孫佰泉

（西北電力建設(shè)調(diào)試施工研究所，陜西 西安 710032）

600MW超臨界鍋爐水動(dòng)力特性分析

孫佰泉

（西北電力建設(shè)調(diào)試施工研究所，陜西 西安 710032）

基于西北電力建設(shè)調(diào)試施工研究所調(diào)試的600MW超臨界鍋爐的實(shí)際工程案例，通過程序計(jì)算，繪制MCR和30%MCR兩種工況下螺旋水冷壁管段的入口處加裝節(jié)流管圈前后的水動(dòng)力特性曲線。分析鍋爐水冷壁在這兩種工況下的動(dòng)態(tài)特性，校核兩種工況下的單值性，為進(jìn)一步探討水冷壁安全運(yùn)行具有一定的參考意義。

600MW；超臨界鍋爐；水動(dòng)力特性；MCR工況

為了更好的適應(yīng)調(diào)峰，超臨界變壓運(yùn)行機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。它在額定負(fù)荷和部分負(fù)荷下都具有較高的熱效率，還具備快速變負(fù)荷的性能，啟動(dòng)和停止過程中的熱損失較小，因此能夠在最小負(fù)荷下連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。當(dāng)超臨界變壓運(yùn)行機(jī)組從額定負(fù)荷下降到低負(fù)荷時(shí)，鍋爐爐膛水冷壁管圈的壓力也從超臨界壓力下降到亞臨界壓力，這種情況下管圈內(nèi)工質(zhì)有兩種工作狀態(tài)：?jiǎn)蜗嗔鲃?dòng)和雙相流動(dòng)，當(dāng)壓降和受熱基本相同時(shí)，各個(gè)并列管圈內(nèi)的工質(zhì)流量可能會(huì)有較大差別；當(dāng)壓降相同而流量不同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)的多值性效果，影響到水冷壁的安全運(yùn)行。為了保證水冷壁的安全運(yùn)行，文章分析超臨界壓力直流鍋爐爐膛水冷壁管水動(dòng)力特性。

1 600MW超臨界鍋爐

西北電力建設(shè)調(diào)試施工研究所調(diào)試的兩臺(tái)600MW超臨界鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型布置。鍋爐中、下部水冷壁采用螺旋管圈，上部水冷壁采用一次上升垂直管屏，二者之間用過渡集箱連接。螺旋管圈的同一管帶中的各管子以相同方式從下到上繞過爐膛的角隅部分和中間部分，水冷壁吸熱均勻，管間熱偏差小，使得水冷壁出口的介質(zhì)溫度和金屬溫度非常均勻。鍋爐螺旋水冷壁管在爐膛四周以23.58°螺旋傾角盤旋上升，垂直管屏由1312根Φ31.8mm×5.5mm、節(jié)距為57.5mm的管子焊接而成。燃燒系統(tǒng)采用前后墻布置、對(duì)沖燃燒方式布置了三排共30只雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器。鍋爐在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)蒸汽壓力的變化從常壓一直到超臨界壓力，而水冷壁系統(tǒng)中的介質(zhì)也經(jīng)歷從水到蒸汽變化的整個(gè)過程。因此直流鍋爐的水冷壁水動(dòng)力特性要比亞臨界汽包鍋爐更為復(fù)雜也更為重要。鍋爐以連續(xù)出力工況（MCR）為設(shè)計(jì)參數(shù)。在研究鍋爐水動(dòng)力特性時(shí)，選取水冷壁管中經(jīng)過三個(gè)燃燒器、彎頭最多且阻力的管段，對(duì)應(yīng)MCR工況和30%工況進(jìn)行水動(dòng)力特性計(jì)算。

2 MCR工況

試驗(yàn)用水冷壁管兩個(gè)管段，分別是入口管段和剩余管段。在入口處安裝了兩個(gè)節(jié)流圈，入口管段不受熱，剩余管段均勻受熱。內(nèi)螺紋管的絕對(duì)粗糙度為0.06mm，摩擦阻力系數(shù)為0.03。MCR及30%MCR工況下的管段基本測(cè)量?jī)?nèi)容為內(nèi)徑、長(zhǎng)度、局部阻力系數(shù)、進(jìn)口壓力、節(jié)流圈直徑出口壓力、出口溫度、出口焓值、流量以及出口干度。

