1000MW超臨界鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算研究

王曄++崔文杰

摘要 本文選取的研究對象是某臺(tái)1000MW的超臨界塔式鍋爐，采用的計(jì)算方法是分區(qū)計(jì)算，并簡化高參數(shù)鍋爐內(nèi)的對流與輻射，將不同鍋爐負(fù)荷條件下冷壁壁溫的分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。我們發(fā)現(xiàn)，超超臨1000MW機(jī)組鍋爐啟動(dòng)冷態(tài)時(shí)，水冷壁易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，從而對水冷壁管材的壽命會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，計(jì)算100MW超臨界鍋爐水冷壁壁溫很有必要。計(jì)算結(jié)果表明，水冷壁爆管屬于短時(shí)過熱爆管。當(dāng)水循環(huán)不良時(shí)或者水冷壁管出現(xiàn)堵塞時(shí)，會(huì)比較容易造成水冷壁爆管。因此，為了避免事故的發(fā)生，保證壁溫適中，在鍋爐運(yùn)行時(shí)必須加強(qiáng)監(jiān)控，控制煤含硫量以及入爐氧量。

關(guān)鍵詞 1000MW；超臨界鍋爐；水冷壁壁溫計(jì)算

中圖分類號(hào) TK2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0052-01

目前我國的發(fā)電技術(shù)已經(jīng)走向了高效清潔的超臨界燃煤技術(shù)，利用這種方式發(fā)電必須要提高發(fā)電效率，而發(fā)電的效率取決與蒸汽動(dòng)力的循環(huán)參數(shù)，如果參數(shù)高，那么機(jī)組的操作效率就高，如果參數(shù)低，那么機(jī)組的操作效率就偏低。機(jī)組在運(yùn)行的過程中，1000MW超臨界塔式鍋爐的工質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化，這也會(huì)引起鍋爐內(nèi)的溫度發(fā)生變化，因此，我們需要對鍋爐溫度進(jìn)行計(jì)算，將溫度控制在一定范圍之內(nèi)，以免發(fā)生意外現(xiàn)象。本文主要從超臨1000MW機(jī)組鍋爐水冷壁超溫情況、爐灶的分區(qū)、數(shù)學(xué)模型的建立以及溫度的計(jì)算與分析四個(gè)方面進(jìn)行闡述，其具體情況如下。

1 超臨1000MW機(jī)組鍋爐水冷壁超溫情況

電廠1000MW超超臨鍋爐機(jī)組水冷壁的結(jié)構(gòu)為垂直管屏膜式水冷壁，其中運(yùn)用了經(jīng)過改進(jìn)的內(nèi)螺紋管。其材質(zhì)為AS213-T12，在上下爐膛間有設(shè)計(jì)水冷壁中間集箱，其工質(zhì)在經(jīng)過兩級(jí)混合，再進(jìn)入上爐膛。通過查詢生產(chǎn)信息系統(tǒng)（SIS）的數(shù)據(jù)記錄，這組數(shù)據(jù)將電廠2009年1月12日到2010年1月22日所有機(jī)組5次水冷壁超溫的情況，具體情況如下。

超超臨1000MW機(jī)組鍋爐水冷壁超溫狀況是在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)超超臨1000MW機(jī)組鍋爐由濕態(tài)轉(zhuǎn)為干態(tài)運(yùn)行后發(fā)生的。其負(fù)荷一般300-400MW的變壓運(yùn)行初期，也就是亞臨界直流運(yùn)行初期，機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式（CCS）之前。超超臨1000MW機(jī)組鍋爐水冷壁超溫的測點(diǎn)位置都在前墻超超臨1000MW機(jī)組鍋爐水冷壁中間信箱入口處，即爐膛標(biāo)高45.5m處。超超臨1000MW機(jī)組鍋爐水冷壁超溫測點(diǎn)在水冷壁超過常規(guī)溫度限度前，一般都在340℃左右，并可在5min內(nèi)迅速上升到540℃以上或更高，它有著突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可調(diào)節(jié)性與可預(yù)測性都較弱。

2 爐灶的分區(qū)

1000MW超臨界鍋爐的安全性是電場正常運(yùn)行的保障，也是決定超臨界鍋爐的關(guān)鍵部分。鍋爐的工質(zhì)溫度與很多方面的因素都有關(guān)系，例如水冷壁的吸熱量、水冷壁的進(jìn)口工質(zhì)的溫度與流量等。如果進(jìn)口工質(zhì)的溫度太高，可能會(huì)引起爆炸，還可能會(huì)縮短鍋爐的壽命。要想將鍋爐的溫度計(jì)算清楚，我們需要對爐膛進(jìn)行分析。一般來說，1000MW超臨界塔式鍋爐的水冷壁分為下爐膛螺旋管圈水冷壁與上爐膛垂直管圈水冷壁，螺旋管的傾斜度為27°。下爐膛或分為16個(gè)區(qū)域，從冷灰斗半高處開始到第一級(jí)過濾器底部結(jié)束。而上爐膛則分為5個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域有不同的分工。

