消除外置式换热器工质热偏差的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于流化床发电技术领域，具体涉及大型循环流化床锅炉的外置式换热器技术领域。
【背景技术】
[0002]循环流化床燃烧技术是一种新型洁净煤燃烧技术，其主要特点是燃料在炉膛中呈流化态燃烧。循环流化床燃烧技术以其节能和环保两方面的优势，在世界范围内得到广泛的应用。截止2015年底，全球共有9台超临界循环流化床锅炉投运，循环流化床燃烧技术已经全面进入超临界时代。然而，为了追求更高的发电效率、及国家节能减排的计划，对现役和新建燃煤机组的煤耗的要求更为严苛，因此，循环流化床锅炉也正向着更高参数、更大容量的超超临界、带二次再热甚至700°C参数方向发展。
[0003]随着循环流化床锅炉的大型化，炉膛内可供布置受热面的壁面表面积的增大速度赶不上锅炉容量的增加速度，使得在主循环回路内布置足够的受热面难度非常大。为此，鲁奇(Lurgi)公司提出外置式换热器的概念，利用外置式换热器的高传导系数，减少受热面耗材，并通过机械阀控制流化床锅炉外循环回路中冷、热灰的比例，从而调节工质温度和炉膛床温。如公告号为CN102353043B的中国发明专利公开了一种循环流化床锅炉可调式外置式换热器，通过执行机构上下调节调节阀闸板的高度，实现控制热灰流量的目的。
[0004]除了机械调节外，还有通过气力调节的外置式换热器，最典型的是美国FW公司的一体化返料换热器(INTREX) JW公司的外置式换热器有三种布置方式:包括“底流式”、“溢流式”和独立布置方式。“底流式” INTREX的主要特点是不仅可以冷却高温分离器分离下来的高温循环灰，还可以冷却部分炉内高温床料；“溢流式” INTREX在结构上由无受热面的进料通道和有受热面的冷却室以及一个共用的返料通道组成，以使冷热灰比例可控并使返料温度均匀；目前FW的溢流式外置式换热器和底流式外置式换热器还经常配合使用。独立布置方式是指INTREX独立布置在炉外，这种布置方式只需控制冷却室的流化风量就可达到调节灰量的目的，但有研究发现其调节能力较为有限，主要出现在FW公司较早期的循环流化床锅炉上。
[0005]公开号为CN101896768A的中国专利整体式水冷壁外置热交换器将蒸发受热面布置在外置式换热器内，提供了一种亚临界及以下参数的循环流化床锅炉蒸发受热面布置方式;公开号为CN203656914U的中国专利外置式换热器提到将受热面蛇形管的布置方向和介质流动方向平行，从而解决受热面振动和磨损的问题;公开号为CN1558141的中国专利一种循环流化床锅炉的风控式物料外循环装置提出一种气力调节的外置式换热器，从而解决机械调节阀的磨损及其高维修成本问题;公开号为CN101694296A中国专利循环流化床富氧燃烧外置式换热器换热器提出一种用于富氧燃烧的流化床锅炉外置式换热器，将炉膛内焦炭和脱硫剂引入换热器内进行燃烧加强换热效果;公开号为CN203571726U的中国专利外置式换热器提出了采用膜式壁结构腔体的外置式换热器，可有效减少内衬厚度，并利于增加外置式换热器的吸热份额。然而，上述技术均未考虑外置式换热器本身的运行特性，这也是现有研究和关注角度普遍欠缺的一个方向。实际上，从大型循环流化床锅炉的实际运行情况来看，外置式换热器的受热面出口工质温度存在一定的偏差。在亚临界及以下参数时，受热面材料裕度足够，该问题并没有凸显出来，而为提高发电总效率而进一步提高蒸汽参数至超超临界时，该热偏差问题若解决不好，便会导致材料选择困难，最终使得锅炉方案无法实施。
[0006]为了解决外置式换热器热偏差问题，需明确外置式换热器内气固流动特性。研究表明，外置式换热器内的气固两相流动属于鼓泡流化床范畴，但与传统的鼓泡流化床锅炉炉内的流动又有不同。这主要是因为二者的粒径分布存在较显著的差异。通常，外置式换热器内的平均粒径要比常规鼓泡流化床锅炉炉内粒径低一个量级，因此使得外置式换热器内颗粒的成团、返混以及气体对颗粒的拖曳与夹带等流动特性均难于参考常规鼓泡流化床锅炉的相应知识。特别是大型循环流化床锅炉的炉膛高度超过50m后，可以被气体夹带至此高度水平的颗粒粒径将进一步降低，已接近Geldart粒径分布法中B类粒子的粒径下限，因此很难直接应用现有鼓泡床经验。此外，外置式换热器内受热面的方向与灰颗粒的主流流动方向平行，这又与传统鼓泡床埋管受热面与灰颗粒主流方向垂直不同，即无法借鉴鼓泡床埋管受热面的经验，因此只能进行专门的计算研究。
[0007]以外置式换热器为研究对象，采用大涡模型描述外置式换热器内气固流动，对外置式换热器内气固两相流体进行模拟，结果如图1所示。由图1可知，外置式换热器第二仓内底部四周颗粒浓度远高于中心区域，说明边壁区域与中间区域颗粒流化特性不同；使其传热效果有别于中心区域，最终导致工质存在热偏差。
