350MW 超臨界鍋爐螺旋水冷壁壁溫特性研究

王為術，李帥帥，周俊杰，畢勤成

(1．華北水利水電學院 熱能工程研究中心，河南 鄭州450011;2．鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州450001;3．西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安710049)

0 引言

熱電聯產可顯著提高燃料利用率，是全球公認的節能減排、保護環境、提高能源利用率的重要措施，為進一步提高效率，超臨界熱電機組將是承擔熱電聯供的主力［1-2］． 熱電聯產機組生產季節性、周期性強，鍋爐變負荷工況頻繁，鍋爐水冷壁工作環境復雜而惡劣，特別是爐膛側受到交變的高溫火焰輻射、爐內熱負荷分布不均、燃燒工況波動、管內工質流量分配不均等擾動影響鍋爐安全運行為．為保證鍋爐安全持續運行，水冷壁溫度水平和溫差必須要維持在安全范圍之內．

為此，筆者針對大唐林州熱電廠350 MW 超臨界鍋爐螺旋管圈膜式水冷壁的溫度特性進行數值研究，研究結果為鍋爐設計及安全運行提供了基礎．

1 膜式水冷壁簡介及數學模型

1．1 膜式水冷壁簡介

大唐林州350 MW 超臨界鍋爐水冷壁結構如圖1 所示，爐膛下部及冷灰斗采用螺旋管圈水冷壁，在標高41 089 mm 處經過中間集箱過渡為垂直管屏水冷壁． 下部水冷壁由φ32 ×5．5 mm、材料為15CrMoG、節距為48 mm 的光管組成的管帶圍繞鍋爐1． 6 圈到達中間集箱，螺旋傾角為17．235 3°;上部垂直水冷壁采用φ32 ×6．5 mm、材料為15CrMoG、節距為54 mm 的光管，水冷壁金屬的許用溫度為550 ℃．

圖1 水冷壁布置示意圖Fig．1 Schematic of zones arranged with water wall

爐膛內共有1 304 根水冷壁管，其中下部螺旋管圈326 根，上部垂直管978 根，編號從下爐膛開始，依次經過前墻、右側墻、后墻及左側墻，取其中60 根管(其中下部螺旋管40 根，上部垂直管中右墻8 根，后墻12 根)為研究對象進行分析，下爐膛水冷壁編號依次為1#、8#、15#、22#、29#、36#、

43#、50#、57#、64#、71#、78#、85#、94#、104#、114#、124#、134#、144#、154#、164#、171#、178#、185#、192#、199#、206#、213#、220#、227#、234#、241#、248#、258#、268#、278#、288#、298#、308#、318#，根據結果重點分析不同負荷下處于爐膛下部的螺旋管圈水冷壁壁溫特性． 表1 為林州熱電廠350 MW超臨界鍋爐主要設計參數．其中，BMCR 為鍋爐最大連續蒸發量，BRL 為鍋爐額定負荷．

1．2 膜式水冷壁的數學模型

在鍋爐運行中，當負荷和蒸汽參數穩定時，水冷壁可看作一個不規則區域的穩態導熱過程． 在啟動、停運或者變負荷運行時，由于水冷壁較長，水冷壁上下溫度變化率非常小，因此可以忽略其縱向導熱，將問題簡化為無內熱源的二維穩態導熱問題．同時有如下假設:①膜式水冷壁向火側只接受爐膛輻射熱量，忽略對流傳熱量，且熱負荷在一定范圍內均勻分布;②水冷壁背火側絕熱，經爐墻散熱量可忽略不計;③水冷壁管和鰭片材料相同，導熱系數僅與溫度有關;④水冷壁與管內工質的傳熱系數沿管壁周向取為常數．

