直流鍋爐水動力不穩定問題的分析與防治

張帥博，馮偉忠

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院，上?！?00090；2.上海外高橋第三發電有限責任公司，上?！?00137)

直流鍋爐水動力不穩定問題的分析與防治

張帥博1，馮偉忠2

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海200090；2.上海外高橋第三發電有限責任公司，上海200137)

摘要：直流鍋爐在啟動和低負荷階段會發生水動力不穩定問題，主要原因是此階段汽水比容差較大, 水動力的穩定性對水冷壁入口的欠焓較大及管間的受熱不均勻性尤為敏感。介紹了上海外高橋三期的蒸汽加熱啟動技術和彈性回熱技術，其分別解決了啟動階段水動力多值問題、提高了低負荷階段水動力的穩定性。同時，鍋爐降負荷時，燃燒器從最下層起依次退出可提高水動力穩定性及減小水冷壁管間壁溫偏差。

關鍵詞：直流鍋爐;水動力不穩定性；欠焓；受熱不均勻；蒸汽加熱啟動技術；彈性回熱技術

節能減排、低碳經濟已是國際社會關注的焦點，超(超)臨界機組由于熱效率高、煤耗低等優越性成為了火電機組發展的重點，當然，直流鍋爐也就成為了唯一選擇。相比定壓運行，機組滑壓運行可靠性高、負荷適應性強、低負荷經濟性高[1]，故超(超)臨界機組多采用不同的滑壓及調頻運行方式[2]。在中國，由于煤電占比高，用戶負荷的多樣性和調峰需求，直流鍋爐經常出現較低負荷運行，當水冷壁入口工質的壓力低于臨界壓力且工質欠焓較大時，因水冷壁管內既有熱水段、又有蒸發段和過熱段，而蒸汽和水的比容不同，管子中易發生水動力不穩定問題，各管內工質的流量不均和各管間受熱不均會導致并聯管子的壁溫不均，當相鄰管壁間溫差過大( >50℃)時，就會引起嚴重的熱應力問題，進而造成相鄰管壁發生撕裂等問題[3]；鍋爐啟動階段，水冷壁入口工質參數較低，欠焓更大，水動力不穩定問題更為突出，若控制不當，會嚴重威脅鍋爐的安全運行。

總而言之，直流鍋爐啟動和低負荷下水冷壁管間的受熱不均勻以及水冷壁入口的欠焓過大是兩個影響水動力穩定的最主要問題。

1直流鍋爐水動力不穩定問題的定性分析

直流鍋爐水動力特性是指在一定的熱負荷下，水冷壁蒸發管內工質的流量與壓降的關系。水動力特性曲線如圖1所示。圖1中，曲線1為假定管內處于純蒸汽狀態；曲線2為假定管內為純熱水狀態。實際運行中的水動力特性介于曲線1和2之間。若曲線中出現dΔP/dG≤0線段，如曲線3，其在一定的ΔP區域內可對應多個流量G，水動力呈多值性，則該管處于水動力不穩定狀態，如曲線3；而曲線4呈單值性，全程dΔP/dG>0，水動力穩定。顯然，曲線斜率dΔP/dG越大，表明穩定裕度越高，水動力越穩定。

圖1　工質不同狀態下的水動力特性曲線

1.1立式管屏水冷壁

直流鍋爐爐膛輻射區水冷壁單管的總壓降由流動阻力損失、重位壓頭損失和加速壓力損失組成，加速壓力損失較小可忽略[4]，故立式管屏光管水冷壁壓降可簡化為：

(1)

式中ρ——流體密度，kg/m3；ξ——總阻力系數；w——流體流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；ΔH——爐膛輻射區水冷壁進口、出口高度差，m；ζ——局部阻力系數；λ——沿程摩擦阻力系數；L，d——管子長度和內徑，m；f——管圈流通截面，m2；G——工質的流量，kg/s；v——工質的平均比容，m3/kg；ΔH——爐膛輻射區水冷壁進口、出口高度差。

水冷壁若采用垂直上升布置方式，則各管間受熱不均的問題始終存在。在某特定的負荷下，當某根管子吸熱量相對較多時，則管內蒸發量及蒸發段較多，熱水段較少，使得水冷壁全管長的平均比容較大，壓降趨向增大，但因水冷壁前后聯箱的壓力差沒變，結果必然是管內流量減小，流量的減小使得熱水段繼續減少，從而形成惡性循環，嚴重時會出現含水不足的傳熱惡化現象?，F普遍采用內螺紋管且加節流圈的方法來提高垂直水冷壁水動力的穩定性。為解決管間受熱不均勻的問題，西門子研發了螺旋管圈水冷壁。

