姚建輝

(中國(guó)電建集團(tuán)河北工程有限公司，河北 石家莊 050021)

循環(huán)流化床是一種床狀結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)楣腆w顆粒懸浮物提供床狀運(yùn)動(dòng)流體環(huán)境，從而使得固體顆粒的表觀特征趨近于運(yùn)動(dòng)流體特性，從理論層面來(lái)看，循環(huán)流化床也可以理解為對(duì)于固體物質(zhì)的流態(tài)化處理。在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中，循環(huán)流化床進(jìn)行流化處理時(shí)的氣速流速始終大于固體顆粒物的自由沉降速度，故而顆粒物可以被氣流直接帶出，在氣體與固體完全分離后，固體經(jīng)由循環(huán)作用再次回到床層中所形成的流化床[1]。熱電廠循環(huán)流化床是一種適合大力推廣的光效潔凈煤炭供熱技術(shù)，當(dāng)實(shí)際流化風(fēng)速大于固體顆粒的臨界流化風(fēng)速值時(shí)，床層結(jié)構(gòu)會(huì)由固定床過(guò)渡為鼓泡床；若進(jìn)一步提高流化風(fēng)速，床層結(jié)構(gòu)就會(huì)繼續(xù)過(guò)渡至湍流床；當(dāng)實(shí)際流化風(fēng)速到達(dá)臨界狀態(tài)后，湍流床則過(guò)渡為快速循環(huán)流化床[2]。床層結(jié)構(gòu)過(guò)渡過(guò)程中，固體燃燒物的燃燒程度與釋放熱量一直不斷增加，故而熱電廠循環(huán)流化床的供熱能力極強(qiáng)。

鍋爐是由爐膛、回料閥、汽冷旋風(fēng)分離器、管式空氣預(yù)熱器、尾部對(duì)流煙道等多個(gè)元件共同組成的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。鍋爐中產(chǎn)生的熱蒸汽既可以直接提供熱能，也可以通過(guò)蒸汽動(dòng)力裝置間接轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能。熱電廠鍋爐產(chǎn)生的大部分熱蒸汽都可以不經(jīng)過(guò)凝汽器的冷凝回收作用，直接通過(guò)供熱管網(wǎng)，傳送至其他供熱單元，故而其在傳輸過(guò)程中所消耗的熱能相對(duì)較少。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，熱電廠鍋爐都以燃燒焦炭作為熱能來(lái)源，但如何增大焦炭燃燒過(guò)程中的放熱總量，使得熱電廠鍋爐的供熱能力得到保障，成為了一個(gè)亟待解決的難題。300MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐、660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐雖然能夠保證焦炭原料的完全燃燒，但卻很難保證燃燒放熱不經(jīng)過(guò)其他渠道擴(kuò)散至外界環(huán)境中，故而鍋爐設(shè)備的實(shí)際放熱量依然無(wú)法達(dá)到理想數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。為解決上述問(wèn)題，提出一種新型的熱電廠循環(huán)流化床鍋爐安裝方案。

1 主要鍋爐部件安裝

熱電廠循環(huán)流化床鍋爐的安裝涉及到鋼結(jié)構(gòu)施工、空氣預(yù)熱器及煙風(fēng)道安裝、鍋筒安裝、 吊掛部件安裝、受熱面安裝、密封和防磨裝置安裝、旋風(fēng)分離器及回料閥安裝等內(nèi)容。其中，鍋筒、吊掛部件與受熱面結(jié)構(gòu)是熱電廠循環(huán)流化床鍋爐的主要部件，因此，這三個(gè)部件的相關(guān)安裝方法和實(shí)施要點(diǎn)，將在本文中進(jìn)行深入探討。

1.1 鍋筒安裝

鍋筒是熱電廠循環(huán)流化床鍋爐的主要承壓部件，其物理重量較大，必須借助多個(gè)穩(wěn)固的梁架結(jié)構(gòu)與其他部件連接在一起。

在安裝前，除檢查鍋筒封頭方向、對(duì)相關(guān)起吊設(shè)備進(jìn)行調(diào)試外，還應(yīng)檢查管座、外表是否有碰傷損壞，并計(jì)算鍋筒的傾斜提升角度。

在安裝過(guò)程中，應(yīng)遵循如下過(guò)程：

在正式起吊安裝鍋筒前，應(yīng)進(jìn)行試吊，應(yīng)將鍋筒吊起至距地面約1～3m的位置，檢查吊裝繩索的受力情況和相關(guān)提升設(shè)備的工作狀態(tài)。若存在異常，則需將鍋筒回落至地面，處理后再進(jìn)行安裝。

