王為術，崔 強，鄭夢星，陳 剛

(華北水利水電大學 熱能工程研究中心，河南 鄭州 450011)

350 MW超臨界機組膜式水冷壁壁溫計算

王為術，崔 強，鄭夢星，陳 剛

(華北水利水電大學 熱能工程研究中心，河南 鄭州 450011)

針對350 MW超臨界鍋爐半周受熱膜式水冷壁的溫度特性，編制螺紋管圈膜式水冷壁壁溫計算程序，利用程序計算分析在不同負荷下螺旋管圈的溫度分布特性.研究結果表明：爐膛熱負荷分布不均勻?qū)е滤浔谖鼰岵痪鶆?，水冷壁向火側壁溫及鰭片溫度均有小幅度波動，同時受熱面向火側呈中間高兩側低的分布趨勢,隨著爐膛高度增加，水冷壁管壁溫度升高且有一定的波動,在75% BMCR負荷下向火側鰭端溫度達到最高，最低溫度出現(xiàn)在水冷壁下母線內(nèi)壁處.

超臨界鍋爐；膜式水冷壁；壁溫分布；溫度場

0 引言

超臨界發(fā)電作為成熟的發(fā)電技術，具有可靠、高效、清潔等性能[1]，其中水冷壁溫度一直是鍋爐安全運行的重要限制.大量試驗研究表明，高負荷區(qū)水冷壁過熱是導致水冷壁橫向裂紋失效的關鍵因素[2-3]，水冷壁周向溫差及其變化將產(chǎn)生波動較大的軸向應力，且管內(nèi)壓力變化和水冷壁管內(nèi)產(chǎn)生橫向裂紋不可避免[4].超臨界鍋爐有垂直管圈和螺紋管圈兩種水冷壁形式，研究人員對于垂直管圈水冷壁溫度場計算已開展了大量研究[5-7].在大容量直流鍋爐中，螺旋管圈式水冷壁結構也得到普遍應用，但由于螺旋管圈水冷壁結構復雜，研究難度大，相關研究較少[8].

筆者針對350 MW超臨界機組螺旋管圈膜式水冷壁溫度特性開展數(shù)值研究，研究結果可以為鍋爐設計及安全運行提供參考.

1 鍋爐及水冷壁系統(tǒng)簡介

圖1為大唐林州電廠350 MW超臨界鍋爐水冷壁系統(tǒng)簡圖.該鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛π型露天布置,固態(tài)排渣,采用四角切圓燃燒一次中間再熱.鍋爐采用定-滑-定的變壓運行方式，其運行曲線如圖2所示.鍋爐主要參數(shù)見表1.

圖1 鍋爐水冷壁系統(tǒng)簡圖Fig.1 Arrangement diagram of boiler water wall

圖2 鍋爐壓力負荷曲線Fig.2 Boiler pressure under different loads

鍋爐爐膛寬度13.608 m，爐膛深度12.798 m，其中鍋爐水冷壁分為兩部分，下部爐膛由冷灰斗及下部螺旋管組成，中間經(jīng)過標高41.089 m處混合集箱過渡到垂直管屏.從爐膛冷灰斗進口到中間混合集箱為螺旋管圈水冷壁，管子規(guī)格為φ32 mm×5.5 mm，節(jié)距為48 mm，傾角為17.235 3°，材質(zhì)為15CrMoG，共326根，從鍋爐下爐膛開始，依次經(jīng)過前墻、右墻、后墻和左墻進行編號，第154號和192號螺旋管分別位于鍋爐右墻和后墻.其膜式水冷壁截面示意圖如圖3所示.表1列出了該鍋爐螺旋管圈在不同負荷下設計的工況參數(shù).表1中BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，BRL為鍋爐額定負荷.

