炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22175

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 514-524.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22175

炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响

董中豪¹, 卢啸风¹, 史丽超², 杨增增², 孔繁盛², 王鹏², 林国强³, 赵鹏³

^1.低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室(重庆大学)，重庆市沙坪坝区 400044
^2.黄陵矿业煤矸石发电有限公司，陕西省延安市 727307
^3.宜兴市国强炉业有限公司，江苏省宜兴市 214225

收稿日期:2022-03-07 出版日期:2023-08-31 发布日期:2023-08-29
通讯作者: 卢啸风
作者简介:董中豪(1998)，男，博士研究生，主要从事流化床锅炉相关研究，dongzhonghao@cqu.edu.cn；
卢啸风(1962)，男，博士，教授，主要从事流化床锅炉相关研究，xfluke@cqu.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFB4100301)

Influence of Thermal Inertia of Refractory Material in Furnace on the Peak Regulating Rate of Circulating Fluidized Bed Boiler

Zhonghao DONG¹, Xiaofeng LU¹, Lichao SHI², Zengzeng YANG², Fansheng KONG², Peng WANG², Guoqiang LIN³, Peng ZHAO³

^1.Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technology & System, Ministry of Education (Chongqing University), Shapingba District, Chongqing 400044, China
^2.Huangling Mining Group Co. , Ltd. , Yan’an 727307, Shaanxi Province, China
^3.Yixing Guoqiang Furnace Industry Co. , Ltd. , Yixing 214225, Jiangsu Province, China

Received:2022-03-07 Published:2023-08-31 Online:2023-08-29
Contact: Xiaofeng LU
Supported by:
National Key R&D Program of China(2022YFB4100301)

摘要/Abstract

摘要：

为研究炉膛耐火材料热惯性对循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉调峰特性的影响，基于300 MW亚临界CFB锅炉实际运行工况，以数值计算方式对其进行了研究。发现耐火材料热惯性受耐火材料导热系数和耐火材料厚度影响。当耐火材料导热系数由1 W/(m?K)增加到15 W/(m?K)时，耐火材料热平衡时间由5 812 s降低到3 426 s；耐火材料厚度由30 mm增大至90 mm时，热平衡时间由3 267 s增加到7 771 s。实炉按1%/min、2%/min、3%/min速率由50%升至100%额定负荷工况时，若密相区采用传统耐火材料，则平衡时间分别为82、65、60 min；当采用高导热耐火材料，则相应减少到65、46、40 min。根据计算结果拟合了耐火材料吸热速率变化公式；为考察密相区耐火材料热惯性对给煤策略的影响，定义并计算了耐火材料热惯性给煤影响系数。

关键词: 循环流化床, 调峰, 热惯性, 导热系数

Abstract:

The influence of thermal inertia of the furnace refractory on the peak regulation characteristics of a 300 MW circulating fluidized bed boiler (CFB) was studied by using a numerical calculation method. Based on the actual operation conditions of the boiler, the calculation results reveal that the thermal inertia of refractory is affected by its thermal conductivity and the thickness. Specifically, the thermal inertia of refractory decreases with the increasing thermal conductivity and decreasing refractory thickness. As a consequence, the time that required for the refractory to reach heat equilibrium decreases from 5 812 s to 3 426 s if the thermal conductivity of refractory increases from 1 W/(m?K) to 15 W/(m?K), while it increases from 3 267 s to 7 771 s if the thickness of refractory material increases from 30 mm to 90 mm. Practically in the presence of the traditional refractory in the CFB dense phase zone, the time required to achieve heat equilibrium state becomes 82, 65 and 60 min when the load of this CFB boiler rises from 50% to 100% with a rate of 1%/min, 2%/min and 3%/min. For a refractory with higher thermal conductivity, the equilibrium response time will be reduced to 65, 46 and 40 min, correspondingly. According to the calculation results, a formula for the heat absorption rate of refractory material was obtained. In addition, the influencing coefficient of the thermal inertia of refractory on coal feeding was also defined and calculated.

