超超临界锅炉变压运行水冷壁的传热特性

袁秀新

摘要：伴随着超超临界锅炉技术的发展，一些高参数、大容量的燃煤锅炉受热面的布置方式和结构型式也更加的复杂多变。可是长期以来对炉内燃烧与锅内水动力耦合的研究一直有所缺失，导致锅炉实际运行中超温爆管现象频繁发生，因此超超临界锅炉炉内传热特性问题急需解决。本文就主要对超超临界锅炉变压运行水冷壁的传热特性进行了分析探究。

关键词：超超临界锅炉；水冷壁；传热特性

引言

在超超临界锅炉变压运行时，在各项变压运行的负荷工况下，锅炉各方面的受热面吸热比例是相对确定的，这也就决定了汽水焓值分布的确定性，这也就更有利于优化运行调节，更好的掌握超临界锅炉水冷壁吸热变化规律。而在超超临界锅炉变压运行中对汽温调节控制和水煤比调节控制的重要参数值就是水冷壁出口汽水焓值。

1水冷壁传热特性的主要影响因素

1000MV超超临界锅炉水冷壁在65%％BM-CR负荷左右进入超临界压力范围工作。在对锅炉进行设计时为了避免超临界压力下水冷壁产生类膜态沸腾，必须使工质的比定压热容最大的区域避开热负荷最大的燃烧器区。

研究表明，在工质温度低于拟临界温度、汽水压力进入超临界压力区时，水冷壁管内工质为单相水，伴随汽水温度的不断升高，汽水比定压热容急剧增大，传热一直增强，可将汽水比定压热容急剧增加的区域对应于热负荷较高的燃烧器区域。当拟临界温度低于工质温度时，水冷壁管内工质为单相汽，随汽水温度升高，汽水比定压热容急剧减小，传热一直减弱，应将汽水比定压热容急剧降低的区域对应于热负荷较低的炉膛上部区域。这就形成下辐射区水冷壁和上辐射区水冷壁的分界点，而分界点对应的是拟临界温度点。这就是超临界和超超临界锅炉水冷壁设计的主要理论和技术依据。

研究表明，当水温低于拟临界温度时，随质量流速增大，水冷壁管内壁面最大传热系数增大。如质量流速由800kg/（㎡?s）增大到1200kg/（㎡?s）时，最大传热系数大约由22.6kw/（㎡?k）提高到32kw/（㎡?k）。随着压力的升高，最大传热系数降低，如压力由25.0MPa提高到29.0MPa时，最大传热系数22.28kw/（㎡?k）降低到18.438kw/（㎡?k）通过上述分析可以看出，超超临界锅炉水冷壁的传热特性主要受汽水比定压热容、水冷壁热负荷及工质的质量流速影响，而汽水比定压热容变化主要与运行压力相关。所以，在全负荷变压运行时，由于低负荷范围的工质压力降低，因此水冷壁的变化会出现增强。

2水冷壁的壁温差变化特性

2.1近临界与拟临界温度近区汽水温差较大

超超临界锅炉的实际运行情况说明，在近临界压力区和拟临界温度近压力区锅炉运行参数变化剧烈且工质热物理特性变化较大。出现这种情况的主要原因是在近临界压力区对应工作压力下的拟临界温度左右工质比定压热容变化最大，工质吸热后迅速转变为比体积急剧增大，而导热系数急剧降低，工质对管内壁冷却能力大幅度下降，热偏差增大时，流量偏差随之增大，由于受到热偏差和流量偏差的双重影响，管壁温度偏差将出现扩大化趋势。水冷壁吸热偏差虽然对中间点温度的影响较小，但对炉墙四周水冷壁中工质温度的影响较大。试验表明，在高热负荷区和拟临界温度附近，水冷壁管壁温度会出现增大的趋势。

2.2水冷壁汽水温度偏差和壁温差实例分析

超超临界锅炉的实际运行同时表明，炉膛下部水冷壁由于采用内螺纹管和较大的质量流速，一般不出现水冷壁管壁超温的现象。虽然炉膛上部垂直水冷壁的壁面热负荷降低，但因工质温度提高、比焓值增大、工质比定压热容急剧降低、质量流速降低，光管结构等不利因素，炉膛上部垂直水冷壁壁温偏差增大或超温。当燃烧偏差较大和工质流量分配不均匀或低负荷运行时，上部垂直水冷壁壁温偏差明显增大，甚至出现超温现象。由于上水冷壁的工质为汽相，在拟临界温度附近，相变区汽侧的导热与吸热特性急剧降低，必然造成工质温度的突变，扩大上水冷壁工质温度偏差和壁温偏差。

研究表明，下水冷壁的最大壁温偏差一般小于上水冷壁；上水冷壁的最高壁温和最大壁温差发生在60%～70MCR负荷区，此负荷区的汽水恰好处于近临界压力区的拟临界温度附近。

超临界锅炉水冷壁工质焓增设计的主要依据是控制下辐射区出口工质温度在拟临界压力下对应的拟临界温度。而工质进入上辐射区水冷壁后，工质温度已经高于对应压力下的拟临界温度，但工质仍然处于大比热区，因此工质温度即使上升10℃，焓值将增加243.468kJ/kg，相对增加了13%，温导系数λ相对降低了27%，定压比定压热容Cp相对减小了23.7%。工质热物性对水冷壁工质温度和壁温偏差的影响极大，在工质热物理特性急剧变化的区域，因为汽水比体积变化剧烈，导致各管流量分配不均匀，进而引起传热不均匀。根据运行经验，对于上辐射区垂直管屏光管水冷壁，工质焓增提高10kJ/kg，出口工质温度偏差提高11.3℃。

研究数据表明，超超临界锅炉水冷壁壁温达到最大的负荷点并非一定是机组的最高负荷点，而是在工质压力跨入临界压力附近区域。所以，控制该区域水冷壁的焓增，即在该区域严格控制水煤比，使工质平稳度过近临界压力区是保证水冷壁安全运行的重要条件。同样，考察水冷壁壁温计算的重点负荷区也是60%％～75％额定负荷范围的近临界压力区。

超临界锅炉运行中如果因磨煤机配置导致燃烧器投运方式偏置，或因煤粉管道长度、弯头偏差大而导致每个燃烧器煤粉流量偏差增大时，燃烧不均匀引起烟气温度分布不均匀，由其导致的热偏差一直会延续到炉膛上部，进而导致上部水冷壁受热不均。图4给出C电厂采用旋流式燃烧器对冲燃烧的600MW超临界锅炉上水冷壁出口工质温度随电负荷的变化。

研究显示，在532MW负荷时，右墙水冷壁平均出口温度达420℃，而前墙水冷壁平均出口温度为390℃，二者相差30℃，为了控制上水冷壁壁温差，汽水分离器出口工质温度的实际运行控制值比设计值降低了5℃。

结语

超超临界锅炉变压运行中汽水焓值的相对确定性是由各负荷下吸热比例的相对确定性决定的汽水焓值能综合反映出能量平衡状态，汽水压力变动时，受汽水比定压热容剧烈变化的影响温度变化比较大，因此水冷壁出口汽水焓值实际上是中间点温度控制和水煤比调节的最重要的参数。

参考文献：

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