低质量流速技术在锅炉改造中的应用.docx

1、低质量流速技术在锅炉改造中的应用耿国，马利民，沈九宾，郭春英.(斗山巴布科克能源技术有限公司，湖北武汉430000)在受热面过热、管间流量分配不合理和壁温差较大til1. 受热最强的管子2. 平均受热的管子摘要针对姚盂2号炉水冷系统稳定性差等问题的原因进行了分析研究,并就如何解决这些问题提出了方案。关键词Benson管低质量流速垂直管屏正流量响应特性UP炉1前言姚孟发电有限公司2号炉是上海锅炉厂二十世纪80年代生产的与300MW机组配套的UP型亚临界直流锅炉。投运后发现锅炉水冷壁系统存在水冷壁管过热、管间流量分配不合理和壁温差较大等问题，从而引起水冷壁大面积横向开裂和爆管事故，而后电厂曾多次对

2、其改造，但改造后的效果不理想。2009年巴布科克能源有限公司采用低质量流速技术成功解决了上述问题。2存在的问题2.1水冷系统存在的问题2号锅炉从投运开始水动力状况就一直较差，存的问题，从而引起水冷壁大面积横向开裂和爆管事故，影响锅炉的投运。锅炉的实际负荷调节范围仅为70-90%,当锅炉低于230MW(76%)负荷时，炉膛下部出现工质温度偏高，金属温度波动增大，水动力不稳定的现象。2.2水冷系统的主要设计特性锅炉水冷壁采用一次垂直上升管，单炉体双炉=1927kg/m2s,双面水冷壁po)=2050kg/m2so3原因分析3.1采用高质流速的原因由典型的垂直管圈的水动力特性，见图1。在质量流速(X

3、O处于某一范围值时,同一差压值会对应多个质量流速，这就是所谓的水动力多值性。多值性现象势必会增加水冷壁发生热偏差、脉动等问题的可能性。为了避免水冷壁出现上述问题,原设计采用较高的质量流速:即选择的工质流速大于临界流速(p<D*)o目的是为了避免质量流速PG)小于(*)时可能产生多值性问题。，通常传统的直流锅炉设计中均采用较高的直流流速:(1.3L5)pee*，大部分在2000kg/m2s左右;本次锅炉的原设计质量流速征税基于这一点,从而采取高的质量流速。膛“IT型布置，炉膛中间用双面水冷壁将炉膛分成图1不发生多值性的界限质流速1*1IH.I左右二个相同大小的燃烧室，炉膛断面积尺寸为宽17

4、m,深8.475m,炉顶标高为45.5m。炉膛周界约为51m,由1448根,节距为35mm的鳍片管组成。原来的设计理念:质量流速越高，流动稳定性越好，传热也越好,因此为了获取更高的质量流速，水冷壁于炉室底部，下部，中部的管屏均采用022x5.5的小管径内螺纹管,而位于炉室上部的管屏采用4)25x6的管子，相应的质量流速为：100%负荷时，四面墙p(D3.2垂直管屏水动力特性高质流速下的负流量响应正常情况下，垂直管内阻力AP由重位压降Pzw,流动摩擦阻力降APlz和加速度压降APjs三部分组成，而计算发现亚临界时APjs可以忽略不计，故P=APlz+ZiPzw,在热负荷一定时，压降与质速的关系见

5、图2。图2热负荷一定时压降与质流速的关系图介质比容，因而流量会相应的低。相反，吸热低的管till从图2可以看到，当质量流速小于某一值时，重位压降的变化率大于流动阻力的变化率，此时管内阻力以重位阻力为主,而在流速大于某一点时，阻力值以流动阻力为主，呈现流动阻力的特性。在强制循环的并联管排中由于管子的进出口压差相等，因此各管子压降应为整组管子的平均压降，不会因为吸热不同而出现压降不同的情况。所以，此时当吸热量发生变化时,管内流量会发生变化,吸热大于平均值的管子，管内介质的比容要大于吸热少的管内子质量相应的减少,即流量呈现负响应。简单的说,吸热大的管子，管内实际流量小，相反，吸热量小的管子，管内实际

6、流量大,这就是所谓的盲质量流速负流量反应。从实际计算中也发现上述关系，见图3。图3恒温压差下改造前管内吸热变化图3.3高质流速带来的问题锅炉在实际运行中，由于燃烧工况的组织及冷热角的存在，总会存在受热不均的情况，而高质量流速却导致受热强的管子工质流量小，冷却能力弱的结果，这样很容易出现受热强的管子得不到冷却会更热，受热弱的管子由于冷却能力强反而壁温相对更低，往往由于超温而爆管;同样受热强的管屏管壁温度大于受热弱的管屏，由于膨胀原因导致管屏间撕裂。而锅炉在低负荷时，由于工质流速达不到临界流速,引起负荷调节范围小,而且低负荷极易出现多值性的问题，引起水冷壁脉动，引发水冷壁疲劳破坏等等。4对策与方案