表1 鍋爐主要參數Tab.1 The main parameters of boiler

水冷壁管截面可以分為圓管和鰭片兩部分，幾何模型如圖2 所示，依據數學模型可知:ABC 面為僅吸收輻射熱量的爐側受熱面，并且輻射熱負荷在該面上均勻分布;DEF 面為水冷壁背火側，包覆絕熱材料，將其視為絕熱面;GH 面為對流傳熱系數為常數的管內工質側，GF、AH 和CD 分別為管壁及鰭片中心線，為絕熱面．圓管區域和鰭片區域的控制方程采用有限容積法(Finite Volume Method)進行離散，網格的劃分和生成采用內節點法，在圓管部分生成極坐標系統，鰭片部分生成直角坐標系統，兩部分重合區域則采用線性插值法進行數值擬合［3-4］． 圖3 所示為膜式水冷壁的網格劃分．

圖2 水冷壁表面熱負荷及截面示意圖Fig．2 Heating load distribution around the outer wall of the tube and schematic view for cross section

圖3 膜式水冷壁的網格劃分Fig．3 Grid meshing of membrane water wall

1．2．1 水冷壁向火側邊界條件

接受爐膛火焰輻射傳熱的向火側為以爐側熱負荷為熱流密度的第二類邊界條件，爐膛內水冷壁任一處L 的局部平均熱負荷ql由下式求得:

ql=qpj·χ·η． (1)

式中:χ 為鍋爐沿爐膛高度方向上熱負荷分布系數，如圖4 所示． η 為熱負荷沿爐膛寬度的分配系數．qpj=BjQj/Hj． (2)

式中:Bj為計算燃料消耗量;Qj為單位質量燃料在鍋爐內的輻射放熱量;Hj為爐膛內輻射受熱面積．

參照文獻［5-6］中的方法求得膜式水冷壁表面角系數，針對所研究的膜式水冷壁求得表面熱流密度的分布如圖2 所示．

圖4 熱負荷沿爐膛高度分布系數曲線Fig．4 Graph of thermal lad changing along with height of furnace

1．2．2 水冷壁管內邊界條件

水冷壁管內側為管壁與工質的強制對流換熱，作為第三類邊界條件，如式(3):

式中:λ 為水冷壁的導熱系數，W/(m·K);tw為壁面溫度，K;tf為流體溫度，K;h 為表面傳熱系數，W/(m2·K)，選取文獻［6 -7］中螺旋管上母線處的傳熱系數關聯式． 實際運行中螺旋管水冷壁內不會出現汽水分層現象［8-9］，因此選用上母線處的傳熱系數是安全的．

2 膜式水冷壁溫度特性

2．1 爐膛高度方向水冷壁溫度及其傳熱特性

對比計算結果可知爐膛下部螺旋管圈水冷壁中，29#管壁溫最高，筆者重點對29#螺旋管圈進行分析．高度方向上熱負荷在燃燒器附近較大，寬度方向上熱負荷在前、后墻中部較大．29#螺旋水冷壁管較多部分經過高熱負荷區，吸熱量較大，因此其壁溫最高．

圖5 為BMCR 負荷29#管局部平均熱負荷及內壁換熱系數沿爐膛高度的變化圖．從圖5 可以看出:熱負荷整體分布和圖4 一致，但局部有波動，這是由于螺旋管水冷壁依次繞過爐膛的各個受熱面．隨著爐膛高度的增加，局部平均熱負荷在H=20 ～40 m 時最大;隨著寬度的變化，局部平均熱負荷在各個爐墻中間部分高于兩邊．螺旋管繞過爐膛1．6圈到達中間混合集箱，因此圖中有6 個峰值．

圖6、圖7 分別為35%BMCR 及BMCR 負荷下29#管內工質溫度、管外壁溫度及鰭端溫度隨爐膛高度變化曲線． 在螺旋管段隨著爐膛高度及工質焓值的升高，壁溫整體升高并隨著局部熱負荷的波動而波動，沒有出現壁溫飛升現象．最高溫度沒有超過報警溫度(466 ℃)，計算表明水冷壁溫度在安全范圍內． BMCR 時水冷壁處于超臨界壓力，29#管在爐膛高度方向上的最大局部平均熱負荷為250 kW/m2，由水冷壁運行參數可知此時29#管內工質質量流速為2 690 kg/(m2·s)，壓力在23．16 ～23．54 MPa 之間，即水冷壁滿足q/G ＜0．42 kJ/kg，故在大比熱區不會出現傳熱惡化現象．在熱負荷較高的燃燒器附近，工質由單相水變為單相汽，傳熱系數變小，導致其外壁溫度與流體溫度的差值達到41．5 ℃(35%BMCR 負荷下的溫差僅為16 ℃)．

