超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差

超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差 第2期 2006年5月 锅炉制造 BOILERMANIIFACIURNC No.2 May.2006 文章编号:CN23—1249(2006)02—0001,05 超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差 车东光,吴少华 (哈尔滨X-._lk大学动力工程学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:叙述了变压运行超超临界锅炉水冷壁的运行特点,传热恶化,温度偏差与水 动力稳定性的国内外研究 结果,提出了对垂直内螺纹管水冷壁质量流速的选取和水动力不稳定性校核的看 法. 关键词:超超临界;内螺纹管;垂直水冷壁;界限质量流速 中图分类号:'W,2224文献标识码:A TheHeatTransferCharacteristicandTemperature DeviationofSuperCriticalBoilerWaterWall CheDongguang.Wu?^眦 (HarbinInstituteofTechnology,Hm'bin150001,China) Abstract:Thispaperdescribestheoperationfeatumsofwaterwallforslidingpressureoperati onUSC boilers.Thispaperillustratethedeteriorisminheattransfer,temperaturedeviationandhydro dynamicun— stabilityofverticalwaterwallforUSCboilersbasedonthereseamhworkinandoutofChina.T he1nasS fluxselecitionandthecheckforhydrodymamicunstabilityhavealsobeenprovidedherein. Keywords:ultraSupercritical;rifledtube;verticalwaterwall;critical1TIaSSflux 1超超临界锅炉水冷壁管圈型式选 择和设计 1.1变压运行超超临界锅炉水冷壁运行的特点 和设计要求 无论何种管圈型式的超超临界锅炉水冷壁, 从点火开始到满负荷均要经历三个运行阶段即启 动低负荷阶段,亚临界直流运行阶段和超临界直 流运行阶段,大多数超临界和超超临界锅炉均装 设启动循环泵,因此在启动阶段水冷壁按强制循 环也即再循环模式运行,以我国首台1000MW超 超临界锅炉为例,因汽机变压运行的最高点为额 定负荷(耵)的79%(B=0.79)相当于锅炉最大 连续负荷(BMCR即汽机VWO工况)的75%左右, 而水冷壁则在7l%负荷通过临界点(图1).因锅 炉的最低直流负荷选定为25%BMCR,则由该图 可看出,锅炉水冷壁在0,25%BMCR为强制循 环,在25,71%BMCR负荷范围内为亚临界直流 图1水冷壁出口压力与负荷关系 收稿日期:2006—03—23 作者简介:车东光(1965一),男,哈尔滨锅炉厂有限责任公司,从事电站锅炉设计工 作. ? 2-锅炉制造总第200期 运行,而在71—100%BMCR负荷间为超临界直流 运行.玉环首台l000MW超超临界锅炉采用 MHI型内螺管垂直管圈,在水冷壁管入口按划分 回路装有不同孔径的节流孔圈以调节流量. 在启动低负荷阶段,水冷壁的最高工作压力 (25%BMCR工况)也只有8.4MPa,远离亚临界区, 不会出现膜态沸腾(DNB)或干涸(DRO),但由于 压力低,导致节流孑L圈阻力在回路总阻力中的比 例显着下降,从而使各水冷壁管问的流量偏差和 温度偏差增大,水冷壁的安全性检验应控制其水 冷壁管间的最大温差不超过许可值,同时由于节 流孑L圈节流度的下降,以及某些管子低负荷时质 量流速有可能低于界限质量流速而导致水动力的 不稳定性,因此必须作水动力不稳定的校验. 在亚临界直流运行阶段,水冷壁的安全性是 检验高热负荷区膜态沸腾(DNB)的裕度以及高含 汽率区的干涸(Dryout简称DRO)现象产生后管 壁温度是否低于管材的许可温度.