電站鍋爐水冷壁管水動(dòng)力和傳熱特性的試驗(yàn)研究方法

俞谷穎， 張富祥， 楊 勇， 于 猛， 朱才廣

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海200240）

電站鍋爐爐膛水冷壁處于鍋爐熱負(fù)荷最高的燃燒區(qū)域，并且水冷壁管內(nèi)流動(dòng)的工質(zhì)在傳熱過(guò)程中伴隨著聚集狀態(tài)的變化.當(dāng)工質(zhì)參數(shù)接近臨界點(diǎn)或擬臨界點(diǎn)時(shí)，其熱物理特性會(huì)發(fā)生很大變化.工質(zhì)的熱物理特性變化以及水冷壁管內(nèi)表面的狀態(tài)等因素都對(duì)水動(dòng)力和傳熱特性影響極大.因此，水冷壁管的水動(dòng)力特性和傳熱特性受到業(yè)界的廣泛關(guān)注［1］.

深入研究亞臨界壓力和超臨界壓力直流鍋爐，了解直流鍋爐爐膛水冷壁管內(nèi)的水動(dòng)力特性和傳熱特性，掌握發(fā)生膜態(tài)沸騰的規(guī)律以及內(nèi)螺紋管抑制和推遲膜態(tài)沸騰的效果，其目的是為直流鍋爐爐膛水冷壁的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供可靠的技術(shù)依據(jù).為此，上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海成套院）建立了水動(dòng)力和傳熱特性試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作［2］.

1 水動(dòng)力和傳熱特性試驗(yàn)方法

從1965年起，上海成套院與上海鍋爐廠開(kāi)始合作研制亞臨界壓力300MW直流鍋爐.為了防止?fàn)t膛水冷壁發(fā)生膜態(tài)沸騰傳熱惡化，上海成套院開(kāi)始了內(nèi)螺紋管水動(dòng)力、傳熱特性研究，試驗(yàn)研究的對(duì)象是管徑為22mm、壁厚為5.5mm的鰭片管.由于當(dāng)時(shí)條件的限制，試驗(yàn)在江蘇望亭電廠130t／h鍋爐爐膛內(nèi)進(jìn)行，將管徑為22mm、壁厚為5.5mm的內(nèi)螺紋管與相同尺寸的光管并列固定于爐膛的2根水冷壁管之間，試驗(yàn)管具有獨(dú)立的汽水循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)螺紋管與光管內(nèi)的質(zhì)量流量相同，通過(guò)改變?nèi)剂狭縼?lái)改變?cè)囼?yàn)管的熱負(fù)荷.通過(guò)比較光管與內(nèi)螺紋管的傳熱特性得出以下結(jié)論：當(dāng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行、工質(zhì)質(zhì)量流速vm不小于2 100kg／（m2·s）時(shí)，燃煤鍋爐可以采用光管，而燃油鍋爐則必須采用內(nèi)螺紋管.據(jù)此，河南姚孟電廠1號(hào)300MW機(jī)組亞臨界壓力燃煤鍋爐水冷壁采用光管，而江蘇望亭電廠12號(hào)300MW機(jī)組亞臨界燃油鍋爐水冷壁則采用內(nèi)螺紋管［3］.

雖然試驗(yàn)取得了成功，但是由于試驗(yàn)受到鍋爐運(yùn)行的限制，因此對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)仍有一定的困難，所以建立了第一代膜態(tài)沸騰傳熱試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)自上世紀(jì)70年代開(kāi)始建造，先后經(jīng)歷了三次大的改建.

