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1、三、超临界机组水动力与传热特性,锅炉水动力特性概述超临界锅炉的水动力特性影响因素超临界机组螺旋管圈水冷壁垂直管圈水冷壁超临界锅炉采用垂直管屏水冷壁的变压运行技术,锅炉水动力特性概述,亚临界参数锅炉水动力特性 锅炉的水动力特性不仅影响着水冷壁的传热特性和安全性，而且在很大程度上影响着汽温特性、调峰性能和燃烧调节性能。由于水冷壁的水动力特性主要取决于循环方式，而循环方式不仅取决于锅炉的容量和参数，而且取决于不同燃烧方式所需要的炉型结构，所以亚临界参数锅炉出现自然循环、控制循环和强制流动等多种形式。按照目前的设计技术，对于600MW亚临界参数机组，当采用四角燃烧方式时候，由于炉膛周界的限制，适宜采用
2、控制循环方式。采用对冲燃烧方式时候，炉膛周界比较大并且选择较大的水冷壁管径，适宜采用自然循环方式。,超临界参数锅炉水动力特性 超临界参数锅炉水动力特性主要决定于水冷壁形式、工质的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分布范围等因素。工质的热物理特性是指超临界参数下，在拟临界温度左右的一定范围内，工质受到大比热特性的影响，比容、黏度、导热系数发生急剧变化的特性。超临界压力下工质的热物理特性显著的影响着直流锅炉水动力的稳定性和下辐射区水冷壁出口工质的温度，进一步影响到自动调节性能。,超临界锅炉的水动力特性影响因素,超临界参数锅炉的水动力特性，主要取决于工质的热物理特性、水冷壁型式、运行方式
3、、水冷壁热流密度的大小及其分布等因素的影响。压力对循环特性的影响 运行和实测数据表明，亚临界参数自然循环锅炉的汽包压力达到20.678 MPa时，自然循环仍然不成问题。压力由15.0MPa提高到20.0MPa，下降管内工质密度大约减少20，上升管内工质密度几乎不变，循环流动压头只有微小的降低，因而对循环特性的影响不大，由此可见压力不是影响循环特性的主要因素。由理论分析可以知道，压力对于循环特性的影响具有双重作用：一方面压力提高使循环流动的压头略有减少；另一方面压力提高使水冷壁管内工质的汽化潜热减小.,炉型结构对循环特性的影响 锅炉炉型结构首先取决于锅炉燃烧条件，即取决于燃料的燃烧特性和结渣特性
4、以及燃烧方式；其次取决于锅炉蒸发量和限制产生膜态沸腾的安全裕度。对于亚临界参数锅炉，随着锅炉容量增大相对于单位蒸发量的炉膛周界减小，管内质量含汽率增大，达到，循环流速达到1.7-2.0 ms。30MCR时的循环流速能保持1 ms的水平。试验数据表明，循环流速达到0.4ms，水冷壁管内的工质流动就不会产生停滞和倒流现象。当水冷壁采用内螺纹管时，质量含汽率即使达到0.6，也不会出现膜态沸腾导致的传热恶化现象，因而自然循环具有较大的安全裕度。,工质的热物理特性对水动力及传热特性的影响1）工质大比热特性的影响 超临界参数锅炉的技术关键就是水冷壁。超临界锅炉水冷壁的循环倍率通常只有1或小于1(当过热器减
5、温水量较大时)，变压运行的超临界机组低负荷时流量较小，这决定了水冷壁需要较小的管径和特殊的管圈型式，以确保管内有足够高的质量流速，保证冷却管壁，使其不超温。,经过长期的发展，超临界锅炉水冷壁管圈主要有螺旋管圈水冷壁和垂直管圈水冷壁两种型式。两者不同点：螺旋管圈适用于变压运行，垂直管屏适用于定压运行。两者共同点：A 高负荷运行工况下，水冷壁都是在超临界压力下工作，管内工质温度随吸热量增加而提高。B 工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化，但是工质温度变化不大。C压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热特性逐渐减弱。,拟临界温度：超临界压力下对应一定压力，工质存在一个大比热区。对应比热最