圖3 膜式水冷壁截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the cross-section of boiler water wall

參數(shù)BMCRBRL75%BMCR50%BMCR30%BMCR螺旋管質(zhì)量流速/(kg·m-2·s-1)2690256217311149807垂直管質(zhì)量流速/(kg·m-2·s-1)11331079729484340水冷壁入口壓力/MPa23.5523.1621.9714.9410.61水冷壁入口溫度/℃339335318299275燃料消耗量/(t·h-1)159.75153.63110.7277.5555.37未完全燃燒損失/%1.701.702.202.702.70鍋爐效率/%92.1492.2292.1092.1292.38

2 數(shù)學模型

2.1 物理模型

對于垂直管，水冷壁截面上沿管壁左右兩邊完全對稱；對于螺旋管，近似認為熱負荷在沿管壁經(jīng)線是對稱的，假設對流傳熱系數(shù)沿管徑周向均勻，即可以近似認為螺旋管水冷壁溫度分布是沿管壁經(jīng)線對稱的.因此選取圖3中陰影部分為研究對象.在鍋爐穩(wěn)定運行時，將水冷壁看作一個不規(guī)則區(qū)域的穩(wěn)態(tài)導熱過程，因水冷壁較長，上下溫度變化率非常小，其縱向?qū)峥梢院雎裕瑢栴}簡化為無內(nèi)熱源的二維穩(wěn)態(tài)導熱問題.

2.2 膜式水冷凝角系數(shù)確定

膜式水冷壁邊界條件要獲得精確的解析解，就需要精確地求解膜式水冷壁的角系數(shù)，筆者在周一工[9]給出的帶焊角鰭片的膜式水冷壁角系數(shù)精確解的基礎上求解矩形鰭片膜式水冷壁角系數(shù).水冷壁管及鰭片管上熱流密度分布函數(shù)分別為

(1)

(2)

式中:r為管半徑，mm；s為水冷壁管節(jié)距，mm；φg,r·dα為管壁的輻射角系數(shù)；φg,dx為鰭片的輻射角系數(shù).

2.3 熱負荷在水冷壁管及鰭片上的分布

爐膛內(nèi)水冷壁任一處L的局部平均熱負荷qL為:

qL=qpj·χ·η,

(3)

式中:χ為鍋爐沿爐膛高度方向上熱負荷分布系數(shù)；η為熱負荷沿爐膛寬度的分配系數(shù).

其中，

qpj=Bj·Qj/Hj,

(4)

式中：Bj為計算燃料消耗量，t/h；Qj為單位質(zhì)量燃料在鍋爐內(nèi)的輻射放熱量，kJ/kg；Hj為爐膛內(nèi)輻射受熱面積，m2.

3 結果與分析

3.1 爐膛局部熱負荷分布

圖4為在BRL負荷下局部平均熱負荷最大(標高H=36.41 m)和螺旋水冷壁管出口(標高H=41.089 m)處膜式水冷壁管內(nèi)工質(zhì)焓值以及局部平均熱負荷在爐膛寬度方向的分布.由圖中對比分析可知，在標高H=36.41 m處的局部平均熱負荷比標高H=41.089 m處高，這是因為標高H=36.41 m處在燃燒器上方附近，該處燃料燃燒充分，輻射熱量高.同時工質(zhì)吸熱比燃料燃燒需要的時間久，因此焓值的峰值與局部平均熱負荷相比有一定的滯后性.BRL負荷下，在標高H=36.41 m處局部平均熱負荷的最大值為243.4 kW/m2，最小值為188.1 kW/m2，相差55.3 kW/m2；工質(zhì)焓的最大值為2 107.12 kJ/kg，最小值為2 101.20 kJ/kg，焓值差為5.9 kJ/kg.而在標高H=41.089 m處,局部平均熱負荷的最大值為233.5 kW/m2，最小值為170.3 kW/m2，相差63.2 kW/m2；焓值的最大值為2 277.15 kJ/kg，最小值為2 270.24 kJ/kg，焓值相差為6.9 kJ/kg.

