（工程热物理专业论文）超临界锅炉受热面传热特性分析.pdf

建 工 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超临界锅炉受热面传热特性分析， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丛啦j 虽 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鱼选送 日 期：2 旌三堕 导师签名： l 鹰 6 i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 分析了某电厂6 0 0 m w 超临界锅炉汽温调节及影响因素和各受热面的传热特性。过 热汽温采用煤水比调节，再热汽温采用改变烟气挡板开度调节。针对煤水比变化以及工 质热物理特性的变化，观察中间点温度的变化，并且对辐射式过热器和对流式过热器以 及再热器的工质吸热特性与传热特性进行了定量分析研究。结果表明，以辐射传热为主 的屏式过热器的传热对过热器系统的吸热量变化和汽温特性起主导作用，蒸汽流量和工 质热物理特性对屏式过热器传热特性的影响最大，其次为高温过热器。再热器吸热量和 传热系数主要与汽温调节方式有关。 关键词：超临界锅炉，过热器，再热器，汽温调节，传热特性 a b s t r a c t t h ep a p e ra n a l y z e ds t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o la n di t si n f l u e n c e s ，a l o n g 、i mt h eh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yh e a t i n gs u r f a c ea b o u ta6 0 0 m w s u p e r c r i t i c a lb o i l e ri nap l a n t p o w e r s u p e r h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r ei sa d j u s t e db yc o a l w a t e rr a t i o ，a n dt h e n r e h e a t e d s t e a m t e m p e r a t u r e i sa d ju s t e db yc h a n g i n gt h eo p e nl e v e lo ff l u eb a f f l e i nv i e wo fc o a l - w a t e r r a t i oc h a n g ea sw e l l 嬲w o r k i n gs u b s t a n c e h o tp h y s i c a lp r o p e r t yc h a n g eu n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，w eo b s e r v et h ec h a n g eo ft h ei n t e r m e d i a t ep o i n tt e m p e r a t u r e ，a n dt h e p a p e rm a k e st h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sr e s e a r c ho nt h ew o r k i n gs u b s t a n c eh e a ta b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sc h a n g ec h a r a c t e r i s t i co fr a d i a t i o ns u p e r h e a t e ra n d c o n v e c t i o ns u p e r h e a t e r 嬲w e l l 舔t h er e p e a t e r t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a th e a tt r a n s f e ro f s c r e e ns u p e r h e a t e rw h i c ht a k e st h er a d i a t i v et r a n s f e ri n i t i a t i v ep l a y sal e a d i n gr o l eo nt h e s u p e r h e a t e rs y s t e m sh e a ta b s o r p t i o nc a p a c i t yc h a n g ea n dt h es t e a