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摘要：对不同类型的滚筒冷渣器进行了测试，分析了冷渣器频率对其性能的影响。分析了采用传热单元数法分计算水量对冷渣器性能影响的可能性，结果表明：该方法是可行的，且当水渣比增大到一定数值后，滚筒冷渣器的排渣温度则几乎不再随水渣比改变。根据实验结果分析出力某一冷渣器在额定水渣比时，相对NTU与频率的曲线。分析出力了在转速不变时，进渣温度、冷却水温度和冷却水量为变量时，根据参照NTU计算排渣温度的方法。即通过一次测试即可评估所有工况下冷渣器的排渣温度。对冷渣器进行了热平衡计算，灰渣散出的热量90～95%通过凝结水回收，对于灰分大于30%的中低热值燃料，使用冷渣器可以将机组热耗降低2%以上。对某超低热值油页岩电厂进行了冷渣器选型，结果表明：对于此类渣量大、布置困难的机组，体积小的膜式分仓式冷渣器更适合，此类机组可用冷渣器取代低压加热器。
关键词：滚筒冷渣器；传热单元数法；热耗；低压加热器
前言
随着国内煤炭资源情况变化，国内越来越重视利用CFB技术燃用低热值燃料，建设了一批燃烧煤矸石、煤泥的CFB锅炉机组[ ]。2013年中国煤矸石、煤泥等低热值燃料综合利用发电机组总装机容量达3000万千瓦[ ]。根据中国“十二五能源发展规划”，“十二五”期间将优先发展煤矸石、煤泥、洗中煤等低热值煤炭资源综合利用发电[ ]。
煤矸石、泥煤等燃料由于热值低、灰分含量高，一般来说煤矸石的灰分含量为烟煤的1.25-2倍，热值为烟煤的1/3-2/3[ ]。因此燃用煤矸石、泥煤等燃料的CFB锅炉的排渣热损失特别大，必须使用冷渣器冷却排渣、回收余热[ ]。国内外大型CFB锅炉最常用的是流化床冷渣器和滚筒冷渣器[ ]。流化床冷渣器对底渣粒度要求比较高，含有大颗粒的底渣会影响流化导致局部超温结焦[ ]，而加大流化风量又会使冷却埋管磨损加重，同时加风机电耗[ ]。滚筒冷渣器通过自身的旋转推动底渣运动，不需要对底渣进行流化，因此对燃料适用性较好，热量回收率高，已被大量运用于国内外的CFB锅炉上。
但是目前国内缺乏冷渣器的设计、制造和使用标准，产品性能和质量参差不齐。目前关于冷渣器的理论研究不多，冷渣器设计更多是根据以往经验。冷渣器的额定出力只是根据灰渣输送能力来确定，目前冷渣器厂家无法提供热力计算书，也不能提供相应的修正曲线。在电厂设计时冷渣器的选型缺乏理论指导和数据支持。
因此，通过实验测试和理论计算分析各种因素对冷渣器性能的影响，对冷渣器选型和电厂性能评估十分重要。
1灰渣运动理论与传热分析
膜式百叶式滚筒冷渣器，由滚筒、转动系统、驱动机构、进渣装置、排渣装置、冷却水旋转接头、电控装置、进渣管组件等组成。滚筒：由冷却水管构成，并与膨胀节、旋转接头、回水管形成封闭水腔。滚筒内壁焊有呈螺旋状分布的叶片，滚筒壁为折流式间壁换热器，采用凝结水作为冷源。滚筒内侧有螺旋布置的叶片，如图1所示。安装后滚筒与地面成一定角度，进渣端略高于出渣端。冷渣器启动前，先打开进出水阀门，待进出水压力、流量及温度满足要求后，通过变频器启动电机并调节滚筒转速。
图1滚筒冷渣器内部结构示意图
