亚临界与超临界机组水冷壁特点

  摘 要 ：超临界锅炉的技术关键是水冷壁，超临界锅炉水冷壁管圈主要有螺旋管圈和垂直管圈两种型式。然后论述了亚临界参数自然循环及控制循环锅炉的水动力特性与炉型结构、燃烧方式、锅炉容量及参数、运行方式等因素的关系。

  关键词：电站锅炉 亚临界参数超临界参数螺旋管圈水冷壁 锤子管圈水冷壁水动力特性

前言

在刚结束的亚临界与超临界课程中学习到了很多关于亚临界与超临界参数锅炉的特点，我国是以原煤为主的耗能大国，根据我国能源资源特点，在相当长的时间内煤仍作为发电工业主要能源。我国火电机组的平均供电标准耗煤比国外先进水平高70—80 g／(kW·h)，高出25％以上，资源浪费太大。从亚临界参数提高到超临界，机组相对热效率将提高1．8％，随着蒸汽参数的提高效率将进一步增加，目前已运行的国外先进超临界燃煤机组的净效率可达47％。超临界机组是提高发电机组热效率，降低煤耗，节省发电用煤最有效、最经济的途径。因此我国在电力建设中加速采用供电煤耗较低的国际上先进的高效超临界机组。对节约能源、减少污染都具有非常重要的意义。

  超临界机组与亚临界机组最大的区别，也是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1或小于1(当过热器减温水量较大时)，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，以确保管内有足够高的质量流速，保证冷却管壁，使其不超温。经过长期的发展，超临界锅炉水冷壁管圈主要有螺旋管圈水冷壁和垂直管圈水冷壁两种型式。

1 螺旋管圈水冷壁

为了适应电网中调峰和滑压运行的要求，先后开发的螺旋管圈水冷壁结构的超临界锅炉。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(一般1．5—2．0圈)，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，增加水冷壁的刚性。

螺旋管圈水冷壁的主要优点为：

(1)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；

(2)由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；

(3)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。

螺旋管圈水冷壁的主要缺点为：

（1） 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；

（2）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。

2垂直管圈水冷壁

垂直管圈水冷壁又分为一次上升式和多次上升一下降两种，沿炉膛四面周界垂直的管子组成若干管屏。一次上升垂直管圈的所有管屏都是并联的，从省煤器来的工质引入炉底进口集箱，在管屏中一次向上流动至炉顶出口集箱。而多次上升一下降管圈，工质从炉底进入几片管屏，向上流动到炉顶后，经过下降管引到炉底，再在另外几片管屏中向上流动，视不同情况可有几次上升下降。

多次垂直上升一下降管圈工质具有较高的质量流速，但由于相邻管屏间工质温度不一样引起相邻管屏外侧两根相邻管子之间壁温差大，只适用于定压运行的锅炉。对于变压运行的超临界锅炉采用一次上升的垂直管圈水冷壁(如华能玉环电厂1000NW机组)，为了得到较高的质量流速，一般要求锅炉容量较大并采用较细的管径。同时为了抑制亚临界压力下炉膛水冷壁传热恶化、强化管内侧换热和确保水冷壁管工作的安全性，在热负荷较高的部位采用内螺纹管。为了减小水冷壁出口的温度偏差，保证水冷壁系统水动力工作的可靠性，整个水冷壁系统根据炉膛内沿宽度热负荷分布状态和结构特点，在回路的进水导管上和每根水冷壁管的人口同时装设节流圈即采用二级节流方式来控制各管子的流量。

一一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。

一一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。垂直管圈目前的最小管径为28 rnm，由于管径的限制，对容量较小的锅炉，无法保证必要的质量流速。一般认为，对一次上升垂直管圈水冷壁来说，锅炉的最小容量为500—600 MW ：