1.1 膜態(tài)沸騰傳熱試驗(yàn)臺(tái)的建立

在1973—1979年期間，上海成套院承擔(dān)了“亞臨界壓力直流鍋爐爐內(nèi)傳熱特性的試驗(yàn)研究”專(zhuān)題項(xiàng)目，主要用于解決300MW機(jī)組直流鍋爐一次上升水冷壁管的安全問(wèn)題.在亞臨界壓力下，對(duì)管徑為22mm、壁厚為5.5mm的四頭內(nèi)螺紋管的膜態(tài)沸騰傳熱進(jìn)行了試驗(yàn)研究.為了使試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，在西安交通大學(xué)、哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司、東方鍋爐股份有限公司以及重慶大學(xué)等單位的合作下，上海成套院于1973—1974間建成了膜態(tài)沸騰試驗(yàn)臺(tái).試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)：試驗(yàn)壓力為19.6MPa，試驗(yàn)管內(nèi)壁熱負(fù)荷分別為250kW／m2、350kW／m2和450～500kW／m2，質(zhì)量流速分別為600kg／（m2·s），450kg／（m2·s）和300kg／（m2·s）.

膜態(tài)沸騰傳熱試驗(yàn)臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)管段采用單面輻射加熱方式

采用管徑為9mm的二硅化鉬棒作為發(fā)熱元件，它能承受1 700℃的高溫.二硅化鉬棒的兩端通以50～54V電壓和300～400A電流，并根據(jù)試驗(yàn)所需的熱負(fù)荷對(duì)相應(yīng)的電壓電流進(jìn)行調(diào)節(jié).

（2）采用遮熱片隔絕試驗(yàn)管兩側(cè)和背面的熱量

實(shí)爐膜態(tài)水冷壁管的受熱工況除了單面受熱外，管子鰭片頂端的熱流傳遞方向垂直于管子軸線.因此，在試驗(yàn)管段鰭片兩端和背面裝有遮熱片，遮熱片焊接在管徑為14mm、壁厚為3mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管上，管內(nèi)通水冷卻.圖1為試驗(yàn)管段測(cè)點(diǎn)布置.圖2為試驗(yàn)爐橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖.

通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)SG型四頭內(nèi)螺紋管的傳熱特性進(jìn)行了全面研究，該四頭內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.

圖1 試驗(yàn)管段測(cè)點(diǎn)布置 （單位：mm）Fig.1 Arrangement of measurement points on the test piece（unit：mm）

圖2 試驗(yàn)爐橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig.2 Structural diagram of the test furnace cross－section（unit：mm）

圖3 四頭內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of the 4－threaded rifled tube

通過(guò)試驗(yàn)研究得到，管徑為22mm、壁厚為5.5 mm四頭內(nèi)螺紋管的傳熱惡化的開(kāi)始點(diǎn)臨界質(zhì)量含汽率xL可以表達(dá)為

式中：p為壓力，MPa；qn為管內(nèi)壁熱負(fù)荷，kW／m2；vm為工質(zhì)質(zhì)量流速，kg／（m2·s）.

內(nèi)螺紋的深度對(duì)含汽率xL有很大影響.當(dāng)內(nèi)螺紋深度為0.5mm時(shí)，可以保證水冷壁的運(yùn)行安全.

1.2 輻射加熱水動(dòng)力和傳熱特性試驗(yàn)臺(tái)

在“八五”期間，上海成套院承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目——超壓5%自然循環(huán)鍋爐的研制，其汽包壓力達(dá)到19.6MPa，還承擔(dān)了超壓5%自然循環(huán)鍋爐水冷壁傳熱特性和水循環(huán)可靠性的研究.該科技項(xiàng)目要求對(duì)管徑為60mm、壁厚為7mm矩形槽內(nèi)螺紋管進(jìn)行試驗(yàn).

為了模擬試驗(yàn)管的實(shí)爐工作條件，采用單面半周輻射加熱，試驗(yàn)管輻射加熱爐的橫剖面和縱剖面結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖4和圖5.從圖4和圖5可知：試驗(yàn)管輻射加熱爐爐膛由2個(gè)半徑分別為117.5mm和45 mm的直段組成，兩圓心距爐膛中心分別為35mm和10mm，爐膛高度為700mm，爐膛四周爐壁、爐頂和爐底材料均采用剛玉磚，厚度均為57.5mm，爐芯外圍爐體采用輕質(zhì)耐火磚砌成，直徑為800mm.

