一種確定鍋爐沿爐膛寬度方向熱負荷分布的方法

沈 倩, 肖 杰, 楊紅權,周克毅

( 1. 東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096；2. 江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102；3. 神華國華太倉發電有限公司，江蘇 太倉 215433)

0 引言

鍋爐爐膛熱負荷分布受燃料類型、燃燒方式、爐膛形狀等多種因素的影響[1-4]，在實際運行過程中難以準確預測。熱負荷分布數據的準確與否關系到水動力計算的準確性，對鍋爐的設計、調試和安全運行均有重要影響[1,5-7]。目前，沿爐膛寬度方向的熱負荷分布均從設計角度進行考慮[8]，針對現場運行過程中實際熱負荷分布的研究較少。本文以某660 MW超超臨界變壓運行直流鍋爐[9]為例，對實際運行過程中鍋爐爐膛水冷壁管壁溫度和熱負荷分布進行了研究，在已知某工況上、下爐膛水冷壁管出口溫度分布的基礎上，結合鍋爐水動力計算，提出了一種確定鍋爐沿爐膛寬度方向熱負荷分布的方法。這里所涉及的熱負荷分布是指單根水冷壁管總吸熱量沿爐膛寬度方向的分布，而不是對應某高度下的熱負荷沿寬度方向的分布。

以超超臨界變壓運行直流鍋爐為研究對象，爐膛水冷壁管共1728根，四墻各432根。水冷壁分成上、下兩個部分，節流孔圈布置在水冷壁下集箱外的水冷壁管入口段，通過兩次三叉管過渡與爐膛水冷壁管相連。燃燒器采用四墻布置，切圓燃燒。

1 沿爐膛寬度方向的熱負荷分布計算

熱負荷分布的計算可分為三步：

(1) 通過上、下爐膛布置的壁溫測點，得到管子出口沿寬度方向的溫度分布；

(2) 基于溫度分布，進行鍋爐機組的水動力計算；

(3) 根據水動力計算結果得到單根水冷壁管總吸熱量，由此確定沿寬度方向的熱負荷分布規律。

1.1 沿爐膛寬度方向工質出口溫度分布

在大容量電站鍋爐高溫受熱面出口，一般均裝有許多管壁溫度測點[10]。測點布置在四墻上、下爐膛水冷壁管出口處，下爐膛布置448個測點，上爐膛則布置80個測點，數據并不完整。因此，在處理出口溫度分布時，下爐膛水冷壁管按節流圈的布置劃分管組，4根或2根管子為一組，同一管組共用一個溫度數據；上爐膛水冷壁管則按照二級混合器的布置劃分管組，同一管組共用一個溫度數據。

利用爐膛布置的壁溫測點，可得到管子出口沿寬度方向的溫度分布。沿爐膛寬度方向的熱負荷分布與各水冷壁管出口溫度以及流量大小有關，僅依靠溫度分布無法確定熱負荷的分布規律，還需要通過水動力計算確定每根管子的工質流量。

1.2 水動力計算

1.2.1 水動力計算步驟

鍋爐水動力特性是指在一定的熱負荷和結構特性條件下，管內工質流量與阻力壓降間的關系[11]。水動力計算可以用于受熱面管內工質流動的穩定性以及傳熱的安全性分析[12-14]。通過計算可以確定管內工質流量、壓降以及吸熱量等參數，對熱負荷分布的計算至關重要。如圖1所示，水動力計算分為以下5個步驟：

(1) 按流量回路、壓力節點劃分水冷壁系統，假設各節點壓力以及各支路流量，得到初始總壓降的假設值；

(2) 輸入第一部分管屏進口壓力，進、出口溫度，流量等參數，確定該管屏阻力系數，截面積以及高度等計算參數；

(3) 根據工質所在區域選擇合適的計算公式計算各管段介質平均比容；

(4) 計算該管屏出口混合節點溫度，與混合節點壓力一起，作為下一管屏的進口參數，重復上述計算過程，直至最后一個管屏；

(5) 將計算得到的新壓降與前一次的壓降進行比較，如果兩次壓降的差值超出了給定的誤差范圍，則需要在新壓降下重新計算各支路流量，在新支路流量下重新計算各節點壓力以及每根管子內的流量，用新壓力和新流量代替舊值，重新進行迭代計算，直至兩次壓降的差值滿足給定的誤差要求。