3 數(shù)學(xué)模型的建立

當(dāng)鍋爐運(yùn)行時(shí)，鍋爐內(nèi)的溫度變化相對較快，但是傳熱的過程非常復(fù)雜，冷壁工質(zhì)的溫度變化規(guī)律難以捉摸，我們需要針對傳熱過程建立合理的數(shù)學(xué)模型。第一，鍋爐內(nèi)的燃燒與傳熱全部都是獨(dú)立完成的，我們只需單純計(jì)算出火焰沿高度方向的溫度分布規(guī)律即可，溫度在截面徑向上的變化是可以忽略的。第二，鍋爐的水冷壁壁面與延期都應(yīng)該被當(dāng)成灰體來看，如果水冷壁的壁管是單側(cè)受熱，那么壁管內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)會(huì)相對均勻，水冷壁內(nèi)放熱以及吸熱的相關(guān)參數(shù)要根據(jù)機(jī)組的工作狀態(tài)、工質(zhì)的物性以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x取。第三，在計(jì)算劃分的各區(qū)域中我們需暫時(shí)假定火焰的溫度場處于均勻狀態(tài)，火焰的溫度按平均溫度考慮，但是我們在計(jì)算時(shí)需要考慮延期對火焰輻射的吸收減弱。第四，各分區(qū)內(nèi)的煙氣流動(dòng)速度需要按照煙氣的平均流動(dòng)速度來計(jì)算。

在這一數(shù)學(xué)模型假定中，我們將其劃分為中心火焰去與周圍煙氣區(qū)，火焰的偏斜我們可以忽略不計(jì)，火焰應(yīng)至始至終位于爐膛的中心區(qū)，也就是以火焰的中心位置為圓心，將其分為大小不同的同心圓環(huán)。水冷壁避免接受到的輻射投射表示如下：在公式中，㎡ k為輻射減弱系數(shù)，s為有效輻射層厚度o為黑體輻射常數(shù)，R為間隔距離，B為爐膛寬度。除了計(jì)算輻射換熱，還需要計(jì)算對流換熱的影響，煙氣與壁面的對流換熱量Q=a（T-Tb）F，F(xiàn)為壁面面積，a為對流傳熱系數(shù)。

4 溫度的計(jì)算與分析

鍋爐實(shí)驗(yàn)選取的橫截面的標(biāo)高在35m～55m之間，稍短的買衛(wèi)浴鍋爐的主燃燒區(qū)，而后者則處于燃盡的區(qū)域。在35m的標(biāo)高處，存在三種情況工質(zhì)的溫度的試驗(yàn)值與計(jì)算值的相差甚小，當(dāng)計(jì)算得到的950MW工況工質(zhì)溫度為362.5～268.6℃；500MW工況工質(zhì)溫度為332.4～336.6攝氏度。在55m標(biāo)高處，950MW與650MW工況下的工質(zhì)溫度有不同程度的提高，分別為420.0～402.8℃。502MW工況的工質(zhì)溫度為342.2～344.8℃，基本上是保持不變的，這就說明，鍋爐在502MW的工況下，鍋爐的水冷壁存在很長一段的汽水共存狀態(tài)，工質(zhì)的溫度基本保持不變。

對溫度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，我們必須計(jì)算垂直管的溫度。當(dāng)出口質(zhì)溫度在950MW的工況為460℃，升溫為28℃；而在660MW工況為425℃，升溫為23℃；沿程的煙氣溫度會(huì)逐漸降低，傳熱的溫壓也會(huì)越來越小，工質(zhì)溫度升高的速度會(huì)越來越慢。水冷壁工質(zhì)的溫度計(jì)算可能會(huì)存在誤差，在計(jì)算時(shí)需要將溫差控制在0.01%～1.5%之間，若溫差太大，將會(huì)對鍋爐的安全運(yùn)行造成影響，甚至爆管。

5 結(jié)語

1000MW鍋爐的壁溫計(jì)算需要考慮的因素非常多，本文采用的計(jì)算方法是分區(qū)計(jì)算法，在計(jì)算時(shí)，要將誤差控制在一定的范圍之內(nèi)，不能太大。因此，我們應(yīng)該將壁溫的計(jì)算工作做好，維持鍋爐的安全運(yùn)行。