直接燃煤DCW磁流体发电机的试验研究.pdf

一 九八 三年 第一期 南 京工学 院 学报 JOURNA LOFN乃价{JI冈 Gi卜巧TITUT七 O FTEC H卜 、O LO G、 限 1 夕83 直接燃煤 DCW 磁流体发电机的试验研究 ‘ 蒋持志吴林颖珠 本文介绍了田纳 西 大学的能量转换试验装置 E n 。r、y Co l l 、二 slon F ac,htJ , 简称 EC F 的主要系统和部件 。 该装置采用污染式空气预热器和 6『 「CW 磁流 体发电机 , 嫉烧 室 的热输入 为 12一15兆瓦 , 全邢灰渣 通过发 电机 。 文章 给出 了在工 9 80 198 1 一年期 间所进行的 T尸4 0玛系列试验的结果 , 其中包 括燃烧 室的性能 、 通 道气体动力学 、 通道热流分布 、 电性 能和功率取出方 式等方面 的试验结果 。 此外 , 还 介绍 了一种间接测量通道进口燃 气温度的方法 。 一 、 前言 从1971年开始 , 美 国田纳西大 学空 间研 究所 以下简称U T SI 便开始进行直接燃煤的 磁流体发电研 究工作 , 建成了 E C F试验装置 , 其目的在于为开环 磁 流体发 电系统中间试验 装置 CFFF ** 各部件的研制提供设 计依据 , 同时也可在该装 置上进行燃煤磁流体发电的其 它 试验研究 。 E C F 装置包括两套机 组 , 一号 机组用于试 验燃烧室 和发电系统的性能 , 二号机组用来 进行M HD 磁流体发电下游部件的 试验研究 。 除燃烧室 、 磁铁 、 发 电机 、 扩散器 和下 游部件外 , 其它系统均共用 , 包括煤粉和种子的制备和输送系统 、 冷 却水供应 系统 、 氧气和 氮气供应 系统 、 煤油 和柴油供应 系统 、 供电系统 、 功率输出系统 , 以及 测量 、 取样 、 数据采 集和操作控制 系统等 。 一号机组包括 一个 污染式预热器 、 气流 分布板 、 燃煤燃烧室 、 锥形过渡段 、 喷嘴 、 斜连 接导 电壁 D CwMHD 发电机和一个扩散段 。 二号机组没有发电机 、 磁铁 , 但有一套下 游 本文于1982年9月1 6日收到 . 本文总结了作者在田纳西大学空 间研究所进修期间的部分工 作 , 根据与导师Y . 〔 ’ . 工 . w 及M . C . 划朽 t献t 、 M . H . 5。。t t 合作的论文11改与湘成的 柑是 Co al J犷 r ed 玉 4 lowl厂 a 。 1ty 的简称 , ;丈欢置建 汪 U l ’5 1 , 是大囚能鸽 , 司二义 」寺的.州个仪 人的燃沫滋流体反 电研究三转置之一 , 已于1981年基本健成 。 设备 , 可进行燃气和 渣的取样及测量 , 取得 下游 的各种数据 。 近年来 的工作主要在一号 机组 上进行 , 从 1978 年开始 , 至今进行了 两个系列 累计数十次的试验 , 定名为T P4 0A 系 列和T P4 0B系列 , 其中T F4 0 A从1978 年 到 1 9 8 0 年进行了两年半[ 2二 , T P4 oB从 198 。年到198 ] 年进行了大约一年的试验 巨1] [3」 。 E C FMHD 装置采用 不 同比例的氮氧 混合物为氧化剂 , 用污染式预热器以进行热 氧化剂的燃烧试验 , 发电机为6 0 0 DCW 型 又执 限体宁 ,卜梦牛 分布板 图 i 污染式加热器 发电机 , 全部灰渣通过发电机 , 即采用不排渣燃烧室 。 其基本运行参数如下 煤种 Illin ois 6 煤 H ZO 3写 灰份 12 . 