mt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c ， a n di sm o s te f f e c t e db yt h es t e a mc u r r e n tc a p a c i t ya n dt h ew o r k i n gs u b s t a n c 宅h o tp h y s i c a l p r o p e r t y ，n e x tf o rh i g ht e m p e r a t u r es u p e r h e a t e r t h er e h e a t e rh e a ta b s o r p t i o nc a p a c i t ya n dt h e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm a i n l yc o n c e r nw i t ht h es t e a mw a l t l la c c o m m o d a t i o n w ux i a o ju n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f f a nq u a n - g u i k e y w o r d s ：s u p e r c r i t i c a lb o i l e r ，s u p e r h e a t e r ；r e h e e a t e r ，s t e a mt e m p e r a t u r e r e g u l a t i o n ，h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s 一 - 华北电力大学硕士学位论文目录 录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义：1 1 2 国内外研究动态2 1 3 课题研究内容2 1 - 3 1 负荷和煤质变化对蒸汽温度的影响2 1 3 2 受热面传热特性的研究3 1 4 研究方案及难点3 1 4 1 建立炉膛内热负荷分布的数学模型3 1 4 2 炉膛外受热面的分析方法4 1 5 预期成果和可能的创新点4 第二章研究对象和模型理论5 2 1 研究对象概述5 2 2 炉膛外受热面的布置7 2 2 1 受热面系统的布置7 2 2 2 影响受热面布置的因素9 2 3 炉膛模型假设及简化1 0 2 4 计算基本理论1 1 第三章汽温调节及影响因素1 4 3 1 过热汽温调节1 4 3 2 再热汽温调节1 5 3 3 影响锅炉汽温的主要因素1 6 3 3 1 煤水比1 6 3 3 2 工质热物性、压力和中间点温度1 7 3 3 3 减温水量1 7 3 4 中间点温度的控制1 8 3 4 1 负荷变化对中间点温度的影响1 9 3 4 2 煤质变化对中间点温度的影响2 0 3 5 小结2 2 第四章工质温升和吸热量变化2 4 4 1 工质温升2 4 4 2 受热面吸热量2 5 华北电力大学硕士学位论文目录 吸热量的影响因素2 7 小结2 9 传热特性分析3 0 过热器传热特性分析3 0 5 1 1 过热器单位蒸汽吸热量3 0 5 1 2 传热系数3 3 再热器传热特性分析3 5 5 2 1 再热器单位蒸汽吸热量3 5 5 2 2 传热系数3 7 省煤器传热特性分析3 8 过热器传热系数中辐射和对流比例的分析3 9 工质热物性对过热器传热特性的影响4 1 小结4 3 结论与展望4 4 结论4 4 展望4 5 献4 6 谢4 9 间发表的学术论文和参加科研情况5 0 s 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着电力工业的发展，煤炭供应将会相当紧张，并使价格上涨。因此，加速发展超 临界和超超临界火电机组，以提高机组效率，降低供电煤耗具有十分重要的意义1 1 1 ，以 高效率，低煤耗的技术设备实现能源利用和环境保护的可持续发展为战略目标。超临界 和超超临界机组已经成为我国电力生产的主力军，为我国国民经济的快速发展奠定了基 础。 根据对6 0 0 m w 机组的计算，超临界锅炉的发电效率在4 1 左右，单电煤耗约 3 1 0 克标准煤，远远优于我国目前运行电厂的平均3 5 的发电效率和3 8 0 克的煤耗， 也优于我国设计生产的亚临界机组3 8 左右的发电效率和3 5 0 克煤耗【2 l 。所以未来 燃煤锅炉的发展肯定是向着大容量、高效率的超临界甚至超超临界方向发展。基于 能降低发电煤耗，提高能源利用率，研究超临界技术具有重要的意义。 现代超临界火电机组采用复合变压运行方式1 3 1 ，一般在8 5 负荷以上和3 5 负荷以 下采用定压运行，在3 5 8 5 负荷范围内采用变压远行。在超临界变压运行的锅炉中， 随着负荷变化，流体的参数在压临界到超临界的广泛范围内变化，使锅炉炉膛受热面管 内流体的流动与传热特性十分复杂，特别是在压临界范围内水冷壁出现的膜态沸腾，临 界压力和超临界压力范围内的类膜态沸腾。 