超臨界W火焰鍋爐水冷壁壁溫特性的控制研究

李美文

摘 ?要：在煤炭資源需求量日益增大的背景下，如何做到資源的高效利用成為煤炭能源領域技術改進的重要內容。從近年來大多以煤炭作為原料的發電站看，其在煤炭燃燒中將耗費極多的資源，究其原因在于鍋爐的燃燒模式不合理。在此背景下便提出W火焰鍋爐，其能夠以新型的煤粉燃燒方式被運用于企業中，但由于機組規模呈逐年擴大趨勢，單純依托于以往燃燒控制技術將無法保證W火焰鍋爐的安全與經濟運行。對此，文章將對超臨界W火焰鍋爐的相關概述、汽水物熱性問題以及相關的優化控制策略進行探析。

關鍵詞：超臨界;W火焰鍋爐;水冷壁;優化控制

前言

超臨界W火焰鍋爐將鍋爐技術、超臨界技術等集于一體，可保證煤炭燃燒中資源浪費的問題得以解決。然而因這種超臨界W鍋爐采取的為疊加技術，在運行中容易出現水冷壁壁溫特性問題，若無法對其進行有效控制，將制約鍋爐運行效率的進一步提升。因此，文章通過對鍋爐運行問題與水冷壁壁溫特性的分析，對提升鍋爐運行效果與資源節約具有十分重要的意義。

1 超臨界W火焰鍋爐的相關概述

關于超臨界W火焰鍋爐，其主要將W火焰鍋爐技術、超臨界技術等融入其中，二者各自運行中存在較多弊端。以其中的超臨界鍋爐的為例，設計過程中的水冷壁主要以垂直管屏為主，運行中出現的問題較為明顯，具體包括：第一，正流量在垂直管屏內不具備補償特征，若鍋爐運行中出現燃燒方式改變的問題，此時便會導致火焰發生偏移，整個水冷壁中熱負荷由此不斷變化，壁溫偏差逐漸拉大。第二，超臨界鍋爐設計中因忽視節流孔板對熱負荷的影響，導致流量在水冷壁中難以均勻分配，進而出現壁溫偏差問題[1]。

另外，從W火焰鍋爐運行情況看，其存在的問題主要表現在：首先在設計過程中有較多衛燃帶存在于燃燒室中，且爐膛在高度設置上較低，這樣鍋爐運行中難以保證足夠的蒸發吸熱，加上鍋爐壓力變動無法保持較快的速度，使氣溫出現的波動問題逐漸明顯。其次，燃燒調節、制粉系統運行等都因燃燒效率問題而受到影響，若燃燒不具備較強的穩定性，鍋爐中的煤質會發生變化，這樣在燃燒調節與制粉系統運行方面都將出現問題。最后，若燃燒器噴口保持向下狀態，一旦面臨低負荷情況便可能發生火焰短路情況，進而導致火焰發生偏離，水冷壁壁溫變化極為明顯。綜合來看，無論W火焰鍋爐或超臨界鍋爐實際運行中，壁溫變化都較為明顯，需采取相應的控制策略[2]。

2 汽水熱物性在超臨界中的具體表現

2.1 汽水物熱性受水冷壁工質影響分析

超臨界環境下，對水冷壁壁溫影響最大的主要以工質溫度特性為主。在鍋爐實際運行中能夠發現，當熱負荷恒定、水冷壁管型一定的情況下，與模擬臨界溫度相比，若工質溫度與其保持接近，比熱值會在溫度提高的背景下不斷上升，這樣水冷壁的熱量都會被工質吸收，壁管傳熱強度會由此增強。但在臨界溫度小于工質溫度的情況下，比熱值將在溫度升高的情況下逐漸下降，由于壁面熱量無法被工質吸收，此時水冷壁整體傳熱效果將被削弱。由此可見，不同臨界溫度下，水冷壁壁面在傳熱效果上也存在較多的差異。但需注意的是，工質溫度并非決定水冷壁管傳熱效果的唯一因素，根據以往學者研究發現，當壓力恒定的情況下，熱負荷、水冷壁管型等很可能受壁面工質熱物性影響。當熱負荷過高時，由于相關的溫導系數、比熱等參數都會發生變化，會導致質量流速無法被有效控制，這樣壁面在傳熱中很可能存在類膜態沸騰的現象。