553 . 9 C66H 4 . 9N 1 . 2 0 8 . 5 总 的燃气质量 流量 1 . 4‘1 . 8 公斤/秒 化学 当量比 0 . 8 5 总的热输入1 21 5 兆瓦 N/0 比率 0 . 2、0 . 3 钾种子含量 12 按重量 污染预热器出口气体温度 9 00130 0 O K 燃烧室温度 290031 0 0 O K 燃烧室 压力 4 公斤/ 厘米 ’ 磁场强度 1 , 5和2 . 0 泰斯拉 电压 500800 伏特 电流 3050 安培 最大 电功 率 4 0一4 5 班 由于煤斗容量 限制 , 最长运行时间不超过一小时 。 TP4 0A 和TP4 0B系列试验的目的为 1 . 比较带帽和 不带 帽电极的性能 , 各种材料电极帽的比较 , 电极腐蚀和磨蚀的情 况; 2 . 电极帽焊接情况的考验 ; 3 . 发电机的 电性能 ; 4 . 对各种功率输出方案进行比较 ; 5 . 评价各种绝缘材料的性能 ; 6 . 评价污染式预热器及燃煤燃烧室 的性能; 7 . 用光学探头测量喷嘴处等离子体的相对温度分布和绝对温度值 , 用 以研究燃烧的稳 定性和均 匀性 。 两个 系列 的区别在于 T P4oA 所用的燃料全部是煤 , 而T P4 0B采用煤油混烧 , 以模 拟 E T F * 所要求的燃气工况 , 即燃气 中含灰量 和含硫量与 E ’}‘ [ 的要求的一样 。 ET I 扩 采 用富氧率为 3 4 的氧化剂 , 燃用I l l in oi56 “ 煤 , 而 E曰 了 的燃气流量比E T厂小得多 , 装 置相 对热损失大 , 为了得 到 必需 的燃气电导率 , 只能采用高富氧率的氧化剂 , 这样若仍全部 燃煤 , 则燃气 中的含灰 、 含硫量便比额定值大多了 。 T P4 0八中煤和种子 的总流量 为0 . 9 9 磅/ 秒 , 而T P4 0B中油流量为。 . 4 1磅/秒 , 煤 和种子 流量 为 。 . 5 7 磅/秒 。 二 、 试验装置介绍 下面简单介绍一 下ECF的主 要 系统和部 件一号 机组 的 。 〔一 、 煤粉系统 ECF的煤粉系统用一 个 自制的滚动球磨机 , 将煤粉磨到妇5召左 右 , 然后用气 流输送 经 分离 器加入 两 个煤斗 , 排气经 袋滤 器由引风机排出 。 试验 时用 氮气充 压 , 将煤粉 由煤斗经输 煤管 、 煤粉流量计压至煤喷嘴 。 用 Co [ ’i oh S 质量 流量 计测 量煤粉 和种子的瞬 时流量 种 子 在磨煤时就和煤粉混合好了 , 另外用电子 秤测 量煤斗 中累 计流量 , 进行对比校核 。 二 、 氧化剂系统 有液氧和液氮贮罐 , 自己不制氧 , 用 孔板流 量计 测量氧化 剂流量 。 三 、 磁铁和 电源 采用水冷常规电磁铁 , 每侧有四个绕组 , 其中三个各为4 8圈 , 另一个为 55 圈 , 磁极头 长 。 . 9 1 4米 。 磁铁 的供电系统包括扬 个Mi l l er 人I o d e l S 尺H 一 44 4 焊接 电源 , 分为四组 , 每组四个 , 串联起来 , 再将四组并联起来 , 磁铁工作时分两档 , 低档时每组电流为2 0 oA , 总 电流为 80 0 A , 磁场强度为上6T ; 高档时每 组电流 为 40 0A , 总电流 为 16。 。A , 磁场强度 为2 . IT 。 四 、 燃烧室 1 . 