「视频讲解」清华大学CFB研究团队详解循环流化床高温物料流率在线测量方法

 2020-07-25    116  

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视频讲解:

一、循环流化床锅炉循环流率在线测量方法研究

循环流化床锅炉燃烧技术一种高效低污染的燃煤技术,近些年来发展迅猛。目前我国在建以及投运的CFB锅炉累计4000余台,总装机容量也超过1亿kW。循环流率Gs是循环流化床设计与运行的重要参数。但目前尚无成熟的可应用于实际锅炉中的Gs在线监测技术。

本文基于冲击法的原理,提出了一种CFB锅炉Gs在线测量方法,并开发出了原理样机在实际CFB锅炉上进行工业试验,验证了其可行性。本文的研究成果是该方法的初步探索,为Gs测量技术的进一步开发提供了理论指导。

1、在线Gs测试系统研发

在线Gs测试系统分为冲击式Gs传感系统、送风系统和电控系统。冲击式Gs传感系统能够将靶片位置的立管物料流率值转化为电压信号;送风系统为测量装置提供仪表风;控制电控系统能够进行信号处理,输出Gs数据,同时对数据采集过程、送风阀门等进行控制。

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Gs在线测试系统

2、Gs在线测量的应用

样机在某116 MWth循环流化床锅炉进行试验,考虑到立管密相区处于正压,因此本装置安装在起炉前进行,锅炉运行后保持装置密封。本文选取了该锅炉起炉后60 h内数据开展分析。

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60 h内锅炉运行参数与应变信号值的变化

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起炉阶段测量信号的变化

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Gs随时间变化

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Δp·vr与测量过程内相对应变对应关系

3、结 论

1)本文提出了一种循环流率的冲击式在线测量方法,该方法可在实际循环流化床锅炉高温环境中运行,能实现在线实时测量且不会对锅炉运行造成干扰。建立了该冲击式流量计的理论模型,利用冷态实验完善模型并在热态锅炉中进行测试。通过实验室冷态试验测量得到了不同冲击速度下的气固两相流绕流阻力F和阻力系数CD,为后续装置设计提供了数据参考。

2)基于该方法开发了Gs在线测量装置样机并在某116 MWth循环流化床锅炉中进行了热态测试,结果表明该方法能够快速及时地捕捉到起炉、停炉、变负荷等过程中Gs变化情况。

3)在热态测试中,根据量级分析、利用Δp·vr估算Gs并标定装置,证明了本测量装置的测量准确性。目前仍缺乏精确的循环流率测量方法,因此暂无法对测量信号进行精准标定。在后续工作将进一步分析装置测量中物理过程并开发标定方法。

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二、基于传热系数的高温循环流率测量方法研究

循环物料流率是循环流化床锅炉中重要的设计和运行参数,但其热态在线测量一直是难点。基于CFB锅炉内受热面的传热系数与固体物料浓度和运动速度等有关,本文提出一种基于传热原理的高温物料循环流率测量方法。该方法仅通过测量冷却水温差计算传热系数k,建立传热系数k和Gs的关联式来计算物料流率。本文的换热法使用结构简单的换热套管,通过测量物料与管壁之间传热系数k的变化得到Gs,克服了高温测量的难点,且由于冷却介质在换热装置内部不断冲刷降温,可减轻高温固体颗粒对测量装置表面的烧蚀磨损。

本方法采用传热原理,无需计算整体热平衡,因此无需考虑测量段内是否有内热源的影响。本方法也无需采用水冷壁的设计,不会破坏料腿内横截面温度的均匀性,因此仅需在料腿内布置少量体积较小的换热表面测量k值,对于下降管内的气固流动影响较小,同时结合物料流动的截面分布规律,即可“以点代面”的推算出Gs。因此,该方法原理简单,且制造成本低,具有实现大型化系统测量的潜力,对于测量环境较差的应用场合,更具优势。为了适应不同温度和实际工况,本文获得了料腿中下降流换热关联式,并研究了计算关联式的通用性。研究结果将对CFB锅炉高温循环物料流率测量技术的发展提供理论指导。

1、Gs换热式测量方法原理

本文改进的换热法测量装置可分为外套管和中心管,外套管的前端伸入料腿中与高温的固体物料直接接触,中心管中通入冷却水,冷却水管路上采用流量计记录水流量,采用热电偶记录进出口水温变化,待换热过程稳定后,根据水流量和进出口水温即可得到该换热过程的换热量,炉内物料温度可从中控室采集,根据固体物料温度和冷却水的定性温度,可计算出高温颗粒和装置表面之间的传热系数k,仅需通过建立的Gs与k的关联式,即可得到Gs。

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图1 Gs的换热式测量方法示意

2、热态试验系统

本文搭建的热态试验系统主要包括加热系统、物料分布装置、测量段、换热管、温度采集系统、计量水泵和物料计量系统。

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图2 热态试验系统

3、试验结果与讨论

高温颗粒开始接触换热管表面时,换热管出口水温迅速升高,表明高温物料与换热管表面发生强烈的换热,冷却水吸收热量后,温度迅速上升,当出口水温升高到某一定值后基本不再变化,表明换热过程达到相对稳定的状态,可认为冷却水与高温颗粒之间达到了稳态,颗粒完全落下后,出口水温下降。计算传热系数时,仅需对达到稳态的数据进行分析。

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图3 出口水温的变化

进出口水温的测量是对k测量结果影响较大的2个参数。由于进口水温不变,主要基于格拉布斯准则,对出口水温和颗粒温度进行粗大误差剔除,剔除后颗粒温度和出口水温最大偏差分别为3.31 ℃和2.24 ℃,换算百分比为3%和4%。

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图4 敏感性分析

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图5 传热系数k随颗粒流率的变化

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图6 传热系数k随颗粒温度的变化

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图7 传热系数k随颗粒粒径的变化

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图8 传热系数k预测值与测量值比较

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图9 传热系数k随Gs的变化

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图10 设定流率值与换热法测量得到流率值比较

4、结 论

1)高温物料和管壁之间传热系数k的影响因素主要有颗粒流率、颗粒温度、颗粒粒径等,主要表现为颗粒温度和颗粒粒径一定时,随着颗粒流率增加,k增大;颗粒流率和颗粒粒径相同时,k随着温度的升高显著增大;颗粒粒径与k呈负相关关系,当大粒径物料温度和流率均高于小粒径物料时,大粒径物料的k显著减小。

2)本文推导出颗粒流外掠圆管对流换热的计算模型,其中包含颗粒流率、颗粒粒径、颗粒流速度等参数,可更好地预测传热系数。热态试验测量值可完全落入计算模型预测值的±25%以内,模型中Nu与Re和Pr呈正相关关系,模型的适用条件为0.1 mm≤dp≤6.0 mm、0.1 MPa≤p≤10.0 MPa、20 ℃≤ts≤1 440 ℃,可满足常压、高温工况下传热系数的预测。

3)建立了传热系数k和循环物料流率Gs之间具有通用性的关联式,确保Gs和k之间存在单调对应关系,且关联式在±25%范围内可以对实际的Gs进行较好地预测。本文研究结果改进和完善了换热式测量方法,为后续换热式流量计的样机在实际大型锅炉中的应用提供了新的研究方向和思路。

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