超临界直流锅炉内螺纹管垂直管屏水动力特性探讨(共8页)

1、热力设备与水动力学论文 超临界直流锅炉内螺纹管垂直管屏水动力(dngl)特性探讨摘要(zhiyo)：本文(bnwn)叙述了超临界锅炉内螺纹垂直管屏的结构特点及水动力特性，并介绍了内螺纹管垂直管屏水动力稳定性的判别方法以及水冷壁主要设计参数的选取原则。关键词：超临界；内螺纹管；垂直水冷壁；质量流速；水动力稳定性The Research on Hydrodynamic Characteristics of the Rifle-tube Vertical Water Wall of Ultra Supercritical BoilerAbstract：This paper describes the

2、 structure features and hydrodynamic characteristics of the vertical water wall of USC boiler, and introduces the judgment of the flow stability of the rifle-tube vertical water wall and the selection principles of the design parameters.Key words：Ultra supercritical; Rifle-tube; Vertical water wall;

3、 Mass flux; Flow stability1前言能源是人类进行生产和赖以生存的重要物质基础，随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，对能源的需求也随之越来越大。因此，合理开发能源，提高能源利用的综合效益就显得越发重要。因此，为节约能源消耗和减轻环境污染，应当大力发展洁净煤技术，而这项技术中的一项主要内容就是超临界与超超临界技术，超临界机组的主要设备是以处于超临界状态的水蒸汽为工质的锅炉和汽轮机，它是一种节能、高效、大型的火力发电机组 樊泉桂.超超临界及亚临界参数锅炉.北京：中国电力出版社，2007。它的最主要的特点即发电煤耗低，效率高，可实现变压运行等。超临界及超超临界机组的最大

4、优势是能够大幅度提高循环热效率，降低发电煤耗。但相应的也需要提高金属材料的档次和金属部件的焊接工艺水平。全世界主要的工业国家十分重视发展超临界和超超临界技术，前苏联境内超临界机组数量及总容量居世界首位。在美国、德国、日本等国家也具有相当数量的超临界机组。目前，日本是世界上超临界机组技术最先进的国家，技术先进的主要体现是变压运行技术成熟，发电煤耗低等方面。日本目前正在开发更加适合于超临界机组的高强度耐热金属材料，并实现了采用内螺纹管垂直管屏水冷壁完成变压运行的新一代技术。超临界机组的蒸汽参数大于临界压力，蒸汽和水的密度基本相同，没有明显分界，首先受影响的是锅炉的水冷壁。超临界锅炉水冷壁不能采用传

5、统汽包锅炉的自然循环方式，而必须采用强制流动方式，即以直流运行方式为主，也可采用部分复合循环方式。超临界锅炉的水冷壁结构设计主要出现了两种型式：一种是采用螺旋管圈的水冷壁，另一种是采用垂直管屏的水冷壁 樊泉桂.亚临界与超临界参数锅炉水动力特性的分析.华北电力大学学报，1999，26(4):3338。两种水冷壁各有利弊，需要结合实际情况选用。一般认为，采用垂直管屏水冷壁的直流锅炉不适合变压运行，但是采用了一些新兴技术的垂直管屏水冷壁实现变压运行也是可能的。例如内螺纹管垂直管屏变压运行技术已经有部分实践应用的例子。2超临界直流锅炉(gul)内螺纹管垂直管屏介绍(jisho)2.1内螺纹管的工作原理

6、(yunl)与传热特性由于结构特性，内螺纹管的传热系数明显大于光管，从而导致它的传热性能相对于光管有着大幅度的提高，所以它能够起到抵抗膜态沸腾并且推迟传热恶化的作用，其中的主要原理是：由于工质受到内螺纹的作用产生旋转，增强了管内壁面附近流体的旋流扰动，使水冷壁管贴近内壁面产生的汽泡可以被旋转向上流动的高速液体及时带走，并且在旋转力的作用下，使水流紧贴管子内壁面流动，从而避免了汽泡在管子内壁面上积聚所形成的汽膜，保证了水冷壁管子内表面上有连续不断的水膜冷却。从而减小了水冷壁管子超温的可能性。国外对于内螺纹管和光管进行了大量的对比试验，试验结果表明：当压力在20MPa以下时，即使在1000kg/（