污染式预热器 主要 有两 种型式 , 一种型式 是煤油从 圆周 上 等距离的六点喷入 , 氧气在第一级 喷入与煤油 混合 、 燃烧 , 在第二级 再加 入氮氧混合物 , 如图 1所示; 另一种是新设 计 的 , 型式与 目前已 商用化了的紊 流 喷嘴相 似 , 结构比 较 紧凑 , 氧 化剂从头部喷入与煤油 混合 , 在一个 不锈钢壳体中燃烧 , 壳体外有耐 火材料 , 再外面是水冷 而而而而而而而而而而而而而而而而而而 钮钮钮钮 。、 华{ { { { { { { { { { { { { { { { { 刃于 一一 世世世世世世世世世世脚豁半 一一一一 ,” ’ 娜娜娜娜娜 炼味雀 一 \ 抽 线 洲嘱 比 兰出 ,多 管 一 丫 - 死二 川 粼 夹套 , 污染式预热器的压力是 7公 斤/厘米 2, 图2 E C F针框磁流体发电机 出口气体温度为90 0一130 oK 。 2 . 气体 分布板和煤喷嘴 90 0 一拐 0 0 K 的氧化 剂经分布板与中心的煤喷嘴喷 出的煤粉 及种子混合 , 自动点火 , 分布板 的作用是 为 了加 强混 合 , 稳定燃 烧 , 也试验了两种型 式 , 劳 是 孔 E 图l l c o ri l lg T e t Fd 。 l i t 的缩 写 , 是美国磁流体发电研究 翅划甲 、佳务建造 的工业性试验装 置 , 正 设计中 。 一种小孔流 速为马赫数等于0 . 7 , 另一种为0 . 9 , 以得到更好的混合 , 但因此压降较高 , ‘r F4〔出 采用第二种型 式分布板 , 板上还有四个液体燃料喷嘴 , 不烧油时亦可用来 测量压力 。 气流分 布板中心是煤 的喷嘴 , 端部有一个锥 形的喷头 , 刻有 螺旋 式 的槽子 , 有四个旋 流 叶片 用以产 生旋流 , 加强 混合 , 利于燃烧 。 耳 。 节勺{ 一 寸3 . 煤燃烧室 为一 圆柱体 , 直径 为 35 . 6 c ll l , 长 3 8 . I c n l , 内衬用水冷管绕成 , 埋在 耐火 材料 层里 碳化硅 , 作为保护层 和减少热损失 。 燃气经一 个 锥形段再由一 个圆变矩 形的过渡喷嘴平滑 地 过渡 进入 磁 流体发电机 。 五 、 磁流体发电机和扩散段 图 2 采用 6 0 “ 斜连接框式 D CW 发电通道 , 共有 7 2个水冷整 体铜框架 , 总长 l . 1 0 m , 进 口截面积 为 玉 一 公 护 . Ž一 J 古.1e s l 袱”|卜 不 | 八百‘ 书本 l 尸 厂性 | 五 一 一 几 †||‘ 、 二 找 叮 产 卜 ” 一 妥叭 T ‘ , 户 幸 |点 † 1 .、 干 ⋯ 林 左卜 l 幸 一 一 、 l 笼 .1 ‘ . 上 皿 | 、 n ,一铲、 啥 ” || 仁 扩 一一 女 一 一 一 沁一 l育 一 丫.、 人 勺 . 厂 个 一 1.阵 人 † l 、 八 叭 气 Ž l ‘ V l re s e s e s 卜1 ˆ . | 义Š l 火 ‘ 图3功率输出系统 6 . 1 9 X 1 0 一3 m ￡, 出口截面积为 1 . 55 X10 “才m Z , 共分为 8 大段 , 每段有九个框架 , 电极有带 帽的和不带帽的两种 , 帽子的材料和结构有多种 , 也有用铂片或铱片焊在帽子 上 当阳极的 , 也有只用合金钢 的 , 铂片 的厚度为。 . 0 1英 夕 O 一.r„ 酬洲遥国 时 。 各框架之间均有绝缘垫片 , 试用了多种 材料 , 但基本材料是 用氮化硼浆液浸透了的 酚醛树脂玻璃布 , 垫 片厚约0 . smm 。 