「視頻講解」清華大學CFB研究團隊詳解循環流化床高溫物料流率在線...

2020-12-05 潔淨煤技術編輯部

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本期推送清華大學CFB研究團隊發表於《潔淨煤技術》2020年第3期「超超臨界循環流化床鍋爐發電技術」專刊的兩篇文章。為幫助讀者直觀快速了解文章內容，編輯部邀請作者通過視頻對相關成果進行詳解。

文獻引用格式：

[1] 劉賢東，吳玉新，張揚，等.循環流化床鍋爐循環流率在線測量方法研究[J].潔淨煤技術,2020,26(3):9-15.

LIU Xiandong,WU Yuxin,ZHANG Yang,et al.Research on in-situ measurement method for ash circulating rate of circulating fluidized bed[J].Clean Coal Technology，2020,26(3):9-15.

[2] 張楊鑫，王志寧，張揚，等.基於傳熱係數的高溫循環流率測量方法研究[J].潔淨煤技術,2020,26(3):16-22.

ZHANG Yangxin，WANG Zhining，ZHANG Yang,et al.Study on the measuring method of high-temperature circulating flow rate based on heat transfer coefficient[J].Clean Coal Technology，2020,26(3):16-22.

視頻講解

1

循環流化床鍋爐循環流率在線測量方法研究

循環流化床鍋爐燃燒技術一種高效低汙染的燃煤技術，近些年來發展迅猛。目前我國在建以及投運的CFB鍋爐累計4 000餘臺，總裝機容量也超過1億kW。循環流率Gs是循環流化床設計與運行的重要參數。但目前尚無成熟的可應用於實際鍋爐中的Gs在線監測技術。

本文基於衝擊法的原理，提出了一種CFB鍋爐Gs在線測量方法，並開發出了原理樣機在實際CFB鍋爐上進行工業試驗，驗證了其可行性。本文的研究成果是該方法的初步探索，為Gs測量技術的進一步開發提供了理論指導。

01

在線Gs測試系統研發

在線Gs測試系統分為衝擊式Gs傳感系統、送風系統和電控系統。衝擊式Gs傳感系統能夠將靶片位置的立管物料流率值轉化為電壓信號；送風系統為測量裝置提供儀表風；控制電控系統能夠進行信號處理，輸出Gs數據，同時對數據採集過程、送風閥門等進行控制。

Gs在線測試系統

02

Gs在線測量的應用

樣機在某116 MWth循環流化床鍋爐進行試驗，考慮到立管密相區處於正壓，因此本裝置安裝在起爐前進行，鍋爐運行後保持裝置密封。本文選取了該鍋爐起爐後60 h內數據開展分析。

60 h內鍋爐運行參數與應變信號值的變化

起爐階段測量信號的變化

Gs隨時間變化

Δp·vr與測量過程內相對應變對應關係

03

結 論

1）本文提出了一種循環流率的衝擊式在線測量方法，該方法可在實際循環流化床鍋爐高溫環境中運行，能實現在線實時測量且不會對鍋爐運行造成幹擾。建立了該衝擊式流量計的理論模型，利用冷態實驗完善模型並在熱態鍋爐中進行測試。通過實驗室冷態試驗測量得到了不同衝擊速度下的氣固兩相流繞流阻力F和阻力係數CD，為後續裝置設計提供了數據參考。

2）基於該方法開發了Gs在線測量裝置樣機並在某116 MWth循環流化床鍋爐中進行了熱態測試，結果表明該方法能夠快速及時地捕捉到起爐、停爐、變負荷等過程中Gs變化情況。

3）在熱態測試中，根據量級分析、利用Δp·vr估算Gs並標定裝置，證明了本測量裝置的測量準確性。目前仍缺乏精確的循環流率測量方法，因此暫無法對測量信號進行精準標定。在後續工作將進一步分析裝置測量中物理過程並開發標定方法。

2

基於傳熱係數的高溫循環流率測量方法研究

循環物料流率是循環流化床鍋爐中重要的設計和運行參數，但其熱態在線測量一直是難點。基於CFB鍋爐內受熱面的傳熱係數與固體物料濃度和運動速度等有關，本文提出一種基於傳熱原理的高溫物料循環流率測量方法。該方法僅通過測量冷卻水溫差計算傳熱係數k，建立傳熱係數k和Gs的關聯式來計算物料流率。本文的換熱法使用結構簡單的換熱套管，通過測量物料與管壁之間傳熱係數k的變化得到Gs，克服了高溫測量的難點，且由於冷卻介質在換熱裝置內部不斷衝刷降溫，可減輕高溫固體顆粒對測量裝置表面的燒蝕磨損。

