超临界和超超临界锅炉水冷壁的优化设计

动　力　工　程

Journal of P ower Engineering

V ol.26N o.4　Aug.2006　

　　文章编号:100026761(2006)042457205

超临界和超超临界锅炉水冷壁的优化设计

樊泉桂

(华北电力大学,保定071003)

摘　要:阐述了超临界和超超临界锅炉水冷壁的优化设计,主要包括:下辐射区水冷壁采用内螺纹管,降低质量流速,准确掌握超临界流体热物性,减小工质焓增,减小热偏差和壁温偏差,降低局部

热负荷,提高安全裕度等综合性措施。最低直流负荷优化选择综合考虑启动系统成本和变负荷运行范围以及对负荷快速变化的跟踪性能,以适应机组调峰。对1000MW 超超临界锅炉垂直管屏水冷壁的流动特性进行了理论分析,强调应高度重视运行煤质变化的影响并严格监控水质。图5表1参7

关键词:动力机械工程;超临界锅炉;优化设计;水冷壁;流动特性;安全裕度;最低直流负荷中图分类号:TK 229.2　　　文献标识码:A

Optimized De sign of Water Walls of Supercritical

and Ultra Supercritical Boilers

F AN Quan 2gui

(North China University of Electric P ower ,Baoding 071003,China )

Abstract :The following design details of supercritical and ultra supercritical boilers ’water walls are being delineated :adoption of rifled tubes in the lower radiation zone ’s water wall ,lowering the mass flow rate ,well mastering the therm ophysical characteristics of the supercritical fluid ,reducing enthalpy increments of the w orking medium ,diminishing the heat delivery and tem perature deviations of the water walls ,lowering local heat load ,raising the safety margin ,optimally selecting the minimal once -through circulation load by com prehensively considering expenditures required by the starting system ,the load variation range as well as the load following capability during swift load variations ,for meeting the set ’s cyclic operation requirements.A theoretical analysis of the medium ’s flow characteristics in the vertical water wall tubes of a 1000MW ultra supercritical boiler is being presented ,pointing out that ,during operation ,much attention should be paid to the in fluence of coal quality variation and to the strict control of water quality.T ab.1,figs.5and refs.7.

K eywords :power and mechanical engineering ;supercritical boiler ;optimized design ;water wall ;flow characteristic ;safety margin ;minimal once 2through circulation load

收稿日期:2005210225　　修订日期:2005212212

作者简介:樊泉桂(19502),男,山西方山县人,教授,现从事超临界机组锅炉技术及理论研究。

　　水冷壁优化设计是决定超临界和超超临界锅炉性能的理论与技术关键。国内大多数600MW 超临界锅炉多数采用内螺纹管螺旋管圈水冷壁,1000

MW 超超临界锅炉大部采用内螺纹管垂直管屏水冷

壁。本文全面阐述了内螺纹管螺旋管圈水冷壁和内

螺纹管垂直管屏水冷壁的优化设计概念和具体措施,期望为国内超临界和超超临界锅炉设计,选型、运行提供参考。

1.1　内螺纹管螺旋管圈水冷壁

表1给出几种代表性的螺旋管圈水冷壁结构。十分明显,经过优化设计的螺旋管圈水冷壁的主要特征是:采用内螺纹管结构,降低质量流速。最小质量流速仍然保持在700kgΠm2・s以上,最大质量流速多数维持在2150～2412kgΠm3・s,但流动阻力并没有因此减小,因为采用降低质量流速减小的阻力被内螺纹管增加的阻力部分抵消了,水冷壁阻力仍保持在1.83MPa,比石洞口电厂600MW锅炉光管螺旋管圈水冷壁仅低0.01MPa。实际上螺旋管圈水冷壁的水动力特性稳定性主要是靠高质量流速和无工质的中间再分配来维持的,由此决定了其流动特性必然是强制流动特性。

新一代超临界锅炉的螺旋管圈管径基本与上一代超临界锅炉相近,但降低了质量流速,这就必然增加管带宽度,增大热偏差。但由于采用内螺纹管、分段燃烧技术、对下辐射区水冷壁出口温度准确的控制以及设计安全裕度的提高,增加管带宽度带来的不利影响无碍大局。管带宽度增加的优点是可使螺旋倾角增大,在炉膛高度满足燃烧条件的前提下,盘旋圈数减小,可简化制造和减少焊接量并有利于防止低流速下的汽水分层。

表1　螺旋管圈水冷壁结构

T ab.1　Structural specification of w ater w alls with spirally w ound tubes

供货单位机组功率管径

Πmm

节距

Πmm

螺旋管

数根

螺旋倾

角度Π(°)

