祁 成

700 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐水動力特性及壁溫分布規(guī)律研究

祁 成

（大唐黃島發(fā)電有限責任公司，山東 青島 266599）

為了掌握700 ℃超超臨界機組鍋爐水動力特性和壁溫分布規(guī)律，以某600 MW， 35 MPa/700 ℃/720 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐為例，采用通用水動力計算方法對700 ℃超超臨界機組鍋爐的水動力特性和壁溫分布規(guī)律進行了數值計算和分析。結果表明，隨著高度的增加，水冷壁管內工質溫度基本呈線性增加，管壁壁溫也隨之升高，換熱溫差沿程變化不大，大比熱容區(qū)流體換熱性能良好，有效地抑制了高熱負荷區(qū)域壁溫的峰值。螺旋管圈水冷壁能夠有效地控制700 ℃超超臨界機組鍋爐水冷壁的壁溫偏差。但是，由于700 ℃鍋爐工作參數的提升，水冷壁出口壁溫仍然高達520 ℃左右，這對鍋爐水冷壁材料和鍋爐的實際運行均提出了更高的要求。

700 ℃；超超臨界機組；鍋爐；水冷壁；水動力特性；壁溫分布；高效發(fā)電

目前，我國高效火力發(fā)電已經達到了世界領先水平，例如，萊蕪電廠的31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃二次再熱機組發(fā)電效率已經達到48.12%，發(fā)電煤耗為255.29 g/(kW·h)，供電煤耗為266.18 g/(kW·h)，刷新了世界紀錄[1]。但是進一步提高火電機組效率仍將是火電發(fā)展的重要方向，對我國電力的發(fā)展意義重大。其中，700 ℃超高參數超超臨界火力發(fā)電技術是被公認的未來高效發(fā)電技術之一。

為了追求更高的效率，美國、日本、歐洲從上世紀80年代開始相繼開展了超超臨界700 ℃發(fā)電技術的研究，研究重點集中在高溫部件的開發(fā)。從上世紀90年代末開始，歐洲、日本、美國、印度等國家和地區(qū)陸續(xù)啟動了700 ℃超超臨界發(fā)電技術研究計劃，如歐洲的AD-700[2]及后續(xù)系列計劃，美國的USC計劃（Ultra-Supercritical Steam Project）[3]，日本的A-USC計劃[3]，印度700 ℃技術發(fā)展規(guī)劃[4]等。我國700 ℃發(fā)電技術的研究也緊跟世界步伐。國家能源局組織了“700 ℃聯(lián)盟”開展相關研究[5]，2018年國家科技部再次通過國家重點研發(fā)計劃項目“700 ℃等級高效超超臨界發(fā)電技術”資助700 ℃發(fā)電技術的發(fā)展。

700 ℃發(fā)電技術的研究包含高溫合金材料研制、鍋爐、汽輪機關鍵高溫部件的加工制造、高溫閥門制造、高溫材料及關鍵部件的實爐驗證、700 ℃超超臨界示范電站的設計、建造及運行等[4]，且經過各國研究人員的努力，均取得了豐碩的成果[6-10]。

700 ℃超超臨界鍋爐是700 ℃發(fā)電技術的核心設備之一。肖平等[11]提出了“M”型及倒置型700 ℃鍋爐布置方案，相較傳統(tǒng)布置方案，該方案通過改變煙氣流程、降低高溫受熱面布置標高，可大大縮短700 ℃主蒸汽管道長度，從而大幅降低電站建設成本，具有顯著的創(chuàng)新性和經濟性。陳端雨等[12]針對700 ℃超超臨界壓力二次再熱鍋爐，通過比較Ⅱ型和塔式2種布置的1 000 MW級鍋爐設計案例，探討了參數對爐型選擇、水冷壁設計、再熱調溫方式、煙氣余熱的深度利用、材料和技術經濟分析等問題。孫獻斌[13]在總結國內330 MW和 600 MW循環(huán)流化床（CFB)鍋爐開發(fā)研制及工程經驗基礎上，進行了蒸汽溫度為700 ℃的350 MW超超臨界CFB鍋爐方案設計，并對工質流程及關鍵部件結構進行分析計算和設計研究。王崇斌等[14-15]針對超超臨界600 MW機組主蒸汽溫度為700 ℃的鍋爐水冷壁、過熱器等受熱面的選材問題展開了詳細研究，并提出了700 ℃超超臨界機組鍋爐受熱面的選材建議。

但是從公開的文獻資料可知，目前700 ℃超超臨界機組鍋爐的研究多集中在爐型設計、受熱面布置、受熱面選材等方面。而涉及700 ℃超超臨界機組鍋爐的水動力和壁溫研究相對較少。本文擬以Ⅱ型700 ℃超超臨界機組鍋爐為例，展開水動力和壁溫研究，為該型鍋爐的合理設計和安全運行提供技術支持。