[0008]外置式换热器工质热偏差在超超临界参数及以上的循环流化床锅炉开发过程中特别凸显出来，使得外置式换热器内的部分受热面选材困难，限制了循环流化床锅炉向着更高参数更大容量和更高效率的方向发展，使循环流化床锅炉机组效率的进一步提高难于实现。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是提供一种消除外置式换热器工质热偏差的方法，来降低循环流化床外置式换热器的工质热偏差，提高循环流化床锅炉外置式换热器出口工质参数的均匀性，使循环流化床锅炉实现更大容量和更高效率。
[0010]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种消除外置式换热器工质热偏差的方法，所述外置式换热器包括壳体、隔墙、受热面管屏、进口集箱、出口集箱、进口灰道、出口灰道、风室、风帽；所述壳体包括沿颗粒流动方向的前墙和后墙、第一侧墙和第二侧墙以及顶板和底面布风板，所述出口灰道位于壳体后墙上，所述风帽位于壳体底面布风板上;所述风室位于底面布风板下;所述隔墙将壳体内部从前向后分为至少两个仓，所述受热面管屏布置在第二仓及以后的各个仓中，所述受热面管屏的管子轴向与管外颗粒流动方向平行，其特征在于:将所述外置式换热器壳体的第一侧墙和第二侧墙向外倾斜，与底面布风板延伸面的夹角β为[30-90°];从受热面管屏所在仓内底面布风板上的风帽进入仓内的风量按由大到小依次由外而内分配。
[0011]优选的，在受热面管屏所在仓内的底面布风板上设置风量不同的m种风帽，其中风帽按风量由大到小依次由外而内布置，其中m为大于等于2的整数。
[0012]优选的，在受热面管屏所在仓内的底面布风板上设置开孔率不同的η类区域，所述η类区域按开孔率由大到小依次由外而内布置，其中η为大于等于2的整数。
[0013]优选的，所述受热面管屏两侧面的管子轴线分别与壳体第一侧墙和第二侧墙距离cK L/4的区域为边避区域，在所述边避区域内不设受热面管屏管子或所述边避区域内受热面管屏的管子不流通工质。
[0014]优选的，受热面管屏的管子采用X种管径，管径最小的管子置于所述的边避区域，其余管子按管径由小到大依次由外而内的布置，其中管径最小值与最大值之比在0.4-1之间，其中X为大于等于2的整数。
[0015]优选的，在所述受热面管屏上设置节流装置，使受热面管屏管子的质量流量的最小值与最大值之比在0.5-1之间，其中工质流量最小的管子置于所述的边避区域。
[0016]优选的，外置式换热器出口灰道宽度与顶板宽度之比为0.6?I。
[0017]本发明所进行的试验:
[0018]以外置式换热器为研究对象，选用大涡模型计算外置式换热器内流场，选用经典的结合Ergun和Wen-yu模型的Gidaspow曳力模型描述气固间的动量传递，对外置式换热器内气固流动进行模拟，计算结果如图1所示，由图1可知，流化床的四周存在边界层区域，该区域内流化效果较差，使得没入其间的管子传热弱化，最终导致工质侧存在热偏差。为此，本发明将外置式换热器的第一侧墙和第二侧墙向外倾斜，使得受热面管屏都位于边界层以外的区域，结果如图2所示。同时通过分区布风来实现改善边避区域物料流化特性，在边避区域布置风量更大的风帽或在边避区域采用更大的开孔率，以增强边避区域的流化。
[0019]此外，通过计算，可获得边避区域尺寸d，并确定两侧墙与底面布风板延伸面的夹角β为[30-90°]。研究同时表明，埋管对鼓泡床气泡破裂等有显著的影响。因此，为了不破坏原有流场可将边避区域的受热面管屏的管子不流通工质，换为假管。
[0020]在工质侧，由于受热面管屏的进口集箱管径通常不会改变，因此使得单侧进入的工质会随着流动的进行在进入受热面管屏的管子时质量流量逐渐减小，即受热面管屏的工质流量本身也存在分布不均的情况，由于结构和整体布置因素，受热面管屏进出口集箱目前无法采用变径管，且进出口集箱仍只能单侧进出，因此选用不同的受热面管屏管径或加设节流装置来解决工质侧偏差。从实际的偏差特性和流量偏差的计算结果，可算得受热面管屏管径最小值与最大值之比为0.4-1;或受热面管屏管子的质量流量的最小值与最大值之比为0.5-1时，工质流量分配与气固流动、传热等灰侧不均匀性相匹配，更为均匀。同时通过对多工况和典型电站循环流化床锅炉外置式换热器颗粒粒径下的气固流动特性做计算，发现上述比例可以覆盖现有主要流量范围。根据计算结果，将流量小的受热面管子置于换热较差的边壁区域内，即通过调节管径或加节流装置来解决受热面管