本方法採用傳熱原理，無需計算整體熱平衡，因此無需考慮測量段內是否有內熱源的影響。本方法也無需採用水冷壁的設計，不會破壞料腿內橫截面溫度的均勻性，因此僅需在料腿內布置少量體積較小的換熱表面測量k值，對於下降管內的氣固流動影響較小，同時結合物料流動的截面分布規律，即可「以點代面」的推算出Gs。因此，該方法原理簡單，且製造成本低，具有實現大型化系統測量的潛力，對於測量環境較差的應用場合，更具優勢。為了適應不同溫度和實際工況，本文獲得了料腿中下降流換熱關聯式，並研究了計算關聯式的通用性。研究結果將對CFB鍋爐高溫循環物料流率測量技術的發展提供理論指導。

01

Gs換熱式測量方法原理

本文改進的換熱法測量裝置可分為外套管和中心管，外套管的前端伸入料腿中與高溫的固體物料直接接觸，中心管中通入冷卻水，冷卻水管路上採用流量計記錄水流量，採用熱電偶記錄進出口水溫變化，待換熱過程穩定後，根據水流量和進出口水溫即可得到該換熱過程的換熱量，爐內物料溫度可從中控室採集，根據固體物料溫度和冷卻水的定性溫度，可計算出高溫顆粒和裝置表面之間的傳熱係數k，僅需通過建立的Gs與k的關聯式，即可得到Gs。

圖1 Gs的換熱式測量方法示意

02

熱態試驗系統

本文搭建的熱態試驗系統主要包括加熱系統、物料分布裝置、測量段、換熱管、溫度採集系統、計量水泵和物料計量系統。

圖2 熱態試驗系統

03

試驗結果與討論

高溫顆粒開始接觸換熱管表面時，換熱管出口水溫迅速升高，表明高溫物料與換熱管表面發生強烈的換熱，冷卻水吸收熱量後，溫度迅速上升，當出口水溫升高到某一定值後基本不再變化，表明換熱過程達到相對穩定的狀態，可認為冷卻水與高溫顆粒之間達到了穩態，顆粒完全落下後，出口水溫下降。計算傳熱係數時，僅需對達到穩態的數據進行分析。

圖3 出口水溫的變化

進出口水溫的測量是對k測量結果影響較大的2個參數。由於進口水溫不變，主要基于格拉布斯準則，對出口水溫和顆粒溫度進行粗大誤差剔除，剔除後顆粒溫度和出口水溫最大偏差分別為3.31 ℃和2.24 ℃，換算百分比為3%和4%。

圖4 敏感性分析

圖5 傳熱係數k隨顆粒流率的變化

圖6 傳熱係數k隨顆粒溫度的變化

圖7 傳熱係數k隨顆粒粒徑的變化

圖8 傳熱係數k預測值與測量值比較

圖9 傳熱係數k隨Gs的變化

圖10 設定流率值與換熱法測量得到流率值比較

04

結 論

1）高溫物料和管壁之間傳熱係數k的影響因素主要有顆粒流率、顆粒溫度、顆粒粒徑等，主要表現為顆粒溫度和顆粒粒徑一定時，隨著顆粒流率增加，k增大；顆粒流率和顆粒粒徑相同時，k隨著溫度的升高顯著增大；顆粒粒徑與k呈負相關關係，當大粒徑物料溫度和流率均高於小粒徑物料時，大粒徑物料的k顯著減小。

2）本文推導出顆粒流外掠圓管對流換熱的計算模型，其中包含顆粒流率、顆粒粒徑、顆粒流速度等參數，可更好地預測傳熱係數。熱態試驗測量值可完全落入計算模型預測值的±25%以內，模型中Nu與Re和Pr呈正相關關係，模型的適用條件為0.1 mm≤dp≤6.0 mm、0.1 MPa≤p≤10.0 MPa、20 ℃≤ts≤1 440 ℃，可滿足常壓、高溫工況下傳熱係數的預測。

3）建立了傳熱係數k和循環物料流率Gs之間具有通用性的關聯式，確保Gs和k之間存在單調對應關係，且關聯式在±25%範圍內可以對實際的Gs進行較好地預測。本文研究結果改進和完善了換熱式測量方法，為後續換熱式流量計的樣機在實際大型鍋爐中的應用提供了新的研究方向和思路。

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