第三講超臨界機組水動力與傳熱特性

第三講超臨界機組水動力與傳熱特性第一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一鍋爐水動力特性概述亞臨界參數(shù)鍋爐水動力特性鍋爐的水動力特性不僅影響著水冷壁的傳熱特性和安全性，而且在很大程度上影響著汽溫特性、調(diào)峰性能和燃燒調(diào)節(jié)性能。由于水冷壁的水動力特性主要取決于循環(huán)方式，而循環(huán)方式不僅取決于鍋爐的容量和參數(shù)，而且取決于不同燃燒方式所需要的爐型結(jié)構(gòu)，所以亞臨界參數(shù)鍋爐出現(xiàn)自然循環(huán)、控制循環(huán)和強制流動等多種形式。按照目前的設(shè)計技術(shù)，對于600MW亞臨界參數(shù)機組，當采用四角燃燒方式時候，由于爐膛周界的限制，適宜采用控制循環(huán)方式。采用對沖燃燒方式時候，爐膛周界比較大并且選擇較大的水冷壁管徑，適宜采用自然循環(huán)方式。第二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一超臨界參數(shù)鍋爐水動力特性超臨界參數(shù)鍋爐水動力特性主要決定于水冷壁形式、工質(zhì)的熱物理特性、運行方式、水冷壁熱流密度的大小及其分布范圍等因素。工質(zhì)的熱物理特性是指超臨界參數(shù)下，在擬臨界溫度左右的一定范圍內(nèi)，工質(zhì)受到大比熱特性的影響，比容、黏度、導熱系數(shù)發(fā)生急劇變化的特性。超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性顯著的影響著直流鍋爐水動力的穩(wěn)定性和下輻射區(qū)水冷壁出口工質(zhì)的溫度，進一步影響到自動調(diào)節(jié)性能。第三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一超臨界鍋爐的水動力特性影響因素

超臨界參數(shù)鍋爐的水動力特性，主要取決于工質(zhì)的熱物理特性、水冷壁型式、運行方式、水冷壁熱流密度的大小及其分布等因素的影響。壓力對循環(huán)特性的影響運行和實測數(shù)據(jù)表明，亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐的汽包壓力達到20.678MPa時，自然循環(huán)仍然不成問題。壓力由15.0MPa提高到20.0MPa，下降管內(nèi)工質(zhì)密度大約減少20％，上升管內(nèi)工質(zhì)密度幾乎不變，循環(huán)流動壓頭只有微小的降低，因而對循環(huán)特性的影響不大，由此可見壓力不是影響循環(huán)特性的主要因素。由理論分析可以知道，壓力對于循環(huán)特性的影響具有雙重作用：一方面壓力提高使循環(huán)流動壓頭略有減少；另一方面壓力提高使水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的汽化潛熱減小.第四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一爐型結(jié)構(gòu)對循環(huán)特性的影響鍋爐爐型結(jié)構(gòu)首先取決于鍋爐燃燒條件，即取決于燃料的燃燒特性和結(jié)渣特性以及燃燒方式；其次取決于鍋爐蒸發(fā)量和限制產(chǎn)生膜態(tài)沸騰的安全裕度。對于亞臨界參數(shù)鍋爐，隨著鍋爐容量增大相對于單位蒸發(fā)量的爐膛周界減小，管內(nèi)質(zhì)量含汽率增大，達到0.3-0.4，循環(huán)流速達到1.7-2.0m／s。30％MCR時的循環(huán)流速能保持1m／s的水平。試驗數(shù)據(jù)表明，循環(huán)流速達到0.4m／s，水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)流動就不會產(chǎn)生停滯和倒流現(xiàn)象。