超临界循环流化床锅炉数学模拟与设计方案优化

论文摘要

超临界循环流化床锅炉技术有机地结合了循环流化床燃烧和超临界参数发电两种技术的优点,是我国洁净煤燃烧利用的发展方向之一。依托于国家十一五支撑项目“600MW超临界循环流化床锅炉本体设计及研制”子课题的资助,本文开展了超临界循环流化床锅炉数学模型和设计方案优化的研究工作。论文首先从讨论发展超临界循环流化床锅炉的必要性和可行性入手,综述了国内外超临界循环流化床锅炉技术及其数学模型的研究与发展现状。其次,依据大型超临界循环流化床锅炉的运行特性和最新研究进展,在现有适用于中小型循环流化床锅炉整体数学模型的基础上发展了适用于大型超临界循环流化床锅炉的整体数学模型。该模型由可以正确描述循环流化床锅炉炉内各物理化学过程的子模型及其他部件的子模型有机耦合而成,这些子模型包括炉内流体动力特性模型,煤燃烧模型,颗粒磨损模型,炉内传热模型,SO2生成和脱除模型,NO和N20的生成和脱除模型,分离机构、返料机构和外置式换热器等部件的子模型,及尾部受热面的换热模型等。同时,为了进一步正确描述煤颗粒在流化床燃烧过程中的破碎特性,本文在所建小型流化床反应器上开展了煤颗粒的灰分和粒径对灰渣形成特性的实验研究,并在所获实验结果的基础上,结合国内外的相关研究建立了流化床煤燃烧过程中的颗粒破碎模型。然后,采用一台300MW循环流化床锅炉的运行测试结果对所建立的大型循环流化床锅炉的整体数学模型进行了验证对比。结果表明,所建立的数学模型可以有效地预测大型循环流化床锅炉的运行与性能参数。在此基础上,应用所建立的总体数学模型对600MW超临界循环流化床锅炉六个不同的设计方案进行了模拟计算,并从主循环回路结构布置、主循环回路热负荷分配、炉内燃烧以及热力特性参数等方面,分析比较了密相区结构、分离器数量及布置、炉内受热面、外置式换热器、受热面系统等不同布置方案对锅炉性能参数的影响,从而得到了优化后的600MW超临界循环流化床锅炉的设计方案。该推荐方案为H型布置,单炉膛裤衩腿双布风板结构,锅炉左右两侧各布置3台高温旋风分离器,每台分离器下面连接一台外置式换热器,高温过热器布置在尾部烟道。最后,对所推荐的600MW超临界循环流化床锅炉的设计方案进行了满负荷及变负荷工况下的性能模拟预测,为600MW循环流化床锅炉下一步的研制和工业应用提供了指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 1 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 循环流化床锅炉技术
• 1.3 循环流化床锅炉技术的发展现状
• 1.3.1 国外循环流化床锅炉的发展
• 1.3.2 国内循环流化床锅炉技术的发展现状
• 1.3.3 循环流化床锅炉技术的发展方向
• 1.4 循环流化床锅炉的数学模型
• 1.4.1 半经验模型
• 1.4.1.1 一维轴向模型
• 1.4.1.2 环-核模型
• 1.4.1.3 三维半经验模型
• 1.4.2 计算流体动力学模型
• 1.5 本文的工作背景与内容
• 2 超临界循环流化床锅炉及其数学模型的研究现状
• 2.1 超临界循环流化床锅炉
• 2.1.1 发展超临界循环流化床锅炉的必要性
• 2.1.2 发展超临界循环流化床锅炉的可行性
• 2.2 超临界循环流化床锅炉研究与发展现状
• 2.2.1 国外超临界循环流化床锅炉的研究发展现状
• 2.2.1.1 FW公司超临界循环流化床锅炉的研发
• 2.2.1.2 Alstom公司超临界循环流化床锅炉的发展
• 2.2.2 国内超临界循环流化床锅炉的发展现状
• 2.2.2.1 东方锅炉超临界循环流化床锅炉的发展
• 2.2.2.2 哈锅超临界循环流化床锅炉的发展
• 2.2.2.3 上锅超临界循环流化床锅炉的发展
• 2.2.2.4 西安热工院（TPRI）研发的超临界循环流化床锅炉
• 2.2.2.5 浙江大学研发的超临界循环流化床锅炉
• 2.2.2.6 清华大学研发的超临界循环流化床锅炉
• 2.2.3 本节小结
• 2.3 大型循环流化床锅炉数学模型综述