7、m2s）的低质量流速下，内螺纹管水冷壁仍然具有良好的传热特性，只有在接近蒸发终点的质量含汽率x=0.9时才会出现传热恶化；在近临界压力区，由于压力的升高，工质热物理特性有了较大的变化，传热恶化提前出现，在x=0.6的位置出现壁温突然升高的现象。 W Kohler. Heat Transfer and Pressure Loss in Bibbed Tubes. The 8th Int. HeatTransfer Conference, 1986, 6: 28612865这说明内螺纹管不仅改善了压降特性，而且也改变了传热特性，使机组更能适应变压运行工况以及机组的频繁起停 郑建学，陈听宽等.超临界

8、压力下600MW直流锅炉水冷壁内螺纹管摩擦阻力特性研究.热力发电，2000，（2）：1518，25。2.2超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁特点由于内螺纹管的结构特性，使得它在传热性能以及水动力特性方面明显优于光管，它在锅炉上的应用给直流锅炉水冷壁采用垂直管屏型式开辟了崭新的途径。早在本世纪70，80年代，三菱重工等公司鉴于变压运行超临界机组的优势和传统螺旋管圈水冷壁在结构复杂等方面的不足，使他们在已有长期运行经验的复合循环锅炉的基础上，利用内螺纹管在抑制传热恶化产生、水动力特性良好等方面的优点，着手开发和研究超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重工又在超临界领域做出重大突破

9、，同时开发并生产出了世界上首台采用一次上升管圈的超临界锅炉变压运行机组，并在日本多家电厂投入运行。国内的哈尔滨锅炉厂引用三菱重工的技术已经成功生产出1000MW内螺纹管垂直管屏水冷壁超超临界锅炉机组，并在浙江玉环电厂顺利投产，至今运行稳定。内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要优点 黄莺，张亮变压运行600MW超临界锅炉垂直水冷壁计算特性锅炉制造，2003，（5）：1011，57是：（1）它结构简单，制造容易，厂内组装率高，安装方便，便于吊挂，许多生产工艺和成熟的亚临界锅炉水冷壁相近。（2）质量(zhling)流速较螺旋管圈水冷壁小，工质流程(lichng)比螺旋管圈水冷壁更是大大缩短，因此系统阻力小，

10、给水泵的功耗(n ho)降低。（3）采用内螺纹管可提高传热性能，在亚临界负荷时防止炉膛下辐射区高热负荷区域发生膜态沸腾，在超临界负荷时能够防止类膜态沸腾的发生，变压性能好。（4）降低质量流速，使它在低负荷运行时水动力特性转化为自然循环，有利于维持锅炉安全运行。（5）下辐射区采用一次上升内螺纹管垂直管屏水冷壁，结合较低的质量流速，克服了传统UP型锅炉的主要缺陷。（6）吹灰效果好，结渣倾向小，疏松型灰渣易于自行脱落，维护和检修工作简单。内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要缺点是 潘增祥超临界机组的技术经济分析和发展前景探讨浙江电力，2002，21（4）:2527，33：（1）对煤种变化的适应性较差，不如螺

11、旋管圈水冷壁好。（2）垂直管屏水冷壁沿炉膛周界的水冷壁出口温度偏差较螺旋管圈水冷壁稍大，但是可通过加装节流孔圈将此偏差值控制在适合的范围。（3）在变压运行特性方面相对于螺旋管圈水冷壁还是有不足之处。如果垂直管屏水冷壁所有管子平行连接，那么只有在采用较大锅炉容量时才能保证水冷壁可靠冷却所必须的质量流速。（4）必须装设再循环泵，以保证启动和低负荷时必要的质量流速，从而增加了设备投资。（5）原苏联超临界锅炉的垂直水冷壁大多采用326的光管，CE公司的复合循环锅炉的垂直水冷壁也采用326的光管，而日本的变压运行超临界锅炉垂直水冷壁采用284的内螺纹管，由于管径小，热敏感性强，对运行控制要求高。3内螺纹