Key words: circulating fluidized bed (CFB), peak regulation, thermal inertia, thermal conductivity

中图分类号:

TK 22

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图/表 16

图1 300 MW亚临界CFB锅炉耐火材料分布图

Fig. 1 Distribution diagram of refractory materials for 300 MW subcritical CFB boiler

表1 300 MW亚临界CFB锅炉耐火材料分布

Tab. 1 Distribution of refractory materials for 300 MW subcritical CFB boiler

分布位置		耐火防磨浇注料/mm	耐火保温砖/mm
炉膛	布风板	77	—
	炉膛锥段	60	—
	屏式受热面	50	—
旋风分离器	分离器入口	25	—
	分离器筒段	25	—
	分离器锥段	25	—
立管及回料阀	立管	150	250
	回料阀	150	250
	返料腿	150	250

表2 耐火材料热物理性质

Tab. 2 Thermophysical properties of refractory materials

12.55/900 ℃

11.28/800 ℃

比热容c_p /(kJ∙kg^-1∙K^-1)

0.92+

0.000 147T

0.769+0.000 26T

1.229/900 ℃

表3 300 MW亚临界CFB锅炉耐火材料质量分布 (t)

Tab. 3 Mass distribution of refractory materials for 300 MW subcritical CFB boiler

部位		耐火防磨浇注料	耐火保温砖	总计
炉膛	布风板	27.53	—	166.46
	炉膛锥段	115.17	—
	屏式受热面	23.76	—
旋风分离器	分离器入口	37.81	—	151.49
	分离器筒段	76.14	—
	分离器锥段	37.57	—
立管及回料阀	立管	44.69	16.59	308.75
	回料阀	30.11	10.95
	返料腿	147.99	58.42

图2 锅炉密相区耐火材料传热过程示意图

Fig. 2 Schematic diagram of heat transfer process of refractory materials in dense-phase area of boiler

表4 耐火材料热惯性影响因素计算工况

Tab. 4 Calculation working condition of influence factors of thermal inertia of refractory materials

参数	工况1	工况2
耐火材料导热率λ/[W/(m⋅K)]	1，1.2，2，3，4，5，10，15	1.2
炉侧换热系数h_f/[W/(m²⋅K)]	360	360
耐火材料厚度δ_r/mm	60	30，40，50，60，70，80，90
耐火材料密度ρ/(kg/m³)	2 750	2 750
耐火材料比热容c_p /[J/(kg⋅K)]	1 092	1 092
工质温度t_b/℃	330	330
初始温度T₁/℃	850	850
终止温度T₂/℃	950	950

表5 炉膛密相区耐火材料热惯性计算工况

Tab. 5 Thermal inertia calculation conditions of refractory materials in dense phase area of furnace

材料类型

锅炉运行工况

锅炉变负荷速率/

(%/min)

耐火材料厚度/

表6 300 MW亚临界循环流化床锅炉运行参数

Tab. 6 Operation parameters of 300 MW subcritical CFB boiler

参数	100% BRL	75% BRL	50% BRL
主蒸汽流量/(t/h)	966	779	466
主蒸汽温度/℃	541	541	541
主蒸汽压力/MPa	16.10	14.49	11.37
给水温度/℃	276	255	233
给水压力/MPa	17.92	15.75	12.59
汽包压力/MPa	17.51	15.46	12.37
炉膛密相区床温/℃	950	900	850
给煤量/(t/h)	204.90	157.13	108.59
燃料低位发热量/(kJ/kg)	13 498	13 498	13 498

图3 变负荷过程中不同导热系数耐火材料单位体积吸热量

Fig. 3 Heat absorption per unit volume of refractory materials with different thermal conductivity in the process of variable load

图4 耐火材料平衡时间随导热系数变化示意图

Fig. 4 Schematic diagram of the variation of refractory equilibrium time with thermal conductivity

图5 变负荷过程中不同厚度耐火材料单位体积吸热量

Fig. 5 Heat absorption per unit volume of refractory materials with different thickness in the process of variable load

图6 耐火材料平衡时间随厚度变化示意图

Fig. 6 Schematic diagram of refractory balance time varying with thickness

图7 耐火材料吸热量随时间变化关系

Fig. 7 Change of heat absorption of refractory materials with time

图8 耐火材料吸热速率随时间变化关系

Fig. 8 Change of heat absorption rate of refractory materials with time

图9 变负荷过程中密相区耐火材料热惯性给煤影响系数随时间变化关系

Fig. 9 Change of influence coefficient of thermal inertia coal feeding of refractory materials in dense phase area with time during variable load process

图10 改造前后50%~90%升负荷过程中锅炉运行参数随时间变化曲线

Fig. 10 Variation curves of boiler operating parameters with time in the process of 50%-90% liter load before and after transformation

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炉膛耐火材料热惯性对循环流化床锅炉调峰速率的影响

Influence of Thermal Inertia of Refractory Material in Furnace on the Peak Regulating Rate of Circulating Fluidized Bed Boiler

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