)q=300kW/m2二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础300350400450500550T/℃内螺纹管光管1x=0tf170018001900200021002200230024002500300h/kJ/kg直接借鉴，深化机理研究(5)超临界下的传热恶化极限1011二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础35241298711413615低热流密度低质量流速下:高于36kg/(m2s)就是安全的直接借鉴，深化机理研究(5)水冷壁水动力安全性分析二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础对600MW超临界CFB锅炉水冷壁水动力特性进行了计算，各负荷下的计算表明，水动力安全可靠。直接借鉴，深化机理研究(5)水冷壁水动力部分计算结果二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础对600MW超临界CFB锅炉质量流速分别为1500、1200、960、820、725、640kg/(m2s)下，100%、75%、60%、35%负荷下的水冷壁水动力特性进行了计算，各负荷下的计算表明，水动力均是安全的直接借鉴，深化机理研究(5)水冷壁水动力安全性分析超临界CFB锅炉需要适应调峰运行的要求，在各种变动工况下的二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础行的要求，在各种变动工况下的动态特性对锅炉启动和变负荷工况下的安全经济运行起着直接的影响作用：动态特性程序开发。根据推导，可以得到热水段、蒸发段、过热段控制方程直接借鉴，深化机理研究(5)启动过程中水冷壁水动力动态安全性分析二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础启动过程中炉膛温度随时间的变化曲线1-左侧炉膛裤衩腿下部床温,2-右侧炉膛裤床温下降对左侧炉膛各部分平均金属壁温的影响(在采样开始500s时床温下降)对600MW超临界CFB锅炉启动过程中的水冷壁水动力特性进行了计算，表明水动力安全可靠1-左侧炉膛裤衩腿下部床温,2-右侧炉膛裤衩腿下部床温,3-左侧炉膛裤衩腿上部床温,4-右侧炉膛裤衩腿上部床温,5-左侧炉膛中部温度,6-右侧炉膛中部温度,7-左侧炉膛上部温度,8-右侧炉膛上部温度.1-上部炉膛水冷壁平均壁温,2-中部炉膛水冷壁平均壁温,3-上部裤衩腿水冷壁平均壁温,4-下部裤衩腿水冷壁平均壁温的影响(在采样开始500s时床温下降)直接借鉴，深化机理研究(6)超临界CFB的控制fxbcQHEEQ对于CFB锅炉，热量平衡关系中增加了床料蓄热量和床料中即燃碳积累的影响，d()()()BtQtFt二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础fxbcQHEEQ()dFttH即燃碳模型、给煤控制优化、床温模型、动态热量模型、给水控制优化、SO2预测模型、协调控制优化直接借鉴，深化机理研究(6)NOx生成与控制0.20.3转化率(—)二、660MW超超临界CFB锅炉的研究基础400600NOx排放折算浓度,mg/Nm31002003004005000.00.1燃料N转化率床料粒度(m)80100(%)m=0.99,Q=2500ml/min循环灰对SNCR的催化作用1000CFBboiler02000200400600经验关联式计算NOx测量NOx排放折算浓度,mg/Nm3校验数据拟合所用数据8509009501000105011001150120012500204060NO转化率(%)温度(K)Al2O3Fe2O3Fe3O4C