在鍋筒安裝過(guò)程中，必須嚴(yán)格監(jiān)測(cè)吊裝繩索的受力情況和相關(guān)提升設(shè)備的供電情況，確保吊裝安全和連續(xù)穩(wěn)定的供電。

鍋筒的傾斜提升和調(diào)平安裝必須協(xié)調(diào)同步。在鍋筒吊裝就位后，應(yīng)檢查吊桿和鍋筒之間的間隙。針對(duì)其中間隙過(guò)大的位置，應(yīng)加低碳鋼墊片(見圖1)。

圖1 鍋筒元件示意圖

繩圈1裝置作為導(dǎo)熱控制設(shè)備，繩圈2裝置作為液流控制設(shè)備，在鍋筒元件保持穩(wěn)定供熱的情況下，二者的工作情況完全相反；供熱區(qū)域負(fù)責(zé)累積熱蒸汽，故而其腔室內(nèi)表面附著一層不易燃、熔點(diǎn)極高、無(wú)毒無(wú)害的化學(xué)物質(zhì)。

在鍋爐供熱過(guò)程中，燃燒室中的燃燒物充分燃燒，當(dāng)熱蒸汽累積量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，壓力閥被沖開，熱蒸汽經(jīng)由導(dǎo)熱管進(jìn)入鍋筒中部的供熱區(qū)域中。在燃燒物被徹底消耗之前，燃燒室側(cè)端的壓力閥裝置一旦被沖開便不會(huì)再次閉合[5]。當(dāng)供熱區(qū)域內(nèi)累積了足量的熱蒸汽后，緩梁架逐漸下降，繩圈1裝置在動(dòng)力作用下收緊，直至將導(dǎo)熱管中的熱蒸汽完全隔絕在供熱區(qū)域外部。完成供熱后，冷卻的熱蒸汽進(jìn)入冷凝管，繩圈2裝置放松，內(nèi)部熱蒸汽經(jīng)由導(dǎo)流管排放至鍋筒元件外部。

為使安裝后的鍋筒能夠更符合熱電廠供熱需求，還需根據(jù)導(dǎo)流設(shè)備連接關(guān)系提高鍋爐的傳熱與燃燒性能，從而確定主要鍋爐部件的安裝工藝。該過(guò)程涉及到對(duì)氣固曳力的求解。

循環(huán)流化床鍋爐傳熱與燃燒的基礎(chǔ)就是爐內(nèi)氣固燃燒物的流體動(dòng)力學(xué)特性。氣固曳力是一種表現(xiàn)得較為明顯的外部作用力[6-7]。對(duì)于氣固曳力的求解，涉及曳力系數(shù)k與氣固燃燒物滑移速度p，其計(jì)算式如下：

(1)

(2)

式中γ——曳力作用系數(shù)；

Omax——最大進(jìn)氣量；

Omin——最小進(jìn)氣量；

ΔH——重力作用的單位累積量；

j′——?jiǎng)恿Ψ肿樱?/p>

ε——滑移方向標(biāo)記系數(shù)；

φ——滑移路徑曲率。

聯(lián)立式(1)、式(2)，推導(dǎo)出的循環(huán)流化床鍋爐氣固曳力表達(dá)式為

(3)

式中E0——曳力作用的初始表現(xiàn)強(qiáng)度；

1.2 吊掛部件安裝

熱電廠循環(huán)流化床鍋爐吊掛部件所承擔(dān)的載荷水平?jīng)Q定了整個(gè)鍋爐結(jié)構(gòu)對(duì)于燃燒物與熱蒸汽的容納能力。由于循環(huán)流化床的成床遵循階段性過(guò)渡原則，所以在燃燒物燃燒過(guò)程中，只有保證既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處燃燒物、熱蒸汽重量水平與吊掛部件所負(fù)載的載荷作用相等，或吊掛部件所負(fù)載的載荷作用大于燃燒物、熱蒸汽的重量水平，才能確保熱電廠向外提供穩(wěn)定的熱量供應(yīng)[6]。當(dāng)所有連接橫梁處于相同高度水平時(shí)，表示吊掛部件處于水平連接狀態(tài)，此時(shí)物理載荷能夠得到平均分配，壓力推桿處于豎直狀態(tài)，空氣能夠與燃燒物充分接觸，焦炭等燃燒原料也就可以得到充分燃燒，熱蒸汽在管道內(nèi)也就不會(huì)出現(xiàn)不平衡傳輸狀態(tài)。燃料存儲(chǔ)設(shè)備存在于吊掛部件最底部，可以在連接桿、動(dòng)滑輪、定滑輪、壓感元件的配合下，進(jìn)入鍋筒元件燃燒室內(nèi)部[7](見圖2)。

