电站锅炉水冷壁压降特性研究

常志达，周云龙

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)



电站锅炉水冷壁压降特性研究

常志达，周云龙

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

通过建立炉内单根水冷壁动态数学模型及压降计算的数学模型，分析水冷壁管段内部动态变化及压降，利用Matlab/Simulink在70%锅炉负荷，以入口焓、入口流量及燃烧率为扰动对管内的热水段、蒸发段、过热段的长度动态变化进行了仿真；并对压流量、入口温度、热负荷等运行条件的变化进行了分析。结果表明：动态条件下不同的扰动条件，各段的长度变化原因不同，静态条件下流动压降对水冷壁总压降影响较大，超临界压力下，流动压降明显高于重位压降。

水冷壁；压降；数学模型；动态仿真

随着我国电网容量的增大，机组装机量逐年增加并投入商运，电网的峰谷差也有加大的趋势。当火电机组参与调峰运行时，锅炉侧的水动力安全性将受到考验；当机组降低负荷时，锅炉内部工质的参数发生变化，锅炉具有较大的热容量及热惯性；在低负荷运行时，水动力的稳定性也随之发生变化。因此，在锅炉降负荷运行时控制各参数的变化是保证机组安全与稳定运行的前提。

俞谷颖[1]介绍了锅炉在水动力方面的发展，提出了我国电站锅炉的发展趋势。周云龙[2]对某机组电站锅炉进行了低负荷调峰的水循环安全在线监测试验，并提出低于40%锅炉负荷时不宜长期运行。华永明[3]建立了计算双相流动压力降的模型，运用编程计算确定了不同负荷下水动力足够稳定。在较低的锅炉负荷运行时，水冷壁内部工质的压降曲线斜率呈线性，在下炉膛回路中具有正流量特点，工质的压降和流量的关系均呈一一对应的提高趋势[4]。在动态仿真方面，F.J.Gutiérrez Ortiz[5]根据质量守恒、能量守恒定理，利用Matlab软件建立锅炉系统模型，并模拟仿真了锅炉启动过程，仿真结果与实际过程相符。通过热力学基本理论知识，得出炉内工质的参数数学算法[6]，F.P.De.Mello[7]建立了单元机组协调控制系统的非线性描述。利用集总参数法建立了单相、双向受热管段的数学模型[8，9]，从蒸发、蒸汽过热的基本特性出发，可以很好地解释水冷壁的压降变化[10，11]。

根据目前的研究成果，运用水冷壁的压力降的计算标准方法，以某厂1 000 MW超临界机组直流锅炉内部的受热水冷壁为研究对象，建立水冷壁内部工质的动态数学模型及锅炉中单个受热水冷壁管的压降计算模型。在70%锅炉负荷时，根据计算将水冷壁分为三段，利用相变点、过热点位移变化来确定汽水区段的长度变化，并通过工质压力降的计算模型确定水冷壁内部工质压降在特定工况下的变化。

1　水冷壁内部分段数学模型

1.1物理模型的建立

单个受热的水冷壁模型，根据受热特性，把管段模型分为热水、蒸发和过热三个部分，在直流锅炉运行过程中，汽水之间不存在固定的边界，不同工况工质的状态不同，导致各段边界发生移动，得出移动的边界集总参数的数学模型，图1为直流锅炉水冷壁单管模型，管段1—管段3为热水段，管段3—管段5为蒸发段，管段5—管段7为过热段。

图1　直流锅炉水冷壁的单管模型

在建模过程中，需要做出以下假设[12-14]：

(1)每段内部压力均匀分布，在每段的入口处取流动阻力参数；

(2)不考虑轴向导热，只考虑工质与管壁的对流换热；水冷壁吸收的烟气辐射热流密度是均匀分布的；

(3)不考虑每段中工质的加速压降和相对位置的重位压差；

(4)管段内部工质沿轴向的流动是一维的，流动截面参数均匀一致；

1.2数学模型的建立

热水段数学模型：

质量守恒方程

(1)

能量守恒方程

(2)

动量守恒方程

(3)

金属热平衡方程

(4)

管内传热方程

(5)

在对蒸发段及过热段建立数学模型的过程中，利用集总参数法，与热水段建立模型的方式类似。因此，所建立的数学模型及其验证方法不作详细描述，具体模型的建立以及所用参数的选取可参考文献[15]。

