530 MW等級T型爐水動力安全特性

黃 鶯，郭 馨

(1．高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司)，黑龍江 哈爾濱 150046；2．哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引言

水冷壁出口工質溫度是直流爐非常重要的控制指標，直接決定了水冷壁與尾部受熱面的熱量分配特性。分離器出口工質在啟動過程中進入分離器進行汽水分離，待機組濕態運行轉干態運行后分離器則退出運行[1-6]。

當前鍋爐水冷壁出口工質溫度在設計工況下約為437～447 ℃，實際運行過程中工質溫度較設計值低，約在410～420 ℃。這說明水冷壁吸熱比例較少，水冷壁材料的安全裕量高于設計值。但不可否認，由于機組運行時間較長，水冷壁材料的老化、減薄問題是必然存在的，因此，目前機組的實際運行參數對于保證水冷壁的安全運行是非常有力的。充分考慮到機組的實際運行情況，機組不提參數滑壓運行，即主再熱器壓力和溫度保持不變，定壓運行改造為滑壓運行改造方案。

1 水冷壁改造方案

改造采用哈鍋自主開發研制的530 MW等級高效超超臨界T型鍋爐技術。機組為直流超臨界一次中間再熱固態排渣變壓煤粉鍋爐，單爐膛爐體結構，采用不帶泵啟動系統。原設計水冷系統為低質量流速以及垂直往復一次上升輻射，分離器布置于尾部包墻和頂棚管后，無貯水箱。爐膛為矩形，整體受熱面懸掛在標高為86.5 m的鋼結構上。在受熱面膨脹時，受熱面可自由向下移動。由規格φ32×6，材料12Cr1MoV鰭片管焊接構成輻射受熱面，鰭片管間用帶鋼或直接焊接。輻射受熱面構成了冷灰斗，爐膛四壁，水平煙道壁，爐膛頂部等，爐膛水冷壁為采用垂直往復一次上升布置，由上部輻射受熱面(BPЧ)和下部輻射受熱面(HPЧ)組成(以標高44.7 m分界)。豎向管屏由管組構成，每個管組有48根管子，管子間距離48 mm。

按照汽水流程先后順序對鍋爐劃分回路。前后墻冷灰斗到中間集箱(標高44.7 m)為水循環第1回路(這里回路指水冷壁按照爐內爐外流程先后順序進行劃分的部分，按順序號串聯的關系)；側墻冷灰斗到中間集箱(標高44.7 m)為水循環第2回路；前后墻中間集箱(標高44.7 m)及旁路至爐頂引出為第3回路；側墻中間集箱(標高44.7 m)到折焰角水平煙道、費斯頓2(懸吊管)為第4回路。其后回路(分離器前)同樣按照(爐內爐外)流程劃分。

根據鍋爐的原設計參數，鍋爐僅適用于定壓運行，且最低負荷為60%最大蒸發量。因此，原鍋爐的調峰能力非常欠缺，與目前國內的主流電力發展趨勢不一致。

為解決鍋爐滑壓運行及低負荷調峰能力，需對鍋爐水冷壁進行改造，為此，提出改造方案為：定壓改滑壓，采用哈鍋典型螺旋管圈水冷壁結構，即螺旋管圈+垂直管圈布置結構，分離器布置于水冷壁出口，增加貯水箱，尾部包墻和頂棚管屬于過熱器系統。

從圖1可以看出螺旋管圈均勻布置在爐膛的四面墻，圍繞圈數在1圈以上，螺旋管圈的同一管帶中的各管子以相同方式從下到上繞過爐膛的角隅部分和中間部分，水冷壁吸熱均勻，管間熱偏差小，使得水冷壁出口的介質溫度和金屬溫度非常均勻。

圖1 哈鍋典型螺旋管圈水冷壁結構示意圖

2 水冷壁改造水動力計算

(1)水冷壁系統汽水流程

給水經省煤器加熱后進入水冷壁下集箱，經水冷壁下集箱進入冷灰斗水冷壁。灰斗部分的水冷壁由水冷壁下集箱引出的管子組成的管帶圍繞成。經過灰斗拐點后，管帶以一定傾角繼續盤旋上升。螺旋管圈由512根光管構成,節距為53 mm，水冷壁通過中間集箱轉換成垂直管屏，垂直管屏由1 546根光管組成，節距為48 mm (包括后水吊掛管)出口集箱的引出管與下降管相連，下降管分別連接折焰角入口集箱和水平煙道側墻的下部入口集箱。折焰角的管子穿過后水冷壁形成水平煙道底包墻，然后形成水平煙道管束與出口集箱相連。水平煙道側墻出口集箱與煙道管束共引出的連接管與啟動分離器相連，形成了爐膛水冷壁系統。