圖4 BRL負荷下局部平均熱負荷分布Fig.4 Local average heat load under BRL

3.2 水冷壁工質(zhì)出口溫度分布

圖5為不同負荷下螺旋管圈水冷壁各管出口工質(zhì)溫度、向火側壁溫及鰭端溫度的分布.從圖5可以看出，在不同負荷下，由于爐膛截面熱負荷分布不均，導致水冷壁吸熱不均勻，向火側壁溫及鰭片溫度都有小幅度波動，同時各個受熱面向火側壁溫均呈現(xiàn)中間高、兩側低的弧形分布.這一結果與文獻[10]試驗結果吻合，同一標高處熱負荷在每面墻的中部較高，在角偶部分較低.其中BMCR負荷下各管間最大溫度差為14.3 ℃，50%BMCR負荷下各管間向火側最大溫度差為5.4 ℃，滿足管間溫差小于50 ℃的設計要求，管間熱偏差較小.

圖5 不同負荷下螺旋水冷壁出口溫度分布Fig.5 Temperature distribution on the outlet section of the spiral water wall under BMCR and 50% BMCR

3.3 壁溫沿爐膛高度分布

通過計算發(fā)現(xiàn)，在位于后墻的192號螺旋管壁溫水平最高，位于側墻的154號螺旋管壁溫水平最低，而192號管水平位置經(jīng)過在熱負荷沿爐寬分布曲線峰值對應的位置，與實際情況基本相符.

圖6給出了75%BMCR負荷和50%BMCR負荷下154號水冷壁管向火側頂點溫度、鰭片端點溫度及管內(nèi)工質(zhì)溫度隨高度變化曲線.從圖6能夠看出，不同負荷下，溫度隨高度變化呈相同趨勢.隨著爐膛高度增加，管壁溫度逐漸升高，并伴有一定的波動.水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)在汽化前一段，其外壁溫度與流體溫度的差值最大，在75%BMCR和50%BMCR負荷下的溫差分別達到35.6 ℃和22.26 ℃.待管內(nèi)工質(zhì)開始汽化后，管內(nèi)工質(zhì)溫度為飽和溫度，傳熱系數(shù)變大，管壁最大溫度與管內(nèi)工質(zhì)溫度差值減小.在鍋爐高度方向上，最高壁溫出現(xiàn)在熱流密度最大處，在75%BMCR工況下，最大溫度位于向火側鰭片端，為408.97 ℃；在50%BMCR工況下，最大溫度位于向火側管壁處，為365.23 ℃.水冷壁金屬材料最大許用溫度為550 ℃，電廠設置報警溫度為466 ℃，最大壁溫均低于金屬許用溫度及報警溫度，由此證明水冷壁設計的合理性及運行的安全性.

圖6 不同負荷下壁溫沿爐高分布Fig.6 Temperature of tube 154 along the height of furnace under 75% BMCR and 50% BMCR

3.4 水冷壁截面溫度場

在亞臨界壓力下，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度隨著吸熱量的增大而逐漸增加，冷卻能力減弱，壁面熱負荷在標高H=36.41 m處達到最大，且工質(zhì)均為飽和溫度.圖7給出了75% BMCR負荷下154號管和192號管在標高H=36.41 m處的截面溫度場.對比分析可知，水冷壁向火側和背火側溫度相差較大，向火側鰭端溫度達到最高，154號管和192號管溫度分別達到397 ℃和406 ℃.在水冷壁下母線內(nèi)壁處溫度最低，均維持在所在壓力下的飽和溫度374 ℃，這是因為膜式水冷壁邊界條件不同引起的，水冷壁向火側為輻射邊界，背火側為絕熱邊界，管內(nèi)壁通過流體工質(zhì)對流傳熱進行冷卻.

圖7 75%BMCR負荷水冷壁管在H=36.41 m截面溫度場Fig.7 Temperature field of tube at 36.41 m under 75%BMCR

4 結論

1)爐膛熱負荷分布不均勻?qū)е滤浔谖鼰岵痪鶆颍蚧饌缺跍丶蚌捚瑴囟榷加行》炔▌?，同時各個受熱面向火側壁溫均呈現(xiàn)中間高、兩側低的弧形分布.

