350MW 超臨界鍋爐螺旋水冷壁壁溫特性研究

王為術(shù)，李帥帥，周俊杰，畢勤成

(1．華北水利水電學(xué)院 熱能工程研究中心，河南 鄭州450011;2．鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州450001;3．西安交通大學(xué) 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(lián)產(chǎn)可顯著提高燃料利用率，是全球公認的節(jié)能減排、保護環(huán)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(lián)供的主力［1-2］． 熱電聯(lián)產(chǎn)機組生產(chǎn)季節(jié)性、周期性強，鍋爐變負荷工況頻繁，鍋爐水冷壁工作環(huán)境復(fù)雜而惡劣，特別是爐膛側(cè)受到交變的高溫火焰輻射、爐內(nèi)熱負荷分布不均、燃燒工況波動、管內(nèi)工質(zhì)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(xù)運行，水冷壁溫度水平和溫差必須要維持在安全范圍之內(nèi)．

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(shù)值研究，研究結(jié)果為鍋爐設(shè)計及安全運行提供了基礎(chǔ)．

1 膜式水冷壁簡介及數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)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(jié)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(nèi)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(jīng)過前墻、右側(cè)墻、后墻及左側(cè)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(jù)結(jié)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(shè)計參數(shù)．其中，BMCR 為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，BRL 為鍋爐額定負荷．

1．2 膜式水冷壁的數(shù)學(xué)模型

在鍋爐運行中，當負荷和蒸汽參數(shù)穩(wěn)定時，水冷壁可看作一個不規(guī)則區(qū)域的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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?qū)幔瑢栴}簡化為無內(nèi)熱源的二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題．同時有如下假設(shè):①膜式水冷壁向火側(cè)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(nèi)均勻分布;②水冷壁背火側(cè)絕熱，經(jīng)爐墻散熱量可忽略不計;③水冷壁管和鰭片材料相同，導(dǎo)熱系數(shù)僅與溫度有關(guān);④水冷壁與管內(nèi)工質(zhì)的傳熱系數(shù)沿管壁周向取為常數(shù)．

表1 鍋爐主要參數(shù)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(jù)數(shù)學(xué)模型可知:ABC 面為僅吸收輻射熱量的爐側(cè)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(cè)，包覆絕熱材料，將其視為絕熱面;GH 面為對流傳熱系數(shù)為常數(shù)的管內(nèi)工質(zhì)側(cè)，GF、AH 和CD 分別為管壁及鰭片中心線，為絕熱面．圓管區(qū)域和鰭片區(qū)域的控制方程采用有限容積法(Finite Volume Method)進行離散，網(wǎng)格的劃分和生成采用內(nèi)節(jié)點法，在圓管部分生成極坐標系統(tǒng)，鰭片部分生成直角坐標系統(tǒng)，兩部分重合區(qū)域則采用線性插值法進行數(shù)值擬合［3-4］． 圖3 所示為膜式水冷壁的網(wǎng)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(wǎng)格劃分Fig．3 Grid meshing of membrane water wall

1．2．1 水冷壁向火側(cè)邊界條件

接受爐膛火焰輻射傳熱的向火側(cè)為以爐側(cè)熱負荷為熱流密度的第二類邊界條件，爐膛內(nèi)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(shù)，如圖4 所示． η 為熱負荷沿爐膛寬度的分配系數(shù)．qpj=BjQj/Hj． (2)

式中:Bj為計算燃料消耗量;Qj為單位質(zhì)量燃料在鍋爐內(nèi)的輻射放熱量;Hj為爐膛內(nèi)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(shù)，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(shù)曲線Fig．4 Graph of thermal lad changing along with height of furnace

1．2．2 水冷壁管內(nèi)邊界條件

水冷壁管內(nèi)側(cè)為管壁與工質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);tw為壁面溫度，K;tf為流體溫度，K;h 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，選取文獻［6 -7］中螺旋管上母線處的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式． 實際運行中螺旋管水冷壁內(nèi)不會出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象［8-9］，因此選用上母線處的傳熱系數(shù)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(jié)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(jīng)過高熱負荷區(qū)，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(nèi)壁換熱系數(shù)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(nèi)工質(zhì)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(zhì)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(xiàn)壁溫飛升現(xiàn)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(nèi)． 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(shù)可知此時29#管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)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(qū)不會出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象．在熱負荷較高的燃燒器附近，工質(zhì)由單相水變?yōu)閱蜗嗥瑐鳠嵯禂?shù)變小，導(dǎo)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(zhì)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(zhì)溫度、向火側(cè)壁溫及鰭端溫度的分布．由于爐膛截面熱負荷分布不均，導(dǎo)致水冷壁吸熱不均勻，向火側(cè)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(cè)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(shù)熱負荷曲線可知:29#水冷壁管最高熱負荷位于燃燒器區(qū)域，對應(yīng)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(cè)溫度遠高于背火側(cè)溫度且周向溫差較大，最高溫度出現(xiàn)在向火側(cè)管壁或者鰭端，最低溫度出現(xiàn)在水冷壁管下母線內(nèi)壁處． 這是由于膜式水冷壁邊界條件不同引起的:向火側(cè)為輻射邊界而背火側(cè)為絕熱邊界，管內(nèi)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(xiàn)在向火側(cè)管外壁;在75%BMCR 下，膜式水冷壁溫度最高為406 ℃，出現(xiàn)在向火側(cè)鰭片端點處．最大溫差出現(xiàn)在水冷壁向火側(cè)管外壁或鰭片端點處，此兩點對鍋爐在線監(jiān)測及預(yù)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(jié)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(shè)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(jiān)測提供了依據(jù)，最高溫度出現(xiàn)在水冷壁向火側(cè)或者鰭端，因此在運行及啟停過程時，對此兩點需重點監(jiān)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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