燃气经过渡喷嘴加速 , 在通道内为超音 速流动 , 再在扩散段中减速至亚音速 , 然后 经一尾管排入大气 。 六 、 功率输出系统[ 4 ] 外负载是由 空气冷却线圈组 成的 , 改变 组数 , 提供 0一16 欧姆电阻的负载 , 每步 4 欧姆 , 改变 负载 , 以得到负载线 。 取通道前九个电极框 架及喷嘴为一端 , 最后四个 电极框架及扩散 段为另一端 , 每个 功率输出极的 电路 均串联 有一限流电阻 , 一 个二极管及 一个电流表 , 然后前十 个输出极并联 , 后五 个也并联 , 两 端之间 再连接主负载和 电流表 , 如图 3 所示 。 研究和试验了三种功率输出电路的型式 上 限流 电阻 的选 取是以使功率 取出 区的霍耳 电流最 小为 原则 , 这是 根据 将 a 0 。 OC W发 电机完全按法拉第方式运行 时 的计算结果来选取 的 。 2 . 使各个 电极的 电流相等 , 以避 免某 一 -一一一一 一后 - 卜 _ _一苦 一 U, 护沪 户、 -- 一七 -- 一 __ _ _ __ 了 厂 从一 厂 {/一一 一一 产 沪 一 一一一 _ _ 性 _, 一/ 一下一 ’ 一、 _之沈一一匕一二下二二飞 15 2 025 一/一一一口一一 一 一一岁一一了 厂 比 v田„ 只 ”弓尸岌 10152 02 3 日}. i J 一J 图4 燃烧室压 力和燃 气流量的变化 些 电极上 的 电流集中造成电极的损坏 。 来选取限流电阻的数值〔 5」 。 在TP4 0 B 用 Pa n 一 Do s s 对 D CW 发电机进行的分析计算结果 中就是以这个 原 则来选取 限流 电阻 的 。 3 . 简单处理为各引出电路 的限 流 电阻值相 等 。 事实上 , 当发电机工 作点变化时 , 限流电阻值 不 会始 终处 于最佳值 , 需要 用可变电阻进 行调节 , 而 大功 率的可变电阻 在技术匕尚存在 很多 问题 . 需进一步加以研 究 。 一七、 测量 系统 1 . 常规 测量 氧 化剂 包 括氮气 和 氧气 , 煤 油 、 油 及水的流 量均 用孔 板差 压 计进 行 测 量 , 经压 力 变送 器送入数据采集系统 , 再转换成质量 流量后显示和记 录 , 供监测 和 分析 。 沿流 程各点 的静压力 , 包括污染式预热器 , 分布板 , 煤燃 烧室 , 过渡 喷嘴 , 发电通道 有1 2 个 测点 , 扩压段 2 个测点均 用变磁 阻V a lidy e 压力变送器来测 量 , 用压力为5 . 5公 斤/厘米 2 的空气 , 每两 分 钟手动吹扫测 压孔一次 , 亦可切换到自动吹 风系统 , 每 2 。秒钟吹 扫 , 1 5秒测量 。 为 了计算散热 量 , 进行热平衡 , 用铜一康铜 热电偶测 量了各路 冷却 水的温升 , 还用铬一 铝 热电偶 测量了流程中各部件表面温度及 电极帽 子 的温度等 。 2 . 电性能测量 测 量每个 电极框架的绝 对电压 , 各个引 出电极电路的 电流 , 总的负载 电流 。 此外为避免电极框 架间 产生 电弧 , 采用了限压 装置 , 其作用相 当于一个稳压二极管 。 3 . 电导率测定 在第 28 井, 3 6 “ 电极之 间装了一个交流 电导仪 , 输入 一个1 0 KH Z 的信 号 , 然后通 过 电压 和 电流滤波器 回馈 出 的电流和 电压值算出阻 抗 , 将 这三个 量送 入一个纸带 记 录仪 , 便可得到 电导率的曲线 。 4 . 