圖2 吊掛部件縱截面

在熱電廠循環(huán)流化床不發(fā)揮供熱作用時(shí)，鍋筒元件與吊掛部件之間就不存在熱蒸汽傳輸行為，但在鍋爐設(shè)備提供熱力作用的過(guò)程中，供熱量越大，鍋筒元件與吊掛部件之間的熱蒸汽傳輸量就越大。

本研究主要針對(duì)剛性吊掛的安裝問(wèn)題展開分析，在安裝過(guò)程中，應(yīng)遵循如下過(guò)程：

在現(xiàn)場(chǎng)倒運(yùn)吊桿時(shí)，應(yīng)注意保護(hù)螺紋部分、清理螺紋部分的雜物并涂潤(rùn)滑油。在地面試裝中，如果出現(xiàn)卡澀，應(yīng)及時(shí)檢查U型夾、清理螺紋處的雜質(zhì)和毛刺后再試裝。

在安裝合金鋼吊桿前應(yīng)完成光譜復(fù)查，且吊桿處安裝前應(yīng)先行穿上。對(duì)于配有墊塊的吊桿，應(yīng)嚴(yán)防漏裝。

安裝吊桿后，應(yīng)檢查預(yù)偏量，校驗(yàn)各吊點(diǎn)的載荷并進(jìn)行調(diào)整。完成調(diào)試后，及時(shí)鎖緊吊掛部件。

1.3 受熱面安裝

受熱面是一個(gè)彎曲平面，同時(shí)與鍋爐的鍋筒元件與吊掛部件相連，負(fù)責(zé)將熱蒸汽提供的熱量負(fù)載作用均勻平衡到彎曲平面之上，從而使得循環(huán)流化床鍋爐的供熱作用趨于均衡狀態(tài)[8-9]。為增大焦炭燃燒過(guò)程中的放熱總量，從而提升熱電廠鍋爐的供熱能力，受熱面必須采用熱傳導(dǎo)能力極強(qiáng)的固體材料，且對(duì)其進(jìn)行彎曲處理時(shí)，要求受熱平面上不能存在明顯接口。為避免熱蒸汽出現(xiàn)外泄，受熱面彎曲程度要適應(yīng)鍋筒燃燒室的直徑水平。

受熱面包括上下集箱、鰭片管、管夾、防振隔板、水平煙氣阻隔板、垂直煙氣阻隔板等。在安裝過(guò)程中，應(yīng)遵循如下過(guò)程：

吊裝管屏前應(yīng)檢查受熱面管和集箱管接頭及耳板處是否存在損壞、管屏的主要位置尺寸是否正確、頂部吊掛裝置是否存在缺陷。

在吊裝高溫管屏前，應(yīng)取下上、下集箱端部的螺栓，待管屏吊裝完成后再進(jìn)行裝配和間隙調(diào)整。

在吊裝中低溫溫管屏前，將上、下集箱端部的螺栓擰入到防振裝置的根部位置。待管屏吊裝完成后再將螺栓旋出，并調(diào)整其與側(cè)墻的間隙。

在吊裝管屏?xí)r，應(yīng)注意防止管屏在起吊過(guò)程中發(fā)生變形，需用專業(yè)的吊裝架將管屏放在水平的翻轉(zhuǎn)架中，然后將管屏連同翻轉(zhuǎn)架從一端吊起，當(dāng)翻轉(zhuǎn)架與水平夾角約80°～85°時(shí)，將管屏從翻轉(zhuǎn)架中脫離。

管屏應(yīng)從鍋爐的開口滑入，將高、中、低壓下降管按所在位置的先后順序分別吊進(jìn)爐內(nèi)，并臨時(shí)固定。

待管屏吊裝完畢后，調(diào)整管屏的上、下集箱標(biāo)高，并將模塊內(nèi)各管屏用金屬連桿連接并按圖焊接固定。

此外，在安裝受熱面元件時(shí)，應(yīng)將曲度指標(biāo)α的取值控制在既定數(shù)值范圍之內(nèi)，其求解表達(dá)式如下：

(4)

式中β——熱電廠鍋爐的供熱系數(shù)；

sδ——基于曲度δ的受熱強(qiáng)度；

A——鍋筒燃燒室的外表面周長(zhǎng)。

(5)