图2　入口焓减少各段长度响应曲线

图4　燃烧率减少各段长度响应曲线

2　仿真试验

在70%锅炉负荷时确定边界条件，运用Matlab/Simulink创建模拟模块，使入口焓值、入口流量及燃烧率作为单独的扰动条件，分别进行仿真。

2.1入口焓阶跃减少10%

入口给水焓值减小阶跃减小10%，燃烧率及入口流量不变，热水区长度逐渐增加，在蒸发区段内，饱和水量减少，而流进过热区的饱和蒸汽量降低，当进入管内的工质焓阶跃减小时，工质瞬间的产汽量降低，管段出口处的蒸汽流量瞬间降低。从图2中可以看出，在短时间内蒸发段迅速减小，蒸发和过热点前移，从而导致过热段增加，在给水量不变的情况下，管段的出口工质流量逐渐与给水量相等，蒸发段长度缓慢增加，饱和水与饱和蒸汽量瞬时减少时，工质内部的压力降低，致使工质中饱和蒸汽的焓值增加，增加了管内工质的潜热，导致过热区段的长度随之减小，最后低于初始的值。

2.2流量阶跃减少10%

入口流量阶跃减小10%，保持给水焓和燃烧率恒定，压力在短时间内减小，在管段内部各段的压力降低不同，如图3所示。从图3中可以看出，随着压力的降低使得饱和水的焓值减小，工质内部中饱和蒸汽的焓值升高，在短时间内蒸发区的长度有所延长，过热区的长度有所缩短，由于燃烧率不变，入口流量降低，工质吸收的烟气辐射热量变大，过热区长度随之增加，最后高于初始值。入口工质流量的降低，使得热水区内的工质吸收的热量变少。因此，热水区的范围变小，长度数值减小，蒸发区压力降低，汽化潜热变大，蒸发区长度逐渐降低并低于初始值。

2.3燃烧率阶跃减少10%

燃烧率阶跃减少10%，入口给水流量和给水焓保持恒定，入口压力也将减小，吸热量减小使管壁金属温度和管内工质温度降低，入口的工质流量不变。从图4中可以看出，热水段的长度变长，工质内平均密度升高，工质平均比容降低，管段内工质压力差减小，吸热量的减少使得过热区内工质的饱和蒸汽量变少。因此，过热区长度范围缩短并低于初始值。在初始阶段，热水区段长度的延长，蒸发段的长度有所缩短，工质内部温度及压力的减小使得蒸发区的长度范围增大，最终高于初始值。

3　静态下压降的数学模型

锅炉水冷壁受热管的进口到出口间的总压降Δp由流动阻力压差Δplz、重位压差Δpzw和加速压差Δpjs三项构成，加速压差一般只占水冷壁总压差的3%，在计算水冷壁压降时，可忽略不计。对于所选水冷壁管段，对管子内部压降进行分区段计算，通过出口工质的含汽率(干度)来确定工质的状态，调用相应的计算程序段。当出口工质的干度等于1，则受热管段需分三段计算，根据水和水蒸气表判断相变点，水冷壁的总压差等于单相区压差(包括单相水和过热蒸汽)和两相区的压差之和。当出口工质的含汽率小于1，水冷壁进出口压差等于单相区段水的压差加上两相区的压差。通过流量、工质入口温度及热负荷的降低来分析水冷壁压降的变化。

3.1单相区流体压降的数学模型

单相总压降可通过公式(6)计算：

Δp=Δplz+Δpzw+Δpjs，

(6)

式中：Δp为管段总压降；Δpzw为重位压降；Δpld为流动压降；Δpjs为加速压差。

其中，流动压降可通过公式(7)求得：

Δpld=Δpmc+Δpjb，

(7)

其中：

(8)

(9)

(10)

式中：dn为计算管段的内径，m；k为粗糙度，在本文中取0.06mm；λ为摩擦阻力系数；ρw为质量流速，kg/m2·s；l为计算管段长度，m；υj与υc分别为计算区段进口和出口的工质比容，m3/kg；ξjb为管段局部阻力系数，可通过查表确定。单相工质的重位压降计算公式：

(11)

式中：θ为计算管段倾斜角。

3.2双相区流体压降的数学模型

(12)

(13)

(14)

(15)

相关参数通过文献[16]确定。

图5　压降随流量的变化

4　计算结果与分析

4.1压降随工质流量的变化

当锅炉的负荷降低时，工质流量随之减小，如图5所示。图中表示流量从100%降到15%时压降的变化，在入口工质温度及热负荷保持不变时，在流量降低的过程中水冷壁的总压降由于重位压降及流动压降的减小而降低，在此过程中变化了0.9 MPa，总压降曲线的斜率的变化趋势与流动压降类似，流动压降受流量的变化要明显高于重位压降，重位压降的变化幅度较小，基本维持在0.2 MPa左右。该锅炉采用下螺旋上垂直的水冷壁布置方式，过大的摩擦阻力影响水冷壁内的工质流量，使得水动力特性不稳定。