等离子体相对温度分布和绝对值的光谱测量 用光学探头 在喷嘴平面 上 沿垂直 方 向测量了等离子体相 对温度的分布 , 探头采用 了一个滤光器 , 只能 滤过波长为 4 o3nm 或 705, lm士 3n n 的光线钾的谱线 , 如果这个 辐射强度为某一常数 , 则可 用普朗克辐射定律 算出一个 相对 温度来 。 也 可用 一个标准光源来进行校正 , 测定其绝 对温度值 。 试验中用 一 同 步马达来驱动波长 刻度盘 , 光谱仪用计算机控制 , 有专门的程序供运行人员通过C R r 终端 来选择波长扫描范围或固定在某一波长上 , 运行人员可以得到辐射强度随波长的变化曲线及 辐射 强度随时间变化的曲线 。 也 曾用钠线反转法来测量燃气温度 。 5 . 燃气取样和分析 用一个水冷不锈钢探针 进行连续抽气取样 , 靠一个隔膜泵来抽 气 , 燃气经由一个特殊的过滤器到一个取样调节器 , 取样调节器包括一个乙二醇除尘通 道 , 燃气中的水份在 5 仁c 以下冷凝并排出 系统 , 用泵把干烟 气 打到控制室 进行分析 , 为了防止取 样 针堵塞 , 用一个 三通阀周期性地 吹气 防堵 。 目前 在EC I 了 上进行连 续取样监测 的项目有 CO Z 红外线方法 仆 1 0 。 士l CO 红外线方 法 。3 0 士。 . 0 3 N O 化学发光法 。l0 00 o pl ,1 1 } _ loop p川 O 燃料电池 Z ro Z 法 〕25}二0 . 25 此外通过另 外 的取样管从喷 嘴 中取 样 , 每两分 钟对 日 2, N 2 . f, , C日 和其它气体进行色 谱分析 。 6 . 渣 的取样和分析 试验后沿 流程取渣样 , 将渣样加 热到1 0 。℃ 和 75o c 分别用重 量 法测定其水份和灰含量 , 用红外分析仪测定样品中5和 50 2 的含量 , 把部 分渣样和四硼酸 铿熔化再溶解于盐酸中 , 然后用吸收 光谱仪来进行其它 元素的分析 L . 八 、 数据采集系统 用一 个数据通用E c l ip s e 计算机进行数据采集 , 类似于数字 式 A / D 变换器 用一个 尸r e s t o n Mo d el GMA D 一 2 1型 二进制1 6 位系统的装置 , 电输入信 号有 30 4 个数据通 道 , 从 3 0 4 个 电信号中计算出的参数可利用另外的 1 个数据通道 。 3 0 4 个通道中前1 6个所用 的放 大器为 Pr e s士on 人 Jodel8 30 0XWB型 的 , 其余 28 8 个是用M o d el AD5 2 1型 的 。 Fl ; k e 4 275A 用可编程电压源 对接在A/D放大器前的一 个数据放大器来进行整定 。 所有的 电参数 及热电偶均用 1 0HZ频率扫描 , 压力 、 冷却水 温度及常规测量项目都以 IH Z 频率扫描 。 经过 十余年的努力 , 在E CF装置 上作了大量工作 , 取得了不少成果 , 为 CFF F的建 设提供了设计依据和经验 , 目前 C F FF已基本建成 , 但 CFF F 主要进行燃烧室 及 下游的 研究工作 , 一些单元试验仍在E C F上进行 。 三 、 试验结果和讨论 关于 T P4 0 八 的试验结果及其和理论 计算值的比较 , 在文献「6 〕中已有详细叙述 , 将试 验结果与三种数学模型计算的结果进行了比较 , 发现两者符合得很好 , 这三种模型 分别为一 维 、 二维 和一 个准 三维 的数学模型 。 这里着重介绍在 T P4 0B系列 中得到的试验结果 , 但也 取 用了T P4 0 A的某些数据进行分析 。 