6、大值的温度称为拟临界温度。工质温度低于拟临界温度时候为水，高于时为汽。也称为相变点。大比热区内工质比容的急剧变化，必然导致工质的膨胀量增加，从而引起水动力不稳定或类膜态沸腾。在大比热区外，工质比热很小，因而温度随吸热变化很大。根据超临界压力下工质的热物理特性，控制下辐射区水冷壁吸热量，尤其是将下辐射区水冷壁出口工质温度控制在对应工质压力的拟临界压力下，使工质的大比热区避开受热最强的燃烧器区域是超临界锅炉设计和运行的关键。,2）超临界压力下的类膜态沸腾超临界压力下水冷壁管内可能发生的类膜态沸腾，主要是由于在管子内壁面附近的流体黏度、比热、导热系数和比容等物性参数发生显著变化引起的。超临界压力下工
7、质热物理特性的急剧变化对管子传热特性的影响主要有：A 由于流体温度不同，管子中心流体黏度大，壁面处黏度小。黏性梯度引起流体边界层的层流化。B 在边界层中的流体导热系数也随着降低，又使导热性差的流体与管壁接触，当进口温度较低时，壁面处的流体速度远小于管中心的流体速度，又促使流动层流化。C 在边界层中密度减小，产生浮力，促使紊流边界层流化。在管子热负荷较大时可能导致传热恶化。类膜态沸腾：超临界压力下由于工质热物理特性的变化导致的传热恶化现象类似于膜态沸腾。,3）其它因素的影响超临界压力下的传热恶化还与水冷壁热负荷、工质的质量流速和欠焓有关。传热恶化首先发生在工作欠焓最大的管子入口处，工质欠焓越大，
8、受热面热负荷越大，发生传热恶化的位置越提前。因此管子入口不应该布置在热负荷最高的燃烧器区域附近。同时在任何负荷下，都要保证正常传热所要求的质量流速。研究认为，在超临界压力下，采用内螺纹管和光管的传热性能差不多，只要控制适当的热负荷并维持较高的质量流速，内螺纹管和光管都不会发生传热恶化。,超临界机组螺旋管圈水冷壁,超临界参数锅炉的水动力特性与水冷壁形式有很大关系。为了适应电网中调峰和滑压运行的要求，先后开发的螺旋管圈水冷壁结构的超临界锅炉。管子自炉膛低部以一定的倾角沿着炉膛四周盘旋上升到炉膛出口处(一般圈)，上部改为垂直上升管子，以利于管子穿墙及悬吊结构的布置。只要改变螺旋管圈的倾角，就可以非常
9、容易的减少炉膛四周的管子数量而不增加管子间的间隙，保证必要的管内质量流速，同时可选用较粗的管子，增加水冷壁的刚性。,1 螺旋管圈水冷壁的主要优点为：(1)可以容易地满足变压运行的要求。由于管子根数少，采用了较高的质量流速，在所有的负荷范围内均能保证管壁温度不超过允许温度，并且在压力较低时水动力也十分稳定；(2)由于水冷壁管圈绕炉膛周界盘旋上升，各根管子受热较均匀，使得水冷壁出口温度偏差小；(3)可以采用较大管径和壁厚的水冷壁管，增加水冷壁的刚性，减少了由管子制造公差所引起的水动力偏差。,2 螺旋管圈水冷壁的主要缺点为：（1）由于管内质量流速高，螺旋管圈展开长度几乎为垂直管圈长度的二倍，水冷壁阻
10、力较大；（2）螺旋管圈水冷壁的制造工艺比较复杂，制造工作量大，每绕一圈，有四个弯头，组装率低，管圈的支承结构和刚性梁结构复杂，制造和安装周期长，维护和维修也要复杂一些。实例:石洞口第二发电厂600MW超临界参数锅炉采用螺旋管圈水冷壁，管子规格为36*5.6，材料为13CrMo44,由316根管盘旋至炉膛折焰角下部，盘旋圈数为1.74圈，螺旋管倾角为13.95度。螺旋管出口处工质温度控制在413，水冷壁出口处工质温度控制在433。下辐射区水冷壁出口工质温度控制在不高于相应压力下的拟临界温度下。,3 变压运行时螺旋管圈水冷壁的工作特点1）超临界参数锅炉变压运行时，工作压力随负荷变化。在75BMCR