當水冷壁采用內(nèi)螺紋管時，質(zhì)量含汽率即使達到0.6，也不會出現(xiàn)膜態(tài)沸騰導致的傳熱惡化現(xiàn)象，因而自然循環(huán)具有較大的安全裕度。第五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一工質(zhì)的熱物理特性對水動力及傳熱特性的影響1）工質(zhì)大比熱特性的影響超臨界參數(shù)鍋爐的技術(shù)關(guān)鍵就是水冷壁。超臨界鍋爐水冷壁的循環(huán)倍率通常只有1或小于1(當過熱器減溫水量較大時)，變壓運行的超臨界機組低負荷時流量較小，這決定了水冷壁需要較小的管徑和特殊的管圈型式，以確保管內(nèi)有足夠高的質(zhì)量流速，保證冷卻管壁，使其不超溫。第六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一

經(jīng)過長期的發(fā)展，超臨界鍋爐水冷壁管圈主要有螺旋管圈水冷壁和垂直管圈水冷壁兩種型式。兩者不同點：螺旋管圈適用于變壓運行，垂直管屏適用于定壓運行。兩者共同點：A高負荷運行工況下，水冷壁都是在超臨界壓力下工作，管內(nèi)工質(zhì)溫度隨吸熱量增加而提高。B工質(zhì)比容在擬臨界溫度附近的大比熱區(qū)內(nèi)發(fā)生急劇變化，但是工質(zhì)溫度變化不大。C壓力越高，擬臨界溫度向高溫區(qū)推移，大比熱特性逐漸減弱。第七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一擬臨界溫度：超臨界壓力下對應(yīng)一定壓力，工質(zhì)存在一個大比熱區(qū)。對應(yīng)比熱最大值的溫度稱為擬臨界溫度。工質(zhì)溫度低于擬臨界溫度時候為水，高于時為汽。也稱為相變點。大比熱區(qū)內(nèi)工質(zhì)比容的急劇變化，必然導致工質(zhì)的膨脹量增加，從而引起水動力不穩(wěn)定或類膜態(tài)沸騰。在大比熱區(qū)外，工質(zhì)比熱很小，因而溫度隨吸熱變化很大。根據(jù)超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性，控制下輻射區(qū)水冷壁吸熱量，尤其是將下輻射區(qū)水冷壁出口工質(zhì)溫度控制在對應(yīng)工質(zhì)壓力的擬臨界壓力下，使工質(zhì)的大比熱區(qū)避開受熱最強的燃燒器區(qū)域是超臨界鍋爐設(shè)計和運行的關(guān)鍵。第八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一2）超臨界壓力下的類膜態(tài)沸騰超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)可能發(fā)生的類膜態(tài)沸騰，主要是由于在管子內(nèi)壁面附近的流體黏度、比熱、導熱系數(shù)和比容等物性參數(shù)發(fā)生顯著變化引起的。超臨界壓力下工質(zhì)熱物理特性的急劇變化對管子傳熱特性的影響主要有：A由于流體溫度不同，管子中心流體黏度大，壁面處黏度小。黏性梯度引起流體邊界層的層流化。B在邊界層中的流體導熱系數(shù)也隨著降低，又使導熱性差的流體與管壁接觸，當進口溫度較低時，壁面處的流體速度遠小于管中心的流體速度，又促使流動層流化。C在邊界層中密度減小，產(chǎn)生浮力，促使紊流邊界層流化。在管子熱負荷較大時可能導致傳熱惡化。類膜態(tài)沸騰：超臨界壓力下由于工質(zhì)熱物理特性的變化導致的傳熱惡化現(xiàn)象類似于膜態(tài)沸騰。第九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一3）其它因素的影響超臨界壓力下的傳熱惡化還與水冷壁熱負荷、工質(zhì)的質(zhì)量流速和欠焓有關(guān)。傳熱惡化首先發(fā)生在工作欠焓最大的管子入口處，工質(zhì)欠焓越大，受熱面熱負荷越大，發(fā)生傳熱惡化的位置越提前。因此管子入口不應(yīng)該布置在熱負荷最高的燃燒器區(qū)域附近。