低质量流率垂直管圈超临界煤粉锅炉的水动力特性分析

低质量流率垂直管圈超临界煤粉锅炉的水动力特性分析

陈俊

(武汉锅炉股份有限公司湖北武汉430205)

摘要：对于超临界锅炉采用低质量流速垂直管圈，不仅可以满足炉膛所需断面的设计要求，而且可以取消水冷壁入口的节流孔圈，简化了锅炉设计，同时为锅炉的安全运行和维护提供了有利条件。另外，由于质量流速较低，水冷壁流动阻力明显减小，从而降低了给水泵的电耗。内螺纹管不但可以强化传热，而且能够在低质量流速下破坏膜态沸腾的发生。因此，低质量流速内螺纹管在超临界锅炉的应用中具有明显的优势。

关键词：低质量流率；垂直管圈；超临界煤粉锅炉；水动力特性；

垂直管圈水冷壁由于结构简单、制造工艺成熟，在亚临界参数锅炉中获得广泛应用，但在超临界变压运行直流锅炉中，由于管间热偏差大，该技术相对发展受限。

一、概述

对于超临界变压运行直流锅炉而言，在锅炉从启动至满负荷时，运行状态变化如下:当锅炉负荷在最低直流负荷以下时，水循环方式为依靠循环泵控制循环，随着锅炉负荷的提高，蒸汽压力经过高压、超高压、亚临界，最后升为超临界，水冷壁管内工质有两种状态，即单相流动和双相流动，工质的温度和干度也有很大的变化，如果出现流量偏差或运行参数的脉动，则容易出现传热恶化或金属温度波动，造成超温或疲劳破坏，因此防止出现水动力的不稳定成为超临界变压运行直流锅炉水冷壁设计的关键。根据锅炉总蒸发量和水冷壁管总数假定各管工质的质量流量和出口压力，根据在混合集箱处工质压力保持一致的条件，考察全部垂直管的工质最终出口压力是否满足均压条件，若不满足则修正并联管的流量，重新进行计算。然后将各回路在同一压降下的质量流量累计叠加，并与设计流量相比较。如果流量误差超过了许可范围，则改变初试的假定压力，重新迭代计算，直至总流量计算值与设计值的偏差值满足误差要求为止。

二、低质量流率垂直管圈超临界煤粉锅炉的水动力特性分析

1.水冷壁工质出口过热度和入口欠焓。在亚临界自然循环锅炉中，汽包作为蒸发受热面和过热受热面的分界点，而对于超临界锅炉，两者之间没有固定的分界点，水冷壁出口温度的确定主要是保证出口工质在最低直流负荷时仍有一定的过热度，从而避免低负荷时，本生点提高，甚至造成过热器带水。同时应考虑到水冷壁及汽水分离器材料选取的安全性和经济性，因此工质温度又不宜过高，此外，过高的水冷壁出口工质温度，对水冷壁温度偏为防止压力较低时，水冷壁工质在入口处汽化，从而造成水冷壁流量分配不均匀，因此工质的入口欠焓和过冷度不宜太小。当然，水冷壁进口工质的温度也不能过低(过冷度太大)，以免引起水动力的不稳定，其入口欠焓应小于产生水动力多值性的极限欠焓。因此，不会发生倒流现象。此外在最低直流负荷时，垂直水冷壁压降大于管屏的最大停滞压差，因此，也不会发生停滞现象。在低质量流率垂直上升管水冷壁系统中，工质流量在低热流密度区域内随着管子受热的增加而增加，呈现明显的自补偿特性，当锅炉热负荷不均匀时，这种自补偿特性能够降低管间的温度偏差和流量偏差，从而改善水动力特性。垂直内螺纹管由于其内壁摩擦系数较大，工质的摩擦压降在总压降中所占比例大于垂直光管水冷壁，因此在相同条件下，其自补偿特性比垂直光管弱。