對(duì)原有試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了以下改進(jìn)：（1）在試驗(yàn)系統(tǒng)中增加了循環(huán)泵并采用封閉式的控制循環(huán)方式，不需要進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)水；（2）由于試驗(yàn)管徑的增大，熱負(fù)荷的需求增大，因此在加熱元件中增大了二硅化鉬的質(zhì)量.

圖4 試驗(yàn)爐橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig.4 Structural diagram of the test furnace cross－section（unit：mm）

經(jīng)改造的試驗(yàn)系統(tǒng)采用封閉式的控制循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)通過(guò)循環(huán)泵的壓頭進(jìn)行循環(huán)（該循環(huán)泵工作壓力可達(dá)30MPa）；工質(zhì)經(jīng)過(guò)預(yù)熱段加熱，達(dá)到所需的溫度后進(jìn)入試驗(yàn)段，工質(zhì)出試驗(yàn)段后進(jìn)入汽水分離器，出來(lái)的蒸汽或部分熱水進(jìn)入給水加熱器用于加熱給水，最后進(jìn)入蒸汽冷卻器，冷凝水利用自身重位壓頭下降，與分離器內(nèi)分離出的飽和水混合后進(jìn)入循環(huán)泵進(jìn)行重復(fù)循環(huán).

圖5 試驗(yàn)爐縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig.5 Structural diagram of the test furnace longitudinal－section（unit：mm）

試驗(yàn)臺(tái)建成后，進(jìn)行了矩形槽內(nèi)螺紋管水動(dòng)力與傳熱試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)矩形槽內(nèi)螺紋管發(fā)生傳熱惡化時(shí)，它的壁溫仍然很高，但由于矩形槽內(nèi)螺紋管的作用可以使臨界質(zhì)量含汽率xL提高.在壓力為19.6MPa下，xL可用下式進(jìn)行計(jì)算［4］：

1.3 電加熱超臨界水動(dòng)力和傳熱特性試驗(yàn)臺(tái)

為了完成上海市經(jīng)濟(jì)委員會(huì)下達(dá)的上海市重大技術(shù)裝備支撐建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)的子項(xiàng)目——1 000MW超超臨界壓力直流鍋爐螺旋型水冷壁的水動(dòng)力和傳熱特性研究課題，在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)管徑為38.1mm、壁厚為7.2mm的傾斜上升光管進(jìn)行試驗(yàn)研究，將傾斜光管的傾斜角度定為26.120 3°，與上海鍋爐廠生產(chǎn)的1 000MW超超臨界壓力塔式直流鍋爐的螺旋管圈水冷壁傾斜角保持一致，試驗(yàn)壓力從亞臨界到超臨界，以模擬鍋爐啟動(dòng)全過(guò)程.

由于二硅化鉬棒在高溫下很容易軟化，無(wú)法水平或傾斜放置，所以對(duì)傾斜光管不能采用輻射加熱方式.

為解決上述問(wèn)題，筆者提出了以下2種試驗(yàn)方法：（1）在試驗(yàn)臺(tái)上采用電直接加熱法；（2）在實(shí)爐水冷壁上布置向火面、背火面管壁溫度測(cè)點(diǎn)，并根據(jù)測(cè)得的壁溫采取迭代計(jì)算方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.電直接加熱法以管壁作為發(fā)熱元件，雖然與實(shí)爐水冷壁管受熱情況有一定差異，但通過(guò)對(duì)管壁的傳熱進(jìn)行分析和計(jì)算，仍然可以得出正確的結(jié)果.