1.2螺旋管圈水冷壁

螺旋水冷壁管間受熱均勻，當管子傾角較小時，管子的長度比其高度大很多，其阻力損失遠大于重位壓頭。故螺旋管圈光管水冷壁壓降可簡化為：

(2)

當機組負荷較高時，管內工質壓力大于臨界壓力，飽和蒸汽比容vn和飽和水的比容vt相等，此時圖1中曲線1和2重合，不存在水動力多值問題。當機組負荷較低時，管內工質壓力為超高壓甚至高壓，例如1 000 MW機組在400 MW負荷下，水冷壁入口壓力約為13 MPa，此時vn/vt=8.16，汽水比容差很大，圖1中曲線1和2距離非常大。當受熱一定時，增加給水流量，則熱水段增加，這使得水冷壁全管長的平均比容減小，此時，dΔp/dG的正負取決于G2、v兩者的變化幅度；因受熱一定，若降低進口水溫，則熱水段增加，蒸發段減少，因此時汽水比容差很大，會使平均比容迅速減小，而此時流量平方的上升速率若趕不上平均比容的下降幅度，會使dΔp/dG≤0，從而發生多值性流動。綜上所述，汽水比容差大且水冷壁入口水溫低易導致直流鍋爐啟動和低負荷階段發生水動力多值問題，其水動力的穩定性對熱水段長度的變化尤為敏感。

2直流鍋爐水動力不穩定問題的數學分析

鍋爐負荷一定，則水冷壁入口壓力一定，此時，飽和蒸汽和飽和水的比容差為確定值，要提高水動力的穩定性應著眼于提高入口水溫，即降低入口欠焓?，F以螺旋水冷壁為例進行數學分析。

將螺旋管圈簡化成圖2的水平管[4]，沿管長方向熱負荷分布不均勻，記為qi。

圖2　水平布置蒸發管簡圖

管內汽水混合物的平均比容可表示為：

(3)

當沿管長方向均勻受熱時，式(3)可簡化為：

(4)

式中Lrs、Lzf、L——熱水段、蒸發段及管子總長度，m；x——出口處工質的干度；Q——單根管圈總吸熱量，kJ/s；G——管內工質流量，kg/s；h1、h2、h′、hn——管圈進、出口工質的焓值、飽和水及飽和蒸汽的焓值，kJ/kg；v1、v2、v′、vn——管圈進、出口工質的比容、飽和水及飽和蒸汽的比容，m3/kg。

將式(4)代入(2)化簡得：

Δp=k(AG3-BG2+CG)

(5)

其中：

式(5)的一元三次函數，其曲線可能有兩個駐點(圖1曲線3)、一個駐點或沒有駐點(圖1曲線4)，當有駐點時，曲線中會出現dΔP/dG≤0線段，發生水動力多值問題。對該函數求導得：

(6)

若水動力呈單值性，則dΔP/dG>0應恒成立，則式(6)的右側函數與G軸無交點(方程無解)，即：

B2-3AC<0

(7)

對式(7)求解化簡得水動力穩定的條件為：

(8)

式(8)的不等號右側內的干、濕飽和點參數在對應的運行壓力下為確定值，其左側(h′-h1)即為水冷壁的入口欠焓。

因此，由上述分析可知，要提高水動力穩定性，應降低水冷壁入口欠焓，當其欠焓滿足式(8)時，水動力呈單值性。當考慮沿管長方向受熱不均勻時，式(5)較為復雜，不易用顯函數表示，但水動力的穩定性與水冷壁入口欠焓強相關的原則不變，因此，提高水動力的穩定性宜從降低入口欠焓著手。因爐膛高度上的輻射傳熱熱負荷不均勻情況可參照相關資料，加之計算機強大的運算能力，故可根據式(1)和(3)對水冷壁管內壓降直接進行較為準確的計算。

3水動力不穩定問題解決方法探究

由上述分析可知，要提高直流鍋爐啟動和低負荷階段水動力的穩定性，在改善了燃燒工況及水冷壁管間的吸熱均勻性的前提下，宜從盡可能降低水冷壁入口欠焓，即提高給水溫度入手。鍋爐點火前，給水在除氧器通過常規輔汽加熱，進入水冷壁時已為欠焓較大的未飽和水，要提高給水溫度，可考慮在高壓加熱器引入較高壓力的他源蒸汽加熱給水；低負荷階段，給水溫度為至鍋爐的最后一級高壓加熱器的抽汽壓力對應的飽和水溫度(忽略上端差)，負荷一定時，抽汽壓力固定，給水溫度不變，要提高給水溫度，理論上應提高最后一級高壓加熱器的蒸汽側壓力。同時，冷灰斗固有的不規則性導致水冷壁并聯管的長度不一、火焰中心面對冷灰斗同一高度的不同輻射面的角系數不同，加劇了并聯管子的壁溫分布的不均勻性，故從水動力的穩定性來講應減少冷灰斗部分的吸熱量。