由于在亚II缶界 直流区干涸是不可避免的,必须控制"干涸"发生 的位置,即使其处于热负荷较低上炉膛的管内,以 控制发生DRO时的管壁温度.亚临界直流运行 阶段中膜态沸腾(DNB)一般可能发生在高热负荷 和低干度区如下炉膛燃烧区区域或其上方.而干 涸(DRO)发生于1922MPa的高干度区.水冷壁采 用足够高的质量流速和用内螺纹管代替光管是防 止出现膜态沸腾或控制干涸时壁温飞升的二个有 效措施. 在超临界直流运行阶段,当水冷壁中工质达 到相变点后单相的水直接变成饱和蒸汽,继续加 热成过热蒸汽.在高热负荷区,由于水冷壁管问 吸热和流量分配的偏差,某些管中出现类似发生 膜态沸腾时那样的壁温飞升,称之为"类膜态沸 腾";必须校核管壁温度的裕量并采取必要的措施 如管子材质升挡,提高水冷壁的质量流速等. 2超超临界变压运行水冷壁传热恶 化,温度偏差与水动力稳定性 2.I膜态沸腾与干涸 它们是在亚临界直流运行中影响水冷壁安全 运行最主要的二个问题.膜态沸腾又称偏离核态 沸腾,对光管来说,DNB一般发生于蒸发区段的 高热负荷,低干度区(X=0.2,0.4),如燃烧器区 域或其上方,产生膜态沸腾时管子壁温急剧上升, 如图2一l左方出现的壁温高峰.由图可以看出 壁温上升的幅度和水冷壁中质量流速,热负荷值 以及管子的内径,水冷壁工作压力等有关,而当采 用内螺纹管时,DNB发生在管子的高于度区(X= O.7,O.8),且管子壁温飞升的峰值较小,但当干 度继续增加时(0.8—1.0),无沦是光管或内螺纹 管壁温继续上升,则称之谓干涸或称蒸干(Dry Out,即DRO).而且在压力愈接近临界压力(称近 临界)和干度愈高时,愈易出现如图2—1所示,但 图2—1光管与内螺纹管的DNB特性 (热负荷的影响) 出现干涸时内螺纹管壁温升高比光管小.图2—1 系压力为210kg/cm2(2O.6MPa)即近临界区所得 的试验结果,工质干度愈高,壁温飞升愈明显,出 现了F涸(DRO),其壁温可接近在低干度燃烧区 域出现膜态沸腾(DNB)时的壁温峰值.图2—2 还表示了水冷壁采用光管和内螺纹管对DNB和 DRO的影响.当采用光管时,只有当质量流速达 到3100kg/m2s时,在低1:度区出现DNB时,其壁 温峰值很低,约为540~C,即为普通低合金多钢(1 等级即SA213一T12)的许可使用范围内,如果采 用内螺纹管,水冷壁的质量流速降为l500kg/ rn2s,就不会出现膜态沸腾(DNB),即使在高于度 区出现"千涸"时,壁温升高值也非常低,因此MHI 对超临界和超超临界锅炉水冷壁的质量流速作了 如下规定:当采用光管和螺旋管圈时水冷壁的设 计质晕流速应为3000kg/m2s左右,当采用内螺 纹管垂直水冷壁时,水冷壁的设计质量流速应>I 500kg/m2S,考虑一定的裕量后,采用的设计质量 流速一般为1800km2s.除了合理的选用管子 材质和质量流速外,还应将出现DRO的水冷壁的 高干度区布置在上炉膛热负荷较小的区域. 2.2临界质量流速与设计质量流速 对内螺纹管垂直水冷壁来说,质量流速的选 取是以最低直流工况的流速应高于此工况下的临 界质量流速为基础,反推出MCR时应选取的设计 质量流速如图2—3所示.所谓最低直流负荷的 界限质量流述是指该负荷下水冷壁管问最大温度 偏差可以控制在许可范叫内而且不产生水动力不 稳定性(如多值性,脉动)等所要求的质量流速,如 第2期车东光,等:超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差'3? 图2—2光管与内螺纹管的DNB与DRO 图2—2所示,对MHI所选用的8.6四头内螺纹 管,其界限质量流速约为350kg/m2s,考虑一定的 裕量后,采用的界限质量流速为460ks/m2s,因此 MCR工况下MHI对内螺纹管垂直水冷壁选用的 设计质量流速均为l800kg,m2s左右.对光管螺 旋管圈水冷壁管,界限质量的试验值为550kg/ m2s,考虑一定的裕量后,采用的界限质量流速为 750kg/m~s左右,此值和MB/ALSTOM/EVT对光管 螺旋管圈的界限质量流速基本相同,由此可推算 出MCR工况时MHI所选取的设计质量流速为3 000kg/~s左右,图2—3中所示为二种管圈水冷 壁的设计质量流速. 