电站锅炉水冷壁管水动力和传热特性的试验研究方法

俞谷颖， 张富祥， 杨 勇， 于 猛， 朱才广

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

电站锅炉炉膛水冷壁处于锅炉热负荷最高的燃烧区域，并且水冷壁管内流动的工质在传热过程中伴随着聚集状态的变化.当工质参数接近临界点或拟临界点时，其热物理特性会发生很大变化.工质的热物理特性变化以及水冷壁管内表面的状态等因素都对水动力和传热特性影响极大.因此，水冷壁管的水动力特性和传热特性受到业界的广泛关注［1］.

深入研究亚临界压力和超临界压力直流锅炉，了解直流锅炉炉膛水冷壁管内的水动力特性和传热特性，掌握发生膜态沸腾的规律以及内螺纹管抑制和推迟膜态沸腾的效果，其目的是为直流锅炉炉膛水冷壁的设计和运行提供可靠的技术依据.为此，上海发电设备成套设计研究院（以下简称上海成套院）建立了水动力和传热特性试验台并进行了相应的研究工作［2］.

1 水动力和传热特性试验方法

从1965年起，上海成套院与上海锅炉厂开始合作研制亚临界压力300MW直流锅炉.为了防止炉膛水冷壁发生膜态沸腾传热恶化，上海成套院开始了内螺纹管水动力、传热特性研究，试验研究的对象是管径为22mm、壁厚为5.5mm的鳍片管.由于当时条件的限制，试验在江苏望亭电厂130t／h锅炉炉膛内进行，将管径为22mm、壁厚为5.5mm的内螺纹管与相同尺寸的光管并列固定于炉膛的2根水冷壁管之间，试验管具有独立的汽水循环系统，内螺纹管与光管内的质量流量相同，通过改变燃料量来改变试验管的热负荷.通过比较光管与内螺纹管的传热特性得出以下结论：当满负荷运行、工质质量流速vm不小于2 100kg／（m2·s）时，燃煤锅炉可以采用光管，而燃油锅炉则必须采用内螺纹管.据此，河南姚孟电厂1号300MW机组亚临界压力燃煤锅炉水冷壁采用光管，而江苏望亭电厂12号300MW机组亚临界燃油锅炉水冷壁则采用内螺纹管［3］.

虽然试验取得了成功，但是由于试验受到锅炉运行的限制，因此对试验参数进行调节仍有一定的困难，所以建立了第一代膜态沸腾传热试验台，试验台自上世纪70年代开始建造，先后经历了三次大的改建.

1.1 膜态沸腾传热试验台的建立

在1973—1979年期间，上海成套院承担了“亚临界压力直流锅炉炉内传热特性的试验研究”专题项目，主要用于解决300MW机组直流锅炉一次上升水冷壁管的安全问题.在亚临界压力下，对管径为22mm、壁厚为5.5mm的四头内螺纹管的膜态沸腾传热进行了试验研究.为了使试验能够顺利进行，在西安交通大学、哈尔滨锅炉厂有限责任公司、东方锅炉股份有限公司以及重庆大学等单位的合作下，上海成套院于1973—1974间建成了膜态沸腾试验台.试验台的设计参数：试验压力为19.6MPa，试验管内壁热负荷分别为250kW／m2、350kW／m2和450～500kW／m2，质量流速分别为600kg／（m2·s），450kg／（m2·s）和300kg／（m2·s）.

膜态沸腾传热试验台具有以下特点：

（1）试验管段采用单面辐射加热方式

采用管径为9mm的二硅化钼棒作为发热元件，它能承受1 700℃的高温.二硅化钼棒的两端通以50～54V电压和300～400A电流，并根据试验所需的热负荷对相应的电压电流进行调节.

（2）采用遮热片隔绝试验管两侧和背面的热量

实炉膜态水冷壁管的受热工况除了单面受热外，管子鳍片顶端的热流传递方向垂直于管子轴线.因此，在试验管段鳍片两端和背面装有遮热片，遮热片焊接在管径为14mm、壁厚为3mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢管上，管内通水冷却.图1为试验管段测点布置.图2为试验炉横剖面结构示意图.

通过试验，对SG型四头内螺纹管的传热特性进行了全面研究，该四头内螺纹管的结构见图3.

图1 试验管段测点布置 （单位：mm）Fig.1 Arrangement of measurement points on the test piece（unit：mm）

图2 试验炉横剖面结构示意图（单位：mm）Fig.2 Structural diagram of the test furnace cross－section（unit：mm）

图3 四头内螺纹管结构示意图Fig.3 Structural diagram of the 4－threaded rifled tube

通过试验研究得到，管径为22mm、壁厚为5.5 mm四头内螺纹管的传热恶化的开始点临界质量含汽率xL可以表达为

式中：p为压力，MPa；qn为管内壁热负荷，kW／m2；vm为工质质量流速，kg／（m2·s）.