近年来，由于电力市场煤炭供应形势的变化，电站锅炉掺烧非设计煤质的情况越来 越普遍，大多数锅炉表现出对非设计煤种的不适应1 4 j 。锅炉燃用非设计煤种时在稳定燃 烧方面的问题通过燃烧调整或改进燃烧器基本上可以得到解决，但是由于锅炉设计时难 于充分估计各种煤质的污染特性及其受热面的污染程度，导致实际运行中锅炉受热面传 热特性发生较大变化，影响运行调节和安全性以及经济性，严重时导致锅炉不能满出力 运行。比如燃料的燃烧特性导致的炉膛火焰温度分布发生变化，辐射和对流传热比例随 之变化，引起同一负荷下水冷壁和其他受热面吸热量变化，又如煤质的积灰结渣特性以 及运行调节水平都会影响水冷壁和其他受热面的吸热比例变化。对于煤质变化引起的受 热面积灰，一般可通过吹灰减轻；对于强灰污特性的煤质，频繁吹灰并不能改善运行特 性，反而会降低受热面的使用寿命和经济性。 因此，在超临界锅炉采用变压和变煤种运行下，研究受热面传热特性，对锅炉安全 和经济运行具有实际意义。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究动态 由于超临界与超超临界机组满足能源和可持续发展的需要，目前国内外都十分重视 发展与研究超临界与超超临界机组，其主要特点是发电煤耗低、经济性好、可实现变 压运行。国外对传热特性、炉内燃烧、内螺纹管等方面的研究技术已经相当成熟1 5 】【7 1 。 目前，国外超超临界近期目标的蒸汽参数为3 1m p a 、6 2 0 0 ，下一代主蒸汽温度为7 0 0 0 ， 主蒸汽压力3 5 - 4 0m p a ，效率将达到5 5 ，发电煤耗将进一步降低。 超临界锅炉的汽温变化特性比亚临界锅炉更为复杂，汽温调节和控制的困难程 度随之增大，关于超临界锅炉汽温特性的专门研究资料尚未见到，但国内很多学者 对超临界锅炉汽温控制系统的设计、协调控制、水冷壁优化设计等进行了相关的研 究。目前对超临界直流炉的调节大多是以中间点的微过热蒸汽焓值为依据，控制燃 煤与给水的比例保证微过热蒸汽的温度为一个定值，保证锅炉的正常运行1 8 1 1 1 0 l 。 在理论方面，西安交通大学与哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂合作，研究了超临界锅炉 水冷壁管的水动力特性和传热特性，并进行了实验研究，但主要是针对水冷壁管传热特 性的研究，对过热器、再热器传热特性的研究较少。在超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压 运行方面，针对i o o o m w 超超临界机组锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行特性进 行了理论分析，并对煤的灰污特性对受热面传热系数，进行了理论分析1 1 1 l 。 1 3 课题研究内容 1 3 1 负荷和煤质变化对蒸汽温度的影晌 随着大容量超临界机组的发展，机组参与调峰的机会越来越多，同时电厂用煤 也不再是单一的设计煤种，负荷或煤种的改变都会引起蒸汽温度的变化，应及时的 调整对汽温的控制。所以本文针对某一特定锅炉，采用煤水比调节过热汽温，对再 热汽温，采用烟气挡板调节的方式。分析不同负荷，煤水比的变化和烟气挡板的开 度变化，以及对汽温的影响因素，如煤种变化，中问点温度、减温水量、吸热量和 传热系数等都随之改变。 对过热汽温调节，最主要的是控制中间点温度，因为中间点温度每变化1 ， 有可能引起过热蒸汽温度变化1 0 ，所以研究对中间点温度的影响因素对控制汽温 具有重要意义。不同负荷下，压力不同，比热特性不用，各流程区段对热量的需要 也不相同，同时不同负荷时的水冷壁入1 2 1 水温也是不相同的l i 引，中间点温度的设定 必然受这些条件的综合影响。 煤种发生变化时，燃料中的元素构成和低位发热量都会发生改变。包括灰分和狄熔 融特性、水分、发热量、挥发分的变动，都会对锅炉传热造成不同程度的影响，吸热量 2 i 华北电力大学硕士学位论文 的变化，必然要影响到中间点温度的改变。本文着重讨论负荷和煤种对中间点温度的 影响。 1 3 2 受热面传热特性的研究 顶棚过热器是直接吸收炉膛辐射热的辐射式过热器，屏式过热器、高温过热器 是半辐射式过热器，低温过热器、低温再热器、高温再热器都属于对流式过热器。 当煤质低位发热量降低，输入燃料量增大，则燃烧产生烟气量增大，烟气流速增加， 对流传热系数增大，对流传热增强，而总的输入热量不变，则辐射吸热量减小，受 热面的传热情况就发生了变化，相应就改变了辐射与对流的吸热比例。中间点温度 正是处在辐射换热和对流换热这两种换热方式转变的区域，其温度值受两种换热方 式分配比例的直接影响。而煤种的改变，也正是改变了这一比例的分配，从而改变 了中间点温度。 煤质变化会引起辐射与对流吸热比例的改变，直接影响到过热器、再热器的吸 热量，以及传热系数的改变。