600MW超臨界鍋爐水動力特性分析

孫佰泉

（西北電力建設調試施工研究所，陜西 西安 710032）

600MW超臨界鍋爐水動力特性分析

孫佰泉

（西北電力建設調試施工研究所，陜西 西安 710032）

基于西北電力建設調試施工研究所調試的600MW超臨界鍋爐的實際工程案例，通過程序計算，繪制MCR和30%MCR兩種工況下螺旋水冷壁管段的入口處加裝節流管圈前后的水動力特性曲線。分析鍋爐水冷壁在這兩種工況下的動態特性，校核兩種工況下的單值性，為進一步探討水冷壁安全運行具有一定的參考意義。

600MW；超臨界鍋爐；水動力特性；MCR工況

為了更好的適應調峰，超臨界變壓運行機組應運而生。它在額定負荷和部分負荷下都具有較高的熱效率，還具備快速變負荷的性能，啟動和停止過程中的熱損失較小，因此能夠在最小負荷下連續穩定的運行。當超臨界變壓運行機組從額定負荷下降到低負荷時，鍋爐爐膛水冷壁管圈的壓力也從超臨界壓力下降到亞臨界壓力，這種情況下管圈內工質有兩種工作狀態：單相流動和雙相流動，當壓降和受熱基本相同時，各個并列管圈內的工質流量可能會有較大差別；當壓降相同而流量不同時，會出現流動的多值性效果，影響到水冷壁的安全運行。為了保證水冷壁的安全運行，文章分析超臨界壓力直流鍋爐爐膛水冷壁管水動力特性。

1 600MW超臨界鍋爐

西北電力建設調試施工研究所調試的兩臺600MW超臨界鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、π型布置。鍋爐中、下部水冷壁采用螺旋管圈，上部水冷壁采用一次上升垂直管屏，二者之間用過渡集箱連接。螺旋管圈的同一管帶中的各管子以相同方式從下到上繞過爐膛的角隅部分和中間部分，水冷壁吸熱均勻，管間熱偏差小，使得水冷壁出口的介質溫度和金屬溫度非常均勻。鍋爐螺旋水冷壁管在爐膛四周以23.58°螺旋傾角盤旋上升，垂直管屏由1312根Φ31.8mm×5.5mm、節距為57.5mm的管子焊接而成。燃燒系統采用前后墻布置、對沖燃燒方式布置了三排共30只雙調風旋流燃燒器。鍋爐在整個負荷范圍內蒸汽壓力的變化從常壓一直到超臨界壓力，而水冷壁系統中的介質也經歷從水到蒸汽變化的整個過程。因此直流鍋爐的水冷壁水動力特性要比亞臨界汽包鍋爐更為復雜也更為重要。鍋爐以連續出力工況（MCR）為設計參數。在研究鍋爐水動力特性時，選取水冷壁管中經過三個燃燒器、彎頭最多且阻力的管段，對應MCR工況和30%工況進行水動力特性計算。

2 MCR工況

試驗用水冷壁管兩個管段，分別是入口管段和剩余管段。在入口處安裝了兩個節流圈，入口管段不受熱，剩余管段均勻受熱。內螺紋管的絕對粗糙度為0.06mm，摩擦阻力系數為0.03。MCR及30%MCR工況下的管段基本測量內容為內徑、長度、局部阻力系數、進口壓力、節流圈直徑出口壓力、出口溫度、出口焓值、流量以及出口干度。

3 水冷壁管的水動力特性

3.1 水冷壁管兩相壓降計算

汽液兩相重位壓降

水冷壁兩相摩擦阻力

3.2 MCR工況水動力特性分析

（1）流量-壓降特性分析。MCR工況下，在管段入口設置節流圈的前后的流量-壓降曲線都呈現單值性的特點，入口處加裝節流圈前的流量-壓降曲線斜率為0.489，加裝后為0.589。由此可以表明在MCR工況下該鍋爐的水動力特性較為良好，且斜度也符合工質流量相對變化不大于壓降相對變化三倍的要求，在以較小壓力變動時不會造成較大的流量波動。在長度大約為93.67m時發生相變，根據公式計算得到此點處的壓力大約為24.64MPa，總壓降為2.08MPa。

（2）管段阻力特性分析。通過程序計算與仿真出MCR工況下在管段入口加裝節流圈前后的阻力的特性可以看出，MCR工況下的上升立置屏中，重位壓頭不會隨著流量的變化而改變。因此重力壓頭可以提升上升位置管屏流動的穩定性。

3.3 30%MCR工況下的水動力特性分析

（1）流量-壓降特性分析。通過程序計算與仿真出30%MCR工況下在管段入口加裝節流圈前后的流量-壓降可以得知，在30%MCR工況下，加裝節流圈之前，當流量在1220～1310kg/h時，流動的單值性較差，會出現多值性；加裝節流圈后，會呈現單值性，但是在這個范圍內的流量-壓降曲線的斜度不符合工質流量相對變化小于壓降相對變化三倍的要求，當壓力變動較小時就可能會造成較大的流量波動。因此應當盡量避免在此流量范圍內運行。若需要在此流量范圍內運行時應及時調節，可以采取關小入口水管路閥門的方式增加阻力，使其單值穩定的運行。壓力和流量隨著熱負荷的降低都會有所減小，在低負荷時，因為流量和官網系統壓降呈現的是非線性關系，壓降-流量曲線的斜度會減小。因此水冷壁管的水動力穩定性也變差。在管子長度大約為30.27處會發生相變，根據公式計算得到此處的壓力大約為10.72MPa，總壓降為0.544MPa。

（2）管段阻力特性分析。通過程序計算與仿真出30%MCR工況下在管段入口加裝節流圈前后的阻力的特性可以得知，與MCR工況下的重位壓頭的效果相同。因此在此工況下重位壓頭對于上升立置管屏流動的穩定性仍然有利。

4 結束語

綜上所述，MCR工況下的鍋爐水冷壁管水動力的特性是良好的，并且在管段入口處加裝節流圈之后，水冷壁水動力的特性有所提升；在30%MCR工況下，在流量為1220～1310kg/h，管段入口處加裝節流圈會比之前的水動力特性得到提升，但是仍需避免或采取一定措施。兩個工況都表明，重位壓頭可以提高上升立置管屏流動的穩定性。

[1]樊泉桂.亞臨界與超臨界參數鍋爐[M].北京:中國電力出版社,2000.

[2]黃錦濤.600MW超臨界直流鍋爐螺旋管圈水冷壁動態過程特性及敏感性研究[D].西安交通大學,2000.

[3]華定中.600MW機組超臨界直流鍋爐非線性動態數學模型及其仿真[D].東南大學,1993.

[4]鄭建學,陳聽寬,陳學俊,等.600MW變壓運行直流鍋爐水冷壁內螺紋管內壁換熱特性的研究[J].中國電機工程學報,1996,(4).

[5]王宗琪.電站大型直流鍋護致學模型的研究及其仿立[D].東南大學,1994.

TK229.2

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2096-2789（2016）12-0100-02