2 關(guān)鍵安裝參數(shù)分析

在完成對(duì)鍋筒部件、吊掛部件、受熱面結(jié)構(gòu)安裝方法的設(shè)計(jì)后，還需求解安裝參數(shù)來(lái)確定主要部件的安裝工藝。在本研究中，主要針對(duì)焦炭燃燒速率與換熱值這兩類安裝參數(shù)展開設(shè)計(jì)。

2.1 焦炭燃燒速率

焦炭作為熱電廠循環(huán)流化床鍋爐的主要燃燒原料，其燃燒發(fā)熱量的揮發(fā)相對(duì)較慢，故而完全燃盡需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此鍋爐燃燒室內(nèi)的燃燒特性對(duì)溫度及熱量的分布具有十分重要的影響[12-13]。在熱電廠循環(huán)流化床組織中，單顆粒焦炭的燃燒速率受到氧氣在灰層內(nèi)擴(kuò)散能力、碳表面非均相反應(yīng)強(qiáng)度的共同影響。氧氣在灰層內(nèi)的擴(kuò)散能力決定了鍋爐燃燒室內(nèi)焦炭與助燃氧氣的接觸面積，一般來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散能力指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值越大，就表示鍋爐燃燒室內(nèi)焦炭與助燃氧氣的接觸面積也越大，具體求解表達(dá)式為

(6)

式中λ——?dú)庀囵ざ龋?/p>

κ——?dú)庀嗳剂吓c固相燃料的空隙率；

ΔW——?dú)夤滔嗳紵锏膯挝蝗紵俊?/p>

碳表面非均相反應(yīng)強(qiáng)度可以理解為充分燃燒、非充分燃燒的平均反應(yīng)強(qiáng)度。用r1、r2、…、rn表示n個(gè)不同的非均相反應(yīng)指標(biāo)，其求解表達(dá)式為

(7)

式中R1、R2、…、Rn——n個(gè)充分燃燒反應(yīng)強(qiáng)度值；

ι1、ι2、…、ιn——n個(gè)非充分燃燒反應(yīng)強(qiáng)度值。

(8)

聯(lián)立式(6)、式(8)，推導(dǎo)出焦炭燃燒速率表達(dá)式如下：

(9)

式中Re2——焦炭燃燒物的單顆粒雷諾數(shù)；

焦炭燃燒速?zèng)Q定了焦炭顆粒附近氧氣向其內(nèi)部擴(kuò)散的能力，這對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐的安裝提供了重要的參考。

2.2 換熱值

換熱值是指焦炭燃燒放熱量轉(zhuǎn)化為鍋爐供熱量過(guò)程中的熱能損失總量，對(duì)于熱電廠循環(huán)流化床組織而言，換熱值越小就表示鍋爐設(shè)備的供熱效率越高[14]。

在安裝循環(huán)流化床鍋爐時(shí)，為盡可能減少焦炭燃燒情況下的熱能散失，通過(guò)加厚腔室隔熱層、縮短導(dǎo)熱管長(zhǎng)度等方式縮短熱蒸汽的傳輸距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱值的有效控制。

求解換熱值參量需要同時(shí)已知流化床組織內(nèi)焦炭顆粒的懸浮粒徑密度與鍋爐設(shè)備對(duì)于熱能的容量[15]。流化床組織內(nèi)焦炭顆粒的懸浮粒徑密度常用ρ表示，一般來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)物理量的取值越大，就表示單位時(shí)間內(nèi)的焦炭燃燒放熱量越大。鍋爐設(shè)備對(duì)于熱能的容量常用X表示，在不考慮其他干擾條件的情況下，該項(xiàng)物理量的取值恒大于焦炭燃燒的實(shí)際放熱量。在上述物理量的支持下，關(guān)聯(lián)式(9)，可將安裝熱電廠循環(huán)流化床鍋爐所遵循的換熱值標(biāo)準(zhǔn)條件表示為

(10)

式中μ——導(dǎo)熱向量；

θ——熱感應(yīng)系數(shù)；

ΔT——焦炭燃燒熱量的單位放熱時(shí)長(zhǎng)；

任何鍋爐設(shè)備的導(dǎo)熱能力都不可能達(dá)到100%，所以換熱值指標(biāo)的求解數(shù)值不可能等于零。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

選擇容量為1～20t/h的WNS系列鍋爐設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)用鍋爐模型(見圖3)，分別利用多種不同的安裝方法，構(gòu)建圖3所示的鍋爐模型，記錄完成安裝后，鍋爐設(shè)備的實(shí)際放熱能力。