1 鍋爐概況

本文研究對象為600 MW，35 MPa/700 ℃/ 720 ℃的超超臨界一次再熱鍋爐，爐膛尺寸為 20.35 m×14.20 m，爐膛高度59 m，采用前后墻對沖燃燒方式。爐膛下部布置有螺旋水冷壁，爐膛上部布置有墻式再熱器和屏式過熱器，水平煙道內布置有高溫過熱器和高溫再熱器。煙道由中隔墻分為前后煙道，前煙道中布置低溫再熱器，后煙道中布置低溫過熱器。中隔墻的下方布置有省煤器。鍋爐受熱面布置如圖1所示，鍋爐設計煤種和校核煤種的煤質分析見表1。

1—螺旋水冷壁；2—儲水罐；3—屏式過熱器；4—高溫過熱器；5—汽水分離器；6—墻式再熱器；7—高溫再熱器；8—包覆過熱器；9—低溫再熱器；10—低溫過熱器；11—省煤器。

表1 設計煤種和校核煤種煤質分析

Tab.1 Quality analysis for the design coal and check coal

BMCR工況時，過熱蒸汽流量為1 600 t/h，過熱蒸汽壓力為35.0 MPa，過熱蒸汽溫度為700 ℃，再熱蒸汽流量為1 290 t/h，再熱蒸汽壓力為7.2 MPa，再熱蒸汽溫度為720 ℃，給水溫度為326.4 ℃，燃料消耗量為207.6 t/h，排煙溫度為116.56℃，鍋爐效率為94.23%。

2 水動力計算模型及邊界條件

首先針對本文研究鍋爐構建數值計算模型，通過Fluent對爐側燃燒過程進行數值模擬，獲取水冷壁熱負荷分布數據，作為水動力計算的輸入參數。圖2為根據該鍋爐爐膛結構建立的計算模型，整個爐膛共劃分為193萬個網格。

圖2 爐膛模型

湍流采用Realisable-模型[16]模擬，固體顆粒的運動采用Lagrangian方法計算，爐內輻射傳熱采用DO模型計算[17]。煤粉燃燒過程可分為兩部分：1）揮發(fā)分從煤粉顆粒中析出，然后以氣態(tài)形式燃燒；2）殘留的焦炭顆粒進行非均相氧化過程。揮發(fā)分的析出過程用被廣泛使用的兩步競爭模型[18]計算，兩步競爭模型假設揮發(fā)分的析出速率取決于2個競爭的反應，一個在低溫時占主導地位，一個在高溫時占主導地位。揮發(fā)分的均相燃燒假設化學反應速率無限大，只要混合就燃燒。瞬時的組分質量分數用瞬時混合物的組分表示，單個組分的質量分數由平均混合組分和組分變量決定?；瘜W反應和湍流之間的相互作用用PDF模型考慮[19]。反應過程用Field模型[20]計算，其中反應速率取決于化學動力學速率和外部氧氣擴散到焦炭表面的速率。模擬所用煤種為表1中設計煤種，數值模擬主要參數 見表2。

表2 數值模擬主要參數

Tab.2 The major parameters for numerical simulation

圖3為通過爐內燃燒的數值模擬獲得的壁面熱流密度分布結果。

圖3 水冷壁熱流密度分布

根據本文數值模擬獲得的水冷壁壁面熱流密度，可以計算出本文水動力計算模型中各個單元的吸熱量，并作為水動力計算的輸入參數。隨后通過水動力計算，可得出該600 MW，35 MPa/700 ℃/ 720 ℃超超臨界一次再熱鍋爐水冷壁的流量分配規(guī)律和壁溫分布特點。

本文水動力計算依據《電站鍋爐水動力計算方法》（JB /Z 201—1983）[21]，采用通用水動力計算方法[22-25]進行計算。根據鍋爐的實際結構型式，在水動力計算建模時，將水冷壁分為前、右、后、左墻模塊，前墻和后墻模塊分別分為16×15組管屏，左側墻和右側墻模塊分別分為16×9組管屏，即將水冷壁共分成768個不同的單元。每個單元之間的連接關系及工質流程則嚴格按照鍋爐實際結構和流程設置。

3 結果及分析

本文對設計煤種BMCR工況時水冷壁的水動力特性進行計算分析，并獲取水冷壁沿高度方向和沿周向的壁溫分布規(guī)律。圖4—圖7分別為前墻、右墻、后墻和左墻的水冷壁入口中心管沿流動方向的工質溫度分布和壁溫分布。

圖4 前墻中線壁溫分布

圖5 右墻中線壁溫分布

圖6 后墻中線壁溫分布

圖7 左墻中線壁溫分布

圖中橫坐標為高度節(jié)點，8點即為水冷壁出口位置（即螺旋管圈水冷壁出口集箱處，具體位置見圖1）。

從圖4—圖7可以看出：前墻、右墻、后墻和左墻的平均壁溫最高值分別為503.6、510.3、503.6、507.8 ℃，向火側壁溫最高值分別為514.8、521.5、514.8、518.9 ℃；隨著高度的增加，水冷壁管內工質溫度基本上呈線性增加，管壁平均壁溫（沿管子周向平均）和管子向火側壁溫也隨之增加，且沿程的換熱溫差變化不大。這主要是因為螺旋管圈水冷壁有效地減小了熱負荷分布不均帶來的熱偏差，各受熱面工質溫升較為均勻。另外，沿高度方向上超臨界水的大比熱容區(qū)剛好位于熱負荷較高的區(qū)域，其良好的換熱性能有效地抑制了該區(qū)域壁溫的升高。