2)隨著爐膛高度增加，水冷壁管溫度逐漸升高,同時伴有一定波動.水冷壁向火側和背火側溫度相差大，在75%BMCR負荷時，向火側鰭端溫度達到最高，最低溫度出現(xiàn)在水冷壁下母線內(nèi)壁處.

[1] 張志正,孫保民,徐鴻,等. 沁北發(fā)電廠超臨界壓力電站鍋爐水冷壁截面溫度場分析[J]. 中國電機工程學報,2006, 26(7): 25-28.

[2] TORDONATO F V, SEBASTIAN, LATOUR, et al. Root cause failure assessment of the waterwall tubing at newington station [J]. ASME pressure vessels and piping conference, 2001, 1(5): 55-64.

[3] ZHU J R, ZHANG M Y. Satefy analysis of the waterwall in one PFBC boiler by dynamic model [J]. ISA transactions, 2003, 42(4): 665-672.

[4] 余艷芝,唐必光,劉勇,等. 600 MW鍋爐機組膜式水冷壁壁溫的試驗研究及理論分析[J]. 熱能動力工程,1999, 14(6): 434-436.

[5] 楊冬,于輝,華洪淵,等. 超(超)臨界垂直水冷壁流量分配及壁溫計算[J]. 中國電機工程學報,2008, 28(17): 32-38.

[6] 王為術,徐維暉,顧紅芳,等. 超超臨界鍋爐垂直水冷壁溫度場的數(shù)值計算[J]. 動力工程,2009, 29(8): 707-712.

[7] 王為術,徐維暉,李帥帥,等. 1000 MW超超臨界鍋爐高熱負荷區(qū)垂直水冷壁溫度特性研究[J]. 電站系統(tǒng)工程,2011, 27(6): 9-12.

[8] 閻維平,李春燕,米翠麗,等. 近臨界壓力區(qū)傳熱惡化對超臨界鍋爐水冷壁溫度場的影響[J]. 中國電機工程學報,2009, 29(35): 48-53.

[9] 周一工. 膜式水冷壁表面熱流密度分布的精確解[J]. 鍋爐技術,1991(1): 1-6.

[10]楊勇. 1000MW超超臨界壓力直流鍋爐螺旋管圈水冷壁的水動力及傳熱特性試驗研究[D]. 上海：上海發(fā)電設備成套設計研究院,2010.

Numerical Calculation of the Temperature Field of Membrane Water-wall of 350 MW Supercritical Boiler

WANG Weishu, CUI Qiang, ZHENG Mengxing, CHEN Gang

(Institute of Thermal Energy Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China)

In view of the temperature characteristics of semi circumference heated membrane water-walls in a 350 MW supercritical pressure boiler, a calculation program was built to obtain spiral membrane water-wall temperature distribution under different furnace loads. The results showed that: the uneven distribution of furnace heat load led to uneven heat of water-walls; temperature on the facing flame side of water-walls fluctuated within a narrow range, which was the same as the fin. The distribution of temperature on the facing flame side was low in the middle and higher on other sides. With the increase of height of furnace, temperature of water-wall rose and there was a certain fluctuation. The highest temperature appeared on the facing flame side of the fin, and the lowest temperature appeared on the inner wall of water-wall bus bar when BMCR load was 75%.

supercritical pressure boiler; membrane water-wall; water-wall temperature distribution; temperature field

1671-6833(2017)01-0046-04

2016-06-18；

2016-07-10

河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃資助項目(16IRTSTHN017)

王為術(1972— )，男，重慶開縣人，華北水利水電大學教授，博士，主要從事多相流動和傳熱方面的研究，E-mail:wangweishu@ncwu.edu.cn.

TK223.3

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.026