(2)水動力計算回路劃分

下爐膛螺旋管圈計算回路劃分:本工程的鍋爐爐膛為長方形，下爐膛兩側墻螺旋管圈各劃分為10個回路，前后墻螺旋管圈各劃分6個回路，共32個回路。

(3)水動力計算管段劃分

下爐膛部分各回路共劃分約為27個管段。將冷灰斗拐點以下的各水冷壁管劃分為3個管段；從冷灰斗拐點至水冷壁中間集箱處的水冷壁螺旋管圈，每個回路被劃分約為24個管段。上爐膛部分各回路共劃分為15個管段。

3 計算結果及分析

(1)典型回路求解結果

表1列出了下爐膛螺旋管圈三個回路在BMCR負荷時的主要求解結果，選取的回路為左側墻的三個典型回路，即最短管3回路、平均管6回路和最長管11回路。

表1 BMCR負荷時的下爐膛典型回路計算結果

(2)水冷壁壓力分布計算結果

表2列出了BMCR負荷時水動力計算得出的水冷壁各部分壓力，表中的系統總壓降是水冷壁入口集箱到分離器之間的壓降，為1.64 MPa。

表2 BMCR負荷水冷壁各部分壓力分布計算結果

(3)回路流量計算分配結果

圖2和圖3分別給出了計算得到的BMCR負荷時下爐膛32個回路和上爐膛32個回路單管流量分配情況。從圖可以看出，下爐膛各回路流量的差別主要是因為管子長度的差別引起的。

圖2 下爐膛螺旋管圈各回路單管質量流速分布

圖3 上爐膛垂直水冷壁各回路單管質量流速分布

(4)爐膛出口焓值和汽溫分布計算結果

圖4示出了計算得到的BMCR負荷時下爐膛出口溫度分布。可以看出，下爐膛四面墻的溫度分布情況為流量較小的回路相應出口溫度值較高。

圖4 下爐膛螺旋管圈各回路出口汽溫分布

總體來看，螺旋管圈出口汽溫偏差較小，最短管和最長管的出口汽溫偏差為6.4 ℃。螺旋管圈各回路吸熱量偏差小，偏差的產生主要來自于管段長度，由此導致螺旋管圈出口汽溫偏差較小，這也正是螺旋管圈的一個主要優點[7-9]。

圖5示出了計算得到的BMCR負荷時上爐膛出口溫度分布總體來看，垂直管段偏差明顯大于螺旋段，爐膛壁面出口汽溫偏差約20.2℃，根本原因在于各管段間回路吸熱偏差不同造成的，符合水動力安全要求。

圖5 上爐膛螺旋管圈各回路出口汽溫分布

(5)壁溫計算

對于BMCR負荷下的壁溫分布分析，下爐膛選取第4回路為螺旋管圈壁溫分析對象；上爐膛垂直水冷壁管壁溫分析對象選取如下，前墻的受熱最強管45回路進行分析。

圖6示出了BMCR負荷時下爐膛4回路壁的工質溫度、內壁溫度、中間壁溫、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的變化曲線。圖7示出了BMCR負荷時上爐膛45回路的工質溫度、內壁溫度、中間壁溫、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的變化曲線。

圖6 BMCR負荷下爐膛4回路壁溫沿爐膛高度分布

圖7 BMCR負荷上爐膛45回路壁溫沿爐膛高度分布

計算結果表明，BMCR負荷時鍋爐上、下爐膛水冷壁溫度和鰭片溫度處于材料允許范圍之內，并且裕量很大，鍋爐運行是安全的[10-12]。

4 結論

本文針某電廠530 MW超臨界鍋爐進行分析，對機組在BMCR負荷下的水冷壁的分布進行計算，主要結論如下：

(1)對該電廠530 MW超臨界鍋爐整個水冷壁系統進行了回路和壓力節點劃分，根據安全性核算得到了530 MW下各回路的流量分配和節點壓力分布。

(2)計算結果表明，定壓改滑壓后鍋爐在100%負荷(530 MW)上、下輻射區四面墻的出口汽溫偏差范圍為6.4～20.2 ℃，鍋爐運行是安全的。

(3)變壓運行時，隨著負荷的降低，壁溫將會下降。計算結果表明，改造后鍋爐530 MW負荷最高中間點溫度不超過510 ℃，水冷壁運行是安全可靠的。