7、4.1Benson内螺纹管低质流速引起水冷壁脉动的最直接原因为高质量流速,因此Benson内螺纹管低质量流速技术正是解决问题的关键。从20世纪80年代开始西门子在经过大量的试验后研发了Benson内螺纹管垂直管屏直流技'术。本技术是利用低质量流速下流量分配的自动补偿特性和优化的内螺纹管所具有的良好的传热性能，有效降低热偏差，使得锅炉在很低的质量流速下依然能够安全运行。而且能够应用于超临界、亚临界大型机组锅炉。2001年斗山巴布科克利用低质量流速技术对姚孟1号锅炉进行了改造,2009年对姚孟2号锅炉进行改造,再次验证低质量流速垂直管屏技术的优势。4.2低质流速下的正态响应由上面3.2中的

8、分析知:在垂直管屏中，当质量流速小于某一值时，管内重位压降的变化率大于流动阻力的变化率,此时管内阻力以重位阻力为主,即当质量流速p<o下降时，流动阻力APlz所占比例减少.这时重位压差APg起主要作用,这与自然循环特性相类似，表现了自然循环的特性:受热强的管子，流动速度快，见图4。图4低质流速下的正态响应可见，当吸热量增加时，系统压降不变，管屏（或管子）的动压头损失增加而静压头压降减少。但是由于静压头的所占比例大于动压头，而且动压头增加的量的绝对值小于静压头减少的绝对值，因而工质在单个管子或管屏内的压降相应的减少，因为整个系统的压降是不变的（系统的进出口是各自汇合的），因此当管内吸热增加

9、时,必然通过增加流量的调整方式来达到新的平衡点。所以，这里设计的基本思路就变成:降低质量流速，从而获得更低的动压头损失，使静压头所占比例增大。静压头可以达到在自然循环锅炉中的数值，这样工质的流速（流量）就可以随着吸热增加而增加。整个系统在恒定的流量时，当供热增加，压降减少，相反，当供热减少时,压降增加。这意味着有大量并联管子的炉膛，进水的分配取决于热量的分配。这就是所谓的正流量响应特性或自我补偿特性。这种特性的好处就是各水冷壁管的质量含汽率偏差很小，因而管间金属壁温温差也很小。4.3改造后的水冷壁特性改造后的炉膛断面不变,高度不变,取消受热最恶劣中间墙水冷壁，下炉膛及折焰角区域均采用优化的大口

10、径内螺纹管，上炉膛采用光管，设置过渡中间联箱;炉膛四周设计1030根管子，下炉膛管子为33.7x5.2mm,上炉膛管子为28.6x5.8mm,改造后的质量流速约为700kg/m2s,直流Benson负荷为30%BMCR,论理上可以达到20%。图5为改造前后的某一工况下水冷壁管动态稳定性对比计算。可以看出,改造前的水动力是不收敛的,而改造后的水动力特性仅是在锅炉启动时,微微有点波动，随即很快收敛,并趋于稳定。:.-*.*,，-"A-辰土"1.MM.'amLi-:一sAMJ人AroftAnrAVVVV厂iY一7WMWteX0改造后改造前图5改造前后某一工况下水冷壁管动态

11、稳定性对比计算斗山巴布科克利用成熟的计算程序对姚孟2号锅炉水冷壁进行详尽的计算，确认不存在水动力多值性问题，在扰动工况下能够在很短时间内消除脉动，改造后已于2009底顺利投运近一年的时间，各项性能指标均到的设计要求，锅炉负荷调节范围30100%BMCR,锅炉热效率达92.53%,比改造前增加了1.53%。5结束语我国上世纪国产300MW锅炉多采用UP的炉型（UniversalPressureBoiler），普遍存在水冷壁管过热、管夹流量分配不合理和壁温差较大等问题。而低质量流速的垂直管屏的技术完全可以解决上述问题。参考文献1. J.Franke,RCossmann,andH.Huschauer,uBENSONSteamGeneratorwithVertically_TubedFurnace,wVGBKraft-werkstechnik,Vol.75,No.4,19952. 容銮恩,袁镇福，刘志敏，田子平.电站