超临界cfb锅炉垂直管圈水冷壁热敏感性分析

超临界cfb锅炉垂直管圈水冷壁热敏感性分析

1在锅炉水冷壁水热负荷分布特性方面,我国中央和地方两个热敏度是指对热量中心或设备的教学过程的敏感程度，例如，如果水温在体内的倾斜位置发生变化，则各壁的r口值和温度偏差的设计值。超临界直流锅炉的热敏感性强于汽包锅炉。循环流化床(CFB)锅炉热流密度在炉膛底部最大,且随着炉膛高度的增加而逐渐减小,这种水冷壁高度方向上的热负荷分布方式有利于对水冷壁金属温度的有效控制,并且在宽度方向上其热负荷分布也比煤粉炉要均匀。因此,对CFB锅炉水冷壁爆管事故的研究,大多集中在床侧固体颗粒对水冷壁管的冲刷磨损问题上,而对水冷壁管组内工质流量分配、管间温度偏差随负荷扰动等的敏感性问题研究则相对较少。有研究表明,CFB锅炉在低温燃烧时,煤粒挥发分析出速度变缓,导致煤粒的破碎程度和燃烧失重程度降低,使得煤粒的径向扩散系数大幅降低,从而加剧了炉内热负荷的不均匀程度。对于这种燃烧过程中的热负荷变化,如果水冷壁管内工质流量或者干度无法与之相匹配,则很有可能出现水冷壁大面积超标蠕胀,甚至发生爆管。李燕等人对带有分隔墙的超临界600MWCFB锅炉的炉膛水冷壁传热及水动力特性进行了研究。结果表明,分隔墙的存在导致物料浓度与热流密度等参数在锅炉前墙处存在极小值,侧墙与隔墙出口温度最低处位于炉膛边角。分隔墙温度偏差较大,在锅炉水冷壁入口不采用节流圈的条件下,水冷壁管出口温度最大处与最大偏差处均位于角落物料浓度最大(热流密度较大)处,对锅炉水冷壁的安全运行极为不利。由此可见,尽管CFB锅炉水冷壁的热负荷分布相对煤粉炉来说较为均匀,但是,由于在实际运行过程中存在的不确定因素,无法保证床侧固体颗粒浓度也即各受热面热负荷的合理分布,从而造成锅炉水冷壁工作于较为危险的条件下。在解决垂直管圈水冷壁不同管屏间存在的水/汽流量分配偏差问题上,较为成熟的是采用低质量流速技术,以求锅炉水冷壁具有正流量响应特性。在起动过程或者滑压运行过程中,锅炉负荷相对较低,水冷壁通常工作于亚临界或近临界压力区,此时工质汽水密度差异较大,锅炉水动力稳定性相对较弱。为了保证水冷壁管内工质的流量能积极响应锅炉负荷的变化,就需要对工质流量、水冷壁压降等系统参数随负荷变化的敏感性加以校验,以掌握其变化规律。本文通过对CFB锅炉的燃烧工况及水动力工况的计算分析,从理论上确定管内两相工质及管壁各项参数的差异,确定水冷壁管组内流量分配、温度偏差对负荷变动和热负荷扰动的敏感性,从而为CFB锅炉的运行提供参考。2出口值敏感性系数流量敏感性系数:KDQ=QD∂D∂Q|Δp(压降Δp不变)(1)ΚDQ=QD∂D∂Q|Δp(压降Δp不变)(1)压降敏感性系数:KPQ=QΔp∂Δp∂Q|D(流量D不变)(2)ΚΡQ=QΔp∂Δp∂Q|D(流量D不变)(2)出口焓值敏感性系数:KIQ=D∂h∂Q|Δp(压降Δp不变)(3)ΚΙQ=D∂h∂Q|Δp(压降Δp不变)(3)式中:D为工质流量,kg/s;Q为工质吸热量,kW;Δp为管段压降,MPa;H为工质焓,kJ/kg。在这3个定义式中,流量敏感性系数反映了并联管组中在压降相同的情况下,由于吸热量的偏差而导致偏差管内流量偏离平均管的程度;压降敏感性系数反映了并联管组中在流量相同的情况下,由于吸热量的偏差而导致偏差管内压降偏离平均管的程度;出口焓值敏感性系数反映了并联管组中在压降相同的情况下,由于吸热量的偏差而导致偏差管出口焓值偏离平均管的程度。本文利用该组公式对超临界600MW机组CFB锅炉垂直管圈水冷壁热敏感性进行计算和分析。3热敏感分析3.1水冷壁流量特性图1～图3分别给出了流量、压降及出口焓值敏感性系数随干度的变化结果,其对应工况为:管长l=1m,压力p=11.5MPa,内壁平均热负荷q=50kW/m2,管内平均质量流速G=300kg/(m2·s)。