本文主要采用定量分析的方法，根据超临界锅炉的过热 器和再热器的受热面布置情况，依据煤水比的变化，从工质温升、吸热总量、单位蒸汽 吸热量、传热系数等方面进行分析，可以更直接地了解超临界锅炉的传热情况，同时也 可以为温度的控制提供参考。 在同一煤种下，负荷改变，煤水比也会发生变化，以及压力的变化所引起工质热物 性的改变，研究工质热物性对过热器传热特性的影响。并从传热系数的角度，分析不同 过热器辐射和对流传热系数的比例，更加直观的看出不同过热器的传热特性，最后对分 析结果和实际运行结果进行比较。 1 4 研究方案及难点 1 4 1 建立炉膛内热负荷分布的数学模型 炉膛内对于水冷壁的传热量是不可能均匀的，所以希望能够把水冷壁面积进行 细化，建立一个分区段分别计算的水冷壁吸热量的模型，模型中把水冷壁划分成8 个区段：冷灰斗段，三层燃烧器分三个区段，燃尽风区段，燃尽风向上到螺旋管结 束处区段、含有屏式过热器的炉膛出口段，从垂直管开始到屏下区段。然后计算各 个区段。根据该区段的高度、区段出口处燃料的燃烬程度、区段出口处的烟气温度、 烟气焓、灰渣热损失、燃烧产物的热容量、辐射减弱系数、该区段水冷壁的平均热 有效系数、表征放热给上面区段的系数、该区段炉膛的黑度等参数进行综合处理计 算得到该区段辐射受热面的平均热负荷l ”j 。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 4 2 炉膛外受热面的分析方法 根据每级受热面进口烟气温度、烟气焓、管子的实际结构尺寸，假定出口烟气温度、 并对飞灰浓度、灰粒辐射减弱系数、三原子气体辐射减弱系数、光学厚度、进出口角系 数、火炬黑度等参数的合理选取，计算蒸汽的吸热量，进而得出蒸汽出口温度。然后再 根据蒸汽的进出口温度，计算传热系数，对受热面进行吸热量的校核。依照以上方法， 依次对各个过热器、再热器受热面分别建立合理的数学模型，模型建立好后，采用v i i 语言编写程序，分别计算每个受热面的传热系数、单位蒸汽吸热量在各种负荷下的相关 数据，进而得到它们的图表等直观联系。最后选取实验数据与计算数据进行分析比较， 来验证锅炉模型的准确性和可靠性。 1 5 预期成果和可能的创新点 通过对受热面传热特性的定量分析，可以得出各个受热面传热特性与各种因素的变 化关系，分析吸热量的变化规律和传热系数的变化特性。本文针对6 0 0 m w 超临界机组 锅炉受热面传热特性进行定量分析，得出了大量的极有参考价值的数据，并结合具体 的实际运行情况，对于了解和优化大容量锅炉的设计及安全运行有着重要的价值， 同时也丰富了锅炉的研究范围。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 研究对象概述 第二章研究对象和模型理论 本文以某6 0 0 m w 超临界锅炉为研究对象。该锅炉为超临界参数变压直流本生 型锅炉，兀型布置。一次再热，采用旋流式燃烧器前后墙对冲燃烧，单炉膛，尾部 双烟道结构，采用烟气挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构平衡 通风，露天布置【1 4 】。锅炉的循环系统由启动分离器、贮水罐、下降管、下水连接管、 汽水连接管等组成。在负荷大于2 5 b m c r 后，直流运行，一次上升，启动分离器 入口具有一定的过热度。 炉膛水冷壁分上下两部分，下部水冷壁采用全焊接的螺旋上升膜式管屏，螺旋 水冷壁管采用了内螺纹管，上部水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，既保证了 炉膛的气密性，同时减少工地焊接工作量。螺旋水冷壁与上部垂直水冷壁的过渡方 式采用中间混合集箱形式。 过热器及再热器受热面的布置采用了辐射一对流型，这种布置方式可确保锅炉 在负荷变化范围内达到额定的蒸汽参数，并获得良好的汽温特性。过热器主要由尾 部竖井后烟道内的水平对流低温过热器、炉膛上部的屏式过热器和高温过热器等组 成。过热汽温调节采用二级喷水减温。再热器由位于尾部前烟道的水平对流低温再 热器及位于末级过热过热器后的高温再热器组成。再热汽温通过尾部双烟道平行烟 气挡板调节。 省煤器布置在尾部后竖井水平低温过热器和尾部前竖井低温再热器的下方两 部分组成。前、后竖井省煤器、水平低温过热器和水平低温再热器均通过包墙系统 引出的吊挂管吊在大板梁上。锅炉总体结构如图2 1 所示。 燃烧器采用前后墙对冲分级燃烧技术。在炉膛前后墙各布置3 层燃烧器，每层 各有5 只三井巴布科克公司的低n o x 轴向旋流式燃烧器( l n a s b ) ，共3 0 只。在 最上层煤粉燃烧器的上方前后墙和侧墙各布置1 层燃尽风，前后墙各5 只风口，两 侧墙各3 只风口。制粉系统为中速m p s 磨直吹系统，磨煤机为6 台，b m c r 工况 时5 台全部投运，1 台备用。锅炉各负荷主要运行参数如表2 1 。 