另外，根據相關實驗可分析，若臨界溫度高出水溫時，管壁的傳熱系數會在質量流速增加的情況下得以提升。例如，若質量流速初始保持在800kg/（m2·s），管壁傳熱系數約為22.6kW/（m2·K），但在質量流速上升至1200kg/（m2·s）的情況下，傳熱系數將保持在32.0kW（m2·K）左右。然而，從壓力變化角度看，傳熱效果將在壓力升高的條件下不斷削弱。因此，實際設計中需考慮到做好管內工質的控制工作，避免因工質熱物性改變而使水冷壁整體傳熱效果受到影響[3]。

2.2 汽水熱物性受鍋爐類型影響分析

對于超臨界鍋爐，將W火焰技術應用其中，其存在的問題主要表現在：首先，蒸發吸熱受到影響。由于水冷壁的吸熱能力不斷下降，當其出口溫度保持為400℃時，需使受熱面進行擴大，以此保證蒸發吸熱的效果。其次，W火焰技術引入鍋爐中，爐膛所接收的燃燒放熱量便會逐漸增大，使水冷壁整體難以保持均勻吸熱。最后，水冷壁阻力在縮腰并管結構影響下會逐漸上升，因重位壓頭能力下降，水冷壁中的正流量將無法得到補償。但從優勢上看，W火焰技術引入也為超臨界鍋爐的運行注入新鮮的活力，原因在于有較多衛燃帶的存在，其能夠保證工質不會受到主燃燒區影響。同時，水冷壁中設置衛燃帶，能夠將流動壓降進行降低，或直接通過內螺紋管的設置，可使質量流速得以提升。因此實際改善過程中，應注重從爐型結構方面著手，可通過爐膛高度的控制使鍋爐性能得以提升[4]。

3 優化設計水冷壁的具體策略

現行對于超臨界W火焰鍋爐，在優化中常用的方式主要有螺旋管圈、垂直管屏兩種方式。國內常見的優化設計方案主要以垂直管屏為主，其能夠使質量流速保持1000kg（m2·s），但需注意這種方式應用下需考慮到正流量補償特性所帶的的溫差變化問題。通過國內較多企業設計研究發現，垂直管屏設計中主要以內螺紋管為主，當質量流速超出400kg/（m2·s），且最大流速范圍保持在1200kg/（m2·s）內，此時在熱負荷上漲的情況下，質量流速會出現明顯的增加趨勢，可由此判斷正流量具有一定的補償特性。在實際優化中，首先可對內螺紋管型進行優化，可根據質量流速要求使內螺紋管在管理溫度上保持合理，且在重位壓降上不斷提升，能夠滿足正流量補償特性要求。其次，需在工質溫度上采取相應的控制措施。根據超臨界鍋爐運行情況，其在工質溫度不合理的情況下容易影響鍋爐的安全穩定運行，同時若設計中對節流孔板未采取相應的質量控制措施，也可能導致水冷壁流量難以合理分配，且熱負荷分布也會受到影響。因此，在工質溫度控制中應結合當前的水溫、工質壓力、熱負荷等具體參數，確保溫度偏差能夠在正流量補償、熱負荷減少的情況下得以解決。除此之外，在優化設計中還需對鍋爐蒸汽參數、水溫等進行考慮。以其中的水溫為例，通常超臨界W鍋爐水溫需保證維持在284℃左右。若水溫不合理，便會因蒸發吸熱效果過低而使工質溫度難以得到有效控制。因此，設計中除保證水溫合理外，需根據相關蒸汽參數等級，以此解決壁溫溫差問題[5]。

4 結束語

超臨界W鍋爐的優化是提升鍋爐運行效果的重要途徑。實際優化中應正確認識鍋爐運行中水冷壁壁溫溫差問題，分析汽水熱物性受鍋爐類型、工質溫度的影響，在此基礎上采取相應的優化策略，包括內螺紋管的優化、給水溫度控制以及蒸汽參數優化等，這樣才可達到水冷壁壁溫問題解決的目標。

參考文獻

[1]劉佳利.超臨界W火焰鍋爐水冷壁壁溫特性控制研究[D].昆明理工大學，2014.

[2]尹猛.600MW超臨界W火焰鍋爐燃燒過程數值模擬的研究[D].華北電力大學，2014.

[3]鄭樹，羅自學，周懷春.超臨界W型鍋爐蒸發系統的分布參數建模研究[J].中國電機工程學報，2013，35：8-14+4.

[4]樊泉桂，閻書耕.超臨界“W”火焰鍋爐水冷壁的優化設計[J].中國電力，2010，8：13-17.

[5]朱明，張忠孝，周托，等.1000MW超超臨界塔式鍋爐爐內水冷壁壁溫計算研究[J].動力工程學報，2012，1：1-9.