图2—3三菱重工试验数据,质量流速与蒸汽流量关系 2.3内螺纹管垂直水冷壁的工作特性 ?启动和亚临界直流运行工质干度,质量流 速和热负荷间的关系 界限质量流速,是指双相工质在管内流动时 在给定的压力,管径和热负荷下不发生一类传热 恶化(DNB)和二类传热恶化(蒸干即DRO)时要求 的最低限度的质量流速,根据我公司与西安交通 大学对8×6的垂直上升四头内螺纹管传热与 阻力特性试验的结果,变压运行垂直管在双相流 动区的二个运行工况即亚临界直流区的近l临界点 (21.5MPa,75%负荷)和最小直流工况(13MPa, 35%负荷)的界限质量流速的试验值如图2—4及 2—5所示.由图2—4和2—5可以看出界限质量 流速的选取可分为三个区段,第一区段是干度较 小的区域此时界限质量流速随干度的增加而增 加,在第二区段中界限质量流速基本上与干度无 关,呈水平直线,而在第三区段中界限质量流速随 干度的增加而急剧增加.某些学者把这三个区段 分别称为第一,二,三类传热恶化. 由图2—4可以看出,对最小直流工况在热负 荷最高的燃烧区域上方的低干度区而言,防止产 生传热恶化DNB和DRO的界限质量流速约为 300ks/m2s,由图2—5可看出在近临界工况下,在 第一,二区段内当最大局部热负荷为700kg/m2s 时,界限质量流速为1000kg/m2s.实际上,对600 MW超临界锅炉来说,干度x为0.8左右是位于 折焰角下方,此处的最大局部热负荷已?600kw/ m2,对应的界限质量流速仅为800kg/m~s,因此对 这二个区段(X=0.2,0.8及0,0.2)的界限质量 流速若按1000kg/m2s考虑是有一定的安全裕 度.由于试验干度所限,第三区段的传热恶化即 X=0.8—1.0及相变区以至单相的超临界区已不 能用界限质量流速来验证其安全性,而可采用临 界热负荷及管壁温度的校核来校验其安全性. 图2—4内螺纹管中蒸汽干度,质量流速和热负荷间的关系 ?临界热负荷 指在给定的压力,质量流速及干度下亚临界 双相流动不产生传热恶化的最高允许热负荷.对 超临界区单相蒸汽流动来说,临界热负荷是指在 给定的压力,质量流速及蒸汽焓值下管子壁温不 超过许可值的最高允许热负荷.兹将q~28X6四 头内螺纹管在近临界区和超临界区的典型的临界 热负荷曲线组示于图2—6和图2—7.由图2—6 看出当600MW超临界锅炉在近临界区运行时, ? 4?锅炉制造总第200期 图2-5内螺纹管中蒸汽千度,质量流速和热负荷间的关系 图2—6近临界压力时,临界热负荷随干度的变化 图2—7超临界压力时.临界热负荷随焓值的变化 当质量流速为1000kg/m,干度0.7时,临界热 负荷约为700KW/m2,如前所述,实际此时的最高 局部热负荷只有600KW/m2,因此仍有一定的安 全裕度.图2—7表明在超临界压力区(27MPa和 MCR工况),临界热负荷随工质焓值而变.当质 量流速为l400,1800kg/m2s时,水冷壁出ISl焓 值为2800KJ/kg,其临界热负荷为320,340KW/ m2,但在相变点焓值(2107KJ/kg),其临界热负荷 为540,600KW/m2,虽然在上炉膛入ISl(折焰角 处)其内壁热负荷只有210KW/m2,但在某些回路 中相变点处的最大局热负荷可能超过600KW/ m,有超温的可能,因此必须校核此处的金属壁 温. 2.4垂直型内螺纹管水冷壁的温度偏差 水冷壁的温度偏差指水冷壁相邻二管问和在 同一标高下沿炉膛周界各管子问的最大工质温度 偏差. MHI对内螺纹管垂直水冷壁管间的许可温度 偏差如下: 单切园燃烧,无中间混合集箱?80? 双切园燃烧,无中间混合集箱~50~C 双切园燃烧,有中间混合集箱?35? 图2—8则为某采用双切园燃烧的1000MW 超超临界锅炉水冷壁出口温度场的分布图.采用 双切园燃烧的相马1000MW超临界锅炉由于炉 膛内空气动力场和烟温场较单切园燃烧均匀,实 测的水冷壁出口温度偏差仅30?左右. 图2—81000MW超超临界水冷壁温度场 这里必须指出锅炉在启动/低负荷阶段由于 压力为8,12MPa,蒸发区段内蒸汽和水的比容 差甚大,而水冷壁入口水的比容则变化甚微,导致 节流孔圈阻力在回路总阻力中的比例显着下降, 节流孔控制能力下降,使各水冷壁管问的流量偏 差增大.因此水冷壁管问的温度差也显着增大. MHI对内螺纹管垂直水冷壁在启动/低负荷阶段 (即从点火到最小直流负荷期间)的管问最大温差 规定?150?,水冷壁按此最大温差进行设计和计 算热应力.