启动后，灰渣经落渣管进入冷渣器，螺旋布置的肋片将灰渣卷起，灰渣沿肋片方向向前滑落，被肋片携带至滚筒顶部的灰渣则向下洒落，且滚筒倾斜布置加速灰渣向出渣端滑移。滚筒冷渣器在结构和运行特点上与回转窑存在诸多相似之处，灰渣沿滚筒圆周方向的运动与回转窑类似[ ]。根据滚筒转速的不同，可分为 6种情形：滑移运动、间歇滚动、连续滚动、泻落运动、抛落运动和离心运动，在较低速度运转时（0-10rad/min，电厂应用的滚筒冷渣器的转速均在此范围内），灰渣在滚筒横截面内的运动主要是前三种形式[ ]。间隙滚动和连续滚动的主要区别是后者渣床表面的相对运动是连续不断的，而前者的这种运动是非连续的、是间隙的，在稳定运行的情况下这种间隙运动的周期是一定的[ ]。
冷渣器通过以上运动排渣的同时完成了灰渣的热传递，滚筒内传热过程可分为灰渣向覆盖壁面的传热、向非覆盖壁面的辐射传热、向空气对流传热，空气向非覆盖壁面的辐射传热。筒内轴向同介质的温度梯度远小于横向梯度，灰渣绝大部分热量被冷却水吸收，故轴向及进出口端面的传热量可忽略不计，滚筒内传热量以横向传热为主[ ]。
灰渣向覆盖壁面和非覆盖壁面的综合传热系数相差不是特别大，且壁面与冷却水之间导热性能良好，热阻主要来自渣测，内外筒壁温度接近水温，加上滚筒的周期性转动，筒壁的周向导热可以忽略不计。
2冷渣器性能测试方法
为了分析冷渣器的性能，同时为冷渣器运行、研究和设计提供可靠的试验数据，为进一步的理论分析提供基础，对3种不同型号的冷渣器进行了测试。各冷渣器的主要技术参数见表1。
测试方法和条件如下：
在保证电厂安全运行的前提下，选取数个不同工况进行测试，每个工况稳定运行一小时后测试。测试时，控制锅炉床温波动幅度在20?C以内，维持锅炉床压稳定，保证测试冷渣器连续运行，机组负荷维持在额定负荷左右。
排渣量通过称重法测量：盛渣容器（小推车或卡车车厢）就位，关闭链斗运输机进渣阀，开启事故排渣门向盛渣容器排渣，在此过程中用秒表计时，结束后用地磅称重。
进渣管外表面温度、筒体外表面温度负压风管外表面温度等参数由红外测温仪测量，负压风管流速由皮托管测量，锅炉床温、机组负荷、冷却水参数等数据从DCS读取，排渣温度通过热电偶现场测量。
3频率对冷渣器性能的影响分析
为了研究转速对出力的影响，对A冷渣器进行了数次测试，结果如下图。由于滚筒冷渣器的转速都是由变频器控制，其频率为0-50Hz，故采用频率作为横坐标，以便更直观的表示冷渣器的性能。
从图可知，在床压一定的情况下冷渣器的出力与频率成线性正相关关系，测量结果非常靠近趋势线，其偏差是由床压波动、临时堵渣或灰渣粒径分布不均等原因导致的。由于灰渣轴向运动主要靠肋片推动，与单位时间内肋片对灰渣的作用次数成正比，故出力与频率成线性正相关关系。
传热单元数（NTU）随着频率的增加而逐渐减小，其曲线后半段趋于平缓。这表明前半段随着频率和转速的增加，灰渣传送能力增加的速度远大于换热能力的增加；后半段，由于排渣温度上升辐射传热强度迅速增加，换热能力增加速度接近灰渣传送能力增加速度。由于NTU减小，即综合传热系数与灰渣质量的比值减小，故排渣温度随频率增加而增加，与NTU成负相关关系。
为了保证冷渣器使用寿命，在满足床压的情况下应尽可能低速运转，不宜超过额定频率30Hz（60%）。冷渣器在额定频率下的出力约为18.93t/h，排渣温度183℃（床温770℃）。
图2排渣量、排渣温度等参数与频率的关系
4水渣比对冷渣器性能的影响分析
在机组稳定运行、灰渣特性不变的情况下，其排渣温度的影响因素主要为频率、水量。为了区分频率和水量对排渣温度的影响权重，在A电厂6个不同频率的测试结果上，模拟每个频率下水渣比从测试值扩展至最大、最小值对排渣温度的影响。由于冷渣器使用凝结水作为冷却水，因此冷却水水需在除氧器前返回凝结水管道，为了保证除氧效果排水温度不得高于除氧器设计温度（158℃），此外为了保证机组正常运行冷渣器最大水量为100t/h。即水渣比最小时排水温度为158℃，最大时冷却水量为100t/h。
