高效寬負荷率超超臨界鍋爐垂直管圈水冷壁在低質量流速下的傳熱特性

王思洋， 王文毓， 沈 植， 聶 鑫， 楊 冬， 宋寶軍， 賈培英

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院，動力工程多相流國家重點實驗室， 西安 710049；2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室， 哈爾濱 150046)

高效寬負荷率超超臨界鍋爐垂直管圈水冷壁在低質量流速下的傳熱特性

王思洋1， 王文毓1， 沈 植1， 聶 鑫1， 楊 冬1， 宋寶軍2， 賈培英2

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院，動力工程多相流國家重點實驗室， 西安 710049；2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室， 哈爾濱 150046)

在壓力p=21～29.8 MPa、質量流速G=600～1 100 kg/(m2·s)、熱負荷q=330～793 kW/m2工況范圍內，對低質量流速優化內螺紋管的傳熱特性進行了實驗研究，并根據實驗數據得到了近臨界壓力區和超臨界壓力區的傳熱實驗關聯式.結果表明:在近臨界壓力區，亞臨界部分的傳熱特性好于超臨界部分的傳熱特性，質量流速增大能推遲傳熱惡化，熱負荷增大則使傳熱惡化提前發生，內螺紋管抑制膜態沸騰(DNB)的能力有所減弱；在超臨界壓力區，壓力越低，大比熱容區內強化傳熱作用越顯著，在其他條件一定時，超臨界水的熱物性變化對管內傳熱的作用由質量流速和熱負荷共同決定；質量流速不變，繼續增大熱負荷，大比熱容區內的傳熱將由強化轉變為惡化.

高效寬負荷率； 超超臨界鍋爐； 內螺紋管； 傳熱特性； 低質量流速； 熱負荷

由于低質量流速垂直上升內螺紋管水冷壁技術的成功應用，超臨界循環流化床(CFB)鍋爐自投運以來就表現出優越的性能。當下，超超臨界參數的CFB鍋爐已成為主要的發展方向[1-3]。低質量流速垂直上升內螺紋管水冷壁技術也可以廣泛應用到超超臨界CFB鍋爐和超超臨界煤粉鍋爐中.

近年來，超臨界、超超臨界機組也面臨很大的調峰任務.運行實踐表明，調峰深度越大，超臨界、超超臨界機組的效率和經濟性下降越多，抵消甚至削弱了超臨界、超超臨界參數機組優點.因此，開發高效寬負荷率的超超臨界機組成為當前新能源科技亟待解決的問題.我國電網負荷的現狀表明，低質量流速垂直上升內螺紋管水冷壁技術是高效寬負荷率的超超臨界鍋爐水冷壁受熱面優化設計的一個重要選擇.但是，將該技術應用到超臨界、超超臨界鍋爐中，尤其是煤粉鍋爐中，則可能帶來諸多不利影響，隨著質量流速減小，浮力作用顯著，增大了傳熱惡化發生的可能性，單管吸熱能力減弱，在熱負荷高的局部管壁處容易引發超溫問題[4-5].因此，需要在更寬廣的負荷范圍內對低質量流速垂直內螺紋管的傳熱特性進行實驗研究，以確定其臨界熱負荷與界限質量流速的大小，保證超臨界、超超臨界鍋爐的安全運行，為高效寬負荷率的超超臨界鍋爐水冷壁受熱面優化設計提供參考.

與光管相比，內螺紋管能夠有效抑制膜態沸騰(DNB)，維持核態沸騰達到更高的干度.但隨著壓力逐漸升高至臨界值，內螺紋管抑制DNB的能力不再顯著[6-8].另外，內螺紋管的結構參數(如螺紋高度、管徑和螺旋升角等)在很大程度上決定了其強化傳熱能力[8-9].在超臨界壓力下，大比熱容區內發生傳熱強化還是傳熱惡化往往隨實驗條件變化.目前得到普遍認同的觀點是超臨界壓力下傳熱強化(或傳熱惡化)主要是由于超臨界水的熱物性在大比熱容區內發生劇烈變化，導致超臨界水的密度和黏度等在徑向產生很大的梯度變化而引起異常傳熱現象[9-11].但目前仍沒有普遍適用且有足夠精度的傳熱系數計算關聯式.