4.2压降随工质入口温度的变化

在100%锅炉负荷及50%锅炉负荷时，水冷壁压降随工质入口温度降低的变化，如图6、图7所示。从图中可以看出，在两种运行工况下，总的压降均随工质温度的降低而减少，流动阻力的变化接近1.5 MPa，势必影响流量的变化，使得水冷壁的壁温升高，增大了超温爆管的危险。当锅炉超临界运行时，此时工质的比容对压降的影响较大，同亚临界运行时相比，曲线的变化趋势明显；而在50%锅炉负荷时，总压降曲线斜率变化缓慢，变化量约为0.05 MPa，在此工况下，工质的温度主要与运行压力有关，而运行压力基本不变，当工质温度低于263 ℃时，重位压降高于流动压降，与超临界相比，此时工质的比容变化不剧烈。在超临界下，较高的入口工质温度，工质流量补偿的特性减弱，在入口温度高于350 ℃时，工质的温度会明显增加，在大比热区内轻微的温度变化将导致工质的导热系数、比容等参数发生剧烈变化。因此，在运行过程中，应严格控制给水温度，保证水动力的稳定。

图6 100%锅炉负荷压降随工质温度的变化图7 50%锅炉负荷压降随工质温度的变化

4.3压降随热负荷的变化

在100%锅炉负荷及50%锅炉负荷时，水冷壁压降随热负荷的变化，如图8、图9所示。从图中可以得出，在两种运行方式下，总压降随着热负荷的减少而降低，流动压降的变化趋势与总压降相同，而重位压降则随着热负荷的减小而升高。热负荷降低，使得工质的平均密度增加，减缓工质的流动速度，流动压降减小，而重位压降则逐渐增加。在超临界工况下，总压降最大接近1.4 MPa，工质具有较高的流动速度，流动压降最大为1.3 MPa，而在较高的热负荷下，重位压降的减小值远远小于流动阻力的增加值。在亚临界压力下，总压降最高值为0.45 MPa，流动压降最高为0.34 MPa，工质的流动速度减慢，平均密度高于超临界压力工况，经过计算流动压降依然超出了重位压降，对水动力特性的影响占主要因素。在图9中，当热负荷小于90 kw/m2时，重位压降大于流动压降，此时重位压降随热负荷的变化较小，重位压降有助于水动力特性的稳定。

图8 100%锅炉负荷下压降随热负荷的变化图9 50%负荷下压降随热负荷的变化

5　结　　论

(1)动态阶跃扰动条件不同的情况下，各区段长度的变化原因不同，通过仿真的结果确定了所建模型的稳定性。

(2)静态压降的计算结果反映出在水冷壁压降的组成中，流动压降占有很大的比重，在亚临界压力下，随着负荷的降低，重位压降逐渐增加，有助于水动力的稳定。

(3)水冷壁内工质的压降受比容的影响较大，在超临界工况下尤为明显，在锅炉的实际运行过程中，应严格控制流量与热负荷的变化速度，防止发生水冷壁超温及水动力多值。

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Study on Thepower Station Boiler Water Wall Pressure Drop Characteristics

CHANG Zhi-da ZHOU Yun-long

(Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In this paper，through the establishment of mathematical model of dynamic mathematical and pressure drop calculation of single water wall in furnace，to analyze the dynamic changes and the pressure drop of the water wall tubes.Inlet enthalpy，the inlet flow and combustion rate as disturbance，to simulated inner tube dynamic changes of length of water section，evaporation section，superheated section under 70% boiler load by matlab/simulink platform，and analyze the influence of the operating conditions such as pressure flow，inlet temperature and heat load on the pressure drop.The results showed that ：the dynamic conditions under different disturbance conditions，the length of each segment changes for different reasons，static conditions under flow pressure drop of water wall total pressure drop effect of larger，super critical pressure under，flow pressure drop was significantly higher than that of heavy pressure drop.

Water wall；Pressure drop；Mathematical model；Dynamic simulation

2016-04-12

常志达(1990-),男,吉林省松原市人,东北电力大学能源与动力工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：锅炉水动力特性.

1005-2992(2016)04-0043-06

TK223

A