350MW 超临界锅炉螺旋水冷壁壁温特性研究

王为术，李帅帅，周俊杰，毕勤成

(1．华北水利水电学院 热能工程研究中心，河南 郑州450011;2．郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州450001;3．西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安710049)

0 引言

热电联产可显著提高燃料利用率，是全球公认的节能减排、保护环境、提高能源利用率的重要措施，为进一步提高效率，超临界热电机组将是承担热电联供的主力［1-2］． 热电联产机组生产季节性、周期性强，锅炉变负荷工况频繁，锅炉水冷壁工作环境复杂而恶劣，特别是炉膛侧受到交变的高温火焰辐射、炉内热负荷分布不均、燃烧工况波动、管内工质流量分配不均等扰动影响锅炉安全运行为．为保证锅炉安全持续运行，水冷壁温度水平和温差必须要维持在安全范围之内．

为此，笔者针对大唐林州热电厂350 MW 超临界锅炉螺旋管圈膜式水冷壁的温度特性进行数值研究，研究结果为锅炉设计及安全运行提供了基础．

1 膜式水冷壁简介及数学模型

1．1 膜式水冷壁简介

大唐林州350 MW 超临界锅炉水冷壁结构如图1 所示，炉膛下部及冷灰斗采用螺旋管圈水冷壁，在标高41 089 mm 处经过中间集箱过渡为垂直管屏水冷壁． 下部水冷壁由φ32 ×5．5 mm、材料为15CrMoG、节距为48 mm 的光管组成的管带围绕锅炉1． 6 圈到达中间集箱，螺旋倾角为17．235 3°;上部垂直水冷壁采用φ32 ×6．5 mm、材料为15CrMoG、节距为54 mm 的光管，水冷壁金属的许用温度为550 ℃．

图1 水冷壁布置示意图Fig．1 Schematic of zones arranged with water wall

炉膛内共有1 304 根水冷壁管，其中下部螺旋管圈326 根，上部垂直管978 根，编号从下炉膛开始，依次经过前墙、右侧墙、后墙及左侧墙，取其中60 根管(其中下部螺旋管40 根，上部垂直管中右墙8 根，后墙12 根)为研究对象进行分析，下炉膛水冷壁编号依次为1#、8#、15#、22#、29#、36#、

43#、50#、57#、64#、71#、78#、85#、94#、104#、114#、124#、134#、144#、154#、164#、171#、178#、185#、192#、199#、206#、213#、220#、227#、234#、241#、248#、258#、268#、278#、288#、298#、308#、318#，根据结果重点分析不同负荷下处于炉膛下部的螺旋管圈水冷壁壁温特性． 表1 为林州热电厂350 MW超临界锅炉主要设计参数．其中，BMCR 为锅炉最大连续蒸发量，BRL 为锅炉额定负荷．

1．2 膜式水冷壁的数学模型

在锅炉运行中，当负荷和蒸汽参数稳定时，水冷壁可看作一个不规则区域的稳态导热过程． 在启动、停运或者变负荷运行时，由于水冷壁较长，水冷壁上下温度变化率非常小，因此可以忽略其纵向导热，将问题简化为无内热源的二维稳态导热问题．同时有如下假设:①膜式水冷壁向火侧只接受炉膛辐射热量，忽略对流传热量，且热负荷在一定范围内均匀分布;②水冷壁背火侧绝热，经炉墙散热量可忽略不计;③水冷壁管和鳍片材料相同，导热系数仅与温度有关;④水冷壁与管内工质的传热系数沿管壁周向取为常数．

表1 锅炉主要参数Tab.1 The main parameters of boiler

水冷壁管截面可以分为圆管和鳍片两部分，几何模型如图2 所示，依据数学模型可知:ABC 面为仅吸收辐射热量的炉侧受热面，并且辐射热负荷在该面上均匀分布;DEF 面为水冷壁背火侧，包覆绝热材料，将其视为绝热面;GH 面为对流传热系数为常数的管内工质侧，GF、AH 和CD 分别为管壁及鳍片中心线，为绝热面．圆管区域和鳍片区域的控制方程采用有限容积法(Finite Volume Method)进行离散，网格的划分和生成采用内节点法，在圆管部分生成极坐标系统，鳍片部分生成直角坐标系统，两部分重合区域则采用线性插值法进行数值拟合［3-4］． 图3 所示为膜式水冷壁的网格划分．

图2 水冷壁表面热负荷及截面示意图Fig．2 Heating load distribution around the outer wall of the tube and schematic view for cross section

图3 膜式水冷壁的网格划分Fig．3 Grid meshing of membrane water wall

1．2．1 水冷壁向火侧边界条件

接受炉膛火焰辐射传热的向火侧为以炉侧热负荷为热流密度的第二类边界条件，炉膛内水冷壁任一处L 的局部平均热负荷ql由下式求得:

ql=qpj·χ·η． (1)

式中:χ 为锅炉沿炉膛高度方向上热负荷分布系数，如图4 所示． η 为热负荷沿炉膛宽度的分配系数．qpj=BjQj/Hj． (2)

式中:Bj为计算燃料消耗量;Qj为单位质量燃料在锅炉内的辐射放热量;Hj为炉膛内辐射受热面积．

参照文献［5-6］中的方法求得膜式水冷壁表面角系数，针对所研究的膜式水冷壁求得表面热流密度的分布如图2 所示．

图4 热负荷沿炉膛高度分布系数曲线Fig．4 Graph of thermal lad changing along with height of furnace

1．2．2 水冷壁管内边界条件

水冷壁管内侧为管壁与工质的强制对流换热，作为第三类边界条件，如式(3):