綜上可知，在近臨界壓力區，內螺紋管抑制DNB的能力減弱.不同結構參數的內螺紋管需要通過實驗來確定其強化傳熱特性以及抑制DNB的效果.在超臨界壓力區，大比熱容區內傳熱系數的計算仍需要根據實驗數據擬合關聯式來完成.根據實驗數據得到臨界熱負荷與傳熱系數的經驗關聯式，可以作為超超臨界鍋爐優化設計與運行的參照.筆者以高效寬負荷率超超臨界鍋爐為研究對象，對優化內螺紋管在低質量流速下的傳熱特性進行了實驗研究.

1 實驗系統及方法

實驗的回路系統如圖1所示.采用電加熱方式，工質為去離子水.實驗段為優化的六頭內螺紋管，外徑為35 mm，壁厚為5.67 mm，平均內徑為21.1 mm，長2 000 mm，材質為15CrMoG.表1為該內螺紋管的結構參數.實驗段結構與溫度、壓力測點的布置如圖2所示.

圖1 垂直上升內螺紋管傳熱實驗系統

采用固定實驗段的壓力、質量流量和熱負荷，不斷增加預熱段加熱功率的方法來進行實驗，即不斷提高實驗段進口的工質溫度和增大比焓，直到實驗段某個截面處發生傳熱惡化或實驗段出口的工質達到一定的過熱度，可認為完成了一個實驗工況.每完成一個實驗工況就改變參數，即可獲得不同參數條件下的實驗數據.

表1 內螺紋管結構參數

圖2 實驗段結構及測點布置

2 實驗結果與分析

2.1 近臨界壓力區的傳熱特性

2.1.1 壓力影響

圖3給出了近臨界壓力區壓力p對內螺紋管內壁溫度twi和傳熱系數α的影響，其中h為工質的比焓，G為工質的質量流速，q為熱負荷.內螺紋管的內壁溫度按照馬可羅林級數法[12]由外壁溫度計算得到.從圖3可以看出，在低焓值區和高焓值區，2個工況下內壁溫度和傳熱系數十分接近，而在1 600～2 400 kJ/kg比焓區間，近臨界壓力區亞臨界部分的傳熱特性好于其超臨界部分的傳熱特性，前者的內壁溫度比后者低10 K左右，傳熱系數比后者大13 kW/(m2·K)左右.由此可見，在近臨界壓力區，亞臨界部分的兩相沸騰傳熱特性好于超臨界部分的變物性強制對流傳熱特性.

圖3 近臨界壓力區壓力對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響

2.1.2 質量流速影響

圖4給出了近臨界壓力區質量流速對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響，其中tb為工質的溫度,x為干度.從圖4可以看出，當工質比焓小于1 400 kJ/kg或大于2 400 kJ/kg時，質量流速增大，內螺紋管內壁溫度顯著下降，傳熱系數明顯增大，如當工質比焓分別為1 150.9 kJ/kg和2 722 kJ/kg時，內壁溫度分別降低了23.8 K和40.3 K，傳熱系數分別增大了2.4 kW/(m2·K)和1.1 kW/(m2·K).在兩相區，由于內螺紋管的旋流作用，2個工況下均未發生DNB，而是在較高干度下發生了干涸.隨著質量流速增大，臨界干度值從0.65增大為0.72，表明增大質量流速推遲了干涸的發生.

