300 MW亞臨界鍋爐低負荷水動力特性研究

孟 強， 王承亮， 李洪濤， 高 鵬， 王玉敬， 呂為智

(1. 華電國際鄒縣發(fā)電廠， 山東鄒城 273522； 2. 華電國際技術服務公司，濟南 250001； 3. 上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

“十三五”以來，我國電力工業(yè)取得了矚目的成績和長足的進步，電力供應能力持續(xù)增強，電源結構不斷優(yōu)化，非化石清潔能源發(fā)電裝機容量及大容量高參數(shù)燃煤機組比重繼續(xù)提高。截至2019年底，全國非化石能源發(fā)電裝機容量為77 551萬kW，占全國發(fā)電總裝機容量的40.8%。其中，并網風電裝機容量為20 915萬kW，裝機容量相比上一年度增長了13.5%；并網太陽能裝機發(fā)電容量為20 418萬kW，裝機容量相比上一年度增長了17.1%[1]。

然而，隨著清潔能源迅猛發(fā)展，電源結構、網架結構發(fā)生重大變化，新能源大規(guī)模集中并網增加了電網的調峰、調頻難度，局部地區(qū)棄風、棄光、棄水等問題突出，電力系統(tǒng)靈活性不足成為造成新能源消納困難的主要原因之一[2-3]。考慮到我國能源資源稟賦決定煤電仍將是當前及未來較長一段時間電力、電量的主體，且煤電具有“一次能源可儲、二次能源易控”的特性，可有效解決新能源間歇性強、波動大、預測難等隨機性和不穩(wěn)定性問題，在確保電量供應的同時可滿足出力可靠性要求，火電仍是我國最適宜的調峰電源。為此，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局出臺了一系列相關政策，要求進一步挖掘燃煤機組調峰潛力，提升我國火電機組運行靈活性，全面提高系統(tǒng)調峰和新能源消納能力。

在這樣的形勢需求下，國內外對燃煤機組深度調峰過程中可能涉及到的問題展開了一系列相關研究[4-6]，其中機組在深度調峰低負荷下水動力的安全性是不可回避的主要問題之一[6-7]。對于超臨界直流爐，30%額定負荷是干濕態(tài)的敏感區(qū)域，當機組進行超低負荷調峰時，需要經歷鍋爐干濕態(tài)轉換過程，此時，鍋爐控制信號在干態(tài)時的汽溫控制與濕態(tài)時的液位控制之間來回切換，很容易造成系統(tǒng)的劇烈擾動，引發(fā)主蒸汽溫度和壓力波動、受熱面超溫等一系列問題[8-9]。對于亞臨界汽包爐，馬玉華等[10]以丹東電廠350 MW亞臨界機組為研究對象對其水動力特性進行了分析評估，結果表明：25%熱耗率驗收(THA)深度調峰工況下，鍋爐水冷壁的循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率，不會發(fā)生流動不穩(wěn)定及停滯現(xiàn)象，可以滿足鍋爐安全運行要求。

綜上，低負荷下水冷壁的水動力安全是鍋爐安全穩(wěn)定運行的關鍵，而目前關于低負荷下的水動力安全性評估還鮮見報道。為此，筆者以某300 MW亞臨界自然循環(huán)汽包爐為研究對象，采用流動網絡法，基于質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，對不同負荷工況下水冷壁的回路流量分配、循環(huán)倍率、循環(huán)流速等參數(shù)變化趨勢進行計算分析，表征機組在低負荷下的水動力特性，為國內300 MW等級亞臨界燃煤機組在低負荷運行提供經驗數(shù)據(jù)及技術參考。