一 、 燃烧室 的性能 为了模拟早期基荷电厂ETF的真实情况 , 与 T P4 0A不 同 , 在 ‘r P4 0B中采用了煤油 混合燃料 , 燃气 中硫含量大约为总流量的 0 . 5 , 硫份和灰份含量都相 当于 在 用富氧率 34 的氧化剂燃用高硫煤含硫 4 时全部灰份通过发电机时的情况 , 这样便使材 料性能的试 验能在与基荷电厂相同的等离子体条件下进行 。 油煤混合物的燃烧非常稳定 , 图4上表示了在各种流量下燃烧室压力随时 间变化的情 况 , 正如图 4 上 所示 , 总的质量流量增加 , 燃烧室 压力也增加 。 然而 , 目前所用的分布板及燃 烧喷嘴的结构存在一定问题 , 由于加了喷油孔 , 火焰缩短 , 使气流分布板局部过热 , 在过热 的部分 很容易产生煤粉流 的结焦和堵塞 。 增加分布板煤喷嘴的冷却及加长 油喷嘴火焰的长 度 2,ooK」, t一 2 盆魔分布 了 3 一了呀⋯ 下5一- 温座陆 , j同合勺变{七 户之p小⋯ 4一 一r卜一 4 ƒ 的匡 。的区域 , 愈向下游 , 局部短 路 电流值愈 大 , 在局部短 路电流值等于负载电流处 , 出 现霍耳 电压 的反转 。 改变主负载的数值 , 这个反 转点的位置就会改变 , 主负载电流愈大 , 即 主负载电阻愈小 , 则反转点向下游移动 。在通 道 出口端 , 则恰好相 反 。 局部短 路 电流的大 小 , 只与 进口状态有 关 , 找出这个 反转点的位置 , 即可根据负载电流值画出局部 短路 电流的分布 曲线 。 而根据已知的通道进口压力 和燃气流 量值 , 可以算出不同进口温度下 的理论局部短路 电流分布曲线 。 将 试验 所得的局部短路电流 分布 曲线与理 论曲线相比较便可确定试验条件下 的通道进口温度 。 图 ] 7的上半 部 分是 根据 T 尸4 0A 试验中测得 的不 同负载下功 率输出区域的霍 耳 电压 分 布[ 6」 , 找出反转点的位置 , 在那 些点上 , 主负载电流等于局部短路 电流 , 从 而找出了试验 的局部短路电流分布曲线 。 同时用一个 三维 的数学模型及T 尸4 0八的流量参数和进口压力值 算出了当进口燃气温度为 270 0 , K和26 50 O K 时的 短路电流分布 , 如 图”下半部所示 。与 试验 曲线相比较 , 得出试验条 件下 , 世气的进 日温度为266 0 ‘ K , 这和用直接测量方法 测 得的结 果误 差在 } 之内 。 由于 电导率主要与燃气温度有关 , 故计算中假定压力和 流量参数对电导 率的影响不 大 . 所以用这个方 法就可以相 当准确地测定通道的进口燃气温度 。 参 考文献 [1」人1 . C . Altsta tt , C . 2 . Jia n g , ‘te 入 在 H DG o n er a to rE x p orjmon tal R e s、 11ts w1tl l FullA shal dszlfu r . Sp e eia list, M o etin g o n C oa l 一 Fir o d人花HD I ,o从 , 。, G e noz吸tion ‘ N o v . 19 81 , Syd ney . }2刁F . L . G a l arzg一, 、 、 te R os tlltso fTP40AG o ner ator T o st S e ries in T 壬 1。 、 UT S I E 。。r只y fo n ver、ion Fa eility . T o pie alRepo rt , FE