当然在实际运行中启动/低负荷运行 期间测得的管问最大温度偏差远小于此值. 2.5垂直水冷壁的水动力稳定性 蒸发受热面由于二相介质的密度差别较大, 有可能产生水动力不稳定问题,主要表明形式有 停滞,倒流,多值性和流体脉动.这些水动力的不 稳定性主要是发生于启动和低负荷运行工况,其 产生的机理,影响的因素和消除的措施如下: 第2期车东光,等:超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差?5? 2.5.1倒流和停滞 超临界和超超临界直流锅炉中由于在启动/ 低负荷阶段均采用再循环模式运行(即利用再循 环泵或给水泵压头),水冷壁具有较强的强制流动 特性.因此水冷壁不会发生倒流,也不必进行倒流 的校验,同时对于垂直水冷壁,最低直流负荷下的 总压降(平均受热管的重位压差和流动阻力之和) 总是能大于管屏的最大停滞压差,即Ap=Hr(式 中H为管屏高度,r为运行压力下饱和水的比 重).特别是由于装设了阻力较大的入口节流孔 圈,增加了管屏的工作压差,更不会发生停滞现 象.但是对于受热较弱的水平烟道延伸侧墙和后 水冷壁吊挂管且存在一定的入口非受热段,也有 可能产生停滞,必须进行校验. 2.5.2多值性 多值性是指管屏的水动力特性呈三次方曲 线,因此对应于一个压降有三个流量如图2—9所 示.从而造成很大的流量偏差或不稳定. 图2—9水动力特性曲线(多值性) 对于玉环1000MW锅炉最低直流负荷(25% BMCR)下水冷壁工质的人口压力为9.4MPa,入 口温度为260oC,计算所得的保证水冷壁管圈单 值l生的极限欠焓为125kcal/kg,而按上述进口参 数计算得的人口欠焓为57kcal/kg,说明有足够的 裕量保证水冷壁在启动/f氐负荷阶段水冷壁工作 的单值性. 2.5.3流体脉动 在二相沸腾系统中产生的脉动可以分为密度 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二相流密度变化引起的 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贮存和释放 能量引起的脉动,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.热力型脉动一般是密度波型脉动触 发,所以它是与密度波型脉动同时发生,下面将讨 论影响这些脉动的因素和消除的措施. ?密度波型脉动 根据MHI的经验当锅炉从点火到最低直流 负荷时,垂直型内螺纹管水冷壁中的质量流速高 于300kg/rn2s,就不会产生密度波型脉动,玉环1 000MW超超临界锅炉为例,最低直流负荷时的质 量流速为450kg/m~s,不会产生密度波型的震动; 由于水冷壁入口装设节流孔圈,使水冷壁单相区 (省煤段)的阻力增加,也增加了系统的稳定性;根 据MHI的经验,为保证超超临界锅炉水冷壁入口 不发生汽化和保证水动力稳定性,水冷壁入口水 的欠焓应为45,50kcal/kg,按计算玉环l000MW 锅炉在25%BMCR的最低直流负荷时,水冷壁入 口欠焓已大于此要求范围,也有助于消除密度波 型脉动. ?压力降型脉动 如前所述由于玉环1000MW锅炉水冷壁在 启动/低负荷阶段运行的单值性,不存在水动力特 性曲线的负斜率段,因此不会产生压力降型的脉 动.同时根据国内试验表明,当水冷壁入口有足 够的过冷度和装设具有足够节流度的节流孔圈也 有助于消除压力降型脉动. ?热力型脉动 由于热力型脉动总是由于密度波型脉动触 发,而且二者同时发生,因此只要水冷壁在启动到 最低直流负荷阶段不发生密度波型脉动就不会产 生热力型脉动.另一方面,热力型脉动一般认为 发生膜态沸腾时由于液膜的不稳定而导致壁温的 震动,只要在此阶段有足够的质量流速保证不发 生膜态沸腾(DNB)也就不会产生热力型脉动.玉 环1000MW锅炉在启动/低负荷阶段即使在热态 与极热态启动时水冷壁的工作压力也只有l3 MPa左右,在这样的压力下不会产生膜态沸腾 (DNB). 参考文献 [1]600MW垂直水冷壁超临界锅炉的设计.李文健,华 洪渊.中国动力工程学会锅炉专业委员会年会论文 集,1998.上海. 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