12、管垂直管屏水冷壁水动力特性分析对超临界锅炉来说，变压运行的方式使其工作条件变得更为复杂，从额定负荷至最低直流负荷，锅炉运行压力将从超临界压力降为亚临界再降为超高压，当低于最低直流负荷则又进入依靠循环泵的控制循环方式运行，水冷壁内工质也由超临界时的单相变为亚临界、超高压以至高压运行时的汽水双相，工质的温度和干度也有很大的变化，因此水冷壁系统设计的关键是要防止传热恶化的发生和出现流动不稳定。对于变压运行的超临界和超超临界直流炉，在超临界区，管内单相介质的传热系数比亚临界区介质低，工质温度也高，因此水冷壁壁温最高；在近临界区，由于两相介质的干度(含汽率)大，特别在上部水冷壁中高干度的工质将产生干涸(

13、DRO)现象，因此需将干涸点控制在较低的热负荷区，避免干涸时的壁温骤升；在亚临界区，对下炉膛高热负荷区水冷壁，要防止膜态沸腾(DNB)的产生，也要控制上炉膛高干度区壁温的升高幅度；在启动和低负荷区(最低直流负荷)，由于压力的降低，使汽水密度差增大，容易产生较大的热偏差和流动的不稳定。 Lei Wu,Chuan-jing Lu,Tao Huang. Research on the hydrodynamic characteristics of cavitating grid fins.Journal of hydrodynamics,2006,18(5): 5375413.1停滞(tngzh)和

14、倒流如果(rgu)水冷壁的压降很小，当水冷壁的总阻力等于(dngy)假设管子全部被对应压力下的饱和水充满时的静压差时，停滞和倒流就可能发生，如图1所示:图1超临界直流锅炉由于在最低直流负荷以下，采用再循环运行方式，水冷壁具有较强的强制流动特性，所有上升的管屏不会发生倒流，不必进行倒流的校验，在最低直流负荷以上，可通过水冷壁压降与饱和水静压的比来判断有无停滞和倒流发生的可能。3.2多值性一般情况下，一个平行管组的流量分配只有唯一的一个平衡点，也就是对应于一个压降应只有一个质量流速。然而，在两相流状态下，可能会有两个或更多的平衡点，如图2所示，在一个压降下将有三个流量值，管屏的水动力特性呈三次方曲

15、线，从而造成很大的流量偏差或不稳定性，这种流动不稳定就是水动力的多值性。图2通常水动力的多值性都是在低负荷(fh)下产生，但由于在小于最低直流负荷(fh)采用再循环泵进行(jnxng)强制循环，循环泵有足够的压头保持流动的稳定性，另一方面，转入直流运行的低负荷时，由于采用较高的质量流速，且水冷壁入口加装节流孔圈，提供了一附加阻力，有利于防止出现多值性，但需要做必要的校核。3.3流体脉动在沸腾系统中产生的脉动可以分成密度波型脉动，压力降型脉动和热力型脉动三种类型。密度波型脉动是由于两相流的密度变化引起的自激振荡，发生在水动力特性曲线的正斜率段，压力降型脉动是由于系统内可压缩容积存储和释放能量引起

16、的脉动，发生在水动力特性曲线的负斜率段，故产生压力降型脉动的关键是系统水动力呈多值性 俞谷颖，张富祥.超临界压力直流锅炉垂直管屏水冷壁特性的研究.动力工程，2009，29（3）：205209，227。热力型脉动一般是由密度波型脉动触发，与密度波型脉动同时发生。根据经验，当小于最低直流负荷时水冷壁质量流速高于300kg/m2s不会产生密度波型脉动，又由于垂直水冷壁水动力特性呈单值性曲线，不存在负斜率区段，因此也不会发生压力降型脉动。足够高的质量流速避免了低负荷下产生膜态沸腾的可能性，同时又不会发生密度波型脉动，所以也就不会发生热力型脉动。3.4水动力稳定性判定平行管间的流体流动有时会产生不稳定。