圖4 近臨界壓力區質量流速對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響

2.1.3 熱負荷影響

圖5給出了近臨界壓力區熱負荷對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響.從圖5可以看出，當熱負荷為580 kW/m2時，內螺紋管在干度為0.68時發生干涸，傳熱系數的變化規律為幾字形.隨著熱負荷增大為705 kW/m2，在干度為0.08時，內壁溫度出現了較小的峰值，而當熱負荷為793 kW/m2時，低干度下內壁溫度飛升的現象更加明顯，表明內螺紋管內發生了DNB.這是因為當熱負荷較高時，在過冷沸騰區或低干度的核態沸騰區，由于管內壁面上的汽化核心密集，汽泡的脫離速度小于其生長速度，導致管壁上形成密集的汽泡層甚至形成連續的汽膜，阻礙了管內壁面與液態工質間的傳熱，使管內壁面得不到液態工質的冷卻，從而導致內壁溫度飛升，傳熱系數急劇減小.當熱負荷從705 kW/m2增大到793 kW/m2時，發生DNB后的內壁溫度飛升值也隨之升高.從圖5還可以看出，發生DNB后，內螺紋管的內壁溫度開始下降，這說明近壁面處的密集汽泡層已被主流帶走，使得壁面重新得到液態工質的潤濕，內壁溫度下降，傳熱系數有所回升.伴隨著干涸的發生，內壁溫度發生階躍性升高，其上升速率隨熱負荷增大而加快.

圖5 近臨界壓力區熱負荷對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響

2.2 超臨界壓力區的傳熱特性

2.2.1 壓力影響

圖6給出了超臨界壓力區壓力對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響，其中hpc為擬臨界點處對應的工質焓值.從圖6(b)可以看出，當工質比焓為1 402.3 kJ/kg、p=26 MPa時，內螺紋管的內壁溫度為313.6 ℃，傳熱系數為9.9 kW/(m2·K)，p=29.8 MPa時內螺紋管的內壁溫度為314 ℃，傳熱系數為10 kW/(m2·K)，說明壓力對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響很微弱.當工質比焓為2 115.8 kJ/kg、p=26 MPa時內螺紋管的內壁溫度為437.1 ℃，傳熱系數為12.5 kW/(m2·K)，p=29.8 MPa時內螺紋管的內壁溫度升高為455.8 ℃，傳熱系數減小為10.7 kW/(m2·K)，即在相同的質量流速和熱負荷下，壓力升高削弱了大比熱容區內的傳熱能力，造成內壁溫度升高.此外，在遠離擬臨界點的高焓值區，內螺紋管的內壁溫度隨工質比焓增加而顯著升高，傳熱系數迅速減小至5 kW/(m2·K)左右，小于低焓值區的傳熱系數，說明擬臨界點前的傳熱特性好于擬臨界點后的傳熱特性.

對比圖6中的內壁溫度曲線，不難發現壓力越低，擬臨界點附近的內壁溫度越低，曲線越平緩，傳熱系數越大.這是因為當壓力升高并逐漸遠離臨界壓力時，超臨界水的熱物性隨溫度變化的劇烈程度逐漸減緩，對管內傳熱的影響也隨之減弱.

(a)G=1 000 kg/(m2·s)，q=605 kW/m2

(b)G=1 100 kg/(m2·s)，q=620 kW/m2

2.2.2 質量流速影響

圖7給出了超臨界壓力區質量流速對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響.從圖7可以看出，增大質量流速能夠降低內壁溫度、增大傳熱系數，有效改善管內傳熱特性.隨著質量流速由1 000 kg/(m2·s)增大到1 100 kg/(m2·s)，在工質比焓分別為914.2 kJ/kg、1 903.3 kJ/kg和2 592.8 kJ/kg時，內壁溫度分別從299.2 ℃、463.3 ℃和559.9 ℃降低到287.8 ℃、447.1 ℃和525.5 ℃，分別降低了11.4 K、16.2 K和34.4 K，傳熱系數則分別由8.3 kW/(m2·K)、8.7 kW/(m2·K)和4.7 kW/(m2·

圖7 超臨界壓力區質量流速對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響

K)增大到9.6 kW/(m2·K)、10.9 kW/(m2·K)和5.7 kW/(m2·K).這主要是因為管內工質的湍流強度隨質量流速增大而增強，再加上管內凹槽對邊界層的破壞作用和螺旋槽道對近壁面工質的旋流作用，提高了邊界層對數湍流區工質的湍流強度，因而強化了內螺紋管內壁面與工質之間的傳熱.