3 水冷壁管的水動(dòng)力特性

3.1 水冷壁管兩相壓降計(jì)算

汽液兩相重位壓降

水冷壁兩相摩擦阻力

3.2 MCR工況水動(dòng)力特性分析

（1）流量-壓降特性分析。MCR工況下，在管段入口設(shè)置節(jié)流圈的前后的流量-壓降曲線都呈現(xiàn)單值性的特點(diǎn)，入口處加裝節(jié)流圈前的流量-壓降曲線斜率為0.489，加裝后為0.589。由此可以表明在MCR工況下該鍋爐的水動(dòng)力特性較為良好，且斜度也符合工質(zhì)流量相對(duì)變化不大于壓降相對(duì)變化三倍的要求，在以較小壓力變動(dòng)時(shí)不會(huì)造成較大的流量波動(dòng)。在長(zhǎng)度大約為93.67m時(shí)發(fā)生相變，根據(jù)公式計(jì)算得到此點(diǎn)處的壓力大約為24.64MPa，總壓降為2.08MPa。

（2）管段阻力特性分析。通過程序計(jì)算與仿真出MCR工況下在管段入口加裝節(jié)流圈前后的阻力的特性可以看出，MCR工況下的上升立置屏中，重位壓頭不會(huì)隨著流量的變化而改變。因此重力壓頭可以提升上升位置管屏流動(dòng)的穩(wěn)定性。

3.3 30%MCR工況下的水動(dòng)力特性分析

（1）流量-壓降特性分析。通過程序計(jì)算與仿真出30%MCR工況下在管段入口加裝節(jié)流圈前后的流量-壓降可以得知，在30%MCR工況下，加裝節(jié)流圈之前，當(dāng)流量在1220～1310kg/h時(shí)，流動(dòng)的單值性較差，會(huì)出現(xiàn)多值性；加裝節(jié)流圈后，會(huì)呈現(xiàn)單值性，但是在這個(gè)范圍內(nèi)的流量-壓降曲線的斜度不符合工質(zhì)流量相對(duì)變化小于壓降相對(duì)變化三倍的要求，當(dāng)壓力變動(dòng)較小時(shí)就可能會(huì)造成較大的流量波動(dòng)。因此應(yīng)當(dāng)盡量避免在此流量范圍內(nèi)運(yùn)行。若需要在此流量范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)，可以采取關(guān)小入口水管路閥門的方式增加阻力，使其單值穩(wěn)定的運(yùn)行。壓力和流量隨著熱負(fù)荷的降低都會(huì)有所減小，在低負(fù)荷時(shí)，因?yàn)榱髁亢凸倬W(wǎng)系統(tǒng)壓降呈現(xiàn)的是非線性關(guān)系，壓降-流量曲線的斜度會(huì)減小。因此水冷壁管的水動(dòng)力穩(wěn)定性也變差。在管子長(zhǎng)度大約為30.27處會(huì)發(fā)生相變，根據(jù)公式計(jì)算得到此處的壓力大約為10.72MPa，總壓降為0.544MPa。

（2）管段阻力特性分析。通過程序計(jì)算與仿真出30%MCR工況下在管段入口加裝節(jié)流圈前后的阻力的特性可以得知，與MCR工況下的重位壓頭的效果相同。因此在此工況下重位壓頭對(duì)于上升立置管屏流動(dòng)的穩(wěn)定性仍然有利。

4 結(jié)束語

綜上所述，MCR工況下的鍋爐水冷壁管水動(dòng)力的特性是良好的，并且在管段入口處加裝節(jié)流圈之后，水冷壁水動(dòng)力的特性有所提升；在30%MCR工況下，在流量為1220～1310kg/h，管段入口處加裝節(jié)流圈會(huì)比之前的水動(dòng)力特性得到提升，但是仍需避免或采取一定措施。兩個(gè)工況都表明，重位壓頭可以提高上升立置管屏流動(dòng)的穩(wěn)定性。

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2096-2789（2016）12-0100-02