超临界锅炉水冷壁技术特点分析与比较

第 4期 2 0 1 2年 7月 锅炉制造 BOI L ER MANUFACTURI NG No 4 J u 1 2 01 2 文章编号 ： C N 2 31 2 4 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 0 7 0 4 超 临界锅炉水冷壁技术特点分析与 比较 郭大山， 王伟来， 胡双南 ( 哈尔滨锅炉厂有限责任公司， 黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 4 6 ) 摘要： 本文对 目前超临界锅炉主要采用的水冷壁型式及其技术特点进行了分析和比较。通过对水循环特 性、 主要设计参数、 结构特点以及制造、 安装等方面因素的阐述， 分别指出了两种主要的水冷壁型式的优点， 为 超临界锅炉水冷壁的选 取和设计 提供 参考。 关键词： 超临界； 水冷壁 ； 螺旋管圈； 垂直管圈 ， 中图分类号 ： T K 2 2 3 3 1 文献标识码 ： A Te c h n i c a l Ch a r a c t e r An a l y s i s a n d Co m p a r i s o n o f S u p e r c r i t i c a l Bo i l e r W a t e r W a l l Gu o Da s h a n， Wa n g We i l a i ， Hu S hu a n g n an ( H a r b i n B o i l e r C o ， L t d ， Ha r b i n 1 5 0 0 4 6， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th i s p a pe r a n a l y z e s a n d c o mpa r e s s u p e r c r i t i c al b o i l e r wa t e r wall t y p e s a n d t e c h n i c a l c h a r a c t e r t h a t b e u s e d wi d e l yT h r o ug h t h e d e s c rib e a b o u t h y d r o d y n a mi c c ha r a c t e ris t i c，ma i n d e s i g n pa r a me t e r s ，s t r u c t u r e c h a r a c t e ris t i c，f a b r i c a t e a n d i n s t all a t i o n c o n d i t i o n a n d S O o n，i t i n d i c a t e s t he a d v a n t a g e d i v i d e d l y ，a b o u t t wo t y p e s a n d g i v e s t h e r e f e r e n c e t o s e l e c t a n d d e s i g n t h e s u p e r c r i t i c a l bo i l e r wa t e rwa l 1 Ke y wo r d s ： s u p e r c r i t i c al；w a t e rwall ；s p i r e wa t e rwall ；v e r t i c a l w a t e rw a l l 0 引 言 国外对予超临界流体 的传热在 2 0世纪五六 十年代就进行了研究 ， 近些年 ， 国内对于超临界流 体传热研究也已广泛地展开。