内螺纹的深度对含汽率xL有很大影响.当内螺纹深度为0.5mm时，可以保证水冷壁的运行安全.

1.2 辐射加热水动力和传热特性试验台

在“八五”期间，上海成套院承担了国家重点科技攻关项目——超压5%自然循环锅炉的研制，其汽包压力达到19.6MPa，还承担了超压5%自然循环锅炉水冷壁传热特性和水循环可靠性的研究.该科技项目要求对管径为60mm、壁厚为7mm矩形槽内螺纹管进行试验.

为了模拟试验管的实炉工作条件，采用单面半周辐射加热，试验管辐射加热炉的横剖面和纵剖面结构分别见图4和图5.从图4和图5可知：试验管辐射加热炉炉膛由2个半径分别为117.5mm和45 mm的直段组成，两圆心距炉膛中心分别为35mm和10mm，炉膛高度为700mm，炉膛四周炉壁、炉顶和炉底材料均采用刚玉砖，厚度均为57.5mm，炉芯外围炉体采用轻质耐火砖砌成，直径为800mm.

对原有试验台进行了以下改进：（1）在试验系统中增加了循环泵并采用封闭式的控制循环方式，不需要进行连续补水；（2）由于试验管径的增大，热负荷的需求增大，因此在加热元件中增大了二硅化钼的质量.

图4 试验炉横剖面结构示意图（单位：mm）Fig.4 Structural diagram of the test furnace cross－section（unit：mm）

经改造的试验系统采用封闭式的控制循环系统，系统内工质通过循环泵的压头进行循环（该循环泵工作压力可达30MPa）；工质经过预热段加热，达到所需的温度后进入试验段，工质出试验段后进入汽水分离器，出来的蒸汽或部分热水进入给水加热器用于加热给水，最后进入蒸汽冷却器，冷凝水利用自身重位压头下降，与分离器内分离出的饱和水混合后进入循环泵进行重复循环.

图5 试验炉纵剖面结构示意图（单位：mm）Fig.5 Structural diagram of the test furnace longitudinal－section（unit：mm）

试验台建成后，进行了矩形槽内螺纹管水动力与传热试验，结果发现：当矩形槽内螺纹管发生传热恶化时，它的壁温仍然很高，但由于矩形槽内螺纹管的作用可以使临界质量含汽率xL提高.在压力为19.6MPa下，xL可用下式进行计算［4］：

1.3 电加热超临界水动力和传热特性试验台

为了完成上海市经济委员会下达的上海市重大技术装备支撑建设专项的子项目——1 000MW超超临界压力直流锅炉螺旋型水冷壁的水动力和传热特性研究课题，在试验台上对管径为38.1mm、壁厚为7.2mm的倾斜上升光管进行试验研究，将倾斜光管的倾斜角度定为26.120 3°，与上海锅炉厂生产的1 000MW超超临界压力塔式直流锅炉的螺旋管圈水冷壁倾斜角保持一致，试验压力从亚临界到超临界，以模拟锅炉启动全过程.

由于二硅化钼棒在高温下很容易软化，无法水平或倾斜放置，所以对倾斜光管不能采用辐射加热方式.

为解决上述问题，笔者提出了以下2种试验方法：（1）在试验台上采用电直接加热法；（2）在实炉水冷壁上布置向火面、背火面管壁温度测点，并根据测得的壁温采取迭代计算方法对试验结果进行分析.电直接加热法以管壁作为发热元件，虽然与实炉水冷壁管受热情况有一定差异，但通过对管壁的传热进行分析和计算，仍然可以得出正确的结果.

2 试验和结果

2.1 采用电直接加热试验管段的传热方式

通过电流直接加热，把试验管段的管体作为一个发热元件，其热量必然向2个方向传递.图6和图7分别为电加热管子的传热和辐射加热管子的传热示意图.从图6可看到：向外壁传递的热量qo为散热损失，向内壁传递的热量qi用于加热流动工质.在管壁内必然存在某个位置（Rx），其壁温最高，半径为Rx的圆筒面为一绝热面，Rx的位置与加热效率η有关.笔者认为：传向外表面的热量为Rx与Ro之间管壁散发出的热量，而Rx与Ri之间管壁散发出的热量传递给流动工质.试验管段的加热效率为

