超临界机组水动力与传热特性

1、水冷壁的水动力特性主要取决于循环方式，水冷壁的水动力特性主要取决于循环方式，而循环方式不仅取决于锅炉的容量和参数，而且取决于不而循环方式不仅取决于锅炉的容量和参数，而且取决于不同燃烧方式所需要的炉型结构同燃烧方式所需要的炉型结构对于对于600MW600MW亚临界参数机组，当采用四角燃烧亚临界参数机组，当采用四角燃烧方式时候，由于炉膛周界的限制，适宜采用控制循环方式。方式时候，由于炉膛周界的限制，适宜采用控制循环方式。采用对冲燃烧方式时候，炉膛周界比较大并且选择较大的采用对冲燃烧方式时候，炉膛周界比较大并且选择较大的水冷壁管径，适宜采用自然循环方式水冷壁管径，适宜采用自然循环方式超临界参数锅炉水

2、动力特性主要决定于水冷壁形式、工超临界参数锅炉水动力特性主要决定于水冷壁形式、工质的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其质的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分布范围等因素分布范围等因素工质的热物理特性是指超临界参数下，在拟临界温度左工质的热物理特性是指超临界参数下，在拟临界温度左右的一定范围内，工质受到大比热特性的影响，比容、黏右的一定范围内，工质受到大比热特性的影响，比容、黏度、导热系数发生急剧变化的特性度、导热系数发生急剧变化的特性直流锅炉直流锅炉水动力的稳定性和下辐射区水冷壁出口工质的温度水动力的稳定性和下辐射区水冷壁出口工质的温度超临界参数锅炉的水动力特性，主要

3、取决于工质的热物理超临界参数锅炉的水动力特性，主要取决于工质的热物理特性、水冷壁型式、运行方式、水冷壁热流密度的大小及特性、水冷壁型式、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分布等因素的影响。其分布等因素的影响。压力不是压力不是影响循环特性的主要因素影响循环特性的主要因素压力对压力对于循环特性的影响具有双重作用：一方面压力提高使循环于循环特性的影响具有双重作用：一方面压力提高使循环流动的压头略有减少；另一方面压力提高使水冷壁管内工流动的压头略有减少；另一方面压力提高使水冷壁管内工质的汽化潜热减小质的汽化潜热减小. .锅炉炉型结构首先取决于锅炉燃烧条件，即取决于燃锅炉炉型结构首先取决于锅炉燃烧条件，

4、即取决于燃料的燃烧特性和结渣特性以及燃烧方式；其次取决于锅炉料的燃烧特性和结渣特性以及燃烧方式；其次取决于锅炉蒸发量和限制产生膜态沸腾的安全裕度蒸发量和限制产生膜态沸腾的安全裕度超临界参数锅炉的技术关键就是水冷壁。超临界锅炉超临界参数锅炉的技术关键就是水冷壁。超临界锅炉水冷壁的循环倍率通常只有水冷壁的循环倍率通常只有1 1或小于或小于1(1(当过热器减温水量当过热器减温水量较大时较大时) )，变压运行的超临界机组低负荷时流量较小，这，变压运行的超临界机组低负荷时流量较小，这决定了水冷壁需要较小的管径和特殊的管圈型式，以确保决定了水冷壁需要较小的管径和特殊的管圈型式，以确保管内有足够高的质量流速

5、，保证冷却管壁，使其不超温。管内有足够高的质量流速，保证冷却管壁，使其不超温。螺旋螺旋管圈水冷壁管圈水冷壁垂直管圈水冷壁垂直管圈水冷壁螺旋管圈适用于变压运行，垂直管屏适螺旋管圈适用于变压运行，垂直管屏适用于定压运行。用于定压运行。uA A 高负荷运行工况下，水冷壁都是在超临界压力下工作，高负荷运行工况下，水冷壁都是在超临界压力下工作，管内工质温度随吸热量增加而提高。管内工质温度随吸热量增加而提高。uB B 工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化，工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化，但是工质温度变化不大。但是工质温度变化不大。uC C压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比

6、热特性逐渐压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热特性逐渐减弱。减弱。u拟临界温度拟临界温度超临界压力下对应一定压力，工质存在一个超临界压力下对应一定压力，工质存在一个大比热区。对应比热最大值的温度称为拟临界温度。工质大比热区。对应比热最大值的温度称为拟临界温度。工质温度低于拟临界温度时候为水，高于时为汽。也称为相变温度低于拟临界温度时候为水，高于时为汽。也称为相变点。点。u在大比热区外，工质比热很小，因而温度随吸热变化很大。在大比热区外，工质比热很小，因而温度随吸热变化很大。根据超临界压力下工质的热物理特性，控制下辐射区水冷根据超临界压力下工质的热物理特性，控制下辐射区水冷壁吸热量，尤其是将

7、下辐射区水冷壁出口工质温度控制在壁吸热量，尤其是将下辐射区水冷壁出口工质温度控制在对应工质压力的拟临界压力下，使工质的大比热区避开受对应工质压力的拟临界压力下，使工质的大比热区避开受热最强的燃烧器区域是超临界锅炉设计和运行的关键热最强的燃烧器区域是超临界锅炉设计和运行的关键u超临界压力下水冷壁管内可能发生的类膜态沸腾，主要是超临界压力下水冷壁管内可能发生的类膜态沸腾，主要是由于在管子内壁面附近的流体黏度、比热、导热系数和比由于在管子内壁面附近的流体黏度、比热、导热系数和比容等物性参数发生显著变化引起的容等物性参数发生显著变化引起的工质热物理特性的急剧变化对管子传热特性工质热物理特性的急剧变化对