(2) 水冷壁管径较小并采用内螺纹管，管子的制造精度和价格较高；

(3) 需要在水冷壁人口装设节流圈，增加了水冷壁下集箱结构的复杂性；

(4) 水冷壁出口的温度偏差比螺旋管圈大；

(5) 启动和低负荷时为了保持必要的质量流速，需装设再循环泵。

3亚临界与超临界锅炉的水动力特性

亚临界与超临界参数锅炉的水动力特性，不仅影响着水冷壁的传热特性和安全性，而且在很大程度上影响着汽温特性、调峰性能，甚至影响到燃烧调节性能。由于锅炉水冷壁的水动力特性主要决定于循环方式，而循环方式不仅取决于锅炉的容量及参数，而且取决于不同燃烧方式所需的炉型结构。因此亚临界参数锅炉的循环方式趋于多样化，出现自然循环、控制循环和强制流动等多种形式。亚临界参数600Mw 锅炉机组当采用四角燃烧方式时，由于炉膛周界的限制，适合采用控制循环方式：采用对冲燃烧方式时．可以扩大炉膛周界或选择管径较大的水冷壁，适合采用自然循环方式。显然水冷壁的水动力特性不再是一个孤立的问题，它受到许多复杂条件的制约，反过来又影响到锅炉的综合性能。

    超临界参数锅炉的水动力特性，主要取决于水冷壁型式、工质的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分布等因素的影响。其中，工质的热物理特性是指在超临界参数下，工质在拟临界温度左右的一定范围内受到大比热特性的影响，比容发生急剧变化的特性。超临界压力下工质的热物理特性，显著地影响着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，进一步影响到自动调节性能。引进的500 M 600 M 800 Mw 级超临界参数机组相继投入运行，为我国发展和研究超临界机组的技术性能及锅炉水动力特性提供了良好的条件。

（1）压力对循环特性的影响

运行和实测数据表明，亚临界参数自然循环锅炉的汽包压力达到20．678 MPa时，自然循环仍然不成问题。压力由15．0MPa提高到20．0MPa，下降管内工质密度大约减少20％，上升管内工质密度几乎不变，循环流动压头只有微小的降低，因而对循环特性的影响不大，由此可见压力不是影响循环特性的主要因素。由理论分析可以知道，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流动压头略有减少；另一方面压力提高使水冷壁管内工质的汽化潜热减小。

（2） 炉型结构对循环特性的影响

    锅炉炉型结构首先取决于锅炉燃烧条件，即取决于燃料的燃烧特性和结渣特性以及燃烧方式；其次取决于锅炉蒸发量和限制产生膜态沸腾的安全裕度。对于亚临界参数锅炉，随着锅炉容量增大相对于单位蒸发量的炉膛周界减小，管内质量含汽率增大，达到0．3--0．4，循环流速达到1．7~2．0 m／s。30％MCR时的循环流速能保持1 m／s的水平。试验数据表明，循环流速达到O．4m／s，水冷壁管内的工质流动就不会产生停滞和倒流现象。当水冷壁采用内螺纹管时，质量含汽率即使达到0,6，也不会出现膜态沸腾导致的传热恶化现象，因而自然循环具有较大的安全裕度。

（3） 超临界参数锅炉水动力特性

超临界参数锅炉的技术关键是水冷壁。经过长期的发展，螺旋管圈与垂直管屏水冷壁成为目前的技术主流。它们的不同点是螺旋管圈是适用于变压运行，而垂直管屏适用于定压运行。它们的共同点是在高负荷运行工况下，水冷壁都在超临界压力下工作，管内工质温度随着吸热量的增加而提高。

工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化，但工质温度变化不大。压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热特性逐渐减弱。工质比容的急剧变化必然导致膨胀量增大，从而引起水动力不稳定或类膜态沸腾。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，控制下辐射区水冷壁的吸热量，使大比热区避开受热最强的区域，是超临界锅炉机组设计和运行的关键。

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粘度、比热、温导系数、密度等物性参数发生显著变化引起的。这些物性参数随温度升高而剧烈下降，管中心的流体粘度大，而壁面处的流体粘度降低，由此产生粘度梯度，引起流体边界层的层流化。同时在边界层中的流体密度降低，产生浮力，促使紊流传热层流化。边界层中的流体导热系数降低，又使导热性差的流体与管壁接触，且壁面处的流体速度远低于管中心的流体速度，在热负荷较大时就可能导致传热恶化。这种现象类似于亚临界参数下的膜态沸腾。

已有的研究表明，超临界压力下的传热恶化，还与热负荷及工质的重量流速有关，传热恶化首先发生在管子的入口处，因此管子入口不应该布置在热负荷最高的燃烧器区域，同时在任何负荷下都需要维持比较高的重量流速。

  我国电力改革正在大力发展，采用超临界机组是中国电力工业发展的总趋势。采用供电煤耗较低的国际上先进的高效超临界机组，提高超临界锅炉的参数，

参考文献：

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