某高校多相流国家 重点实验室对于垂直光管、 垂直 内螺纹管 以及倾 斜光管内流体在超临界压力下的传热特性均进行 了研究。 目前 ， 世界上成熟 的超临界锅炉 的水冷 壁型式主要有两个技术流派 ： 即采用内螺纹管 的 垂直管圈型式 以及采用 螺旋 管圈 +垂 直管圈 的 型式 。 目前 ， 国内超临界锅炉基本全部采用变压 运行方 式 ， 这使其运行条件变得非常复杂。从额 定负荷 至最低直流负荷 ， 锅炉运行压力将从超临界压力 降为亚临界压力 ， 再降为超高压、 高压。当低于最 低直流负荷时， 锅炉运行又进人类似于控制循环 方式的湿态运行方式。水冷壁管内工质既可能运 行于超临界状态 ， 也可能工作在汽水两相区域 ； 即 便在超临界压力下运行 ， 水冷壁内工质 的相变点 也将随着负荷的变化而上下移动 。对于超临界锅 炉水冷壁的选型 以及水动力 的计算 ， 比亚临界锅 炉更为复杂。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 41 0 作者简介 ： 郭大 山( 1 9 8 0一) ， 男 ， 2 0 0 2年毕业于哈尔滨工业大学热能工程 专业， 工程 师， 现从事锅炉设计开发工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 锅炉制造 总第 2 3 4期 1 超 临界锅 炉水循环安全性 超临界锅炉可 能出现的水 动力不稳 定的 问 题 ， 主要表现为多值性 和脉动性。并且 在水冷壁 管流量分配不均匀或计算不准确时出现热偏差、 膜态沸腾及类膜态沸腾。 1 1 水动力多值性 当水冷壁在亚临界压力下运行时 ， 在汽、 水双 相区内， 同一片管组的各管子在结构和受热情况 均相 同时， 在相 同的压力差下， 不 同管子会 出现 2 种至 3种不同的流量 ， 这种现象 即为水 动力多值 性。发生多值性流动时， l 流量小的管子会 出现管 壁超温现象。同时管子 中的流量可能随时间、 负 荷的变化而变化 ， 致使该点 附近的管壁温度反复 波动 ， 引起管子疲劳。产生多值性的根本原 因是 蒸汽与水的比容不同。 P 世A P l G2 G 质量流速 k g , m s 图 1 水动力多值 性特性曲线 1 2水动 力脉 动性 脉动是指蒸发受热面中质量流速随时间周期 性变化 的现象 ， 分为全炉脉动、 屏间脉动和管间脉 动等 3种主要形式 ， 经常发生的是管间脉动 。脉 动会引起管子出 口工质温度周期性变化 ， 从而引 起金属壁温波动， 使管子产生疲劳破坏 ； 脉动还使 各并联管出现较大的热偏差 ， 导致部分管子超温。 产生脉动的根本原 因也是蒸 汽与水的 比容不 同。 引发脉动的外 因主要是炉内热负荷突变， 特别是 蒸发开始区段热负荷的突变 ， 造成局部压力突增。 1 3 热偏差 由于水冷壁各区域 的热负荷不均匀 、 流量分 配不均匀、 结构布置不均匀等因素的影响， 超临界 锅炉水冷壁更容易产生热偏差。同区域的相 同结 构的并联管子的热偏差往往无法通过水动力计算 准确得出， 这将给水冷壁的设计增加难度 。 1 4 膜态沸腾 膜态沸腾是指在管子内表面形成一层汽膜 的 沸腾状态 ， 超临界锅炉水冷壁可能在亚l 临界压力 下发生膜态沸腾。由于汽膜 的热阻很大 ， 因而管 壁温升十分剧烈， 易使管子过热损坏。在超 临界 压力下 ， 当热负荷大， 且管 内流速较低时， 在紧贴 壁面的地方 ， 会发生与亚临界压力下膜态沸腾类 似的传热恶化 ， 称为类膜态沸腾。导致壁温急剧 上升， 管子疲劳损坏 。对于直流锅炉， 无法完全避 免膜态沸腾 ， 主要的办法是推迟和抑制。 2 螺旋管圈水冷壁的技术特点 螺旋管圈水冷壁首先是德 国、 瑞士为适应变 负荷运行的需要 ， 在 2 0世纪 6 0年代发展起来的。 螺旋管圈水冷壁 由于在变压运行方面 的优越性 ， 已逐渐成为世界上 高参 数锅炉水冷壁 的主要 型 式。