从流量敏感性系数的定义可知,当垂直管屏热负荷扰动增加时,如果流量敏感性系数为正,则意味着水冷壁管中工质的质量流量随着热负荷扰动的增大而增大,此即为水冷壁的正流量响应特性,并且流量敏感性系数越大,表明锅炉水冷壁管内工质的质量流量对于热负荷扰动的敏感性越强;相反,如果流量敏感性系数为负,则说明水冷壁管中工质的质量流速随着热负荷扰动的增大而减小,此即为水冷壁的负流量响应特性,负流量响应特性的出现意味着锅炉水冷壁运行在较为危险的条件下。从图1可以看出,流量敏感性系数为正值,且随着干度的增加不断减小,并逐步趋近于零,表明本文所研究的超临界CFB锅炉的水冷壁具有较强的正流量响应特性,并且正流量响应特性随着管内工质干度的增加而逐渐减弱。从图2可以看出,压降敏感性系数为负值,表明随着热负荷扰动的增大,管内压降减小。此外,尽管压降敏感性系数为负,但是其绝对值|KPQ|逐渐减小,水冷壁的压降敏感性随着干度的增加不断减小,也即随着工质干度的增加,水冷壁的压降受热负荷变化的影响逐渐减小。从图3可以看出,出口焓值敏感性系数为正值,说明随着热负荷扰动的增大,水冷壁管出口焓值增大。对于锅炉水冷壁管来说,如果管内工质的质量流速不变,则随着热负荷扰动的增大,其工质出口焓值增大,如果流量增大,则出口焓值增加的趋势变缓。此外,在低干度时,由于流量敏感性系数曲线斜率较大,流量随着热负荷扰动的增大变化较为剧烈,导致了出口焓值的变化较为剧烈;当工质干度较高时,二者的变化均趋于平缓,说明此时出口焓值受锅炉热负荷变化的影响较小。3.2管-管-压降性能对超临界CFB锅炉来说,质量流速的大小不仅对水冷壁的传热及阻力特性有着较大的影响,而且也决定了水冷壁是否在运行过程中具有正流量响应特性。图4～图6分别给出了流量、压降及出口焓值敏感性系数随质量流速的变化结果,其对应工况为:管长l=1m,压力p=21.5MPa,内壁平均热负荷q=75kW/m2,管内工质平均干度x=0.2。从图4可以看出,流量敏感性系数随着管内工质质量流速的增加逐渐减小,并且当质量流速大于750kg/(m2·s)后,流量敏感性系数由正值变为负值。当质量流速小于750kg/(m2·s)时,水冷壁管内工质的质量流速随着热负荷扰动的增大而增大,水冷壁管具有正流量响应特性,而当质量流速大于750kg/(m2·s)时,水冷壁管内工质的质量流速随着热负荷扰动的增大而减小,系统出现负流量响应特性。由图4还可以看出,当质量流速逐渐增大时,流量敏感性系数曲线趋于平缓,表明质量流速越大,则流量随热负荷扰动的敏感性越弱。从图5可以看出,压降敏感性系数始终为负值,并且其绝对值随着质量流速的增加而逐渐减小,表明水冷壁管压降受热负荷扰动的影响随着质量流速的增加而逐渐减弱。由图6可以看出,出口焓值敏感性系数为正且随着质量流速的增加而增大。当质量流速较大时,其变化趋势也逐渐平缓,表明质量流速较大的条件下水冷壁出口焓值受热负荷扰动的影响也逐渐减弱。3.3压力变化对于锅炉水冷壁水动力持续动力的影响系统压力对水冷壁热敏感性的影响主要体现在工质物性上,随着压力的改变,工质汽水密度差异随之改变,水冷壁管内工质阻力也有所不同。图7～图9分别给出了不同压力下3个热敏感性系数随管内工质干度、内壁热负荷及工质质量流速变化的结果。从图7可以看出,随着压力的增大,流量热敏感性系数随干度变化的曲线均趋于平缓,表明压力的升高能够进一步保证锅炉水冷壁在低干度区域水动力的稳定性。由图7还可以看出,在不同的压力下,流量敏感性系数均为正值,且随干度的增大而逐渐减小。在干度低于0.15时,同一干度下的流量敏感性系数随着压力的升高而减小。