8、管子传热特性的影响主要有的影响主要有由于流体温度不同，管子中心流体黏度大，壁面处黏度小。由于流体温度不同，管子中心流体黏度大，壁面处黏度小。黏性梯度引起流体边界层的层流化黏性梯度引起流体边界层的层流化在边界层中的流体导热系数也随着降低，又使导热性差的在边界层中的流体导热系数也随着降低，又使导热性差的流体与管壁接触，当进口温度较低时，壁面处的流体速度流体与管壁接触，当进口温度较低时，壁面处的流体速度远小于管中心的流体速度，又促使流动层流化远小于管中心的流体速度，又促使流动层流化在边界层中密度减小，产生浮力，促使紊流边界层流化。在边界层中密度减小，产生浮力，促使紊流边界层流化。 在管子热负荷较大时

9、可能导致传热恶化在管子热负荷较大时可能导致传热恶化传热恶化还与水冷壁热负荷、工质的质量传热恶化还与水冷壁热负荷、工质的质量流速和欠焓有关。传热恶化首先发生在工作欠焓最大的管流速和欠焓有关。传热恶化首先发生在工作欠焓最大的管子入口处，工质欠焓越大，受热面热负荷越大，发生传热子入口处，工质欠焓越大，受热面热负荷越大，发生传热恶化的位置越提前。恶化的位置越提前。管子入口不应该布置在热负荷最管子入口不应该布置在热负荷最高的燃烧器区域附近高的燃烧器区域附近同时在任何负荷下，都要保证正常同时在任何负荷下，都要保证正常传热所要求的质量流速传热所要求的质量流速超临界压力下，采用内螺纹管和光管的传热超临界压力下

10、，采用内螺纹管和光管的传热性能差不多，只要控制适当的热负荷并维持较高的质量流性能差不多，只要控制适当的热负荷并维持较高的质量流速，内螺纹管和光管都不会发生传热恶化速，内螺纹管和光管都不会发生传热恶化管子自炉膛低部以一管子自炉膛低部以一定的倾角沿着炉膛四周盘旋上升到炉膛出口处定的倾角沿着炉膛四周盘旋上升到炉膛出口处( (一般一般1.5-1.5-2.02.0圈圈) )，上部改为垂直上升管子，以利于管子穿墙及悬吊，上部改为垂直上升管子，以利于管子穿墙及悬吊结构的布置。只要改变螺旋管圈的倾角，就可以非常容易结构的布置。只要改变螺旋管圈的倾角，就可以非常容易的减少炉膛四周的管子数量而不增加管子间的间隙，

11、保证的减少炉膛四周的管子数量而不增加管子间的间隙，保证必要的管内质量流速，同时可选用较粗的管子，增加水冷必要的管内质量流速，同时可选用较粗的管子，增加水冷壁的刚性。壁的刚性。螺旋管圈水冷壁的主要优点螺旋管圈水冷壁的主要优点(1)(1)可以容易地满足变压运行的要求。由于管子根数少，采可以容易地满足变压运行的要求。由于管子根数少，采用了较高的质量流速，在所有的负荷范围内均能保证管壁用了较高的质量流速，在所有的负荷范围内均能保证管壁温度不超过允许温度，并且在压力较低时水动力也十分稳温度不超过允许温度，并且在压力较低时水动力也十分稳定；定；(2)(2)由于水冷壁管圈绕炉膛周界盘旋上升，各根管子受热较由

12、于水冷壁管圈绕炉膛周界盘旋上升，各根管子受热较均匀，使得水冷壁出口温度偏差小；均匀，使得水冷壁出口温度偏差小；(3)(3)可以采用较大管径和壁厚的水冷壁管，增加水冷壁的刚可以采用较大管径和壁厚的水冷壁管，增加水冷壁的刚性，减少了由管子制造公差所引起的水动力偏差。性，减少了由管子制造公差所引起的水动力偏差。主要缺点主要缺点1 1）由于管内质量流速高，螺旋管圈展开长度几乎为垂直）由于管内质量流速高，螺旋管圈展开长度几乎为垂直管圈长度的二倍，水冷壁阻力较大；管圈长度的二倍，水冷壁阻力较大；（2 2）螺旋管圈水冷壁的制造工艺比较复杂，制造工作量大，）螺旋管圈水冷壁的制造工艺比较复杂，制造工作量大，每绕一圈，有四个弯头，组装率低，管圈的支承结构和刚每绕一圈，有四个弯头，组装率低，管圈的支承结构和刚性梁结构复杂，制造和安装周期长，维护和维修也要复杂性梁结构复杂，制造和安装周期长，维护和维修也要复杂一些。一些。4.4.一次上升垂直管圈水冷壁的主要优点为：一次上升垂直管圈水冷壁的主要优点为：(1)与螺旋管圈相比，垂直管圈的质量流速较低，管子总长也较短，水冷壁阻力较小，降低了给水泵的耗电量；(2)水冷壁本身结构、支撑和刚性梁结构简单，安装、维护和检修比较容易。5.5.一次上升垂直管圈水冷壁的主要缺点为：一次上升垂直管圈水冷壁的主要缺点为：(1) 受到机组容量的限制。