循环流化床锅炉水冷壁磨损机理与防止

循环流化床锅炉水冷壁磨损机理与防止程乐鸣能源清洁利用国家重点实验室（浙江大学）浙江大学热能工程研究所2016年9月27日郑州2004年-2015年•2004年昆明：浙江大学在锅炉改造领域的开发与发展•2004年昆明：流化移动叠置式冷渣器的开发、试验与运行•2005年厦门：循环流化床传热•2006年西安：循环流化床锅炉性能测试与检测手段•2006年成都：循环流化床锅炉炉内磨损的实验与仿真研究•2007海口：浙江大学最近在循环流化床技术方面的发展•2008黄山：循环流化床锅炉炉膛热流分布预测研究•2009昆明：单炉膛300MW循环流化床锅炉二次风穿透性数值模拟研究•2010贵阳：循环流化床六分离器气固均匀性试验研究•2011成都：600MW循环流化床悬吊屏气固流动与传热特性•2012鄂尔多斯：600MW循环床锅炉水冷壁、中隔墙气固流动与传热特性•2014沈阳：600MW超临界循环流化床锅炉研发关键问题与解决•2015银川：循环流化床燃煤电站炉内外脱硫均衡控制及经济性评估CFB锅炉磨损问题主要磨损部位（粗线）1)水冷壁管耐火材料交界处;2)四角区域;3)不规则区域;4)一般水冷壁管CFB锅炉炉内灰浓度高于常规煤粉炉数十倍燃用低热值、含灰量大的劣质燃料环-核结构高浓度、高速度贴壁颗粒下降流水冷壁磨损及防磨措施让管法喷涂法防磨梁防磨措施：敷设耐磨浇注料加装防磨护瓦堆焊技术主动防磨，破坏高浓度贴壁颗粒流，降低下降速度安装简单方便，成本低运行可靠，检修简单方便近百余台CFB锅炉使用水冷壁防磨梁技术防磨梁影响水冷壁区域气固流动•大量研究关于循环流化床炉内整体气固流动分布颗粒浓度轴向分布：指数形分布、S形分布和C形分布颗粒流动径向分布：环-核结构•大量研究关于光滑水冷壁区域气固流动分布贴壁颗粒下降流最大可达7~8m/s边界层厚度与锅炉结构尺寸和运行参数之间关系的关联式•“防磨梁影响水冷壁区域气固流动”研究重要性关于防磨梁对水冷壁区域气固流场影响机理研究少（实验/模拟）防磨梁尺寸相对实炉尺寸极小，现场测量困难试验台及其数值计算模型试验台系统4.47×0.62×0.04m3试验台数值计算模型防磨梁示意光纤测点位置防磨梁影响水冷壁区域气固流动•试验测试方法：颗粒浓度轴向分布：差压变送器局部点颗粒速度和浓度：光纤探针防磨梁周围颗粒流动：高速摄影（PIV，自编颗粒浓度程序）100,000mesh防磨梁影响水冷壁区域气固流动•防磨梁对贴壁颗粒下降流速度分布影响空截面气速影响防磨梁周围颗粒流动形态宽度S影响h0、hs影响不大越小越好S存在最佳值防磨梁影响水冷壁区域气固流动•防磨梁对贴壁颗粒下降流浓度分布影响S=6mm,u0=4.65m/sS=6mm,u0=5.15m/sS=15mm,u0=4.65m/s上沿颗粒堆积高度空截面气速影响h0、hs影响不大越小越好S存在最佳值上沿软着陆区防磨梁影响水冷壁磨损试验试验装置及方法RRLRW011RwRLWRR2RRLdRdW10363663113010111.14103100.49983100.5107.75510RRRRLLRWW例10μm/khr需10-3Ω精度34970A,精度10-4Ω,~100Ω恒流1mA，触发间隔30s.•对于防磨梁上沿局部水冷壁S过小，局部磨损增大；S过大，高浓度颗粒堆积区域覆盖更大面积水冷壁•对于防磨梁下游水冷壁随着S的增大，磨损速率先减小而后保持不变•对于防磨梁周围水冷壁总磨损S存在一个最佳值，使总磨损最小上表面形状/第一类第二类平面内斜面凹槽面外斜面测点3处磨损速率(μm/khr)25.73123.25926.26822.982防磨梁布置----重要防磨梁影响水冷壁磨损试验两类减轻局部磨损的上表面结构尺寸和结构水冷壁的防磨研究无防磨梁无防磨梁有防磨梁有防磨梁炉内贴壁颗粒下降流遇到防磨梁后部分转向炉中心区域；在防磨梁下方边壁区域出现低浓度贴壁颗粒上升流，这股上升流对防磨梁下沿附近水冷壁面有磨损作用水冷壁磨损模型研究现状•基于循环流化床水冷壁面气固流动机理的水冷壁磨损模型•基于水冷壁面气固流动特性的水冷壁磨损机理尚不够清楚•循环流化床锅炉水冷壁磨损特性三维分布未见报道水冷壁磨损模型基于水冷壁面气固流动机理环-核结构颗粒团+颗粒分散相•颗粒团贴壁下滑对壁面有压力•颗粒分散相贴壁滑动对壁面有压力•颗粒分散相撞击壁面有动能①颗粒团摩擦磨损②颗粒分散相摩擦磨损③颗粒分散相撞击磨损颗粒撞击壁面角度较小水冷壁磨损模型-表达式①颗粒团摩擦磨损②颗粒分