圖1 水動力計算流程Fig.1 Hydrodynamic calculation process

通過水動力計算可得到每根管子的工質流量。流量的大小取決于水冷壁管的阻力，阻力的大小與管內工質的平均比容以及管子的串并聯連接密切相關。

1.2.2 平均比容的確定

超臨界壓力下，在大比熱容區[15]內，工質的熱物性會發生劇烈變化，水的密度或比體積與焓值不呈線性關系[8]，不能簡單地通過計算管段的平均焓值來確定平均比容。特別是下爐膛水冷壁區域，該區域工質性質變化劇烈，且至少橫跨兩個區段[16]，因此對工質平均比容的處理需要分區段進行，區段劃分如圖2所示。其中，1區主要在大比熱容區外，可以通過計算工質進出口平均焓值來確定平均比容；若工質處于3區，則可以將計算范圍分成若干小段，對每一段用迭代的方式求解平均比容，再對整體進行加權平均；對于處于2區的工質則采用積分的方法計算平均比容。

圖2 IAPWS-IF97區域劃分Fig.2 Regionalization by IAPWS-IF97

1.2.3 串并聯系統的處理方式

在實際計算過程中，涉及許多管子的串并聯連接，管子的并聯處理尤其復雜。傳統管子的并聯處理認為每根管子的平均密度相同，同時忽略重力的影響，這些簡化與實際情況不符。實際中，下爐膛水冷壁屬于低質量流速垂直上升管屏，重力的大小對阻力的影響很大，且管內工質性質各不相同。因此，必須將管與管之間的差異以及重力的影響考慮在內，用系數Ki[17]來表示，即：

(1)

式中：Ki為折算阻力系數，1/(kg·m)；Zi為摩擦及局部阻力系數之和；νi為工質平均比容，m3/kg；fi為管子截面積，m2；ρi為工質平均密度，kg/m3；g為重力加速度，N/kg；h為高度，m；Gi為工質流量，kg/s。

1.3 熱負荷分布的確定

國內學者已經根據經驗總結出了常見的熱負荷分布計算模型[18-19]供鍋爐計算中直接應用。鍋爐實際燃燒過程十分復雜，根據計算模型得出的分布曲線往往與爐內實際的熱負荷分布有較大差異。因此，在已知出口溫度分布的基礎上，可通過計算得到沿爐膛寬度方向的熱負荷分布，具體流程如圖3所示，分為3個步驟：

(1) 將測點溫度與給定工況的入口參數(壓力、溫度、流量等)作為輸入條件，劃分節點，對鍋爐水冷壁系統進行水動力計算，得到各管流量、進出口壓力、焓增等主要參數；

(2) 計算爐膛水冷壁管總吸熱量和平均吸熱量，包括單根水冷壁管，單面爐墻以及上、下爐膛。根據各墻吸熱量占上、下爐膛總吸熱量的份額，確定各墻水冷壁的熱量分配系數；根據單根水冷壁管吸熱量占單面爐墻平均吸熱量的份額確定沿爐膛寬度方向的熱負荷不均勻系數；

(3) 將各墻平均熱負荷、各水冷壁管吸熱面積以及擬合的熱負荷不均勻系數相乘，作為該管計算所得的吸熱量，與水動力計算所得的吸熱量進行比較，將兩者的比值作為各水冷壁管吸熱量修正系數。

圖3 熱負荷分布計算流程Fig.3 Calculation process of heat load distribution

得到熱負荷分布后，可以建立熱負荷模型，用于計算其他工況下的蒸汽溫度與金屬溫度，特別是爐內的管壁溫度。

2 熱負荷分布計算與分析

在熱負荷模型建立過程中，需要選擇合適的計算工況。通過計算，確定各墻水冷壁沿爐膛寬度方向的熱負荷分布，以此為基礎對另一工況的運行參數進行計算與分析，從而驗證計算模型的精確性。

2.1 工況的選擇

在計算熱負荷分布時，涉及到兩個工況，其中計算工況用于熱負荷模型的建立，校核工況用于模型的驗證。表1列出了兩個工況的主要運行參數，作為鍋爐機組水動力計算的初始條件。

表1 工況數據對比Tab.1 Data comparison between two working conditions

2.2 水冷壁劃分

水冷壁系統汽水流程如圖4所示，給水自爐膛分配器依次流經水冷壁，頂棚，側包墻以及吊掛管，最后進入頂棚出口集箱匯合。節點取為水冷壁系統各混合節點，包括進出口集箱，一級混合器，二級混合器等。兩個節點之間的管屏為一個管段區域。

圖4 汽水流程Fig.4 Flow chart of water and vapor

2.3 下爐膛水冷壁沿寬度方向的熱負荷分布

根據測點溫度數據進行水動力計算，可以得到單根水冷壁管總吸熱量沿爐膛寬度方向的分布規律。圖5、圖6分別給出了計算工況下后墻和右墻下爐膛水冷壁沿寬度方向的熱負荷分布。