11、负荷以下，水冷壁在亚临界压力区工作，管内是汽水混合物，比容变化较大，如果管外热流密度过高，不仅容易引起膜态沸腾，还会引起较大的工质热膨胀。2）超临界压力锅炉在低负荷变压运行时候，下辐射区出口的压力比较低，50BMCR负荷时的中间点压力为13MPa，这时饱和汽的比容是水的比容8.1倍以上，汽水的比容显著增加。,3）低负荷运行时，螺旋管圈进口工质温度降低，工质欠焓增大，当部分水冷壁结渣或积灰和火焰偏斜时，将使各水冷壁管的沸腾点不同步的推迟，此时尽管水冷壁总流量不变，但是各管内工质流量分配不均或流量时大时小，从而出现流动不稳定现象，负荷越低，压力越低，越容易出现水动力不稳定性。4）变压运行的超临界直
12、流锅炉启动时处于无压或低压状态，随着燃烧率的增加，工质温度和压力不断提高，水冷壁管中的汽水膨胀使得水冷壁出口的流量远大于给水量，这将影响到分离器水位变化特性和系统的水动力稳定性。75BMCR负荷以上，水冷壁进入临界压力和超临界压力区工作，影响水动力稳定性和传热特性的主要因素是工质的大比热特性,4 热偏差对螺旋管圈水冷壁安全性的影响 实际运行表明，直流锅炉水动力不稳定性多数是在低负荷并且水冷壁热负荷分布不均的情况下出现的。水冷壁热负荷分布主要决定于火焰中心位置的偏移以及受热面积灰结渣等条件，即影响水动力稳定性的主要是炉内过程引起的热偏差。在热偏差的作用下，管屏间或管间的流量重新分配，在热负荷高的
13、管屏或管内，加热水区段变短，汽水两相流及蒸汽过热区段变长，使流动阻力大幅度增加，导致流量自动减少。即使是螺旋管圈水冷壁也会存在不同程度的热偏差，主要取决于螺旋圈数和火焰偏斜程度。,5 燃料投入速度及减温水量对水动力特性的影响 在升温升压过程中，随着燃料量的增加，尤其是直吹式系统增投磨煤机时，一方面炉内燃烧放热量增大，引起热敏感性较强的水冷壁吸热量剧烈变化，管内汽水比容变化速度增加。另一方面为控制汽温还要增加减温水量，如果减温水量较大，水冷壁中工质流量就减少很多。,垂直管圈水冷壁,1.垂直管圈水冷壁 垂直管圈水冷壁以其结构简单，容易实现膜式壁结构的优势而被广泛应用。为了保证炉膛下辐射区水冷壁管内
14、的质量流速，下辐射区水冷壁的流路一般设计成2-3次垂直上升。现代机组为了避免产生较大的热偏差并提高工质的质量流速，仅采用二次垂直上升的形式，两个流路之间用不受热的下降管相连接。垂直管圈水冷壁又分为一次上升式和多次上升一下降两种，沿炉膛四面周界垂直的管子组成若干管屏。一次上升垂直管圈的所有管屏都是并联的，从省煤器来的工质引入炉底进口集箱，在管屏中一次向上流动至炉顶出口集箱。而多次上升一下降管圈，工质从炉底进入几片管屏，向上流动到炉顶后，经过下降管引到炉底，再在另外几片管屏中向上流动，视不同情况可有几次上升下降。,多次垂直上升一下降管圈工质具有较高的质量流速，但由于相邻管屏间工质温度不一样引起相邻
15、管屏外侧两根相邻管子之间壁温差大，只适用于定压运行的锅炉。对于变压运行的超临界锅炉采用一次上升的垂直管圈水冷壁(如华能玉环电厂1000NW机组)，为了得到较高的质量流速，一般要求锅炉容量较大并采用较细的管径。同时为了抑制亚临界压力下炉膛水冷壁传热恶化、强化管内侧换热和确保水冷壁管工作的安全性，在热负荷较高的部位采用内螺纹管。为了减小水冷壁出口的温度偏差，保证水冷壁系统水动力工作的可靠性，整个水冷壁系统根据炉膛内沿宽度热负荷分布状态和结构特点，在回路的进水导管上和每根水冷壁管的人口同时装设节流圈即采用二级节流方式来控制各管子的流量。,2.实例：辽宁绥中电厂引进前苏联800MW超临界压力锅炉采用垂