假设变频器频率恒定时，滚筒内部灰渣运动规律不变；根据冷渣器的灰渣运动与传热特性，忽略滚筒内轴向传热与筒壁的周向导热；再假设冷渣器综合传热系数不变，则可以按照逆流式换热器采用NTU分析固定频率下水渣比对排渣温度的影响。
实际上，水渣比的变化会导致管内流速和管壁温度发生变化，影响冷却水与管壁之间的对流传热系数和灰渣与管壁的辐射传热系数，进而影响综合传热系数。又以10.4Hz最小水渣比工况与10.4Hz测试工况的综合传热系数比最大，为了计算该比例首先假设综合传热系数不变，分别计算两种工况下的灰渣向覆盖壁面的传热系数hs-w、灰渣向非覆盖壁面的辐射传热系数hr和管壁向冷却水的对流传热系数hw-f。假设灰渣向覆盖壁面的传热系数hs-w不变；灰渣辐射传热量占总传热量的36%9。
灰渣向非覆盖壁面的辐射传热系数hr计算公式：
式中：As-w为灰渣覆盖壁面面积；Aw-f为管内强制对流换热面积；最小水渣比工况的参数上标为1。
采用以上公式进行数次迭代后，计算的Z=1.034。，即6种测试频率下水渣比对综合传热系数的影响不超过3.4%。由于只对水渣比与排渣温度的关系进行定性分析，故可以忽略综合传热系数的变化，可把冷渣器当作逆流式间壁换热器考虑，使用传热单元数法（ε-NTU）分析冷却水参数变化对排渣温度的影响（计算过程中不考虑对环境的散热）。
根据ε-NTU法，间壁式换热器换热量计算公式如下[ ]：
采用公式6、7进行迭代计算，可得不同水渣比时的排渣温度和出水温度，不同工况下水渣比与排渣温度的曲线见下图。
图3排渣温度与水渣比的曲线
图中所有曲线在水渣比大于3后都接近水平，即当水渣比对排渣温度的影响非常小。且综合传热系数与水渣比成负相关关系，采用实际综合传热系数修正曲线会更加趋于水平。图中三角形表示修正后的点，以10.4Hz工况为例，水渣比从测试值8降低至4排渣温度仅增加1℃，从8降至3排渣温度增加2.5℃。
从图2可知，各测试工况的水渣比都大于3，额定频率（30Hz）时约为4.9。由此可见对于稳定运行的CFB机组，可忽略水量对冷渣器性能的影响，可假设冷渣器的排渣温度和排渣量只有由其变频器频率决定。
5冷渣器热平衡计算
排渣冷渣系统的输入热量为灰渣带入的显热；输出热量为冷却水吸热量和散热量，散热量包括落渣管散热量、冷渣器对环境散热量以及负压风带走的热量。
以C冷渣器15Hz工况为例，采用反平衡法计算得：冷却水吸热量3507kW；表面散热量32kW，落渣管散热量41kW，负压风吸热量122kW；输入热量3702kW。
不同工况下，输入热量的90%～95%被冷却水吸收。由于冷渣器采用加热器前的冷凝水作为冷却剂，并将被加热的凝结水在除氧器之前返回给水管道，因此冷渣器在收回热量的同时也起到了低压加热器的作用。各机组在正常运行工况下，通过冷渣器回收的热量以及冷渣器对机组性能的影响见下表。
从上表可知，由于B冷渣器的使用B机组毛热耗降低2.28%，是3个机组中最大的。由于B机组的燃料硫含量较高，从而用于脱硫的石灰石较多，导致底渣量较高，此外由于其冷渣器负荷较小进而排渣温度很低，故B机组回收热量多，热耗降低幅度大。A机组由于炉膛温度较低（约785℃），故冷渣器回收热量较少。