3.1直流鍋爐蒸汽加熱啟動技術

蒸汽加熱啟動技術是在鍋爐點火前利用他源蒸汽通過啟動機組的某級高壓加熱器將給水加熱至較高溫度。以冷態啟動為例，被加熱的給水進入鍋爐后，首先加熱了省煤器和水冷壁管。在啟動風機后，省煤器成了碩大無比的加熱器，進入爐膛的冷風在流經省煤器后被反向加熱，其排出的熱風在空預器內又加熱了一次風和二次風的進風，從而形成良性循環。在鍋爐點火前達到“熱水、熱爐、熱風”的狀態[5]。該技術大大降低了啟動能耗，提高了點火后燃料的燃盡率，實現了快速安全啟動；與此同時，熱水的流動壓降以及在水冷壁內向上流動時的靜壓下降，使部分熱水逐步汽化而形成兩相流，其中的蒸汽在汽水分離器內被分離出并進入過熱器和再熱器，驅離過(再)熱器里面的空氣，防止爐管在點火后高溫富氧條件下的干燒而快速氧化并生成氧化皮，也不存在常規啟動下過(再)熱器管壁在干燒超溫后，待水冷壁管內產汽，低溫蒸汽進入過(再)熱器后引起的內壁驟冷導致氧化皮脫落的問題[3]；值得注意的是，由于該方法大幅提高了啟動階段的給水溫度，顯著降低了水冷壁入口欠焓，大大增強了水動力的穩定性；其系統如圖3所示[5]。

圖3　蒸汽加熱啟動系統圖

以上海外高橋三期(以下稱外三)1 000 MW機組為例計算，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式，點火30 min后水冷壁入口工質參數見表1，爐膛高度方向的熱負荷按不均勻計算，具體方法參照文獻[6](低負荷工況計算同此)，得到“蒸汽加熱啟動技術”技術應用前后的水動力特性曲線，如圖4、圖5所示。圖4和圖5中，a、b為平均流量下的工作點，顯然，該技術應用前的水動力特性是多值的，而應用后的水動力特性呈單值性，且dΔP/dG曲線的斜率較大。

表1　該技術應用前后冷態啟動點火30 min后

圖4　原啟動方式水動力特性曲線

圖5　現啟動方式水動力特性曲線

由此可見，采用蒸汽加熱啟動技術后，確保了啟動階段該鍋爐水動力的穩定性。

3.2彈性回熱技術

彈性回熱技術是在現有末級高壓加熱器之前再增加一級更高等級的高壓加熱器，利用新增更高壓力等級可調式回熱抽汽對給水進行補充加熱，使機組在整個滑壓運行區域內保證給水維持在較高溫度，其方案設計和原理如圖6所示[7]。新的系統提高了鍋爐的平均吸熱溫度，減少了系統的冷端損失，故提高了機組的熱效率；在機組需快速加(減)負荷時可用抽汽調節閥快速減少(增加)新增高加抽汽量予以響應，且負荷變化時主汽調門常開，節流損失降到最低，因此提高了機組的調頻能力和調頻經濟性[8]；低負荷下，提高了省煤器入口水溫，導致省煤器出口煙溫升高，使得SCR處于催化劑的安全區運行，最終解決了節能前提下SCR低負荷運行的難題；低負荷下省煤器出口(對應空預器入口)的煙溫升高，使得一次風和二次風的熱風溫度升高，進而提高了低負荷下的鍋爐燃燒效率和穩燃性能。毫無疑問，由于該技術顯著提高了低負荷下的給水溫度，降低了水冷壁入口工質的欠焓，進而增強了水動力的穩定性。