现代超临界直流锅炉水冷壁一般采用下部螺 旋管圈与上部垂直管圈相结合的结构型式 ， 两者 之间用中间过渡集箱连接 ( 见图 2 ) 。 图 2 螺旋管 圈水冷壁 中间过渡集箱 2 1 管间热偏差小 螺旋管在盘旋上升的过程 中， 每根管子都经 过炉膛 四周 ， 途经炉膛深度 、 宽度方向热负荷分布 不同的区域 ， 每根管子的吸热相对均匀。因此 ， 螺 旋管圈中并联的各根管子， 沿整个长度方 向热偏 差小。尤其当负荷变化 、 燃烧工况改变时 ， 因受热 不均产 生的热偏差小 。图 3为哈锅制造 的某 台 6 0 0 MW 超临界锅炉分别在 B MC R工况和 9 0 额 定负荷下 ， 螺旋管圈水冷壁出 口管壁温度实测值 ， 从 图中曲线可 以看出在两种负荷下管壁分布都十 分均匀 。 2 2抗燃烧干扰能力强 螺旋倾斜上升的水冷壁管圈 ， 其每根管子都 通过炉膛不同受热区域 ， 即使采用切圆燃烧方式 ， 当火焰 中心发生较大偏斜 时， 仍 能保证每根管子 的吸热偏差较小 ， 使各管出 口温度偏差保持较小 值 。这与一次垂直上升管 圈相 比， 在抗燃烧干扰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 郭大 山， 等 ： 超临界锅炉水冷壁技术特点分析与 比较 9 方面要有利得多。 _ _ 一 一 0 。r _ r 图 3螺旋管圈水冷壁出口壁温分布 2 3 布置与选择管径灵活 与垂直上升管圈相 比， 在满足同样的流通断 面以获得一定质量流速的条件下 ， 螺旋管圈水冷 壁所需管子数量 和管径 ， 可通过改变管子水平倾 斜角度来调整 ， 使之获得合 理的设计值 。与垂直 管圈水冷壁相 比， 螺旋管圈水冷壁不需加大管间 节距 ， 从而保证水冷壁鳍片安全。 2 4 水动力稳定性高 螺旋管圈管子根数少， 因而能够采用较大的 管径和较高的质量 流速， 其范 围一般在 2 3 0 0 2 5 0 0 k g ( m s ) 左右 ， 高质量 流速 可有 效地 抑 制膜态沸腾和类膜态沸腾的发生 。另外 ， 可在高 热负荷 区布置内螺纹管结构 的螺旋管 圈， 进一步 提高水冷壁管安全性。 2 5 煤种变化和负荷变化的适应性好 因采用较高质量流速设计 ， 且进 口不设置节 流圈， 螺旋管圈水冷壁的传热、 流量分配和介质出 口温度等不会受 到燃烧器、 磨煤机切换等工况 的 影响， 对煤种变化、 炉膛结渣以及机组负荷变化所 引起的吸热量的变化适应性好 ， 变负荷、 变压力运 行能力强 。 2 6 螺旋管圈的制造及安装工艺要求较高 由于螺旋管圈水冷壁结 构较复杂 ， 给制造和 安装带来较大不便 ， 主要体现在以下方面： 1 ) 单片管排 的弯度及宽度尺寸控 制要求严 格 ； 2 ) 燃烧器开孔 、 冷灰斗等 区域 的制造 和安装 工艺 复杂 ； 3 ) 焊接工艺较复杂 ， 水冷 壁存在大量的不规 则鳍片， 容易引起变形 。 3 垂直管圈水冷壁 的技术特点 早在 2 0世纪 4 0年代 ， 就有研究人员对多种 不同内壁结构的管子进行了强化传热试验， 综合 传热性能和制造可行性两方面的因素后 ， 发现内 螺纹管最为合适提高水冷壁传热效率和避免发生 传热恶化。从 2 0世纪 6 0年代 的亚临界锅 炉开 始 ， 直至当今主流的超临界锅炉， 世界上多家制造 厂商仍普遍采用内螺纹管作为锅炉水冷壁管。现 代超 临界锅 炉采 用 内螺纹管一次 上升垂直水冷 壁 ， 中间设置混合集箱 ， 以减小水冷壁热偏差 ， 并 在水冷壁入 口管段装设节流装置以分配水冷壁管 间流量 。 图 4 内螺纹 管的内部 结构 3 1 良好的传热特性 在超临界压力下 ， 由于螺旋 内槽 的旋流作用 减弱了自然对流 的影响， 倾斜上升 内螺纹管内壁 温度的周向分布 比较均匀。