当工质干度较小时,压力的升高会导致锅炉热负荷扰动增加,水冷壁管内工质的质量流速增加量减小,即压力的升高弱化了水冷壁系统的正流量响应特性;当工质干度较大时,同一干度下流量敏感性系数随着压力的升高而增大,即此时压力的升高强化了水冷壁系统的正流量响应特性。从图8可以看出,在不同压力下,压降敏感性系数均为负值,且其绝对值随着干度的增加而减小。压降敏感性系数绝对值变化趋势与流量敏感性系数基本相似,在不同的干度范围内随压力的增加而不同。从图9可以看出,不同压力下,出口焓值敏感性系数均为正值,且随着干度的增大而逐渐增大。说明在低于临界压力范围内,水冷壁出口焓值均随着热负荷扰动的增加而增大。4超临界cfb锅炉水冷壁温度偏差分析表1和表2分别给出了不同工况下超临界CFB锅炉水冷壁10m长管段上的流量敏感性系数,出口焓值敏感性系数及其相对应的流量偏差、出口焓值偏差以及过热蒸汽温度偏差。偏差管热流密度取水冷壁最大热流密度,即按照偏离平均热流密度30%计算。工况1:压力p=11.5MPa,质量流速G=300kg/(m2·s),热负荷q=50kW/m2;工况2:压力p=21.5MPa,质量流速G=550kg/(m2·s),热负荷q=75kW/m2。从表1和表2可以看出,在不同的工况下偏差管相对于平均管的流量偏差、出口焓值偏差与流量偏差系数及出口焓值偏差系数变化规律基本一致。对比表1和表2可以发现,工况2时的出口焓值偏差和温度偏差均小于工况1,这是由于工况1对应的水冷壁工作压力为11.5MPa,工况2为21.5MPa,随着压力的升高工质汽化潜热减小,对应饱和蒸汽的焓值减小,因此温度偏差也随着压力的升高而不断减小。由此可见,锅炉负荷越高,则水冷壁水动力稳定性越好,其水冷壁改善热偏差的能力越强。文献中对超临界600MW机组直流煤粉锅炉进行了流量偏差及温度偏差的计算,结果见表3。计算中假设偏差管的热负荷高出平均管10%。其对应工况为:50%MCR:压力p=14.32MPa,质量流速G=1432kg/(m2·s),热负荷q=189.3kW/m2;75%MCR:压力p=21.0MPa,质量流速G=1888kg/(m2·s),热负荷q=255.06kW/m2。由表3可见,超临界600MW机组煤粉炉在低负荷与高负荷时,其水冷壁出口温度偏差相差很大,低负荷时温度偏差要远远高于高负荷,因此在滑压运行或者低负荷运行时容易发生水冷壁超温爆管。对比表3与表1和表2可以发现,超临界CFB锅炉工况1与超临界煤粉炉50%MCR时压力相近,但后者质量流速和管壁热负荷则较大。对比二者的流量偏差和温度偏差可以发现,在锅炉水冷壁存在热负荷扰动的条件下,超临界CFB锅炉水冷壁具有自补偿特性,其流量偏差为正值,而超临界煤粉炉的流量偏差在很大干度范围内则为负值,其水冷壁具有负流量响应特性。比较二者的温度偏差可以发现,超临界CFB锅炉水冷壁在具有30%热流密度增量的条件下,其温度偏差远低于超临界煤粉炉水冷壁具有10%热流密度增量时的温度偏差。从这一点就可以看出,超临界CFB锅炉在控制水冷壁热偏差及保证水动力稳定性方面具有明显优势。5锅炉水冷壁流量敏感性系数随干度的变化规律(1)锅炉水冷壁的热敏感性反应了炉内火焰中心偏斜或者炉内过程出现波动时,水冷壁各级出口焓值和温度偏离设计值的敏感程度。工质干度、质量流速及压力等参数对超临界CFB锅炉垂直管圈水冷壁的热敏感性均有较大的影响。(2)流量敏感性系数为正,表示锅炉水冷壁具有正流量响应特性。随着干度的增大,流量敏感性系数为正且不断减小;压降敏感性系数为负,但其绝对值随着干度的增大而减小,压降敏感性减弱;出口焓值敏感性系数为正且不断增大,出口焓值偏差随着干度的增大而增大。(3)流量敏感性系数随着质量流速的增大而减小,当质量流速超过一定值时,流量敏感性系数为负,锅炉水冷壁出现负流量响应特性;水冷壁管压降敏感性随着质量流速的增加而逐渐减弱;质量流速增大,