1 設備概況

該300 MW亞臨界燃煤機組為自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風、四角切圓燃燒方式。根據(jù)鍋爐廠提供的鍋爐給水及水循環(huán)系統(tǒng)流程圖，在鍋爐汽包底端設置了6根外徑為558.8 mm、壁厚為65 mm的集中下降管，由下降管底端的分配集箱接出74根外徑為159 mm、壁厚為20 mm的分散引入管，進入水冷壁下集箱。爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，水冷壁管為外徑為63.5 mm、壁厚為7.5 mm，節(jié)距為76.2 mm，共698根，前后墻各192根，兩側墻各157根。分散引入管進入水冷壁下集箱后，自下而上沿爐膛四周不斷加熱，出口含汽率(即汽水混合物中蒸汽的質量流量百分比)為0.15～0.35的汽水混合物進入水冷壁上集箱，然后由98根外徑為159 mm、壁厚為18 mm的引出管引至鍋筒，在鍋爐汽包內進行汽水分離。

2 數(shù)學模型

以該300 MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐為研究對象，將水冷壁劃分為由流量回路、壓力節(jié)點和連接管組成的流動網絡系統(tǒng)，并根據(jù)質量守恒、動量守恒和能量守恒方程，建立300 MW亞臨界自然循環(huán)爐水冷壁流量和壁溫計算的數(shù)學模型。依據(jù)JB/Z 201—1983 《電站鍋爐水動力計算方法》，采用直接求解非線性流量平衡和壓降平衡方程組的方法，對30% THA及20% THA工況下的水動力安全性進行評估計算。

爐膛回路劃分結構特性見圖1，具體數(shù)據(jù)(半開表)見表1。

圖1 爐膛回路結構劃分示意圖

表1 爐膛回路結構特性半開表

在計算模型中，為保證亞臨界壓力鍋爐水循環(huán)可靠性，根據(jù)爐膛幾何特性和受熱特性將水冷壁劃為30 個獨立的回路，前后墻(各192根管)各8個回路，兩側墻(各157根管)各7 個回路。除此以外，該計算模型還將連接管分為分散引入管和導汽引出管，一共有170 根，按照表1的回路結構特性基于水冷壁回路對其進行回路劃分，共劃分為30個獨立的計算回路，則計算模型中流量回路總計60個。

在此基礎上，將水冷壁劃分為由流量回路、壓力節(jié)點和連接管組成流動網絡系統(tǒng)(見圖2，括號內數(shù)值為管道編號，圈內數(shù)值為節(jié)點)。根據(jù)構建的流動網絡系統(tǒng)，將6根集中下降管分別記為31～36號連接管，其對應的壓力節(jié)點分別記為61～66號，共6 個節(jié)點；對應的前墻入口集箱的壓力節(jié)點分別記為67、68 號，共2 個節(jié)點；對應的后墻入口集箱的壓力節(jié)點分別記為69、70 號，共2 個節(jié)點；右側墻入口集箱對應的壓力節(jié)點分別記為71～77 號，共7 個節(jié)點；左側墻入口集箱對應的壓力節(jié)點分別記為78～84 號，共7 個節(jié)點；出口集箱對應的壓力節(jié)點分別記為85～90 號，共6 個節(jié)點；合計30 個壓力節(jié)點。

圖2 模型流動網絡系統(tǒng)示意

根據(jù)上述流量回路及壓力節(jié)點劃分結果，對各回路的流量及各節(jié)點的壓力進行假設，列出回路、連接管和節(jié)點所遵循的質量守恒、動量守恒、能量守恒方程[11-13]，并對非線性流量平衡和壓降平衡方程組的方法進行直接求解，即可得到各回路的流量分配和節(jié)點壓力分布特性。以此為依據(jù)，對該300 MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐在30% THA及20% THA工況下的水動力安全性進行綜合評估分析。

以第31號連接管(即前墻入口集箱對應的集中下降管)為例，其壓降平衡方程為：

pin-p61-Δp31=0

(1)

式中：pin為汽包第31號連接管進口處壓力，Pa；p61為第31號連接管對應的61號節(jié)點的壓力，即第31號連接管對應的出口壓力，Pa；Δp31為第31號連接管的壓降，Pa，其余連接管的壓降平衡方程類似。

以67 號節(jié)點為例，第31號連接管與前墻進口集箱之間經由第37～40號連接管連接，通過該節(jié)點計算第31號連接管經由第37～40號連接管進入前墻進口集箱的管路流量，其質量守恒方程為：

(2)