圖3 實(shí)驗(yàn)用鍋爐設(shè)備1—燃燒室；2—物料分離器；3—焦炭運(yùn)輸設(shè)備；4—過(guò)熱器；5—空氣預(yù)熱器；6—焦炭?jī)?chǔ)藏艙；7—石灰石倉(cāng)；8—電除塵器

石灰石作為焦炭燃燒催化劑，隨著燃燒室內(nèi)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，石灰石原料雖然會(huì)參與整個(gè)燃燒反應(yīng)，但其質(zhì)量不會(huì)減少，當(dāng)燃燒反應(yīng)結(jié)束后，石灰石會(huì)經(jīng)由分離器裝置再次回到倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備之中。

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所選實(shí)驗(yàn)設(shè)備的具體型號(hào)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公平性，無(wú)論應(yīng)用哪種安裝方法，單次填入的焦炭重量均保持一致，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及其相互之間的連接關(guān)系也不會(huì)發(fā)生變化。

3.2 步驟與流程

首先，選擇熱電廠循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)、300MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)、660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)作為構(gòu)建鍋爐模型的實(shí)驗(yàn)方法；然后，分別利用上述方法構(gòu)建如圖3所示鍋爐模型；其次，控制初始溫度、焦炭重量等其他實(shí)驗(yàn)條件保持不變；最后，記錄按照上述安裝方法所構(gòu)建鍋爐模型的實(shí)際放熱情況。

焦炭燃燒過(guò)程中的放熱總量可以反映出熱電廠鍋爐的供熱能力，具體計(jì)算式如下：

Q=cm(Δt)

(11)

式中Q——放熱總量，kJ；

c——焦炭比熱容，kg·K；

m——燃燒部分焦炭總質(zhì)量，kg；

Δt——由焦炭燃燒所引起的溫升值變化量，K。

由于焦炭比熱容恒為0.81kg·K、單次填入焦炭燃料質(zhì)量恒為10kg，所以鍋爐供熱能力受到溫升值變化量的直接影響。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4反映了按照熱電廠循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)、300MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)、660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)構(gòu)建的鍋爐模型實(shí)際放熱情況。

圖4 鍋爐放熱情況

熱電廠循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)：按照該方法所安裝的鍋爐模型溫升值變化量在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)不斷增大的數(shù)值變化態(tài)勢(shì)，到第5h實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，由焦炭燃燒所引起的溫升值變化量達(dá)到了1182K。

300MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)：按照該方法所安裝的鍋爐模型溫升值變化量在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也呈現(xiàn)出不斷增大的數(shù)值變化態(tài)勢(shì)，但其單位上升幅度明顯較小，到第5h實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，由焦炭燃燒所引起的溫升值變化量?jī)H能達(dá)到976K，與前者相比，差值為206K。

660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)：按照該方法所安裝的鍋爐模型溫升值變化量在前3h的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)保持完全穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)，從第4h開始，溫升值開始增大，到第5h實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，由焦炭燃燒所引起的溫升值變化量達(dá)到了855K，與第一種安裝技術(shù)相比，差值為327K。

取溫升值變化量最大值對(duì)鍋爐放熱總量進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如下：

Q1=9574.2kJ

Q2=7905.6kJ

Q3=6925.5kJ

其中：Q1為熱電廠循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)作用下的鍋爐放熱總量；Q2為300MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)作用下的鍋爐放熱總量；Q3為660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)作用下的鍋爐放熱總量。由上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，熱電廠循環(huán)流化床安裝技術(shù)作用下鍋爐放熱量最大，660MW超臨界循環(huán)流化床作用下鍋爐放熱量最小。

綜上可知，熱電廠循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)能夠有效增大焦炭燃燒過(guò)程中的放熱總量，對(duì)于提升熱電廠鍋爐供熱能力可以起到明顯的促進(jìn)性影響作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

與300MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)、660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)相比，熱電廠循環(huán)流化床鍋爐安裝技術(shù)針對(duì)鍋筒部件、吊掛部件、受熱面結(jié)構(gòu)的安裝方法進(jìn)行研究，精準(zhǔn)求解了氣固曳力指標(biāo)、焦炭燃燒速率與換熱值參量。按照上述安裝方法所構(gòu)建的鍋爐模型能夠增大焦炭燃燒過(guò)程中的放熱總量，在提升熱電廠鍋爐供熱能力方面具有突出應(yīng)用價(jià)值。