17、这种流动不稳定的倾向是由系统的压降特性决定的，典型的不稳定流动情况有停滞和倒流、 多值性引起的不稳定、热输入变化引起的不稳定。通常采用R、S、Sq三个流动稳定性系数参数判断流动稳定性 王孟浩，李绰文.电站锅炉水动力计算方法.上海：上海发电设备成套设计研究院出版社，1984。(1)压降与饱和水静压的比R=P/(gZ)，用于校核停滞或倒流。当R=1时，意味着饱和水可能阻塞管子中工质的流动。实际上，即使R=1，这种阻塞也不会发生，因为管子是受热的，工质也不是保持饱和水。如果R非常小，当某一部分变成饱和水时，可能发生倒流，因此，R值越大越好，一般不小于0.8。对于受热较弱或有部分管段不受热的非炉膛内回

18、路，如延伸侧墙等，R值应不小于1。(2)压降变化与质量流量(liling)变化的关系S=(dPP)/(dGG)，用于校核(xio h)多值性。S值小表示当流量(liling)变化时，压降的变化很小，也可以说一个很小的压降变化将引起很大的流量变化。如果S小于0，曲线具有负斜率特性，则水动力多值性可能发生。因此，S必须大于0，一般在0.5以上。(3)质量流量变化与吸热量变化的关系Sq=(dGG)/(dQQ)，用于校核脉动。如果Sq的绝对值很大，说明很小的吸热量变化将引起很大的流量变化，这就是一种不稳定因素，在水动力特性曲线呈正斜率情况下，导致产生热力型脉动。因此，Sq的绝对值越小越好，一般Sq的绝

19、对值1。4内螺纹管垂直管屏水冷壁主要设计参数的选取4.1水冷壁工质质量流速质量流速的选取必须要大于变压运行超超临界锅炉在下述四个运行区内的水冷壁管壁温度不超过管材的许可壁温时的临界质量流速，即要分别高于超临界区不发生类膜态沸腾、近临界区控制干涸、亚临界区不发生膜态沸腾、启动阶段保持水动力的稳定性等四个运行区的临界质量流速。MHI在大型二相流热态试验台的试验结果表明，对一般燃煤的超超临界锅炉在亚临界区(1722MPa)直流运行时，当管内质量流速达到1500kg/m2s，就已有足够的裕量来防止处于低干度局部高热负荷区的管子产生膜态沸腾，而在炉膛上部的高干度低热负荷区出现干涸现象(DRO)时能有效控

20、制管子壁温的升高，而且在锅炉的启动阶段(最小直流负荷)，由于此阶段锅炉按再循环模式运行，压力为89MPa，必须保证水动力的稳定性和控制管间温差，启动阶段的临界质量流速对内螺纹管垂直水冷壁按MHI的试验数据为300kg/m2s左右 樊泉桂.超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压运行特性分析.锅炉技术，2006，37（5）：510。哈锅超超临界锅炉垂直水冷壁BMCR工况的质量流速均在1800kg/m2s以上，这样高的质量流速即使在所采用的最低直流负荷为25%BMCR时水冷壁的质量流速仍在450kg/m2s以上，远高于启动低负荷阶段的临界质量流速，因此仍有足够的安全裕度。这样高的质量流速可以保证水冷壁在各个运行阶段的安全性。4.2水冷壁出口过热度和入口欠焓对于直流锅炉，蒸发受热面和过热器之间没有固定的分界点，因此水冷壁出口工质过热度的合理确定是十分重要的，在额定负荷下，水冷壁出口温度的选取主要取决于内置式汽水分离器材质的允许使用温度 朱全利.锅炉设备及系统.武汉：武汉大