2.2.3 熱負荷影響

圖8給出了超臨界壓力區熱負荷對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響.從圖8可以看出，隨著熱負荷由620 kW/m2增大到745 kW/m2，在擬臨界點附近的焓值區，內壁溫度升高了25.8 K，傳熱系數峰值減小了2.3 kW/(m2·K).因此，假如熱負荷繼續增大，內螺紋管內將發生顯著的傳熱惡化.對于管內垂直上升流動形式，邊界層內工質的熱加速方向與浮力方向相同導致的邊界層層流化是引起傳熱惡化的主要原因.在一定的壓力和管徑條件下，當熱負荷高、質量流速低時，近壁面工質的溫度達到擬臨界溫度后，工質的密度會急劇減小，導致邊界層內的工質膨脹加速，形成很強的浮力作用，造成管內徑向速度梯度降低，部分湍動能轉化為工質的動能，徑向湍流強度減弱，管內壁面得不到中心低溫流體的冷卻，傳熱被削弱，直至發生惡化.因此，減小壁面熱負荷是改善管內傳熱特性的一個有效途徑.對于超臨界CFB鍋爐，由于爐內熱負荷低且分布更均勻，其安全性比煤粉鍋爐高.對于煤粉鍋爐，由于爐內熱負荷較高，應避免管壁超溫的情況.

圖8 超臨界壓力區熱負荷對內螺紋管內壁溫度和傳熱系數的影響

3 傳熱實驗關聯式

3.1 近臨界壓力區的傳熱實驗關聯式

參照文獻[2]和文獻[3]對實驗數據進行整理，分別得到單相水、兩相正常傳熱區和干涸后的傳熱實驗關聯式：

Nu=0.089 41Re0.681 06Pr0.967 41

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Re為雷諾數；Pr為普朗特數；Nu為努塞爾數；Xtt為Martinelli數；x為蒸汽干度；ρ為工質的密度，kg/m3；μ為工質的動力黏度，Pa·s；λ為工質的導熱系數，W/(m·K)；λcr為熱力學臨界點處的導熱系數，取0.914 W/(m·K)；下標g表示汽相，l表示液相，tp表示汽液兩相，w表示以內壁溫度為定性溫度.

式(1)、式(4)中Nu和式(2)中αtp/αl的平均相對誤差分別為3.9%、8%和9.3%，適用范圍為p=21～21.5 MPa，G=600～1 000 kg/(m2·s)，q=330～793 kW/m2.

在近臨界壓力區，內螺紋管分別發生了第一類和第二類傳熱惡化，通過整理實驗數據得到臨界干度xcr和臨界熱負荷qcr的計算關聯式：

xcr=846.467 1q-0.382 19G0.240 92e-6.728(p/pcr)

(5)

qcr=8.654 87(pcr-p)0.259 04×G0.643 86(1-x)0.229 85

(6)

式(5)和式(6)中，xcr和qcr的平均相對誤差分別為6.8%和7.9%，適用范圍為p=21～21.5 MPa，G=600～1 000 kg/(m2·s)，q=330～793 kW/m2.

3.2 超臨界壓力區的傳熱實驗關聯式

由上文可知，內螺紋管在擬臨界溫度前后的傳熱情況有所不同，擬臨界溫度前的傳熱特性要好于擬臨界溫度后的傳熱特性，因此需要針對低焓值區和高焓值區的傳熱情況分別進行擬合.在大比熱容區，由于超臨界水的熱物性發生劇烈變化，需要對其進行物性修正.