5 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1 锅炉的主要参数 7 5 5 0 3 0 名称单位b m c r e c rb r l b m c rb m c rb m c r 过热蒸汽流量t h1 9 0 01 6 6 0 81 8 0 7 91 4 2 59 5 05 7 0 过热器出口蒸汽压力 m p a 2 5 52 5 22 5 42 2 91 5 59 1 过热器出口蒸汽温度 5 7 15 7 15 7 15 7 15 7 15 6 9 再热蒸汽流量t h1 6 0 7 61 4 1 4 11 5 2 5 51 2 2 5 68 3 6 45 1 1 9 再热器进口蒸汽压力m p a4 7 14 1 54 4 73 5 92 4 51 5 再热器出口蒸汽压力m p a4 5 23 9 84 2 93 5 42 3 41 4 2 再热器进口蒸汽温度3 2 23 0 73 1 63 0 53 1 33 2 4 再热器出口蒸汽温度 5 6 95 6 95 6 95 6 95 6 95 3 9 省煤器进口给水温度 2 8 4 2 7 5 2 8 02 6 6 2 4 2 2 1 5 省煤器进口给水压力 m p a2 8 9 72 8 1 32 8 6 72 5 3 11 7 1 21 0 2 8 空预器进口一次风温 3 02 92 92 92 82 6 空预器进口二次风温2 52 42 42 42 32 1 空预器出口一次风温 3 2 93 2 43 2 73 1 82 9 72 7 3 空预器出口二次风温 3 3 93 3 33 2 23 2 63 0 32 7 8 锅炉效率 9 3 0 79 3 3 19 3 39 3 3 49 3 0 19 2 5 5 由于锅炉受热面的吸热与汽水过程有着直接的联系，所以研究超临界锅炉的传 热特性，必先了解锅炉的汽水系统，如图2 1 所示。来自高压加热器的给水依次经 过省煤器、冷灰斗、下部螺旋管圈、位于炉膛中部的混合过渡联箱、上部垂直管屏 和后水冷壁吊挂管，然后经下降管引入折焰角、水平烟道底包墙和水平烟道侧墙， 最后引入位于炉膛后部的汽水分离器。当锅炉在本生点以下负荷运行时，被汽水分 离器分离出的水经贮水箱回到再循环泵，由再循环泵重新打入省煤器入口联箱。当 锅炉在本生点以上负荷运行时，锅炉处于一次直流状态。工质在整个过热器系统的 流程如下：分离器分离出的蒸汽一顶棚过热器及包墙过热器一低温过热器一一级喷 水减温器一屏式过热器一二级喷水减温器一高温过热器一汽轮机高压缸。再热器系 统的流程为：汽轮机高压缸排气一低温再热器一喷水减温器一高温再热器一汽轮机 中低压缸。 6 华北电力大学硕士学位论文 卜省煤器；2 一炉膛：3 一低温过热器：4 一屏式过热器：5 一高温过热器； 6 一低温再热器：7 一高温再热器：8 一汽水分离器；9 一储水罐 图2 - 1 锅炉汽水流程图 2 2 炉膛外受热面的布置 由于本文研究的传热特性主要是指锅炉过热器以及再热器的传热特性，所以在 对传热特性分析之前，先简单介绍过热器和再热器的布置，以及影响受热面布置的 因素。 2 2 1 受热面系统的布置 本文研究的6 0 0 m w 超临界锅炉在沿烟气流程方向上的受热面系统布置如图 2 2 所示，受热面基本参数如表2 2 。过热器系统由顶棚及后竖井分隔墙过热器、布 置在尾部竖井后烟道内的水平低温过热器、位于炉膛上部的屏式过热器和位于折焰 角上方的高温过热器组成。再热器系统由位于尾部竖井前烟道内的低温再热器和位 于高温过热器后面的高温再热器组成。锅炉每级过热器之间装有喷水减温，每级分 7 华北电力大学硕士学位论文 入，每侧喷水均可单独控制，通过喷水减温可有效减少左右两侧的蒸汽温度 而再热器的喷水作为事故之用。 煤器分别布置在尾部竖井的两个分割烟道内。这种布置方式的优点是省煤器 受烟气挡板调节开度的影响较小，因而省煤器出口水温随负荷的变动主要取 水温度。 表2 - 2 受热面基本参数 项目 管子规格( 外径x 最小壁厚)节距( 横向纵向)并联管数受热面面 积 单位 m mm m 根 m l 低温过热水平5 7 x 81 14 3 6 3 519 0 x 4 = 7 6 06 3 6 4 2 8 器 m 5 l x 7 52 3 0 7 1 1 垂直m 5 l x 7 52 3 0 7 59 5 x 8 = 7 6 06 5 1 2 屏式过热器 m 5 0 8 8 4 l2 31 3 7 1 6 5 72 4 x 1 3 = 3 1 22 1 5 8 7 6 m 4 5 x 7 4 1 0 8 高温过热器q 5 0 8 8 96 0 9 6 | 5 - 13 1 2 0 = 6 2 01 9 6 1 2 2 m 4 5 x 7 8 低温再热水平 m 5 0 8 x 4 51 1 4 3 厂7 0 1 6 8 6 = 1 0 0 8 1 3 4 9 2 2 8 器 m 5 7 x 4 5 垂直 0 5 0 8 x 4 8 2 2 8 6 ，7 0 8 4 x 1 2 = l 0 0 81 2 7 3 9 3 高温再热器 m 5 0 8 x 4 52 2 8 6 7 08 4 x1 0 = 8 4 02 7 2 2 6 8 怔再热 省蔗 图2 26 0 0 m w 超临界锅炉受热面系统布置 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 影响受热面布置的因素 过热器、再热器是锅炉内工质温度最高的部件，同时也是最重要的承压部件， 如何使其管子长期安全工作成为过热器、再热器设计和运行中的重要问题。