基于水动力计算的锅炉出口温度及热负荷分布分析

张 吉

（台州市特种设备监督检验中心，浙江台州318000）

锅炉炉膛热负荷受到多种因素的共同影响，包括燃料种类、炉膛结构与燃烧形式等，因此无法对其实际运行期间的热负荷情况进行准确预测[1-4]。现阶段，主要从设计层面分析炉膛宽度热负荷分布规律，但很少研究实际工况下的热负荷分布结果[5]。相关方面的研究吸引了很多的研究学者。沈倩等[6]通过实验分析了燃料种类、燃烧形式与炉膛外形结构对电站锅炉运行状态及其炉膛热负荷造成的影响，并在此基础上构建得到了一种计算超临界燃烧直流锅炉在炉膛宽度方向上的热负荷分布规律，深入探讨了水冷壁中液体介质流动特点并计算了炉膛各部位的传热系数，最终得到水冷壁系统的压力降、阻力及其流量分布规律。邹堃等[7]通过在水冷壁区域安装了众多温度测试点的方式获得超临界锅炉螺旋管圈各区域测试点的温度值，并根据实际测试结果推导得到烟气区域平均热负荷。丁小骄等[8]针对各工况条件下的预混与扩散规律进行了分析，结果发现当空气系数增大后，将使排放废气中的NO与CO浓度减小。李东鹏等[9]在研究了当前大型机组结构的基础上，计算得到了处于海拔2 900 m情况下660 MW机组锅炉的最佳热负荷。

本文为了精确掌握电站锅炉高温受热面出口区域的温度，对超临界变压运行直流锅炉进行了研究，总共包含了1 728根炉膛水冷管，由四面墙组成，各面墙分别为432根。给出了水动力计算流程，测定了管壁温度分布，并根据原有出口温度分布状态计算出炉膛宽度方向上的热负荷分布。

1 热负荷分布计算

1.1 炉膛出口温度及水动力计算

通过安装温度测试点的方式测定锅炉受热面区域温度分布情况，其中上炉膛水冷壁管的出口处布设了80个测量点，下炉膛出口处布设了448个测量点，各项数据其实并不太完整。对出口温度分布数据进行分析时，下炉膛是根据节流圈特点对水冷壁管实施分组，以2根或者4根管子作为一组，共同对应一个温度测试数据；上炉膛的水冷壁管是根据二级混合器分布特点进行分组，属于同一组的水冷管对应一个共同的温度测试数据。锅炉水动力特性指的是当热负荷与锅炉结构保持恒定的情况下，不同管内工质流量下形成的阻力压降。根据水动力计算结果可以判断受热面管中的工质流动状态及其传热过程的安全性。图1给出了水动力计算的具体流程。

图1 水动力计算流程

1.2 平均比容的确定

在超临界压力下当工质进入比热容较大的区域时其热物性将会明显转变，并且密度跟焓值之间也不再是完全的线性关系，尤其是下炉膛的工质性质快速变化，会形成二个不同区段，所以必须采用分段方法来处理工质的平均比容，从图2中可以看到对区段进行分类的具体过程。

图2 区域划分

在实际计算的过程中，要考虑很多串联与并联的管子。下炉膛的水冷壁通常都是由质量流速较低的垂直管屏组成，因此水的自身重力也是构成阻力的一个重要因素，同时管内的各处工质特性也存在明显差异[10-12]。所以，需要充分考虑不同管道间的差异性并注意分析重力产生的作用，可以将其表示为系数Ki：

式中：Ki是经折算得到的阻力系数，kg-1·m-1；f是管子的截面积，m2；ρi是工质的平均密度，kg/m3；Zi代表摩擦与阻力系数；vi是工质的平均比容，m3/kg；Gi是工质流量，kg/s；g是重力加速度，N/kg；h代表高度，m。

1.3 热负荷分布的确定

考虑到实际情况中锅炉燃烧的复杂性，因此在设定热负荷分布模型的时候要考虑到上下炉膛温度分布的差异性。所以，需要进一步根据原有出口温度分布状态计算出炉膛宽度方向上的热负荷特点，从图3中可以看到计算的具体过程。首先通过锅炉热动力计算上下炉膛温度吸热量分布情况，然后分别根据热负荷不均匀系数拟合结果并计算炉膛吸热量分配系数，最后给出每根管热量修正系数。

图3 热负荷分布计算流程

2 热负荷分布结果分析

2.1 工 况

对热负荷的分布状态进行计算时，需要同时分析计算工况与校核工况，其中前者被用于构建热负荷模型，后者是对模型进行验证。从表1中可以看到以上计算工况与校核工况的参数取值，并将其作为建模的初始条件。

2.2 宽度方向热负荷

图4给出了炉膛水冷壁沿宽度方向热负荷不均匀系数分布变化结果。从图4中可以看到在设定工况条件下炉膛水冷壁宽度上的热负荷特点。可以发现，在炉膛宽度方向上并未形成连续的热负荷分布现象，通常会在某一点发生突变的情况，这主要是由于计算时受数据处理过程所引起的结果。构建热负荷模型时需以现场壁温数据作为参考依据，但考虑到测点数量有限，所以进行实际计算时要充分考虑到热负荷状态和炉内燃烧过程紧密关联。在锅炉的燃烧过程中，会由于风量或粉量分布不均匀的情况等因素导致热负荷出现偏差。

表1 工况数据

图4 炉膛水冷壁沿宽度方向热负荷不均匀系数分布

2.3 出口温度

从图5中可以看到在校核工况下在炉膛水冷壁出口区域形成的炉膛水冷壁出口温度分布，根据热力与锅炉水动力计算数据推断出下炉膛水冷壁管出口温度，可以明显发现实际测量值和计算值基本一致，表现出相同的温度分布规律。随着水冷壁管号的增加，炉膛水冷壁出口温度表现出先迅速增加后降低然后趋于稳定的变化规律，这与所选取的管子的位置有关。

3 结语

（1）为了精确掌握锅炉高温受热面出口区域的温度，给出了水动力计算流程，并测定了管壁温度分布，并进一步根据原有出口温度分布状态计算出炉膛宽度方向上的热负荷特点。

图5 炉膛水冷壁出口温度分布

（2）在炉膛宽度方向上并未形成连续的热负荷分布现象，通常会在某一点发生突变。热负荷分布状态和炉内燃烧过程紧密关联，在锅炉的燃烧过程中，会由于风量或粉量分布不均匀的情况等因素导致热负荷出现偏差。

（3）根据热力与锅炉水动力计算数据推断出下炉膛水冷壁管出口温度，发现实际测量值和计算值基本一致，表现出相同的温度分布规律。