低焓值區(即擬臨界溫度前)的傳熱實驗關聯式為

(7)

高焓值區(即擬臨界溫度后)的傳熱實驗關聯式為

(8)

式中：v為工質的比體積，m3/kg；下標b表示工質.

式(7)和式(8)中，Nuw的平均相對誤差分別為14.5%和6.2%，適用范圍為p=22.5～32 MPa，G=600～1 300 kg/(m2·s)，q=330～745 kW/m2.

4 結 論

(1)在近臨界壓力區，亞臨界部分的傳熱特性好于超臨界部分的傳熱特性.質量流速增大能夠改善傳熱特性，推遲傳熱惡化的發生.熱負荷增大則使傳熱惡化提前.內螺紋管強化傳熱、抑制DNB的能力有所減弱，特別是高熱負荷、低質量流速工況，極易在低干度區甚至過冷沸騰區發生DNB，此時熱負荷越高，內壁溫度飛升越高.但惡化后管內傳熱又發生好轉，內壁溫度降低，傳熱系數回升.

(2)超臨界壓力下，若發生傳熱強化，則壓力越低，大比熱容區內強化作用越顯著，內壁溫度曲線越平緩，傳熱系數峰值越大.在其他條件一定時，大比熱容區內超臨界水的熱物性變化對管內傳熱的作用由質量流速和熱負荷共同決定.質量流速增大可以改善管內傳熱特性.質量流速不變，繼續增大熱負荷，大比熱容區內強化傳熱現象消失，傳熱系數逐漸減小，管內發生傳熱惡化.

(3)基于近臨界壓力區的數據，擬合得到了單相水、汽液兩相常規換熱、干涸后換熱的傳熱實驗關聯式以及臨界干度和臨界熱負荷的計算關聯式.基于超臨界壓力區的數據，擬合得到了低焓值區和高焓值區的傳熱實驗關聯式.

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Heat-transfer Performance of Vertical Water Wall in an Ultra-supercritical Pressure Boiler with High Efficiency and Wide Regulation Load at Low Mass Flux

WANGSiyang1,WANGWenyu1,SHENZhi1,NIEXin1,YANGDong1,SONGBaojun2,JIAPeiying2

(1.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers, Harbin Boiler Co., Ltd., Harbin 150046, China)

Heat-transfer performance of an internally ribbed tube was experimentally studied at low mass flux under the condition ofp=21-29.8 MPa,G=600-1 100 kg/(m2·s) andq=330-793 kW/m2, following which relative heat-transfer correlations were derived by sorting out the experimental data in the near and super critical pressure region. Results show that in the near critical pressure region, where the capacity to restrain the DNB of rifled tube is weakened, heat-transfer performance in the subcritical part behaves better than that in the supercritical part; heat-transfer deterioration can be delayed by increasing the mass flux and lowering the heat flux. In the supercritical pressure region, the lower the pressure is, the stronger the heat-transfer enhancement would be in the large specific heat region; keeping all other parameters constant, the influence of thermal physical properties of supercritical water on the heat-transfer process would be significantly affected by both the mass flux and heat flux; continuously increasing the heat flux while keeping the mass flux unchanged, heat-transfer reduction would take the place of heat-transfer improvement in the large specific heat region.

high efficiency and wide regulation load; ultra supercritical pressure boiler; internally ribbed tube; heat-transfer characteristic; low mass flux; heat flux

2016-03-21

國家重點研發計劃資助項目(2016YFB0600201)

王思洋(1989-)，男，山東濟寧人，博士研究生，研究方向為多相流動與傳熱.電話(Tel.)：029-82668393； E-mail：1414581226@qq.com.

1674-7607(2017)02-0085-06

TK229.2

A 學科分類號：470.10