式中：qm,i為連接67號節(jié)點的第i號受熱回路單管質量流量，kg/s，對于67號節(jié)點，i取1～8；qm,j為連接67號節(jié)點的第j號受熱回路單管質量流量，kg/s，對于67號節(jié)點，j取37～40，其余節(jié)點的質量守恒方程類似。

對于管子正面內壁溫度、管子正面外壁溫度、鰭根溫度及鰭端溫度，其計算公式詳見文獻[12]，這里不再重復介紹。

3 結果與分析

3.1 回路流量分配特性

依據(jù)JB/Z 201—1983，并采用直接求解法對式(1)和式(2)進行求解。圖3為機組在20%和30% THA工況下各回路單管質量流速分布。

圖3 不同負荷下各回路單管質量流速分布

從圖3可以看出：在30% THA工況下，前后墻的回路質量流速在480～800 kg/(m2·s)，兩側墻的回路質量流速在1 100～1 400 kg/(m2·s)；在20% THA工況下，前后墻的回路質量流速在380～640 kg/(m2·s)，兩側墻的回路質量流速在1 000～1 250 kg/(m2·s)。通過對比2個工況可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下最大質量流速均出現(xiàn)在右側墻第12號回路，最小質量流速均出現(xiàn)在后墻第16號回路。不同工況下前后墻的單管流量均小于側墻的單管流量，這主要是由于前后墻的引入管數(shù)量小于側墻的引入管數(shù)量。

另一方面，前墻、后墻、左側墻和右側墻單面墻不同回路之間也存在流量差異，且均呈現(xiàn)中間高、兩頭低的趨勢，這主要是由不同回路之間的吸熱存在偏差引起的。以前墻為例，其墻面中間部位回路受熱強度高，導致其回路流量偏大；相應的，墻面兩端受熱強度低，導致其回路流量偏小，這也就意味著熱負荷越大的回路其質量流速越大。整體來看，各負荷下每一面墻的各回路的流量分配均在一定的范圍內，無明顯的差異，但不同面墻之間，特別是前后墻與左右側墻的流量之間存在較大差距。

3.2 循環(huán)倍率分布特性

圖4為機組在30% THA和20% THA工況下各回路循環(huán)倍率分布。從圖3可以看出：當機組在30% THA工況下運行時，前墻回路循環(huán)倍率為 10.3～11.4，后墻回路循環(huán)倍率為 7.2～9.2，兩側墻回路循環(huán)倍率為16.3～21.5；20%THA工況下，前墻回路循環(huán)倍率為 13.3～14.1，后墻回路循環(huán)倍率為 8.7～11.4，兩側墻回路循環(huán)倍率為24.2～33.2。

圖4 不同負荷下各回路循環(huán)倍率分布

相比較而言，同一回路在30% THA工況下的循環(huán)倍率明顯低于20% THA工況。根據(jù)文獻[10]，鍋爐總體循環(huán)倍率與工質干度呈現(xiàn)倒數(shù)關系，循環(huán)倍率越大，混合工質干度越小，受熱面工質冷卻效果好，不容易發(fā)生傳熱惡化；相應的，循環(huán)倍率越小，混合工質干度越大，受熱面工質冷卻效果差，容易發(fā)生膜態(tài)沸騰。上述研究結果表明，相比于30% THA工況，20% THA工況下水冷壁工質冷卻效果更佳，不容易發(fā)生傳熱惡化。

從圖4還可以看出：在相同工況下，后墻各回路的循環(huán)倍率相對其他墻面偏低，兩側墻各回路的循環(huán)倍率相對于前后墻偏高，這主要是因為在鍋爐設計階段，后墻折焰角區(qū)域布置了部分對流管束，后墻的吸熱量比其他三面墻要多，導致后墻出口工質干度大。根據(jù)回路流量特性計算結果，單面墻不同回路之間的質量流量均呈現(xiàn)中間高、兩頭低的特性趨勢，各墻面中間部位回路受熱強度高，墻面兩端受熱強度低，在管內質量流速正響應分布和管外熱負荷分布的雙重作用下，導致各面墻中間部位出口干度較大，循環(huán)倍率較低。