同時在任何負荷下，都要保證正常傳熱所要求的質(zhì)量流速。研究認為，在超臨界壓力下，采用內(nèi)螺紋管和光管的傳熱性能差不多，只要控制適當?shù)臒嶝摵刹⒕S持較高的質(zhì)量流速，內(nèi)螺紋管和光管都不會發(fā)生傳熱惡化。第十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一超臨界機組螺旋管圈水冷壁超臨界參數(shù)鍋爐的水動力特性與水冷壁形式有很大關(guān)系。為了適應(yīng)電網(wǎng)中調(diào)峰和滑壓運行的要求，先后開發(fā)的螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)的超臨界鍋爐。管子自爐膛低部以一定的傾角沿著爐膛四周盤旋上升到爐膛出口處(一般1.5-2.0圈)，上部改為垂直上升管子，以利于管子穿墻及懸吊結(jié)構(gòu)的布置。只要改變螺旋管圈的傾角，就可以非常容易的減少爐膛四周的管子數(shù)量而不增加管子間的間隙，保證必要的管內(nèi)質(zhì)量流速，同時可選用較粗的管子，增加水冷壁的剛性。第十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一1螺旋管圈水冷壁的主要優(yōu)點為：(1)可以容易地滿足變壓運行的要求。由于管子根數(shù)少，采用了較高的質(zhì)量流速，在所有的負荷范圍內(nèi)均能保證管壁溫度不超過允許溫度，并且在壓力較低時水動力也十分穩(wěn)定；(2)由于水冷壁管圈繞爐膛周界盤旋上升，各根管子受熱較均勻，使得水冷壁出口溫度偏差小；(3)可以采用較大管徑和壁厚的水冷壁管，增加水冷壁的剛性，減少了由管子制造公差所引起的水動力偏差。第十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一2螺旋管圈水冷壁的主要缺點為：（1）由于管內(nèi)質(zhì)量流速高，螺旋管圈展開長度幾乎為垂直管圈長度的二倍，水冷壁阻力較大；（2）螺旋管圈水冷壁的制造工藝比較復雜，制造工作量大，每繞一圈，有四個彎頭，組裝率低，管圈的支承結(jié)構(gòu)和剛性梁結(jié)構(gòu)復雜，制造和安裝周期長，維護和維修也要復雜一些。實例:石洞口第二發(fā)電廠600MW超臨界參數(shù)鍋爐采用螺旋管圈水冷壁，管子規(guī)格為36*5.6，材料為13CrMo44,由316根管盤旋至爐膛折焰角下部，盤旋圈數(shù)為1.74圈，螺旋管傾角為13.95度。螺旋管出口處工質(zhì)溫度控制在413℃，水冷壁出口處工質(zhì)溫度控制在433℃。下輻射區(qū)水冷壁出口工質(zhì)溫度控制在不高于相應(yīng)壓力下的擬臨界溫度下。第十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一3變壓運行時螺旋管圈水冷壁的工作特點1）超臨界參數(shù)鍋爐變壓運行時，工作壓力隨負荷變化。在75％BMCR負荷以下，水冷壁在亞臨界壓力區(qū)工作，管內(nèi)是汽水混合物，比容變化較大，如果管外熱流密度過高，不僅容易引起膜態(tài)沸騰，還會引起較大的工質(zhì)熱膨脹。2）超臨界壓力鍋爐在低負荷變壓運行時候，下輻射區(qū)出口的壓力比較低，50％BMCR負荷時的中間點壓力為13MPa，這時飽和汽的比容是水的比容8.1倍以上，汽水的比容顯著增加。第十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一3）低負荷運行時，螺旋管圈進口工質(zhì)溫度降低，工質(zhì)欠焓增大，當部分水冷壁結(jié)渣或積灰和火焰偏斜時，將使各水冷壁管的沸騰點不同步的推遲，此時盡管水冷壁總流量不變，但是各管內(nèi)工質(zhì)流量分配不均或流量時大時小，從而出現(xiàn)流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，負荷越低，壓力越低，越容易出現(xiàn)水動力不穩(wěn)定性。