2.水冷壁出口工质质量流量和温度分布。临界锅炉在不同负荷下，水冷壁在高热负荷情况下，炉膛中部水冷壁管内工质质量流量比炉膛角部水冷壁管中的工质流量小。这是由于同高度截面上，炉膛中部的热流密度约为炉膛角部热流密度的1.5倍，炉膛中部水冷壁管中的工质焓值较大，密度较低，纵向流速较高，摩擦压降份额较大，重位压降份额较小，因此炉膛中部受热强的水冷壁管内工质流量小于炉膛角部受热弱的水冷壁管内工质流量。炉膛中部水冷壁管的受热负荷较高，而工质质量流量较小，因此其出口工质温度高于炉膛角部水冷壁管的出口工质温度，其对应的管间温度偏差比较大，炉膛中部的水冷壁管内的工质质量流量比炉膛角部水冷壁管中的工质质量流量大。这是由于在低热负荷条件下，所有水冷壁系统中工质的焓值均不高，密度较大，纵向流速较小，摩擦压降份额较小，重位压降在工质总压降中所占份额较大，因此水冷壁系统在自补偿特性的作用下，炉膛中部水冷壁管的工质质量流量高于炉膛角部水冷壁管的工质质量流量，降低了炉膛水冷壁间的温度偏差。由于垂直内螺纹管中摩擦压降所占份额较高，导致工质流量的自补偿性减弱。在高负荷条件下，垂直内螺纹管内工质的质量流率分布与垂直光管情况类似，也呈现出“中间低、两边高”的趋势，且流量偏差明显高于光管的流量偏差。而在低热负荷条件下，垂直内螺纹管水冷壁位于炉膛中部的工质质量流率略小于位于角部的水冷壁管内工质质量流率，这与垂直光管的工质质量流量分布情况正好相反。由于内螺纹管内的工质质量流率的分布特性不具有自补偿特性，这也到导致了在各工况条件下，锅炉水冷壁管间的温度偏差都大于光管水冷壁条件下的温度偏差。内螺纹管可以改善单根管内工质的传热特性，进而防止传热恶化，但由于其摩擦压降增大，会导致锅炉水冷壁间的温度偏差和流量偏差增大；而光管在低质量流率设计条件下，由于具有自补偿特性，使得水冷壁间的工质流率偏差和温度偏差都得到了改善，这对于防止锅炉水冷壁安全事故是有利的。

3.根据垂直水冷壁管工质流量的分布特点，在炉膛角部的水冷壁管入口加装节流圈后，水冷壁各管间的工质流量重新分配，炉膛角部水冷壁管内工质流量降低，炉膛中部水冷壁管内工质流量增加。各管间的工质质量流量分布与炉膛内热负荷的分布相匹配，从而改善了水冷壁系统的水动力安全。给垂直水冷壁系统增加中间混合集箱后，下部各水冷壁出口工质在中间混合集箱得到充分混合，消除了由下部炉膛热负荷不均匀引起的管间流量偏差和温度偏差。工质流量重新分配后，进入上部炉膛，有效降低了水冷壁管出口处的工质流量和温度偏差，从而保证了水冷壁系统的水动力安全。低质量流率垂直管圈水冷壁增设节流圈或者加装中间混合集箱后，将其应用于超临界煤粉锅炉是安全可行的。对于切向燃烧方式、W火焰燃烧方式和前墙燃烧方式的锅炉，其炉内的热流密度分布与前后墙对冲燃烧方式锅炉存在差异，如果应用垂直管圈水冷壁布置形式，其水动力特性也会有差别。切向燃烧的炉膛截面热负荷不均匀性较大，因此垂直水冷壁管出口的工质流量偏差和工质温度偏差会比前后墙燃烧方式大；W火焰锅炉的下部炉膛热负荷较高，在此区域容易出现管壁温度过高等传热恶化现象；前墙燃烧方式会使得侧墙热负荷不均匀性增大，垂直管水冷壁出口的工质流量偏差和工质温度偏差增大。

采用低质量流率垂直管圈技术的超临界煤粉锅炉可以保证水动力的安全性。同时降低了水冷壁工质的流动阻力，而且水冷壁在各种工况下热应力得到改善。在高热负荷条件下，只采用垂直上升管的水冷壁系统，存在管壁温度过高，管壁出口工质的流量偏差和温度偏差较大等情况，对水冷壁的安全运行不利，需要采取相应措施。

参考文献：

［1］陈听宽．超临界与超超临界锅炉技术的发展与研究［J］．世界科技研究与发展，2016，27(6):43－47．

［2］岳峻峰，高远，黄磊，等．600MW超临界旋流燃烧器锅炉优化运行研究［J］．电站系统工程，2016，26(3):15－17，20

［3］李燕，赵新木，岳光溪，等．低质量流速垂直管屏技术的原理与应用分析［J］．热能动力工程，2016，21(6):640－643+647．