质量流速

Πkg(m2・s)-1

材料管型

北京巴威600MW <35×6.55059823.58

2412

723.6

15CrM o

S A213T12

内螺纹管

光管

东方锅炉1000MW <38.1×6.750.819.5

2720

762

S A213T2

内螺纹管

光管

阿尔斯通900MW <38×6.35371626.2

2135

710

S A209T1

S A209T11

内螺纹管

三井巴布科克600MW <38×6.55343617.3

2150

720

S A213T12内螺纹管

三菱600MW <28.6×5.681230

2805

750

S A213T12光管

1.2　内螺纹管垂直管屏水冷壁

文献[1]研究了1000MW超超临界锅炉设计,倾向采用内螺纹管垂直管屏水冷壁。内螺纹管垂直管屏的主要特点是:①采用内螺纹管可提高传热性能,实现变压运行。②可降低质量流速。日本三菱公司700MW超超临界锅炉,在最低直流负荷25% MCR时水冷壁的最低质量流速为500kgΠ(m2・s)。试验证实低于此值则内螺纹对流体的旋流作用减弱,由此决定的最大质量流速为2000kgΠ(m2・s)。降低质量流速可减小流动摩擦压降并提高重位压降并提高重位压降所占总压降的比例,以达到正流量补偿特性,即充分利用垂直管屏水冷壁中由于热偏差形成的流量自补偿特性。西门子公司在600MW超临界锅炉上的研究表明,质量流速低于1200kgΠ(m2・s)时,流量分配转换为自然循环特性[2]。③下辐射区采用一次垂直上升管屏和内螺纹管以及低质量流速相结合,克服了传统UP型锅炉的主要缺陷。

国内玉环电厂等1000MW超临界锅炉采用内螺纹管垂直管屏水冷壁,河南姚孟电厂亚临界300 MW机组UP型锅炉已经改造为内螺纹管垂直管屏水冷壁,并成功实现了UP型锅炉变压运行[3]。1.3　内螺纹管垂直管屏流动特性的理论分析

1.3.1　吸热偏差和重位压差对流动特性的影响

对于强制流动,吸热偏差对垂直管屏管组的流量偏差具有双重影响。分析可知:①吸热强的管子,工质比容增加引起流动阻力增大,质量流量减少。②对于垂直管屏,不同吸热强度的管子之间的重位压差增大,可使吸热较强的管子中工质流量自动增加。③流量分配还取决于重位压差和摩擦阻力占总压降的比率。当重位压差大大小于摩擦阻力时,流量分配为负补偿;重位压差大大地高于摩擦阻力时,流量分配为正补偿。④流量偏差也与运行压力有关,在亚临界压力范围内,压力越低,正流量补偿特性越强。

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・　　　　　动　力　工　程　第26卷　1.3.2　工质焓增和热物性对流动特性的影响

对于平均吸热水平的管子和具有吸热偏差的管子,根据热力学可导出:

G p G0=

Q p

C pΔt p

Q o

C oΔt o

=

Q p

Q o

・

C o

C p

・

Δt

o

Δt

p

(1)

　　Q,G,C,Δt分别为吸热量、质量流量、定压比热、工质温升;下标o为管组平均值,下标p代表偏差管。

式(1)不仅更为直观地说明了吸热偏差对平行管流量偏差的影响,而且表明了在超临界压力下,工质定压比热和工质温升或工质焓增对流量偏差的影响关系。

根据式(1)分析:①在吸热较多的管子中工质流量可自动增加,这说明强制流动中也具有自然循环的自补偿特性;②工质温升较大和比热较大或工质焓增较大的管子,工质流量会自动减少,这也说明在超临界压力下,较大的工质焓增也会引起工质流量减少;③结合超临界压力下工质热物理特性变化可以判断:在大比热区内,因工质比容和温导系数发生突变且变化幅度很大,当管子吸热偏差增大时,对于水冷壁流量分配和传热的影响作用将增强;④压力越低,大比热特性越明显,流量偏差越大。

2　水冷壁工质温度的设计要点

蒸汽参数为25.4MPaΠ570℃Π570℃的超临界锅炉在100%MCR时水冷壁中工质压力为～30MPa,温度为402℃,无论采用垂直管屏水冷壁,还是螺旋管圈水冷壁,下辐射区水冷壁出口的工质设计温度都应接近400℃[4]。这一关键数据的设计标志着已经准确掌握了超临界压力下水和水蒸气的热物性对于水冷壁设计的重要影响。