16、直管屏水冷壁。锅炉水冷壁只有在启动初期起水冷壁的作用，当启动分离器转入干态运行后，水冷壁和过热器的作用基本相近，只不过水冷壁中工质温度低一些。锅炉汽水系统分为两个完全独立的调节流程，每个流程的水冷壁下辐射区采用两次垂直上升。,锅炉给水温度为270，经过省煤器及悬吊管加热后，温度提高到320，进入水冷壁下辐射区。在下辐射区水冷壁的一次垂直上升管屏（第一流程）中，工质温升为55。下辐射区水冷壁二次垂直上升管屏（第二流程），中温升为25。工质到达下辐射区水冷壁第二流程出口处被加热到400。上辐射区水冷壁也采用两次垂直上升管屏。下辐射区水冷壁出口的工质经过混合，进入上辐射区水冷壁的两个流程继续加热后，
17、工质温升为26。在水冷壁出口工质温度达到429。水冷壁中工质温升约为109。,3.800MW超临界参数锅炉的主要特点1)在防止水动力多值性和脉动方面，主要采取的措施有将水冷壁分为独立的两个流路，独立控制两个流路的给水流量及温度采用较高的质量流速，并采用全压启动控制下辐射区水冷壁的出口温度，使工质大比热区避开热负荷较高的燃烧器区域，避免工质比容剧烈变化引起过大的汽水膨胀量2)消除热偏差采用工质旁路，减小下辐射水冷壁第一流程工质温度偏差沿水冷壁流程，工质进行多次混合和左右交叉采用烟气再循环，降低燃烧器区域水冷壁的热负荷，使炉内烟气温度分布趋于均匀采用较高的质量流速和全压启动、定压运行方式,3)防止
18、发生类膜态沸腾导致水冷壁超温 控制下辐射区水冷壁出口的温度，使工质大比热区避开热负荷较高的燃烧器区域附近，避免吸热最强区域中，工质热物理特性的剧烈变化（控制下辐射区水冷壁出口工质的最高温度不超过410-430，因为工作压力31.5MPa对应的拟临界温度（定压比热最大处的工质温度）约为410。因此控制极限温度实际上是为了防止相变点下移到燃烧器区域，防止下辐射区水冷壁发生类膜态沸腾，其次是防止工质比容急剧变化导致的水动力多值性以及防止过热器超温。增大燃烧器节距，设置烟气再循环，降低燃烧器区域水冷壁的壁面热负荷 采用较高的质量流速和全压启动、定压运行方式 水冷壁采用耐温能力较高的合金钢管,4)简化旁
19、路系统 不设高压旁路和低压旁路，只设置大旁路系统（快速启动旁路）。启动系统和控制系统以及操作启动随之简化。因此800MW直流锅炉的启动和操作不同于国内现有的500MW和600MW直流锅炉。,4.一次上升垂直管圈水冷壁的主要优点为：(1)与螺旋管圈相比，垂直管圈的质量流速较低，管子总长也较短，水冷壁阻力较小，降低了给水泵的耗电量；(2)水冷壁本身结构、支撑和刚性梁结构简单，安装、维护和检修比较容易。,5.一次上升垂直管圈水冷壁的主要缺点为：(1)受到机组容量的限制。垂直管圈目前的最小管径为28 mm，由于管径的限制，对容量较小的锅炉，无法保证必要的质量流速。一般认为，对一次上升垂直管圈水冷壁来说
20、，锅炉的最小容量为500600 MW：(2)水冷壁管径较小并采用内螺纹管，管子的制造精度和价格较高；(3)需要在水冷壁人口装设节流圈，增加了水冷壁下集箱结构的复杂性；(4)水冷壁出口的温度偏差比螺旋管圈大；(5)启动和低负荷时为了保持必要的质量流速，需装设再循环泵。,采用垂直管屏水冷壁变压运行技术,一般认为垂直管屏水冷壁直流锅炉不适合变压运行，但是可以采用一些新技术：1）设置过热器的旁路系统，根据需要控制过热器的蒸汽参数和流量。2）根据管子的吸热分布在各流程管子入口加装不同孔径的节流圈，减小工质比容变化引起的流量偏差.3）采用内螺纹管克服在亚临界压力范围内可能出现的膜态沸腾。4）在低温烟道内布置蒸发器，解决低压下蒸汽吸热不足的问题并保证进入水冷壁的工质处于湿蒸汽区。5）在水冷壁出口布置节流阀或旁路系统，在机组低负荷变压运行时，水冷壁在超临界压力下定压运行，过热器在亚临界压力下运行，机组进入高负荷运行时，过热器转入超临界压力运行。,