从测试结果可知，对于灰分大于30%的中低热值燃料，使用冷渣器可以将机组热耗降低2%以上。
6其他冷渣器性能评估
由于试验条件限制，B电厂和C电厂冷渣器只进行了两个工况的测试，且均未测试额定频率下的性能。由于结构上的相似性，可以借鉴A电厂冷渣器的性能规律来评估B、C电厂冷渣器在额定频率下的性能。
由于冷渣器出力与频率为线性关系，根据实验数据可计算得：B电厂额定出力为31.2t/h；C电厂额定出力为31.5t/h。
由于B、C电厂冷渣器在测试工况和额定频率时水渣比均大于4，且入口水温相近，可以忽略冷却水的影响。设冷渣器额定水渣比为4，根据A电厂冷渣器测试数据通过迭代计算出额定水渣比时各频率下的NTU，则可以拟合出A电厂冷渣器额定水渣比时NTU与频率的函数。将该函数除以A电厂冷渣器额定频率时NTU，可得额定水渣比时相对NTU与频率的函数（图4）。由此可计算的B、C电厂冷渣器在额定频率下的NTU，进而可计算得各冷渣器在额定频率下的排渣温度为：
B电厂在床温为910℃时额定排渣温度为200-209℃；
C电厂在床温为950℃时额定排渣温度为176-189℃。
图4相对NTU与频率的曲线
7某油页岩电厂冷渣器选型
某油页岩电厂设计床温770℃，水渣比2.121，凝结水温度61.4℃，计划A、B、C三种型号冷渣器中的一种，要求排渣温度低于200℃。各冷渣器在额定频率下的参数见表3。
从表可知，在排渣温度和出力方面C型冷渣器有明显的优势，但是A型分仓式冷渣器在单位体积换热量和尺寸上占有绝对优势。由于该电厂灰渣量非常大，需要的冷渣器数量多，而锅炉底部空间有限布置困难，在满足排渣温度要求的同时缩小体积至关重要。
若采用B型冷渣器最多只能布置10台，可将灰渣冷却至219℃、回收44.36MW热量，不能满足需求。C型冷渣器性能略优于B型，但是仍然不能满足要求。若采用A型冷渣器至少需要16台才能满足输送量，16台A型冷渣器可将灰渣冷却至186℃、回收46.6MW热量，满足排渣温度要求。由于A型冷渣器体积小，还可以增加冷渣器台数进一步降低排渣温度。因此该油页岩电厂选用A型冷渣器。
采用16台冷渣器可回收46.6MW热量，将所有凝结水加热至124.3℃。因此可取消部分低压加热器（#8、#7、#6低压加热器），凝结水从冷渣器出口接至#5低压加热器，加热至155℃后进入除氧器。这样既可降低成本，又可减少汽轮机抽气从而提高汽轮机出力，锅炉排渣热损失得到有效地控制，提高了机组发电热效率。
8结语
滚筒冷渣器的出力与转速成正相关线性关系，水渣比大于3以后对排渣温度的影响可以忽略。对于温度运行的流化床机组，可认为冷渣器的排渣温度和排渣量只有由其变频器频率决定。对于灰分大于30%的中低热值燃料，使用冷渣器可以将机组热耗降低2%以上。分仓式冷渣器相对于传统滚筒冷渣器，在单位体积换热量上有很大提升，体积重量显著降低。对于渣量特别大的超低热值油页岩电厂，可对热力系统设计进行优化，冷渣器取代低压加热器的部分功能，大幅提高了机组发电热效率。
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论文作者:丁毅
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年8月下
论文发表时间:2016/8/31
标签：温度论文; 滚筒论文; 频率论文; 电厂论文; 机组论文; 冷却水论文; 工况论文; 《建筑建材装饰》2015年8月下论文;