若管壁内具有均匀分布的发热率Φ，则管壁的导热系数λ为常数.由此，可在Rx与Ro之间半径为R处取厚度为dR的一圆筒薄层，对于该圆筒薄层，其传热方程为：

由式（4）和式（5）可以得到：

进行积分可得：

积分常数C1由边界条件t＝to｜R＝Ro确定，所以温度分布方程为：

外层管壁内温度变化幅度为：

对于半径在Rx与Ri之间的管壁，在半径R处取厚度为dR的一薄层，同样可以得到其温度分布方程：

内层管壁内温度变化幅度为：

图6 电加热管子的传热Fig.6 Heat transfer of electric heating tube

图7 辐射加热管子的传热Fig.7 Heat transfer of radiant tube

笔者通过试验数据进行了实例计算.表1为采用电直接加热试验管段传热的试验结果，其中的数据是从管径为38.1mm、壁厚为7.2mm倾斜光管（倾斜角度为26.21°）水动力和传热特性试验研究中获得的.在2009年3月13日，我院完成了超临界压力水动力和传热特性试验［5－6］.

2.2 实炉单面辐射加热的传热方式［1］

实炉单面辐射加热试验则测量了水冷壁管向火面和背火面的管壁温度（经试验证实背火面管壁温度即为工质温度）.图8为水冷壁管的传热过程示意图.通过实炉单面辐射加热试验，笔者测得了各点向火面和背火面的管壁温度、相应的运行参数以及膜式水冷壁管的结果参数等，然后通过迭代计算可以得到各测点的内壁温度、对流传热系数以及内壁热负荷［7］.表2为实炉的试验结果.图9为计算程序框图.

图8 水冷壁管的传热过程示意图Fig.8 Heat transfer of water－cooled wall tube

表1 采用电直接加热试验管段传热的试验结果Tab.1 Test results of heat transfer with direct electric heating tube

以下列举了实炉试验下沿水冷壁管管长方向的计算结果，其水冷壁管管径为38.1mm、壁厚为6.78mm、节距S为53mm，管材为SA－T23，机组负荷为899MW，贮水罐压力为25MPa，给水流量为2 470t／h，质量流速为2 026kg／（m2·s）.

表2 实炉试验结果Tab.2 Test results with real furnace

图9 计算程序框图Fig.9 Block diagram of calculation program

3 结 论

通过分析2种试验方法中试验管的传热过程和试验数据的处理方法，给出了在水动力试验台上采用电加热以及实炉试验单面辐射受热的试验结果.通过试验结果对比可以看出，两种试验结果非常接近，相差不到10%，完全能满足工业性试验的需要.因此，可以根据实际情况选择适当的试验方法，通过直接通电加热和单面辐射得到的试验结果均可以作为水冷壁系统设计的参考依据.

［1］徐仁德，张今朝.由实测管壁温度确定炉膛壁面热负荷的方法［J］.动力工程，1986，6（3）：46－51.XU Rende，ZHANG Jinzhao.Determining the thermal load on furnace wall by measuring tube wall［J］.Journal of Power Engineering，1986，6（3）：46－51.

［2］杨勇，俞谷颖，张富祥，等.超临界压力倾斜光管水动力及传热特性的研究［J］.动力工程学报，2011，31（11）：809－816.YANG Yong，YU Guying，ZHANG Fuxiang，et al.Hydrodynamic and heat－transfer characteristics of inclined smooth tube at supercritical pressures［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（11）：809－816.

［3］于猛，俞谷颖，张富祥，等.超临界变压运行锅炉垂直上升内螺纹管的传热特性［J］.动力工程学报，2011，31（5）：321－324.YU Meng，YU Guying，ZHANG Fuxiang，et al.Heat transfer characteristics of vertical upward internally ribbed tube in supercritical sliding－pressure operation boilers［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（5）：321－324.

［4］俞谷颖，朱才广.电站锅炉水动力研究［J］.动力工程学报，2011，31（8）：590－597.YU Guying，ZHU Caiguang.Study on hydrodynamic performance of power plant boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（8）：590－597.

［5］俞谷颖，张富祥，陈端雨，等.超（超）临界压力锅炉垂直管屏水冷壁水动力与热偏差调整建议［J］.动力工程学报，2010，30（9）：658－662.YU Guying，ZHANG Fuxiang，CHEN Duanyu，et al.Suggestion on adjustment of hydrodynamic and thermal deviation of ultra－supercritical pressure boiler waterwall with vertical tube panel［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（9）：658－662.

［6］杨勇.1 000MW超超临界压力直流锅炉螺旋管圈水冷壁的水动力及传热特性试验研究［D］.上海：上海发电设备成套设计研究院，2010.

［7］车德福，庄正宁，李军，等.锅炉［M］.西安：西安交通大学出版社，2008.