循环流化床锅炉炉膛截面温度分布及其测量.pdf

第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol 25 Sup 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct 2005 1 循环流化床锅炉炉膛截面温度分布及其测量 王进伟 1 赵新木1 王 宇1 杨海瑞1 邢 兴 1 吕俊复1 岳光溪1 李金柱2 1 清华大学热能工程系 北京 100084 2 红光炉排厂 黑龙江 哈尔滨 150050 摘 要 摘 要 炉膛不同高度位置上的气固两相流温度测量是循环流化床锅炉运行的重要参数 在实际运行 的循环流化床锅炉对炉膛中的气固两相流温度横向分布进行了测量 发现与流动边界层一样 热边 界层存在于边壁区 热边界层的厚度与距离布风板的位置关系不大 但是在炉膛出口窗高度上 侧 墙的热边界层厚度受到出口窗的位置的影响 认为由于炉膛出口效应造成的流场不均导致了炉膛出 口温度不均匀性 这为 Fluent 流场计算所验证 测量结果对炉膛各处烟气温度的测量提出了要求 炉膛中下部包括密相区的热电偶伸出长度不宜小于 200mm 炉膛出口窗位于后墙两侧时 伸出长度大 于 200mm 的热电偶可以在侧墙上比较准确地测量 但对于出口窗位于后墙中间时 热电偶应插入出 口窗的进口主流区 关键词 关键词 热能工程 温度测量 Fluent 计算 炉膛截面温度 中图分类号 中图分类号 TK311 The Cross section Temperature Distribution and Measurement in Circulating Fluidized Bed Boilers The Cross section Temperature Distribution and Measurement in Circulating Fluidized Bed Boilers Wang Jin wei1 Zhao Xin mu1 Wang Yu1 Yang Hai rui 1 Xing Xing 1 Lu Jun fu1 Yue Guang xi1 Li Jin zhu2 1 Department of Thermal Engineering Tsinghua University Beijing 100084 2 Hongguang Grate plant Harbin Heilongjiang 150050 Abstract Abstract The temperature measurement of gas solid two phase flow at different height is an important parameter for the operation of the circulating fluidized bed CFB boiler Based on the dates of the temperature distribution in the operating CFB boilers this paper discovers that there exists thermal boundary layer along the CFB boiler just like the fluid dynamic layer The thickness of thermal boundary layer has little relations with the distance away from the air distribution But at the height of the boiler outlet the thickness of thermal boundary layer along the side wall is influenced by the outlet It can be believed that the different distribution of flow field causes the temperature uneven at the outlet of the boiler And this is proved by the calculation of Fluent Some suggestion is given from the measurement results The insert depth of thermocouple can not less than 200 mm at the middle and bottom position along the wall including the dense phase When the outlet of the boiler located at two side of the rear wall the insert depth of thermocouple must more than 200 mm But when the outlet located at the middle of the rear wall the thermocouple must insert to the main flow of the outlet to get the temperature 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol 25 Sup 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct 2005 2 Keywords Keywords thermal engineering temperature measurement calculation of Fluent cross section temperature of the boiler 循环流化床燃烧技术已被运行实践证明是可靠 的洁净煤燃烧技术 具有燃料适应性强 污染物排 放低等优点 劣质燃料可以广泛地应用于循环流化 床锅炉 低温分级燃烧技术可以满足 NOX排放的环 保要求 未处理的烟气可以直接排放 采用炉内添 加石灰石燃烧过程中脱硫降低 SOX排放 低成本满 足 SOX排放要求 灰渣具有良好的活性 可以作为 水泥以及特种水泥的添加剂 具有良好的社会效益 环保效益和经济效益 大型化趋势也相当乐观 1 3 循环流化床锅炉与其它锅炉的根本区别在于其 