圖5 后墻下爐膛水冷壁沿寬度方向熱負荷不均勻系數(η)分布Fig.5 Heat load distribution in the direction of the width of the back lower water wall

圖6 右墻下爐膛水冷壁沿寬度方向熱負荷不均勻系數(η)分布Fig.6 Heat load distribution in the direction of the width of the right lower water wall

從圖中可見，無論是后墻還是右墻，單根水冷壁管沿爐膛寬度方向的熱負荷分布是不連續的，會出現突然跳躍的現象，這種現象是計算過程中的數據處理方式導致的。熱負荷模型的建立基于現場壁溫測點數據，而測點的個數有限，因此在計算過程中往往需要幾根水冷壁管共用一個測點溫度，導致原本連續的熱負荷分布出現突變的現象。

熱負荷的分布與爐內的燃燒方式密切相關。鍋爐燃燒時，因風量、粉量不均勻，磨煤機投用方式不同等原因，不可避免地會存在熱負荷偏差。此外，燃燒器排布方式對沿爐膛寬度方向熱負荷分布也存在較大影響。本臺鍋爐的燃燒器布置在爐墻相對寬度為0.75附近的區域。在燃燒器噴口區域和靠近爐膛角落區域熱負荷較低，熱負荷最高處位于相對寬度為0.5附近的區域。由于上游燃燒器與相鄰燃燒器的共同作用，導致火焰中心發生一定的偏斜，使得中間區域熱負荷較大。對于燃燒器所在管屏區域，由于其結構的特殊性，水冷壁管繞噴口布置，導致水冷壁吸熱面積減少，且噴口區域一、二次風溫度較低[20]，因此該區域熱負荷相對較低。

2.4 下爐膛水冷壁管出口溫度分布

圖7、圖8分別給出了校核工況下后墻和右墻下爐膛水冷壁出口處管子的溫度分布，將計算工況所得的熱負荷分布模型應用到校核工況的計算中，通過熱力計算和鍋爐水動力計算，得到下爐膛水冷壁各管出口處的溫度值，將計算所得的溫度值與校核工況的現場測點數據進行對比。

由圖可知，測量值與計算值之間的偏差較小，沿爐膛寬度方向的溫度分布趨勢基本相同，后墻水冷壁溫度平均誤差為0.70%，最大誤差為2.7%；右墻水冷壁溫度平均誤差為1.99%，最大誤差為4.76%。整體上看，計算溫度略高于測量值。

圖7 后墻下爐膛水冷壁出口溫度分布Fig.7 Outlet temperature distribution of the back lower water wall

圖8 右墻下爐膛水冷壁出口溫度分布Fig.8 Outlet temperature distribution of the right lower water wall

在鍋爐實際運行過程中，由于運行的調整以及風量與粉量分配等原因，不同工況所對應的運行條件不可能完全一致，即使是相近工況，運行條件也會存在差異。因此，在應用熱負荷模型進行計算時會造成一定的偏差。但是，由于兩個工況的基本運行參數差異不大，本模型可以應用于與計算工況較為相近工況的現場運行計算。此外，本模型的建立以超超臨界垂直管圈鍋爐為基準，因此在應用時受到爐型以及水冷壁型式的限制。在后續模型改進中可將上述影響因素考慮在內，使模型更加完善，適用范圍更加廣泛。

3 結語

針對鍋爐爐膛熱負荷分布難以準確預測的問題，本文針對某超超臨界墻式切圓燃燒直流鍋爐，提出了一種確定爐膛熱負荷分布的方法，并且將所得的熱負荷模型應用于其他工況的計算，驗證了模型的準確性。通過研究得到如下結論：

(1) 實際熱負荷分布與理論熱負荷分布有較大差異，理論熱負荷分布是從鍋爐設計的角度考慮的，而本文提出的確定沿爐膛寬度方向熱負荷分布的方法針對的是實際運行過程；

(2) 本文所提出的熱負荷分布計算方法能夠準確反映每根管子的總吸熱量沿爐膛寬度方向的分布。計算結果表明，爐墻中間區域熱負荷較大，燃燒器所在管屏區域熱負荷較小；

(3) 該熱負荷計算方法可以應用于鍋爐現場運行的調整和安全性分析。通過改變下爐膛水冷壁入口節流圈孔徑的方法，可以增大原本壁溫較高處的節流圈孔徑，減少節流損失，提高管內工質的質量流速，使得水冷壁金屬溫度隨之降低，下爐膛水冷壁出口溫度趨于一致，從而提高鍋爐運行的安全性。

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