循环流化床锅炉密相区的运行状态变化频繁，密相区温度等参数显示不准确不仅会给运行人员的分析判断与调整操作带来非常大的困难，而且还会影响到锅炉的安全稳定与经济运行^{[1, 2]}，因此，保证循环流化床锅炉密相区参数的正常显示具有十分重要的意义。

青海盐湖工业股份有限公司5号锅炉炉膛由水冷壁前墙、后墙及两侧墙构成，炉膛的长、宽均为18 120 mm，深7492 mm，布风板标高7000 mm。以标高14 499.5 mm为界，可以从结构上将整个炉膛划分为上、下两部分，下部纵向剖面因前、后墙水冷壁与水平面相交角度为77°而成为梯形，燃烧主要在下燃烧室（密相区）进行^[3]。在密相区，床料最密集且活动最剧烈，燃烧所需的全部氧量和燃料都由该部分供给。其中一次风由布风板进入燃烧室，二次风由布置在炉膛密相区的前、后墙二次风口供给。通过调节二次风门，可灵活调节上、下层二次风风量。密相区下部后墙布置了4个炉膛排渣口。炉膛前墙布置了6个给煤口及4个石灰石口。来自旋风分离器的循环物料通过U阀回到密相区^[4]。

用于测量床料温度和压力的测量元件都安装在密相区中，温度测点具体设计布置位置见图 1所示^[5]。

图1(Figure 1)

图1 密相区温度测点设计布置位置

在检查系统的过程中，发现该锅炉密相区温度测点仅伸出炉墙70 mm，与常规布置方式相差很大（常规温度测点伸出炉墙约200 mm）。另外，清华大学热能工程系王进伟等人的研究结果认为，炉膛中、下部包括密相区的热电偶伸出长度不宜小于200 mm^[6]。因此，初步判定现有密相区温度测点伸出炉墙的长度偏短。

检查中还发现，布风板四周均有凸台，其上表面距离下层温度测点仅150 mm。因热电偶为斜向下布置，故凸台上表面距离下层温度测点探头更近，仅为60 mm左右，如图 2所示。

图2(Figure 2)

图2 密相区温度测点位置

相关文献表明，循环流化床锅炉炉膛四周存在热边界层，热电偶的插入深度只要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^[6]。图 2中凸台处的热边界层应该会大于凸台宽度，而图中所示热电偶伸出炉墙的距离很短（未大于凸台宽度），距凸台很近，理论上，此处热电偶无法正确显示其所处区域温度。

利用CFD FLUENT软件对5号锅炉密相区凸台部位的流场进行了数值模拟。根据流化床锅炉气固两相流宏观特性以及“环—核”流动理论，可将密相区流场简化为向下流动的物料（宏观视作1种颗粒直径为1 mm的流体），与布风板向上流动的风之间相互作用下的两相流场^{[7, 8, 9]}。

根据5号炉密相区尺寸建立了炉膛模型及网格模型，炉膛深度、炉膛宽度、炉膛高度分别定义为X、Y、Z 方向。因主要是为了考察前、后墙凸台对流场的影响情况，故模型截面（X 方向）按照实际尺寸制作，而将宽度（Y 方向）缩短为1000 mm，以减少计算量。

根据实际炉膛高度h（21.5 m），可计算出物料从炉顶自由下落至密相区上部时的速度为：

式中g—重力加速度，取值9.8 m/s²。

物料温度t取值900 ℃。

布风板上流化风速v_l 取值4 m/s，温度t_l取值900 ℃。

本文选用欧拉双流体模型，固相应用颗粒动力学理论，气相采用κ-s湍流模型^[10]。

通过仿真计算出的锅炉密相区压力分布情况如图 3所示。

图3(Figure 3)

图3 密相区压力分布情况

从图 3可看出，密相区凸台处压力较大，反映出此处物料较多，相应的边界层较厚，因此，现有热电偶布置方式将无法正确显示其所处区域的温度，遂决定对密相区温度测点进行优化改造。

温度测点调整前，锅炉带额定负荷90%以上时，密相区的温度显示情况如图 4所示。从图 4中可看到，密相区温度显示最小为389.5 ℃ ，最大为923.9 ℃，温差最大达534.4 ℃；相同位置上、下层温度最大相差534.4 ℃。温度数值相差非常大，基本失去了监视意义。

图4(Figure 4)

图4 温度测点改造前密相区温度显示截图

将模拟计算结果通报给锅炉制造厂及有关设计单位后，制造厂技术人员到现场进行了实际勘察。经多次协商，制造厂最终同意对密相区温度测点进行改造。具体方案为：

（1） 将测点安装方式改为套管式（原测点安装方式为直接浇筑在炉墙内），以方便热电偶损坏后进行更换；

（2） 热电偶伸出炉墙长度由原来的70 mm改为≥200 mm。

根据上述方案改进后的密相区温度测点如图 5所示。

图5(Figure 5)

图5 改进后的密相区温度测点

温度测点优化改造后，5号炉带满负荷时密相区的温度显示情况如图 6所示。从图 6可看出，炉膛密相区温度最小825.8 ℃，最大890.5 ℃，最大温差由改造前534.4 ℃大幅减小至64.7 ℃；相同位置上、下层最大温差也由改造前534.4 ℃大幅降为5.6 ℃，且温度显示较为均匀，改造效果非常明显。

图6(Figure 6)

图6 温度测点改造后密相区温度显示截图

根据此次5号循环流化床锅炉密相区温度测点改造情况及取得的效果，提出以下建议供有关单位或相关技术人员参考：

（1） 设计制造时应注意炉膛密相区热电偶的伸出长度（不宜小于200 mm）；布风板四周有凸台布置时，伸出长度应适当加长（最好伸出凸台）。

（2） 热电偶套管宜采用耐热、耐磨材质，以加强对热电偶的保护，降低热电偶的消耗量与更换频率。