在高焓值 区， 内螺纹 管 的周 向最大温差只有 l 0 左右。同时， 内螺纹 管具有破坏膜态沸腾生成 的能力 ， 且增强 了从管 壁向管内工质的传热能力， 因此采用内螺纹管不 仅可以避免在高热负荷 的燃烧器 区干度达到 0 5 的情况下出现膜态沸腾 ， 而且可在近临界较高的 干度区域 内维持 核态沸腾 ， 较好地控制壁温的上 升。即使在上述二区域 出现传热恶化 ， 管壁温升 也将远远低于光管。 3 2 具有流量 自补偿能力 采用内螺纹管的垂直水冷壁由于摩擦阻力在 系统总阻力中所 占的 比例相对较小， 因此具有一 定的保持正向流动的特性。当个别管子吸热量骤 增时 ， 管 内流量会 自动增加 ， 具有部分 自补偿的能 力 。在保持水动力 的稳定性 的同时 ， 增加了水冷 壁管运行的可靠性。 3 3可通过结构设计减小水冷壁热偏差 采用 内螺纹管 的垂直水冷壁 ， 通常在燃烧器 上部热负荷稍低 的区域设置水冷壁中间混合集箱 以及混合器等装置， 使下炉膛水冷壁出 口的工质 进行充分混合 ， 消除 了工质沿水冷壁周界方 向上 5 O 5 O 5 0 5 O 5 O 舵 ” 弘 霉 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 锅炉制造 总第 2 3 4期 的温度偏差 ， 这样也在很大程度上减少 了上部水 冷壁出口工质的温度偏差。另外 ， 将阻力较大 的 上部水冷壁分离 出去 ， 也增强了下部水冷壁 的水 循环稳定性。 3 4 较低的质量流速 由于内螺纹管具有较好的传热及流动特性 ， 垂直水冷壁通常都选用较低 的质量流速 。在保 证水循环安全 的前 提下 ， 选用 较低 的质量 流速 可以减少水冷壁 阻力 ， 降低 给水泵 能耗。同时 ， 水冷壁 的质 量流速越 低 ， 水冷 壁 的 自补偿性 能 就越强 。 目前 ， 采 用垂直 管 圈水冷壁 的超 临界 锅炉 ， 在 1 0 0 B MC R负荷质量流速通常为 1 7 0 0 1 8 0 0 k g ( m s ) ， 较螺旋管圈水冷壁的质量流 速低 3 0 以上 。在此基础上 ， 许多研究单位及锅 炉制造厂商也正在开发采用更低质量流速的垂直 水冷壁 ， 力争 将垂直水 冷壁 的质量 流速降低 至 1 2 0 0 k g ( m s ) 甚至更低。 3 5 垂直管圈的制造及安装工艺要求较低 垂直管圈水冷壁管可以依靠管子 自身承重 ， 整个水冷壁区域 ， 都不需要设置额外的吊挂结构 ， 水冷壁刚性梁等固定结构简单。所有现场接 口全 部垂直于水冷壁管屏 ， 并且全部为平齐接 口， 工厂 加工及现场安装方便 。 4 水循环安全性 比较 对于螺旋管圈水冷壁 ， 管子进、 出口压力差与 质量流速的关系主要 由摩擦阻力与质量流速之间 的关系决定 ， 摩擦阻力与管子 内工质的平均 比容 和质量流速的平方有关 ， 由于不 同管子工质的平 均比容有可能不 同， 因而可能出现多值性。在锅 炉启动初期 ， 提高启动压力 、 减少汽、 水的 比容差 以及建立足够的启动质量流速即可消除多值性又 可以有效地防止脉动的产生。另外 ， 为防止脉动， 应使各并联并联区段管子的长度、 直径、 弯曲程度 尽量相同， 以减小各管质量流速和结构的差异。 对于垂直管圈水冷壁， 管子进、 出 口压力差与 奠 一 一女一 夹一女 一 一 质量流速的关系由摩擦阻力与质量流速的关 系、 重位压头与质量流速之间的关系共同决定 ， 由于 重位压头与质量流速是线性关系 ， 因而垂直管圈 的水动力特性较稳定 ， 出现多值性 的可能性较螺 旋管圈小。但为了减少热偏差 和脉动的影响， 需 在水冷壁进 口按照沿宽度方 向的热负荷分布曲线 设置用 于流量分配 的节 流孔 圈或节流短管。这 样 ， 一方面增加 了水冷壁的阻力； 另一方面 ， 针对 某一锅炉负荷和预定的热负荷分布而设置的节流