炉内有大量的固体物料在循环 物料对传热的影响 主要是近壁区 而近壁区物料浓度是贴壁下降流的 表现 其大小反映了内循环量 近壁区浓度很高的 物料发生随机的团聚现象 很难比较合理地进行数 学描述 而通常采用环核模型 假设中间是上升流 固体物料浓度较低 边壁的浓度较高 是下降流 下降流形成固体边界层 人们发现物料边界层距离 壁面有一层气体边界层 4 但气体边界层的厚度较小 5 B Leckner等人通过实验对一台12MW循环流化床 锅炉内的流动边界层和热边界层进行了描述 M R Golriz等人通过实验对同台锅炉的换热系数和 温度进行了测量 并指出了它们的影响因素 但他 们都没有对炉膛不同截面温度测量方法提出建议 6 8 本文通过对实际运行循环流化床锅炉不同截面 上气固两相流温度场进行测量 得出了沿炉膛高度 不同截面上的温度分布规律 并对炉膛各处测温热 电偶插入深度提出了若干建议 1 循环流化床锅炉不同截面温度分布 特性 1 1作者简介 作者简介 王进伟 男 1981 出生 河南人 硕士研究生 从事循环流 化床燃烧技术研究 邮编 100084 电话 010 62794129 805 Email wangjinwei04 基金项目 基金项目 国家 十五 攻关项目 200113A401A03 国家重点基础研究发 展规划项目 G2000026309 1 1 测温仪器 1 1 测温仪器 在对不同截面气固两相流温度测量中 采用热 电偶测温 其结构布置如图 1 所示 为避免热辐射 造成的误差 热电偶测温触头在圆柱形不绣钢管孔 内 管内其它空间充满绝热材料 在沿圆柱轴线方 向上 每隔一定的距离开一个热电偶测温孔 总共 20 个 图 1 只是截取其中的一段 热电偶的测温触 头通过测温孔深入到测温点 测得该点的温度 测 温过程中 将测温仪器插入到适当的位置 通过显 示仪表读出沿圆柱轴线方向上各测点的温度 图 1 测温仪器示意图 Figure 1 sketch of the equipment for measuring temperature 1 2 测量结果 1 2 测量结果 实验是在一台实际运行的出口窗位于后墙中间 的循环流化床锅炉上进行的 主要测点布置在侧墙 和前墙中心线的不同截面上 测量过程中还发现 水冷壁外缘温度与鳍片温 度基本相等 表明水冷壁外缘热边界层厚度小于鳍 片处的热边界层厚度 因为相对于鳍片来说 水冷 壁的外缘距炉墙较远 同时还发现 同一测点热电 偶的温度容易发生波动 远离炉墙处的温度波动要 比热边界层内的温度波动大 炉膛出口温度波动更 大 但总的来看沿床高方向波动趋势基本相同 这 种现象和B Leckner等关于热边界层的描述相一致 6 本文测量采取一定时间内取平均值的方法来得到各 测点的温度 图2是距布风板350mm高度前墙中心线处径向 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol 25 Sup 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct 2005 3 温度分布 结果表明 同一负荷下 随距前墙深度 的增加 测量温度有所增加 超过一定深度后 温 度变化不大 各测点温度均接近炉膛平均温度 至 于满负荷下各测点温度较85 负荷低的原因为满负 荷条件一次风量大 距布风板近的截面容易受到冷 风的冷却作用所致 图3和图4是布风板以上不同高 度处距侧墙中心线径向测点的温度分布 结果表明 随距侧墙距离的增加 所测温度在近壁区急剧增加 超过一定深度后将维持不变 负荷越高 同一测点 的温度越高 不同高度上相同插入深度的温度变化 不大 距离布风板高度350mm 300 400 500 600 700 800 900 1000 0500100015002000 距离水冷壁距离 mm 温度 oC 100 负荷 85 负荷 70 负荷 图2 前墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 2 The lateral temperature distribution at the front wall s central line 距离布风板高度7000mm 300 400 500 600 700 800 900 1000 0500100015002000 距离水冷壁距离 mm 温度 oC 100 负荷 85 负荷 70 负荷 图3 侧墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 3 The lateral temperature distribution at the side wall s central line 距离布风板高度12000mm 300 400 500 600 700 800 900 1000 0500100015002000 距离水冷壁距离 mm 温度 oC 100 负荷 85 负荷 70 负荷 图4 侧墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 4 The lateral temperature distribution at the side wall s central line 图2 图4的测量结果表明 与流动边界层一样 循环流化床锅炉炉膛四周存在着热边界层 除了密 相区和炉膛出口区 热边界层的厚度沿炉膛高度方 向变化不大 只要热电偶的插入深度大于热边界层 的厚度 所测得的温度就基本接近炉膛中心温度 图5是当分离器出口位于炉膛后墙中间时 分离 器进口下缘高度截面上的温度分布 结果表明 随 插入深度增加 热电偶温度一直呈增大趋势 直到 接近炉膛出口截面 才达到炉膛平均温度 负荷越 高 同一插入深度温度越高 距离布风板高度16000mm 亦即分离器进口下缘高度 炉膛出口窗位于后墙中间 300 400 500 600 700 800 900 1000 0500100015002000 距离水冷壁距离 mm 温度 oC 100 负荷 85 负荷 70 负荷 图5 侧墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 5 The lateral temperature distribution at the side wall s central line 对出口窗位于后墙两侧的炉膛出口处温度分布 测量结果见图6 在侧墙附近 随热电偶插入深度增 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol 25 Sup 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct 2005 4 加 测量温度急剧增加 但随后将达到稳定值保持 不变 这一分布与炉膛密相区以上各高度位置上的 分布完全相似 距离布风板高度24000mm 亦即分离器进口下缘高度 炉膛出口窗位于后墙两侧 300 400 500 600 700 800 900 1000 0500100015002000 距离水冷壁距离 mm 温度 oC 100 负荷 85 负荷 70 负荷 图6 侧墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 6 The lateral temperature distribution at the side wall s central line 比较图5和图6可以看出 炉膛出口窗的布置位置 对循环流化床锅炉的炉膛出口温度影响很大 炉膛 出口断面温度分布是不均匀的 出口截面浓度测量 表明 对于出口窗中间布置的循环流化床锅炉 炉 膛中央固体浓度大于炉膛周边 对于出口窗两侧布 置的循环流化床锅炉 只要越过气体边界层 固体 颗粒浓度将急剧增加 而后又开始减小 与沿炉膛 高度方向上的浓度分布相似 综合分析以上数据 对于出口窗中间布置的循环流化床锅炉在炉膛出口 附近会形成一个主流区 在炉膛四角存在滞留区 导致流场分布不均 进而引起炉膛出口断面温度的 分布不均 同理对于出口窗两侧布置的循环流化床 锅炉 也可以运用流场不均分布加以解释温度分布 特性 2 循环流化床锅炉炉膛出口流场数值 模拟 循环流化床锅炉由于受炉膛出口效应的影响 导致出口窗附近流场呈现不均匀性 严重影响了炉 膛出口烟温的测量 本文运用Fluent对循环流化床锅 炉内的气相流场进行了数值模拟 通过分析气相流 场炉膛出口流动的不均匀性 说明实际流场气流对 热电偶的冲刷程度 出口窗位于后墙中间时循环流化床锅炉炉膛内 的流线图如图7 从图7可以看出 由于出口效应的 影响 大部分的气流并没有运行到炉膛顶部 而是 直接汇聚炉膛出口 炉膛顶部存在着运动死区 不 仅炉膛顶部存在流动死区 炉膛的四周也存在着流 动死区 见图8和图9所示的与侧墙垂直的平面炉膛 出口窗附近速度矢量 越靠近炉膛出口 这一效应 越加明显 侧墙中心平面炉膛顶部由于没有气流的 冲刷 死区效应也较为明显 且越靠近炉膛顶部主 流区越窄 图7 出口窗位于后墙中间时炉膛内的流线图 Figure 7 Streamline in the furnace with outlet located at the middle of rear wall 图8 侧墙中心面炉膛出口部分速度矢量图 Figure 8 Velocity vector in the side wall central section 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol 25 Sup 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct 2005 5 near the boiler s outlet 图9 距后墙1 5炉膛深度平面出口部分速度矢量图 Figure 9 Velocity vector in the plane located one fifth the boiler s depth from the rear wall 出口窗位于后墙两侧时循环流化床锅炉内的流 线如图10 与侧墙垂直的平面炉膛出口窗附近速度 矢量如图11和图12 表明出口窗位于后墙两侧时的循 环流化床锅炉炉膛出口同样存在着流动死区 不同 的是侧墙中心平面炉膛出口部分截面流场分布较为 均匀 越靠近炉膛出口 出口效应越明显 本文的实际锅炉运行测量结果及Fluent计算都 表明 循环流化床锅炉炉膛出口断面流场是不均分 布的 存在着主流区和流动死区 这是导致炉膛出 口断面烟温分布不均匀性的主要原因 这就给炉膛 出口断面的温度测量造成了困难 图10 出口窗位于后墙两侧时炉膛内的流线图 Figure 10 Streamline in the furnace with outlets located at the edge of rear wall 图11 侧墙中心面炉膛出口部分速度矢量图 Figure 11 Velocity vector in the side wall central section near the boiler s outlet 图12 距后墙1 5炉膛深度平面出口 部分速度矢量图 Figure 12 Velocity vector in the plane located one fifth the boiler s depth from the rear wall 3 循环流化床锅炉炉膛温度测量方法 的建议 热电偶是世界上经常使用的测量不同截面温度 的主要仪器 使热电偶的测温触头能够越过热边界 层厚度而顺利测得炉膛平均温度是不同截面温度测 量的关键 当测温点确定后 温度测量的核心问题 就是插入深度 目前部分已经运行的锅炉的炉膛温度的测量上 存在较大的问题 仪表显示的温度在不同程度上存 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol 25 Sup 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct 2005 6 在误差 有的误差已经影响到锅炉的安全经济运行 和污染物的排放 本文的理论分析及实际运行的锅 炉的测量结果表明 对于循环流化床锅炉 炉膛中 下部包括密相区热电偶伸出长度不宜小于200mm 而当炉膛出口窗位于后墙两侧时 伸出长度大于 200mm的热电偶也可以在侧墙上比较准确地测量 但对于出口窗位于后墙中间时 热电偶应插入出口 窗的进口主流区 4 结论 炉膛不同高度位置上的气固两相流温度测量是 循环流化床锅炉运行的重要参数 通过测量实际运 行循环流化床锅炉不同高度截面温度分布 得出如 下结论 1 炉膛四周存在着热边界层 热边界层的厚度 与距离布风板的位置关系不大 2 在炉膛出口窗高度上 热边界层厚度受到出 口窗位置的影响 正是由于炉膛出口效应造成的流 场不均导致温度分布不均 3 对炉膛各处温度测量提出了建议 炉膛中下 部包括密相区的热电偶伸出长度不宜小于200mm 炉膛出口窗位于后墙两侧时 伸出长度大于200mm