散相摩擦磨损③颗粒分散相撞击磨损①壁面颗粒团时均面积覆盖率为f②假设颗粒分散相堆积成颗粒团的形态，则其壁面时均面积覆盖率为(𝜺𝒔𝒅/𝜺𝒔𝒄)(𝟏−𝒇)εsd为颗粒分散相固相体积分数εsc为颗粒团中固相体积分数，取0.4③剩余的颗粒分散相可撞击区域时均面积百分率为𝟏−𝒇−(𝜺𝒔𝒅/𝜺𝒔𝒄)(𝟏−𝒇)基于循环流化床气固流动特性的水冷壁磨损模型总表达式为：111sdsdttactadtidscscEfEfEffE—水冷壁总磨损速率(m/s)tEtacE—颗粒团摩擦磨损速率(m/s)tadE—颗粒分散相摩擦磨损速率(m/s)tidE—颗粒分散相撞击切削磨损速率(m/s)0.511gwsdcgcfK–Lints和Glicksman:f=3.5C0.37–Basu:Kc=0.5颗粒稀密两相磨损模型气固流场和水冷壁磨损计算技术路线330MW实炉气固流动数值计算几何模型40.415m×30.189m×9.831m8层防磨梁前墙12+6片屏，后墙2片屏网格模型壁面和防磨梁周围网格加密渐变网格&函数网格网格数量180万330MW实炉气固流动数值计算•水冷壁面颗粒流动特性颗粒体积分数颗粒体积分数颗粒轴向速度(m/s)颗粒轴向速度(m/s)•贴壁颗粒下降流遇到防磨梁后，下降速度骤减，颗粒在防磨梁上沿动态堆积（软着陆）•防磨梁下沿一段距离内水冷壁面上出现贴壁颗粒上升流，颗粒浓度相对较低•再往下，贴壁颗粒下降流又重新形成并加速向下流动，颗粒浓度也逐渐增大，直至遇到下一层防磨梁330MW实炉水冷壁磨损计算总磨损速率•典型工况下330MW循环床锅炉加装防磨梁水冷壁磨损速率三维分布(μm/khr)颗粒团摩擦磨损速率颗粒分散相摩擦磨损速率颗粒分散相撞击磨损速率•每两层防磨梁之间水冷壁各磨损速率分布规律相似，随床高的减小而增大•除防磨梁周围局部水冷壁区域外，各磨损分量中，颗粒分散相撞击磨损速率总体相对较大，颗粒分散相摩擦磨损速率总体相对较小，而颗粒团摩擦磨损速率相对居中实炉对比测试规律符合好600MW实炉气固流动数值计算颗粒轴向速度(m/s)•贴壁颗粒下降速度大幅度降低•随着床高的减小，下降速度减小幅度增大•加装防磨梁前下降速度最大8m/s，加装后下降速度平均2m/s•边壁颗粒回流高浓度区受到破坏•仅降低了防磨梁下沿一小段距离内水冷壁面颗粒体积分数，大部分水冷壁面颗粒体积分数增大15.03m×27.9m×55m600MW实炉水冷壁磨损计算（有/无防磨梁）总磨损速率(μm/khr)颗粒团摩擦磨损速率(μm/khr)颗粒分散相摩擦磨损速率(μm/khr)颗粒分散相撞击磨损速率(μm/khr)防磨梁改变了水冷壁磨损速率参数的三维分布特性对于防磨梁区域的水冷壁，防磨梁降低了总磨损速率、颗粒团摩擦磨损速率和颗粒分散相摩擦磨损速率，但颗粒分散相撞击磨损速率变化不大600MW实炉水冷壁磨损计算（有/无防磨梁）总摩擦磨损速率比例轴向分布对比防磨梁的存在降低了稀相区中下部区域水冷壁的摩擦磨损速率比例•水冷壁加装防磨梁后，对于轴向不同区域的水冷壁，磨损减轻的机理不完全相同；•对于稀相区中上部区域水冷壁，防磨梁通过同时减轻颗粒团摩擦磨损速率、颗粒分散相摩擦磨损速率和颗粒分散相撞击磨损速率的方式减轻水冷壁的总磨损速率；•对于稀相区中下部区域水冷壁，防磨梁仅通过同时减轻颗粒团和颗粒分散相摩擦磨损速率的方式减轻水冷壁总磨损速率。对大型循环流化床锅炉防磨梁布置的建议•防磨梁的轴向布置位置或间隔是影响防磨梁防磨效果的重要因素；•第一层防磨梁的高度位置十分重要，当炉膛总高度较大且炉膛出口下沿与炉顶距离较大时，有必要将第一层防磨梁布置在炉膛出口下沿以上（非出口区）；•相邻两防磨梁之间的距离不应过大，应保证之间区域贴壁颗粒下降流速度小于4m/s，水冷壁总磨损速率小于50μm/khr，但相邻两层防磨梁之间距离也不应过小，否则会占据较多的水冷壁吸热面积；•炉膛稀相区下部水冷壁面防磨梁之间的间隔距离应比中上部水冷壁面小；•防磨梁技术的使用可辅助以其他防磨技术对防磨梁上沿水冷壁进行附加防磨处理。小结1.实验室气固流场和磨损可测；2.防磨梁上方软着陆区，下方上升颗粒流磨损；3.气固流场是基础，可计算实炉加装防磨梁前、后水冷壁面气固流动特性三维分布结果；4.建立使用于循环流化床锅炉水冷壁面的有效颗粒稀密两相磨损模型，磨损结果可数值模拟；5.计算得到330MW和600MW循环流化床锅炉加装防磨梁前、后水冷壁磨损参数的三维分布，防磨梁主要通过减轻颗粒团和颗粒分散相摩擦磨损的方式减轻了水冷壁的总磨损速率。