圖6　彈性回熱技術的系統和工作特性示意圖

仍以外三機組為例，其采用了彈性回熱技術，改造前后400 MW工況時水冷壁入口工質參數見表2，計算得改造前后水動力特性曲線，如圖7、圖8所示。

表2　改造前后400 MW工況下水冷壁入口工質參數

圖7　原400 MW工況水動力特性曲線

圖8　現400 MW工況水動力特性曲線

由圖7、圖8可知，改造前，水動力是穩定的，但總壓降和摩擦壓降曲線較為平緩，摩擦壓降曲線尤為平緩，說明水動力的穩定性裕度相對較?。欢脑旌?，兩曲線陡度增加。圖7和圖8中，c、d兩點為平均流量下的工作點，計算得到起始沸點高度由28.64 m降至18.94 m，即熱水段縮短了21.96 m(螺旋水冷壁傾角為26.21°)。顯然在改造后，水動力特性曲線陡度增加且熱水段減少，這使得其水動力穩定性得到了增強。

外三實施彈性回熱技術改造后，低負荷水動力穩定性明顯增強、水冷壁管間壁溫偏差減小。技術改造前后低負荷階段四面水冷壁墻的出口溫度三維分布圖如圖9、圖10所示。

圖9　原低負荷下水冷壁出口溫度分布圖

圖10　現低負荷下水冷壁出口溫度分布圖

3.3冷灰斗的受熱不均勻性問題

由直流鍋爐的特性可知，水冷壁管間的受熱不均勻，會直接對其水動力產生負面影響。螺旋水冷壁的設計理念就是使傾斜布置的水冷壁管道繞行爐膛一周而解決管間的吸熱不均勻問題，但這個概念只對爐膛的垂直段有效，而冷灰斗固有的不規則性使得該部分的水冷壁管長度及壁面傾角不一、必然導致管間的吸熱量不均，若在低負荷時，冷灰斗在整個水冷壁的吸熱總量中占比較大，會加劇水動力的不穩定性。基于各層燃燒器火焰平面對冷灰斗的輻射角系數不同，在鍋爐降負荷時，若先退出上層燃燒器，則火焰中心下移，冷灰斗處的水冷壁管內工質相對輻射吸熱量增加，使得并聯管子的熱水段工質溫差增大，則并聯管子的壁溫分布不均勻性會增強，必然對水冷壁系統的水動力穩定性產生負面影響，故鍋爐降負荷時，燃燒器應從最下層起依次退出(限于篇幅，數學分析略)。

因外三采用了正確的燃燒器投切方式，低負荷的水動力也得到了進一步改善，圖9、圖10已包含了這一成效。

4結語

直流鍋爐在啟動和低負荷階段會發生水動力不穩定問題，其主要原因是此階段汽水比容差較大，水動力的穩定性對水冷壁入口的欠焓較大及管間的受熱不均勻性尤為敏感。因此：

(1)蒸汽加熱啟動技術和彈性回熱技術分別大大降低了啟動和低負荷下水冷壁入口的欠焓，大大縮短了熱水段長度，顯著提高了直流鍋爐水動力穩定性；

(2)鍋爐降負荷時，燃燒器從最下層起依次退出可減輕水冷壁管間的吸熱不均勻性，提高水動力的穩定性；

(3)蒸汽加熱啟動技術、彈性回熱技術和降負荷時燃燒器從最下層起依次退出的方法對改善水動力的穩定性具有普適性。

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DU Yang-yang, FENG Wei-zhong. Research of properties of frequency regulation based on the flexible extraction technology J]．East China Electric Power，2014，42(9)：1944-1949．

(本文編輯：楊林青)

Analysis and Prevention of Hydrodynamic Instability of Once-Through Boiler

ZHANG Shuai-bo1, FENG Wei-zhong2

(1. College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2. Shanghai Waigaoqiao No.3 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

Abstract:The hydrodynamic instability of once-through boiler occurs during the start-up period and the low-load conditions. The main reason is that the specific volume difference between the steam and the water is large during the period, and hydrodynamic stability is particularly sensitive to the big owe enthalpy of the substance at the entrance of water wall and the uneven heating between the water wall tubes. The steam heating start-up technology and the flexible extraction regeneration technology are developed and applied in Shanghai Waigaoqiao Phase III, where with the technology the hydrodynamic instability problem can be solved during the start-up period and be improved during the low load conditions respectively. Meanwhile, when the load drops, turning off the burners from the bottom in turn can also improve the hydrodynamic stability and reduce the temperature difference between the water wall tubes.

Key words:once-through boiler; hydrodynamic instability; owe enthalpy; uneven heating; steam heating start-up technology; flexible extraction regeneration technology

DOI：10.11973/dlyny201601025

作者簡介：張帥博(1989)，男，碩士研究生，從事超超臨界發電技術研究。

中圖分類號：TK22

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)01-0117-06

收稿日期：2016-01-10