另一方面，對20% THA工況下各回路的循環(huán)流速進行計算， 其分布特性與各回路單管質量流速分布特性一致。20% THA工況下，后墻第16號回路的循環(huán)流速最小，其計算結果為 0.614 m/s。

綜上所述，根據(jù)計算結果，該鍋爐在30% THA和20% THA工況下的循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率(2.85，取鍋爐廠水動力計算說明書中提供的設計值)，20% THA工況下的質量流速均大于鍋爐廠水動力計算說明書中提供的設計要求值(0.4 m/s)，意味著上升管出口端汽水混合物中水的占比較大，水循環(huán)處于比較安全的區(qū)域，可以滿足鍋爐安全運行，且20% THA工況下安全裕度更大。

3.3 壁溫與鰭片溫度分布

圖5為 30%和20% THA工況下后墻第 20 號回路工質溫度、內壁溫度、中間點溫度、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的分布。

圖5 不同負荷下后墻第20號回路壁溫沿爐膛高度的分布

由圖5可以看出：不同深度調峰低負荷下，沿爐膛高度方向，隨著爐膛熱負荷逐漸升高，水冷壁出口的介質溫度都處于汽水兩相區(qū)，基本沒有偏差。沿爐膛高度方向，隨著爐膛熱負荷逐漸升高，壁溫及中間點溫度逐漸增大，30% THA工況下在爐膛高度16.8 m 處達到最大值，此時中間點最高溫度約為320 ℃，水冷壁最大外壁溫為330 ℃，鰭端溫度也在爐膛高度16.8 m 處達到最大值，為356 ℃；20% THA工況下在爐膛高度12.2 m 處中間點溫度達到最大值，約為 318 ℃，水冷壁最大外壁溫為322 ℃，鰭端溫度在爐膛高度16.8 m 處達到最大值，為336℃。隨著爐膛高度的繼續(xù)升高，熱負荷開始下降，管壁溫度也隨之下降。內壁溫度、中間點溫度、外壁溫度在爐膛高度15～20 m存在溫度拐點，這主要是由于此標高為燃燒器標高，此處回路為繞過燃燒器處不受熱的管段。從溫度整體分布趨勢來看，各個負荷下水冷壁金屬壁溫均能夠滿足材料強度和抗氧化的要求。

3.4 水冷壁流動特性分析

當鍋爐在低負荷下運行時，由于流動不穩(wěn)定而引發(fā)各回路的熱負荷不均勻[14]。因此，茆凱源等[15]采用一維單通道通用數(shù)值計算模型，以前墻第4號回路為計算對象，對其進出口流動特性進行分析，結果見圖6。

圖6 20% THA工況下施加1.1、1.2、1.3倍熱負荷擾動的流量脈動對比圖

由圖6可以看出：20% THA工況下施加1.1、1.2、1.3倍熱負荷后，進、出口流量隨時間呈現(xiàn)一定的相位差脈動，進、出口流量脈動的振幅隨時間逐漸減小直至消失，最終進、出口流量相等，恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，水冷壁進、出口流量趨于一致，不會發(fā)生流動不穩(wěn)定性。

4 結語

以某300 MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐為研究對象，建立流動網絡系統(tǒng)，以及水冷壁流量和壁溫計算的數(shù)學模型，根據(jù)計算結果對機組在30%和20% THA工況下的水動力安全性進行計算與分析，主要研究結論如下：

(1) 低負荷運行工況下，鍋爐水冷壁循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率，循環(huán)流速高于設計要求值，可以滿足鍋爐安全運行，且20% THA工況下安全裕度更大。

(2) 低負荷運行工況下，鍋爐水冷壁單面墻各回路的流量分配呈現(xiàn)中間高、兩頭低的趨勢，熱負荷越大的回路其相應的質量流速越大。

(3) 20% THA工況下，對前墻水冷壁受熱最強回路施加 1.1、 1.2、1.3倍的熱負荷擾動，水冷壁進、出口流量趨于一致，不會發(fā)生流動不穩(wěn)定性。