4）變壓運行的超臨界直流鍋爐啟動時處于無壓或低壓狀態(tài)，隨著燃燒率的增加，工質(zhì)溫度和壓力不斷提高，水冷壁管中的汽水膨脹使得水冷壁出口的流量遠大于給水量，這將影響到分離器水位變化特性和系統(tǒng)的水動力穩(wěn)定性。75％BMCR負荷以上，水冷壁進入臨界壓力和超臨界壓力區(qū)工作，影響水動力穩(wěn)定性和傳熱特性的主要因素是工質(zhì)的大比熱特性第十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一4熱偏差對螺旋管圈水冷壁安全性的影響實際運行表明，直流鍋爐水動力不穩(wěn)定性多數(shù)是在低負荷并且水冷壁熱負荷分布不均的情況下出現(xiàn)的。水冷壁熱負荷分布主要決定于火焰中心位置的偏移以及受熱面積灰結(jié)渣等條件，即影響水動力穩(wěn)定性的主要是爐內(nèi)過程引起的熱偏差。在熱偏差的作用下，管屏間或管間的流量重新分配，在熱負荷高的管屏或管內(nèi)，加熱水區(qū)段變短，汽水兩相流及蒸汽過熱區(qū)段變長，使流動阻力大幅度增加，導致流量自動減少。即使是螺旋管圈水冷壁也會存在不同程度的熱偏差，主要取決于螺旋圈數(shù)和火焰偏斜程度。第十六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一5燃料投入速度及減溫水量對水動力特性的影響在升溫升壓過程中，隨著燃料量的增加，尤其是直吹式系統(tǒng)增投磨煤機時，一方面爐內(nèi)燃燒放熱量增大，引起熱敏感性較強的水冷壁吸熱量劇烈變化，管內(nèi)汽水比容變化速度增加。另一方面為控制汽溫還要增加減溫水量，如果減溫水量較大，水冷壁中工質(zhì)流量就減少很多。第十七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一垂直管圈水冷壁1.垂直管圈水冷壁垂直管圈水冷壁以其結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)膜式壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。為了保證爐膛下輻射區(qū)水冷壁管內(nèi)的質(zhì)量流速，下輻射區(qū)水冷壁的流路一般設(shè)計成2-3次垂直上升?，F(xiàn)代機組為了避免產(chǎn)生較大的熱偏差并提高工質(zhì)的質(zhì)量流速，僅采用二次垂直上升的形式，兩個流路之間用不受熱的下降管相連接。垂直管圈水冷壁又分為一次上升式和多次上升一下降兩種，沿爐膛四面周界垂直的管子組成若干管屏。一次上升垂直管圈的所有管屏都是并聯(lián)的，從省煤器來的工質(zhì)引入爐底進口集箱，在管屏中一次向上流動至爐頂出口集箱。而多次上升一下降管圈，工質(zhì)從爐底進入幾片管屏，向上流動到爐頂后，經(jīng)過下降管引到爐底，再在另外幾片管屏中向上流動，視不同情況可有幾次上升下降。第十八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一多次垂直上升一下降管圈工質(zhì)具有較高的質(zhì)量流速，但由于相鄰管屏間工質(zhì)溫度不一樣引起相鄰管屏外側(cè)兩根相鄰管子之間壁溫差大，只適用于定壓運行的鍋爐。對于變壓運行的超臨界鍋爐采用一次上升的垂直管圈水冷壁(如華能玉環(huán)電廠1000NW機組)，為了得到較高的質(zhì)量流速，一般要求鍋爐容量較大并采用較細的管徑。同時為了抑制亞臨界壓力下爐膛水冷壁傳熱惡化、強化管內(nèi)側(cè)換熱和確保水冷壁管工作的安全性，在熱負荷較高的部位采用內(nèi)螺紋管。為了減小水冷壁出口的溫度偏差，保證水冷壁系統(tǒng)水動力工作的可靠性，整個水冷壁系統(tǒng)根據(jù)爐膛內(nèi)沿寬度熱負荷分布狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點，在回路的進水導管上和每根水冷壁管的人口同時裝設(shè)節(jié)流圈即采用二級節(jié)流方式來控制各管子的流量。