2．2 爐膛寬度方向水冷壁溫度及工質溫度分布

圖8 所示為35%BMCR 負荷下，螺旋管圈水冷壁出口工質溫度、向火側壁溫及鰭端溫度的分布．由于爐膛截面熱負荷分布不均，導致水冷壁吸熱不均勻，向火側壁溫及鰭片溫度有小幅波動，最大溫度差為3．3 ℃．75%BMCR 負荷以下均為亞臨界壓力，所以有很長一段水冷壁背火側壁溫維持在所在壓力下的飽和溫度．

圖8 35%BMCR 負荷下水冷壁出口工質溫度與壁溫在爐膛寬度方向上的分布Fig．8 The viriation of temperature of the outlet working medium and tube along the furnace width under 35%BMCR

螺旋管圈出口處工質焓值及干度沿爐寬的變化趨勢與管壁溫度變化相似，圖9 所示35%BMCR 負荷下最大焓值為2 059 kJ/kg，管間最大焓值相差8．4 kJ/kg，最大干度為0．49，最大干度差為0．01，由此可見螺旋管圈水冷壁熱偏差較小．

圖9 35%BMCR 負荷下水冷壁出口工質干度、焓值在爐膛寬度方向的分布Fig．9 The viriation of enthalpy and dryness fraction of the outlet working medium along the furnace width under 35%BMCR

2．3 最高熱負荷處螺旋水冷壁截面溫度場

由圖5 中局部平均數熱負荷曲線可知:29#水冷壁管最高熱負荷位于燃燒器區域，對應爐膛高度為36．41 m．圖10 給出了35%BMCR、75%BMCR、BRL 和BMCR 等不同工況下，29#水冷壁管在此高度的截面溫度場．

圖10 不同負荷下第29#管截面溫度場Fig．10 The temperature of 29# tube under different load

對比分析圖10 中可知:水冷壁向火側溫度遠高于背火側溫度且周向溫差較大，最高溫度出現在向火側管壁或者鰭端，最低溫度出現在水冷壁管下母線內壁處． 這是由于膜式水冷壁邊界條件不同引起的:向火側為輻射邊界而背火側為絕熱邊界，管內壁由流體對流傳熱進行冷卻．

在35% BMCR 下，膜式水冷壁最高溫度達329 ℃，出現在向火側管外壁;在75%BMCR 下，膜式水冷壁溫度最高為406 ℃，出現在向火側鰭片端點處．最大溫差出現在水冷壁向火側管外壁或鰭片端點處，此兩點對鍋爐在線監測及預警非常重要．

圖11 為29#管截面最大溫差及最高溫度在不同負荷下的變化曲線，最高溫度及最大溫差均隨負荷的升高而增大．

3 結論

(1)螺旋管圈水冷壁溫度隨著爐膛高度的升高而增大，并隨著熱負荷的變化有波動．最高溫度小于440 ℃，低于金屬的許用溫度，表明林州350 MW 超臨界鍋爐水冷壁設計是安全合理的． 在爐膛寬度上，各管間溫度差、焓值差及亞臨界壓力下的干度差均很小，但熱負荷越高，其值也越大．

圖11 不同負荷下第29#管截面最大溫差及最高溫度Fig．11 The maximum temperature difference and the highest temperature of 29# tube under different load

(2)計算并得到不同負荷下29#螺旋管圈水冷壁出口的溫度場分布，為鍋爐壁溫在線監測提供了依據，最高溫度出現在水冷壁向火側或者鰭端，因此在運行及啟停過程時，對此兩點需重點監測．水冷壁最高溫度及管壁周向最大溫差隨鍋爐負荷升高顯著增大．

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