因此， 在锅炉设计中，合理布置、划分各级受热面的吸热比例，使辐射与对流受热面比例 相互匹配，让其可靠性高、经济性好和对负荷的适应性强，从而保证锅炉安全可靠 经济的运行是锅炉设计中要着重考虑的问题之一1 1 5 】。 1 ) 锅炉参数对受热面布置的影响 锅炉水冷壁受热面设计主要考虑的问题是稳定燃烧、提高燃尽率、防止结渣、 控制炉膛出口烟温和避免发生膜态沸腾，因此炉膛内需要布置足够数量的辐射受热 面。而本文研究的超临界锅炉，蒸汽参数很高，容量增大，锅炉容积随之增大，但 是炉膛内可敷设辐射受热面( 水冷壁受热面) 的炉壁表面积比炉膛容积增加的慢， 因此炉膛内壁面积随容量的增大不够敷设足够多的辐射式受热面，为了维持合适的 炉膛出口温度和获得较高的蒸汽温度，同时满足炉内辐射受热面不足的问题，需要 将部分过热器或再热器向炉膛上方或靠近炉膛的位置移动，即在炉膛上部布置较多 的辐射式过热器。 同时，在超临界压力下，直流锅炉没有蒸发吸热段，只有加热水段和过热蒸汽 段，为了达到过热蒸汽出口温度，也需要布置较多的过热受热面来满足过热蒸汽的 吸热。总上，随着锅炉容量的增大，须布置较多的辐射式、半辐射式的过热器或再 热器来满足蒸汽的吸热。 2 ) 汽温调节方式对受热面布置的影响 汽温调节方式同样对受热面布置起决定作用。对本锅炉而言，采用了尾部烟气 挡板调节再热汽温，再热蒸汽的吸热以对流为主，故需在对流传热较强的尾部烟道 中，布置较多的低温对流受热面以利于提高烟气挡板对再热汽温的调节，保证再热 汽温的调节效果。同时要求布置比摆动燃烧器调温锅炉更多的辐射过热器以补偿低 负荷时由于尾部过热器侧烟气量减少而导致的对流吸热不足，减小过热器汽温随低 温过热器吸热量变化的波动幅度。因此，也需布置较多的辐射式、半辐射式过热器， 使过热蒸汽获得良好的汽温特性。 3 ) 燃烧方式对受热面布置的影响 燃烧方式首先影响到的是炉膛结构，而炉膛受热面是决定锅炉性能的主要受热 面，同时也影响其他受热面1 1 6 l 。本锅炉采用旋流式对冲燃烧方式，由于旋转气流的 衰减速度比较快，且单个燃烧器的旋转射流强度比较小，火焰在向上折转过程中， 气流的旋转动量矩基本消失，当到达炉膛出口时，自然不存在旋转。这样可适当降 9 华北电力大学硕士学位论文 低炉膛高度，采用扁矩型炉膛结构。这样水冷壁受热面减小，需增大炉膛外辐射式 受热面。 合理划分过热器和再热器的比例，使每级受热面的焓增合适，汽温偏差控制在 合理范围之内，汽温调节特性好，从而有利于过热器、再热器受热面的安全经济运 行1 1 7 1 。 2 3 炉膛模型假设及简化 为使计算更加简洁，计算速度提高，在保证计算准确的前提下，对计算模型进 行一些合理假设，具体如下： 1 ) 为使炉膛内换热计算更准确，热负荷沿炉膛高度的分布更清晰，炉内换热 计算采用分区段换热计算的方法，区段的划分为冷灰斗为第一层，3 层燃烧器各为 一层，燃尽风为一层，燃尽风以上到垂直水冷壁进v 1 集箱为一层，垂直水冷壁进口 集箱到炉膛折焰角高度为一层，炉膛折焰角以上到炉顶为一层，共8 层，如图2 3 所示。 图2 - 3 炉膛分区段示意图 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 在有燃烧器的区段，受热面积要除去喷口所占的面积，每个喷口面积取 0 7 m 2 。 3 ) 不同温度下，工质的密度不同引起流动阻力不同，而且在临界压力附近还 容易产生水动力不稳定性，为了计算方便，假设工质的压力是随工质流程线性分布 的，各未知压力可由该点两端最近的已知压力进行线性内插得到。 4 ) 认为燃烧产物全部是燃料完全燃烧以后的产物，不考虑不完全燃烧产物的 影响。忽略漏风系数和灰渣热损失对锅炉的影响。 5 ) 燃尽风设为占总风量的1 5 ，其它风量按投煤量平均分配。 6 ) 把顶棚过热器与包墙过热器统一当作顶棚过热器来处理，它们之间的工质 混合不予考虑。 7 ) 每个区段由上下2 个假想截面，四周水冷壁和介质组成，并且认为介质是充满整 个区段空间的，换热只发生在本区段的相邻区段，认为辐射不能穿透到达更远的区段。 在进行合理的假设和简化l 1 8 j 后，对本锅炉的热力计算采用v b 语言编制程序， 最后进行计算，下面对计算采用理论进行介绍。 2 4 计算基本理论 分区段计算按能量方程式决定沿炉膛高度的烟气温度，在稳定状态下能量方程 式决定着炉膛各个区段中的放热和换热之间的关系。每一区段中的烟气温度依据该 区段中的放热、燃烧产物热焓的变化以及该区段的传热量来计算1 1 9 l 。 以某一区段为例，发生能量交换的过程包括燃烧反应、放热、吸热和物质流动。