上辐射区和水冷壁出口工质温度应达到微过热状态428℃左右,详细内容参见文献[4]。

3　水冷壁的安全裕度

根据国内2台参数等级基本相同,但设计技术不同的600MW超临界锅炉数据,本文计算了水冷壁的qΠρω数值见(图1)。对于燃用烟煤的超临界锅炉,在100%BMCR工况下,按照水冷壁的吸热量计算的平均热负荷一般控制在100～120kWΠm2范围内,管外最大热负荷一般在300～400kWΠm2范围内,折算到鳍片管内壁的最大局部热负荷为800～900kWΠm2

。

图1　水冷壁热负荷与q

max

Πρω

Fig1　Heat delivery load of the water wall vs.q maxΠρω

　　计算表明,新一代超临界锅炉尽管采用了内螺纹管,但在防止传热恶化方面仍然留有较大的安全裕度。水冷壁在63%BMCR以上进入超临界压力范围运行时,Q电厂锅炉水冷壁qΠρω的设计值最大为3.7。按照超临界压力范围内水冷壁不发生传热恶化的条件qΠρω<4.2判别,设计安全裕度较大。

水冷壁安全裕度提高得益于各制造厂商都选择了较低的水冷壁局部热负荷和经过优化选择的水冷壁质量流速。需要说明,目前制造厂给出的按输入锅炉的热量与水冷壁投影面积之比计算的平均热负荷为220kWΠm2左右。而按照水冷壁吸热量计算的平均热负荷一般低于130kWΠm2。

4　水冷壁的最低直流负荷优化设计

4.1　水冷壁的最低直流负荷

超临界机组在FC B工况下停汽机不停炉的技术在国内已经成功实现[5]。如果在25%～35% M BCR及以下的极低负荷下实现停机不停炉,则必须维持水冷壁有必需的流量。新一代超临界锅炉为了加速温态和热态启动以及极低负荷下维持停机不停炉的运行方式,多数配置带循环泵的启动系统。根据不同设计技术,锅炉可选择25%、30%、35% M BCR三个档次的最低直流负荷。图2给出了Q电厂600MW锅炉启动系统循环泵及水冷壁的极低负荷流量。

　　由于配置带循环泵的启动系统,在机组处于温态或热态启动状态或极低负荷下,启动时间更短或升负荷速度更快,且调节更灵活,即使在极低负荷下锅炉继续保持运行时仍能够保证水冷壁的安全性,因而扩宽了直流锅炉的低负荷运行范围。这种系统可以使锅炉满足带基本负荷和参与快速调峰的要

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　第4期樊泉桂:超临界和超超临界锅炉水冷壁的优化设计

求,同时满足两班制运行方式,适应中国电力市场峰

谷差较大的情况

。

图2　循环泵流量与水冷壁流量

Fig 2　Circulating pum p ’s flow rate and water wall ’s flow rate

4.2　最低直流负荷的优化设计

最低直流负荷越低,超临界机组变负荷运行范围越宽。同时,循环泵流量和启动系统的容量可设计得越小,有利于降低启动系统的投资,减小启动损失。但水冷壁传热所要求的最低质量流速一般为

750kg Π

(m 2s )左右,直流运行的负荷范围越宽,高负荷时的质量流速就越高。对于内螺纹管水冷壁,若最低直流负荷选择25%M BCR ,100%M BCR 时质量

流速就达到3000kg Π

(m 2s ),则因采用内螺纹管会增加过多的流动阻力;其好处是负荷低于25%,才需

要投入循环泵。若直流运行点选择35%M BCR ,最

高质量流速为2143kg Π

(m 2s ),流动阻力可降低30%;但在35%负荷以下,循环泵就必须投入运行,

扩大了循环泵运行的负荷范围,需要提高循环泵的设计流量。

5　水冷壁热偏差和壁温偏差

　　控制壁温偏差是超临界锅炉水冷壁设计的关键性问题之一。有五大特殊因素影响超临界锅炉水冷

壁的壁温偏差:①随着吸热量增加,工质温度不断提高;②随着工质温度提高,工质定压比热(包括大比热)降低,吸热量的微量增加,致使工质温度大幅度提高;③在高质量流速下,吸热偏差与流量偏差的关系为“负”补偿特性;④超临界直流锅炉水冷壁系统的热容量小,水冷壁的吸热变化不是主要转变为压力提升,而是转变为工质温度升高;⑤水冷壁型式不同,产生热偏差的程度不同,对热偏差的敏感性也有较大差异。新一代超临界锅炉设计时,一般控制水冷壁管壁温差不超过40℃。与之相应的下辐射区水冷壁出口工质温度偏差不超过30℃。