第十九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一2.實例：遼寧綏中電廠引進前蘇聯(lián)800MW超臨界壓力鍋爐采用垂直管屏水冷壁。鍋爐水冷壁只有在啟動初期起水冷壁的作用，當啟動分離器轉(zhuǎn)入干態(tài)運行后，水冷壁和過熱器的作用基本相近，只不過水冷壁中工質(zhì)溫度低一些。鍋爐汽水系統(tǒng)分為兩個完全獨立的調(diào)節(jié)流程，每個流程的水冷壁下輻射區(qū)采用兩次垂直上升。第二十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一鍋爐給水溫度為270℃，經(jīng)過省煤器及懸吊管加熱后，溫度提高到320℃，進入水冷壁下輻射區(qū)。在下輻射區(qū)水冷壁的一次垂直上升管屏（第一流程）中，工質(zhì)溫升為55℃。下輻射區(qū)水冷壁二次垂直上升管屏（第二流程），中溫升為25℃。工質(zhì)到達下輻射區(qū)水冷壁第二流程出口處被加熱到400℃。上輻射區(qū)水冷壁也采用兩次垂直上升管屏。下輻射區(qū)水冷壁出口的工質(zhì)經(jīng)過混合，進入上輻射區(qū)水冷壁的兩個流程繼續(xù)加熱后，工質(zhì)溫升為26℃。在水冷壁出口工質(zhì)溫度達到429℃。水冷壁中工質(zhì)溫升約為109℃。第二十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一3.800MW超臨界參數(shù)鍋爐的主要特點1)在防止水動力多值性和脈動方面，主要采取的措施有將水冷壁分為獨立的兩個流路，獨立控制兩個流路的給水流量及溫度采用較高的質(zhì)量流速，并采用全壓啟動控制下輻射區(qū)水冷壁的出口溫度，使工質(zhì)大比熱區(qū)避開熱負荷較高的燃燒器區(qū)域，避免工質(zhì)比容劇烈變化引起過大的汽水膨脹量2)消除熱偏差采用工質(zhì)旁路，減小下輻射水冷壁第一流程工質(zhì)溫度偏差沿水冷壁流程，工質(zhì)進行多次混合和左右交叉采用煙氣再循環(huán)，降低燃燒器區(qū)域水冷壁的熱負荷，使爐內(nèi)煙氣溫度分布趨于均勻采用較高的質(zhì)量流速和全壓啟動、定壓運行方式第二十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一3)防止發(fā)生類膜態(tài)沸騰導致水冷壁超溫控制下輻射區(qū)水冷壁出口的溫度，使工質(zhì)大比熱區(qū)避開熱負荷較高的燃燒器區(qū)域附近，避免吸熱最強區(qū)域中，工質(zhì)熱物理特性的劇烈變化（控制下輻射區(qū)水冷壁出口工質(zhì)的最高溫度不超過410-430℃，因為工作壓力31.5MPa對應(yīng)的擬臨界溫度（定壓比熱最大處的工質(zhì)溫度）約為410℃。因此控制極限溫度實際上是為了防止相變點下移到燃燒器區(qū)域，防止下輻射區(qū)水冷壁發(fā)生類膜態(tài)沸騰，其次是防止工質(zhì)比容急劇變化導致的水動力多值性以及防止過熱器超溫。增大燃燒器節(jié)距，設(shè)置煙氣再循環(huán)，降低燃燒器區(qū)域水冷壁的壁面熱負荷采用較高的質(zhì)量流速和全壓啟動、定壓運行方式水冷壁采用耐溫能力較高的合金鋼管第二十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一4)簡化旁路系統(tǒng)不設(shè)高壓旁路和低壓旁路，只設(shè)置大旁路系統(tǒng)（快速啟動旁路）。啟動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及操作啟動隨之簡化。因此800MW直流鍋爐的啟動和操作不同于國內(nèi)現(xiàn)有的500MW和600MW直流鍋爐。第二十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期一4.一次上升垂直管圈水冷壁的主要優(yōu)點為：(1)與螺旋管圈相比，垂直管圈的