物 质的流动包括下一区段烟气流入本区段和本区段烟气的流出；本区段获得的热量包括燃 料在本区段燃烧放出的热量、下一区段向上的辐射热量和上一区段向下的辐射热量；而 放出的热量包括对四周水冷壁的放热、对上部假想截面的放热和对下部假想截面的放 热，如图2 - 4 i 删。 图2 - 4 下区段的向上和上区段的向下辐射热量 华北电力大学硕士学位论文 前苏联的热力计算标准方法1 1 8 1 对i o o m w 以下的锅炉机组计算准确，对于大 容量、高参数的机组，计算值与实际运行值有较大的误差，我们可以参考文献 【2 0 1 1 2 1 1 在对其进行改进的基础上得出各区段出口处的烟气温度如下所示： 1 )最大放热区段出口处的烟气温度： 巫1 0 0 笔竺一1 5 6 7x 1 0 矿4 a i t 4 t p f 协1 ， 粥“ 曰：比” 式中：凡燃料在该区段的燃尽度。 q 口，朋燃料的收到基发热量，k j k g ； 幺空气带入炉膛的热量，k j k g ： q 。外来热源加热空气时带入的热量，l l k g ； 鲵由排渣带走的热量，k j k g ： 口，该区段的炉膛黑度； z 。该区段的出口烟气温度，k ； 曰，。送入该区段的燃料量，k g h ； v c 。1 k g 燃料燃烧产物的平均比热容，l l ( k g ) 。 妒热有效系数和包围区段的总面积的乘积：妒一缈+ 妒a 。+ 妒”a ：； 其中岛为区段中炉墙表面积；妒为区段中炉壁的平均热有效系数，妒为对上 面区段辐射放热的热有效系数：4 和a ，为区段的上下截面积；妒为炉底或冷灰斗 方向辐射放热的热有效系数。 2 )位于最大放热区段上面的区段，其出口处的烟气温度为： 毋至甄1 0 0 全! ：竺：= ：二竺：二竺：+ 堡痧+ 主：垒z 兰! q ：鱼：；驻尘丝；+ v c 。 b y c o 兰：鱼z 兰! 里：! ! ：= l 互= ；：笙丝2 一兰：垒z 兰! q ：竺! ! 丝竺墨 b f v c f 一。 b ，v c 。 1 2 ( 2 - 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中：声。成一声仃该区段燃料燃尽的份额； 以、卢二该区段进、出口处燃料的燃尽程度： f 一1 ，f ，f + l 分别为上一区段，本区段和下一区段标记； 比、比。在温度秒和下烟气的平均比热容，k j ( k g ) ； 妒熟有效系数和包围区段的总面积的乘积：妒一妒如+ 妒4 + 妒。a ：； 丑；送入该区段的燃料量，k g h ； 瓦，区段中烟气的平均温度，k ； 1 3 华北电力大学硕士学位论文 3 1 过热汽温调节 第三章汽温调节及影响因素 目前，超临界锅炉的汽温调节主要采用煤水比作为主调【2 2 1 ，喷水减温作为微调。 超临界锅炉在超临界压力范围内运行时，水冷壁实际上相当于过热器，对过热蒸汽 温度变化特性影响最大的是煤水比。这是由工质特性和直流锅炉的灵敏性决定的 1 2 3 1 1 2 4 1 。下面主要介绍煤水比模型。 煤水比模型是以热平衡为基础，从公式3 - 1 入手，分析过热蒸汽出口焓，在稳 定工况下，过热蒸汽出口焓为【2 5 l ： ：。：。b q 4 r , n e t r 矿2 p + 亍 ( 3 1 ) 式中： f g 广过热器出口蒸汽焓，k j k g ： 瑶厂_ 锅炉给水焓，k j k g ： 口锅炉燃料量，k g h , g 一锅炉给水流量，k g h ； q 口，肌广燃料低位发热量，k j k g ： j r 锅炉效率 当叩、么 删和f g 。不变时，则f 名，o , = b g ，说明如果曰g 一定，则f - 譬，不变，即煤水比 为定值时，过热蒸汽出口焓或过热蒸汽出口温度就会稳定在一个值上。这样煤水比 就可以作为超临界锅炉汽温控制的手段之一。 煤水比主要是反映单位质量工质对燃料热量的需求情况【2 6 l 【2 7 l ，它随锅炉负荷的 改变而改变。如图3 1 所示，不同负荷下煤水比的变化，且基本维持在0 1 1 5 0 1 4 5 的 范围内，但煤水比随锅炉负荷的升高有降低的趋势。 从理论分析，随着负荷的升高，工质的给水温度也会升高，因此k 随之升高， 机组定压运行时，主蒸汽温度和压力为定值，即i z r j t j 定值，叩和g ，棚可以视为已知 常数，由式3 1 可得，b g 减小，因此煤水比是随负荷的升高而减小的。同时，负荷 升高，工质的给水压力增大，由工质热物理特性得知，工质的定压比热是随着压力 的升高而降低的，从而可以得出，在负荷升高时，单位质量的工质在温升相同时( 假 定不同负荷，工质的给水温度均为2 8 0 c ，而过热汽温的出口温度均为5 7 1 9 事实 1 4 华北电力大学硕士学位论文 上，工质给水温度在随负荷的升高逐渐升高) ，所需要吸收的热量少，这就大大减 少了高负荷时单位质量的工质对热量的需求，根据能量守恒得出，燃煤量也在减小， 而给水量不变，所以煤水比在随负荷的升高逐渐减小。 3 2 再热汽温调节 图3 - 1 煤水比随负荷的变化 调节再热汽温的方法目前比较常用的有摆动式燃烧器和烟气挡板调节，而对于 本文研究的6 0 0 m w 锅炉采用改变烟气挡板开度来调节再热汽温，烟气挡板开度变 化如图3 2 所示。