采用直流式燃烧器切圆燃烧的1000MW 超超临界机组锅炉为单炉膛双切圆布置方式,将两个相对的火球反向切圆燃烧,使切圆燃烧形成的对

流热偏差与火焰整体辐射系统的辐射热偏差相互补

偿或抵消热偏差[6]

。

600MW 超临界锅炉多数采用旋流燃烧器对冲燃烧方式,并通过多种技术减小烟气侧的热偏差。即小容量的旋流式燃烧器,沿炉膛宽度均匀、对称布置;通过燃烧调整实现单只燃烧器的风粉均匀分配,使炉膛出口烟气流量和温度偏差都较小。据国内经验,在炉膛出口沿宽度的热偏差系数1.02～1.04。

图3、图4给出了Q 电厂600MW 超临界锅炉水冷壁工质焓增和出口工质温度最大偏差。可见,在

新一代超临界锅炉上,为了控制水冷壁壁温偏差,除

了其它多项综合措施外,控制工质焓增仍然是重要的。

图3　水冷壁工质焓增

Fig 3　Enthalpy increment of the w orking medium in the water wall

图4　水冷壁工质出口温度偏差

F ig 4　T em perature deviation of the w orking m edium at the w ater w all ’s outlet

　　超临界直流锅炉对热偏差十分敏感。例如沁北电厂600MW 超临界锅炉在600MW 负荷时,下辐射

区螺旋管圈水冷壁的工质温升为82℃,上辐射区垂直管屏水冷壁的工质温升为26℃。而锅炉运行中出现上辐射区水冷壁出口段的壁温偏差比下辐射区

还大(图5)的现象[7]

。

　　理论分析认为:

(1)上辐射区垂直管屏水冷壁管内工质参数处于大比热区,同时工质经过二次流量分配,且上辐射区垂直管屏水冷壁管内工质质量流速较低。这些因素叠加在一起,致使上辐射区水冷壁的壁温偏差高于下辐射区。这也说明工质大比热区应避开热负荷最高的燃烧器区。

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0・　　　　　动　力　工　程　

第26卷　

Fig5　W all tem perature deviation of the water wall

　　(2)下辐射区螺旋水冷壁的出口壁温偏差随负荷降低而增加,主要是因为随负荷降低,压力也降低,在400MW负荷时水冷壁进入亚临界压力范围内,水冷壁管中为汽水两相混合物,汽水比容变化比较大,加上炉膛内热负荷不均匀和质量流速降低而使并列运行水冷壁管的热偏差敏感性增强,致使金属温度偏差增大。在500MW负荷时,水冷壁虽然在超临界压力范围,但因压力接近临界压力,大比热区的工质特性十分明显,即比容急剧增大,导致流量分配偏差增大;温导系数急剧减小,导致传热偏差增加,从而致使壁温偏差增加。

　　(3)上辐射区垂直水冷壁出口壁温偏差随负荷变化的趋势呈马鞍形,在400MW～500MW范围内,变化趋势与下辐射区螺旋水冷壁基本相同。在500 MW～600MW范围内,变化趋势与下辐射区螺旋水冷壁相反,可能主要是因为在超临界压力范围内,压力越高,热负荷越高,工质温升越大的超临界流体特性有关。

电厂还进行了堵管试验,即将一根事故管进行堵管后,发现与被堵管两侧的管子壁温比相邻的管子升高15℃和20℃,说明与被堵管相邻的管子冷却作用变差,进一步说明水冷壁对热偏差的敏感性。

可见,大量积累实际运行数据、准确掌握热偏差的影响规律,无论对下辐射区或上辐射区的水冷壁优化设计都是非常重要的。6　结　论

超临界和超超临界锅炉水冷壁技术已经基本成熟,优化设计的水冷壁在技术性能和可靠性方面都有大幅度的提高。主要得益于内螺纹管技术的日趋成熟和对低质量流速下的强制流动特性以及理论上对超临界压力下水和水蒸汽热物性的准确掌握。此外,带有循环泵的启动系统和最低质量流速的优化设计使锅炉对负荷快速变化和变压运行的适应性增强。

电站锅炉燃用的煤质变化比较大,所以在特定条件下设计的锅炉性能,尤其是水冷壁的工作特性,直接受到煤质变化的影响,其最佳工作特性点会产生漂移;同时更要高度重视水质监视和控制,因为对于超临界锅炉水质侧的腐蚀、结垢对管壁产生的直接破坏或超温无论从速度上还是程度上通常都比管外因素的影响严重得多。设计、运行、选型、控制都应充分重视上述问题。

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