2 試驗(yàn)和結(jié)果

2.1 采用電直接加熱試驗(yàn)管段的傳熱方式

通過(guò)電流直接加熱，把試驗(yàn)管段的管體作為一個(gè)發(fā)熱元件，其熱量必然向2個(gè)方向傳遞.圖6和圖7分別為電加熱管子的傳熱和輻射加熱管子的傳熱示意圖.從圖6可看到：向外壁傳遞的熱量qo為散熱損失，向內(nèi)壁傳遞的熱量qi用于加熱流動(dòng)工質(zhì).在管壁內(nèi)必然存在某個(gè)位置（Rx），其壁溫最高，半徑為Rx的圓筒面為一絕熱面，Rx的位置與加熱效率η有關(guān).筆者認(rèn)為：傳向外表面的熱量為Rx與Ro之間管壁散發(fā)出的熱量，而Rx與Ri之間管壁散發(fā)出的熱量傳遞給流動(dòng)工質(zhì).試驗(yàn)管段的加熱效率為

若管壁內(nèi)具有均勻分布的發(fā)熱率Φ，則管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù).由此，可在Rx與Ro之間半徑為R處取厚度為dR的一圓筒薄層，對(duì)于該圓筒薄層，其傳熱方程為：

由式（4）和式（5）可以得到：

進(jìn)行積分可得：

積分常數(shù)C1由邊界條件t＝to｜R＝Ro確定，所以溫度分布方程為：

外層管壁內(nèi)溫度變化幅度為：

對(duì)于半徑在Rx與Ri之間的管壁，在半徑R處取厚度為dR的一薄層，同樣可以得到其溫度分布方程：

內(nèi)層管壁內(nèi)溫度變化幅度為：

圖6 電加熱管子的傳熱Fig.6 Heat transfer of electric heating tube

圖7 輻射加熱管子的傳熱Fig.7 Heat transfer of radiant tube

筆者通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算.表1為采用電直接加熱試驗(yàn)管段傳熱的試驗(yàn)結(jié)果，其中的數(shù)據(jù)是從管徑為38.1mm、壁厚為7.2mm傾斜光管（傾斜角度為26.21°）水動(dòng)力和傳熱特性試驗(yàn)研究中獲得的.在2009年3月13日，我院完成了超臨界壓力水動(dòng)力和傳熱特性試驗(yàn)［5－6］.

2.2 實(shí)爐單面輻射加熱的傳熱方式［1］

實(shí)爐單面輻射加熱試驗(yàn)則測(cè)量了水冷壁管向火面和背火面的管壁溫度（經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)背火面管壁溫度即為工質(zhì)溫度）.圖8為水冷壁管的傳熱過(guò)程示意圖.通過(guò)實(shí)爐單面輻射加熱試驗(yàn)，筆者測(cè)得了各點(diǎn)向火面和背火面的管壁溫度、相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)以及膜式水冷壁管的結(jié)果參數(shù)等，然后通過(guò)迭代計(jì)算可以得到各測(cè)點(diǎn)的內(nèi)壁溫度、對(duì)流傳熱系數(shù)以及內(nèi)壁熱負(fù)荷［7］.表2為實(shí)爐的試驗(yàn)結(jié)果.圖9為計(jì)算程序框圖.

圖8 水冷壁管的傳熱過(guò)程示意圖Fig.8 Heat transfer of water－cooled wall tube

表1 采用電直接加熱試驗(yàn)管段傳熱的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of heat transfer with direct electric heating tube

以下列舉了實(shí)爐試驗(yàn)下沿水冷壁管管長(zhǎng)方向的計(jì)算結(jié)果，其水冷壁管管徑為38.1mm、壁厚為6.78mm、節(jié)距S為53mm，管材為SA－T23，機(jī)組負(fù)荷為899MW，貯水罐壓力為25MPa，給水流量為2 470t／h，質(zhì)量流速為2 026kg／（m2·s）.

表2 實(shí)爐試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results with real furnace

圖9 計(jì)算程序框圖Fig.9 Block diagram of calculation program

3 結(jié) 論

通過(guò)分析2種試驗(yàn)方法中試驗(yàn)管的傳熱過(guò)程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，給出了在水動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上采用電加熱以及實(shí)爐試驗(yàn)單面輻射受熱的試驗(yàn)結(jié)果.通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，兩種試驗(yàn)結(jié)果非常接近，相差不到10%，完全能滿(mǎn)足工業(yè)性試驗(yàn)的需要.因此，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法，通過(guò)直接通電加熱和單面輻射得到的試驗(yàn)結(jié)果均可以作為水冷壁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù).

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