烟气挡板调节实际上是靠改变尾部烟道中烟气流量的比例来调节 再热汽温的。例如，锅炉负荷下降，再热汽温将随着下将。此时，应减小过热器侧 的烟气挡板开度，使再热器侧的烟气流量增加，提高再热器的对流传热热量，将再 热汽温维持在额定值。与此同时，通过低温过热器侧的烟气流量减少，过热汽温将 下降，为了保证额定的过热汽温，这时需要减少过热器的减温水量，如图3 4 。 根据6 0 0 m w 锅炉运行表明，烟气挡板对再热汽温的调节范围可达4 0 ，但动 态响应速度慢，调节动作后一般需要l o m i n 左右才能达到目标值。由于烟气挡板调 节，再热汽温反应滞后，所以在调节时必须配合喷水减温，来控制再热汽温，采用 喷水减温作为快速相应调节和精确调节。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 8 0 三7 0 ； 一 散6 0 蟮 瓤 柏 3 0 2 0 、 - - , 4 , - - 再热墨翻 + 过热墨 1 0 u 1 0 0瑚3 4 5 枷7 0 0 i 机组负荷啊 图3 2 锅炉烟气挡板调节 3 3 影响锅炉汽温的主要因素 3 3 1 煤水比 超临界锅炉是以煤水比作为过热汽温的主要调节方法，首先是以炉膛换热的能 量平衡为基础，根据煤水比变化特性决定系统的吸热特性。煤质变化导致煤水比变 化，并改变燃烧工况以及汽水受热面的辐射、对流比例，既影响中间点温度，又直 接影响过热器吸热特性，从而影响汽温特性。 下面通过对锅炉现场煤种采样数据的整理，以设计煤种和两种校核煤种的燃料 构成为基础进行分析，对三种煤的煤水比进行比较。煤质的变化主要表现为低位发热 量、水分、灰分等的变化。煤种成分如表3 1 。 表3 - 1 煤种成分 - 煤种 碳 氢 氧 氮 硫 水分灰分 低位发热量( 1 0 k g ) 设计煤种 6 4 2 53 5 52 6 21 1 50 3 35 黯2 2 2 2 2 4 3 6 0 校核煤种1 6 1 7 03 4 l5 0 51 1 90 “6 2 92 1 9 22 3 1 0 0 校核煤种2 7 1 0 82 7 11 8 11 0 5o 4 83 5 31 9 4 3 2 6 2 9 0 从图3 3 中可知，煤水比随煤质低位发热量的减小而增大由于在相同负荷下，蒸 汽的总吸热量不变，低位发热量越小的煤种，燃料量将会越多，蒸汽流量不变，所以煤 水比随低位发热量的减小而增大。这也就引出了本文基于煤质变化对传热特性的分析 探索。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 3 不同煤种下的煤水比 3 3 2 工质热物性、压力和中间点温度 锅炉在超临界压力运行范围内，过热蒸汽温度除随运行压力变化外，还要随工 质热物性和中间点温度变化。例如，随着压力提高，工质的定压比热降低，单位质 量工质所需的吸热量减少。同时，由于过热器中的蒸汽温度远远高于拟临界点温度， 定压比热容进一步减小，对于屏式过热器和高温过热器，少量的吸热量增加都会引 起蒸汽温度的大幅度提高。 根据超临界锅炉的运行经验，中间点温度每变化1 ，低负荷时对过热汽温影 响达1 0 ，高负荷时的影响大约5 。所以，控制中间点温度对汽温的控制也显得 非常重要。中间点温度不仅受压力的影响，同时也与煤水比，煤质成分，省煤器进 口水温等方面的影响。 3 3 3 减温水量 过热汽温除采用煤水比作为主要调节外，还采用喷水减温作为辅助细调。再热 汽温则用喷水减温来作为精确调节和事故喷水。本锅炉的减温水取自省煤器出口， 因为减温水量增大时，喷水点前的受热面，尤其是水冷壁中的工质流量减小，使得 水冷壁中工质温度升高，其结果不仅加大了汽温调节的幅度，而且可能导致水冷壁 和喷水点前的受热面超温。图3 - 4 给出了本锅炉采用的喷水减温水量的变化，减温 水量的多少，首先与减温水温度有关，其次也与受热面布置、煤质变化等多种因素 有关。 1 7 生类膜态沸腾以及过热。而中间点温度在水冷壁出口处，其状态主要是受炉内辐射 受热面( 水冷壁) 吸热量多少的影响。 中间点温度的控制是超临界锅炉设计和运行中的理论性和技术性极强的问题。 由于现在大型锅炉经常采用滑压运行，而且燃煤变化也较大，无论是负荷的变化， 还是煤种的变化，都会影响炉膛内火焰温度的变化，引起辐射与对流传热比例的变 化。同时超临界锅炉水冷壁系统工质和金属的储热量减小，热敏感性增强，从而燃 1 8 华北电力大学硕士学位论文 烧工况变化对水冷壁传热的影响要比自然循环锅炉大得多。所以本节主要讨论负荷 和煤种变化对中间点温度的影响。 3 4 1 负荷变化对中间点温度的影响 负荷不同，压力不同，工质热物性也不同，水冷壁对热量的需要也不相同，同 时不同负荷时的水冷壁入口水温也不相同【2 引，中间点温度的设定必然受这些条件的 综合影响，从这些方殛分析负荷对中间点温度的影响。 负荷变化，首先表现为燃煤量的改变，进而影响水冷壁吸热量的变化。同时炉 内火焰温度也由所改变。