• 2.3.1 FW公司发展的大型循环流化床锅炉数学模型
• 2.3.2 德国汉堡技术大学的大型循环流化床锅炉数学模型
• 2.3.3 瑞典Chalmers技术大学的大型循环流化床锅炉数学模型
• 2.3.4 意大利ENEL GEM发展的大型循环流化床锅炉数学模型
• 2.3.5 本节小结
• 2.4 本章小结
• 3 超临界循环流化床锅炉整体数学模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 流体动力特性模型
• 3.2.1 大型循环流化床锅炉流体动力特性
• 3.2.2 底部密相区流体动力数学模型
• 3.2.3 上部稀相区流体动力数学模型
• 3.2.4 流体动力模型中关键参数的确定
• 3.3 煤燃烧模型
• 3.3.1 挥发分析出模型
• 3.3.2 煤颗粒破碎特性
• 3.3.2.1 流化床燃烧中煤颗粒特性对灰渣形成特性影响的实验研究
• 3.3.2.2 煤颗粒破碎模型
• 3.3.3 焦炭燃烧模型
• 3.3.3.1 焦炭燃烧机理模型
• 3.3.3.2 焦炭燃烧速率
• 3.3.4 气体燃烧模型
• 3.4 炉内颗粒磨损模型
• 3.5 炉内传热模型
• 3.5.1 膜式水冷壁炉侧传热模型
• 3.5.2 超临界循环流化床锅炉水冷壁汽水模型
• 3.5.3 屏式受热面传热模型
• 3.6 污染物的生成与脱除模型
• 2的生成与加石灰石脱除模型'>3.6.1 SO₂的生成与加石灰石脱除模型
• 3.6.2 氮氧化物生成与分解模型
• 3.6.2.1 氮氧化物的生成模型
• 3.6.2.2 氮氧化物的分解模型
• 3.7 气固分离器模型
• 3.7.1 旋风分离器的气固流动模型
• 3.7.2 旋风分离器的能量平衡模型
• 3.7.3 旋风分离器的分离效率和压降计算
• 3.8 外置式换热器模型
• 3.9 本章小结
• 4. 大型循环流化床锅炉数学模型求解与验证
• 4.1 大型循环流化床锅炉数学模型数值求解
• 4.1.1 颗粒分档
• 4.1.2 “区段”解法
• 4.1.3 程序实现
• 4.2. 锅炉运行模拟计算与实际测试结果比较
• 4.2.1 锅炉运行的相关参数
• 4.2.2 模拟计算结果与运行测试结果比较
• 4.3 本章小结
• 5. 600MW超临界循环流化床锅炉设计方案优化
• 5.1 600MW超临界循环流化床锅炉设计方案特征点
• 5.1.1 锅炉总体布置
• 5.1.2 密相区结构
• 5.1.3 分离器及其布置
• 5.1.4 外置式换热器
• 5.1.5 汽水系统配置
• 5.2 600MW超临界循环流化床锅炉设计方案
• 5.2.1 方案一（裤衩腿结构炉膛+6绝热旋风分离器+6 EHE+高过在尾部）
• 5.2.2 方案二（裤衩腿结构炉膛+6绝热旋风分离器+6 EHE+高过在炉内）
• 5.2.3 方案三（裤衩腿结构炉膛+6汽冷旋风分离器+6 EHE+炉内无受热面）
• 5.2.4 方案四（裤衩腿结构炉膛+6绝热旋风分离器+4 EHE+高过在尾部）
• 5.2.5 方案五（单布风板结构炉膛+8绝热旋风分离器+8 EHE+高过在尾部）
• 5.2.6 方案六（裤衩腿结构炉膛+6台汽冷旋风分离器+尾部双烟道）
• 5.3 600MW超临界循环流化床锅炉设计方案优化讨论
• 5.3.1 主循环回路的布置
• 5.3.2 主循环回路的热负荷分配
• 5.3.3 高温过热器的布置
• 5.4 本章小结
• 6. 600MW超临界循环流化床锅炉性能预测
• 6.1 600MW超临界循环流化床锅炉满负荷工况模拟
• 6.2 600MW超临界循环流化床锅炉变负荷工况模拟
• 6.2.1 600MW超临界循环流化床锅炉变负荷运行时主要参数的变化
• 6.2.2 600MW超临界循环流化床锅炉变负荷运行工况模拟
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 本文不足与研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期问发表的论文
• 致谢