式中:λ 为水冷壁的导热系数，W/(m·K);tw为壁面温度，K;tf为流体温度，K;h 为表面传热系数，W/(m2·K)，选取文献［6 -7］中螺旋管上母线处的传热系数关联式． 实际运行中螺旋管水冷壁内不会出现汽水分层现象［8-9］，因此选用上母线处的传热系数是安全的．

2 膜式水冷壁温度特性

2．1 炉膛高度方向水冷壁温度及其传热特性

对比计算结果可知炉膛下部螺旋管圈水冷壁中，29#管壁温最高，笔者重点对29#螺旋管圈进行分析．高度方向上热负荷在燃烧器附近较大，宽度方向上热负荷在前、后墙中部较大．29#螺旋水冷壁管较多部分经过高热负荷区，吸热量较大，因此其壁温最高．

图5 为BMCR 负荷29#管局部平均热负荷及内壁换热系数沿炉膛高度的变化图．从图5 可以看出:热负荷整体分布和图4 一致，但局部有波动，这是由于螺旋管水冷壁依次绕过炉膛的各个受热面．随着炉膛高度的增加，局部平均热负荷在H=20 ～40 m 时最大;随着宽度的变化，局部平均热负荷在各个炉墙中间部分高于两边．螺旋管绕过炉膛1．6圈到达中间混合集箱，因此图中有6 个峰值．

图6、图7 分别为35%BMCR 及BMCR 负荷下29#管内工质温度、管外壁温度及鳍端温度随炉膛高度变化曲线． 在螺旋管段随着炉膛高度及工质焓值的升高，壁温整体升高并随着局部热负荷的波动而波动，没有出现壁温飞升现象．最高温度没有超过报警温度(466 ℃)，计算表明水冷壁温度在安全范围内． BMCR 时水冷壁处于超临界压力，29#管在炉膛高度方向上的最大局部平均热负荷为250 kW/m2，由水冷壁运行参数可知此时29#管内工质质量流速为2 690 kg/(m2·s)，压力在23．16 ～23．54 MPa 之间，即水冷壁满足q/G ＜0．42 kJ/kg，故在大比热区不会出现传热恶化现象．在热负荷较高的燃烧器附近，工质由单相水变为单相汽，传热系数变小，导致其外壁温度与流体温度的差值达到41．5 ℃(35%BMCR 负荷下的温差仅为16 ℃)．

2．2 炉膛宽度方向水冷壁温度及工质温度分布

图8 所示为35%BMCR 负荷下，螺旋管圈水冷壁出口工质温度、向火侧壁温及鳍端温度的分布．由于炉膛截面热负荷分布不均，导致水冷壁吸热不均匀，向火侧壁温及鳍片温度有小幅波动，最大温度差为3．3 ℃．75%BMCR 负荷以下均为亚临界压力，所以有很长一段水冷壁背火侧壁温维持在所在压力下的饱和温度．

图8 35%BMCR 负荷下水冷壁出口工质温度与壁温在炉膛宽度方向上的分布Fig．8 The viriation of temperature of the outlet working medium and tube along the furnace width under 35%BMCR

螺旋管圈出口处工质焓值及干度沿炉宽的变化趋势与管壁温度变化相似，图9 所示35%BMCR 负荷下最大焓值为2 059 kJ/kg，管间最大焓值相差8．4 kJ/kg，最大干度为0．49，最大干度差为0．01，由此可见螺旋管圈水冷壁热偏差较小．

图9 35%BMCR 负荷下水冷壁出口工质干度、焓值在炉膛宽度方向的分布Fig．9 The viriation of enthalpy and dryness fraction of the outlet working medium along the furnace width under 35%BMCR

2．3 最高热负荷处螺旋水冷壁截面温度场

由图5 中局部平均数热负荷曲线可知:29#水冷壁管最高热负荷位于燃烧器区域，对应炉膛高度为36．41 m．图10 给出了35%BMCR、75%BMCR、BRL 和BMCR 等不同工况下，29#水冷壁管在此高度的截面温度场．

图10 不同负荷下第29#管截面温度场Fig．10 The temperature of 29# tube under different load

对比分析图10 中可知:水冷壁向火侧温度远高于背火侧温度且周向温差较大，最高温度出现在向火侧管壁或者鳍端，最低温度出现在水冷壁管下母线内壁处． 这是由于膜式水冷壁边界条件不同引起的:向火侧为辐射边界而背火侧为绝热边界，管内壁由流体对流传热进行冷却．

在35% BMCR 下，膜式水冷壁最高温度达329 ℃，出现在向火侧管外壁;在75%BMCR 下，膜式水冷壁温度最高为406 ℃，出现在向火侧鳍片端点处．最大温差出现在水冷壁向火侧管外壁或鳍片端点处，此两点对锅炉在线监测及预警非常重要．

图11 为29#管截面最大温差及最高温度在不同负荷下的变化曲线，最高温度及最大温差均随负荷的升高而增大．

3 结论

(1)螺旋管圈水冷壁温度随着炉膛高度的升高而增大，并随着热负荷的变化有波动．最高温度小于440 ℃，低于金属的许用温度，表明林州350 MW 超临界锅炉水冷壁设计是安全合理的． 在炉膛宽度上，各管间温度差、焓值差及亚临界压力下的干度差均很小，但热负荷越高，其值也越大．

图11 不同负荷下第29#管截面最大温差及最高温度Fig．11 The maximum temperature difference and the highest temperature of 29# tube under different load

(2)计算并得到不同负荷下29#螺旋管圈水冷壁出口的温度场分布，为锅炉壁温在线监测提供了依据，最高温度出现在水冷壁向火侧或者鳍端，因此在运行及启停过程时，对此两点需重点监测．水冷壁最高温度及管壁周向最大温差随锅炉负荷升高显著增大．

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