圖8、圖9為水冷壁工質溫度和壁溫沿爐膛周向的分布規(guī)律。其中，圖8為燃燒器上沿熱負荷較高區(qū)域的壁溫周向分布，圖9為水冷壁出口壁溫周向分布。

圖8 火焰中心區(qū)域（標高30.86 m）水冷壁壁溫周向分布

圖9 水冷壁出口壁溫周向分布

從圖8可以看出，標高30.86 m位置水冷壁工質溫度、平均壁溫、向火側壁溫沿爐膛周向的平均值分別為433.91、455.92、469.71 ℃；最高值為436.06、459.36、473.78 ℃，出現(xiàn)在右墻中間區(qū)域；最小值為431.58、452.47、465.86 ℃，出現(xiàn)在后墻左側區(qū)域。該水平方向，平均壁溫的壁溫偏差僅為6.9 ℃，螺旋管圈水冷壁抑制壁溫偏差效果非常明顯。

從圖9可以看出，水冷壁出口工質溫度、平均壁溫、向火側壁溫沿爐膛周向的平均值分別為478.59、501.81、512.79 ℃；最高值為485.71、510.75、522.26 ℃，出現(xiàn)在右墻中間區(qū)域；最小值為470.85、492.02、502.70 ℃，出現(xiàn)在后墻左側區(qū)域。該水平方向，平均壁溫的壁溫偏差為18.73 ℃，壁溫偏差仍然控制在較為理想的范圍。

綜上可見，采用螺旋管圈水冷壁的600 MW，35 MPa/700 ℃/720 ℃超超臨界一次再熱鍋爐能夠有效地控制水冷壁周向的壁溫偏差。但是由于鍋爐整體工作參數的提升，水冷壁出口區(qū)域壁溫仍然高達520 ℃左右，這對鍋爐水冷壁材料和鍋爐的實際運行均提出了更高的要求。

圖10為水冷壁出口質量流速周向分布。

圖10 水冷壁出口質量流速周向分布

從圖10可以看出，水冷壁內工質整體上呈負流量響應特性，但是由于采用了螺旋管圈的布置形式，有效抑制了熱負荷偏差，負流量響應特性非常微弱，流量分配較為均勻。

4 結 語

1）本文所研究的700 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐，無論是前墻、右墻、后墻還是左墻，隨著高度的增加，水冷壁管內工質溫度基本上呈線性增加，管壁平均壁溫和管子向火側壁溫也隨之增加。大比熱容區(qū)流體良好的換熱性能有效地抑制了高熱負荷區(qū)域壁溫的峰值。

2）采用了螺旋管圈水冷壁的600 MW，35 MPa/ 700 ℃/720 ℃超超臨界一次再熱鍋爐能夠有效地控制水冷壁周向的壁溫偏差。但是由于鍋爐整體工作參數的提升，水冷壁出口區(qū)域壁溫仍然高達520 ℃左右，這對鍋爐水冷壁材料和鍋爐的實際運行均提出了更高的要求。

3）本文中的700 ℃超超臨界一次再熱鍋爐水冷壁整體上仍呈負流量響應特性，但是由于采用了螺旋管圈的布置形式，有效抑制了熱負荷偏差，負流量響應特性非常微弱，流量分配較為均勻。

［1］ 王月明, 牟春華, 姚明宇, 等. 二次再熱技術發(fā)展與應用現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2017, 46(8): 1-10.

WANG Yueming, MU Chunhua, YAO Mingyu, et al. Review of the development and application of double-reheat power generation technology[J]. Thermal Power Generation, 2017, 46(8): 1-10.

［2］ 楊華春, 林富生, 謝錫善, 等. 歐洲700 ℃發(fā)電機組研發(fā)及617合金研究進展[J]. 發(fā)電設備, 2012, 26(5): 355-359.

YANG Huachun, LIN Fusheng, XIE Xishan, et al. R&D progress of 700 ℃ power generation technology and alloy 617 in Europe[J]. Power Equipment, 2012, 26(5): 355-359.

［3］ 紀世東, 周榮燦, 王生鵬, 等. 700 ℃等級先進超超臨界發(fā)電技術研發(fā)現(xiàn)狀及國產化建議[J]. 熱力發(fā)電, 2011, 40(7): 86-88.

JI Shidong, ZHOU Rongcan, WANG Shengpeng, et al. Development status and manufacture domestic ally suggestion of 700 ℃ power generation technology[J]. Thermal Power Generation, 2011, 40(7): 86-88.

［4］ 劉入維, 肖平, 鐘犁, 等. 700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術研究現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2017, 46(9): 1-7.

LIU Ruwei, XIAO Ping, ZHONG Li, et al. Research progress of advanced 700 ℃ ultra-supercritical coal-fired power generation technology[J]. Thermal Power Generation, 2017, 46(9): 1-7.

［5］ 佚名. 我國啟動700 ℃超超臨界發(fā)電技術研發(fā)計劃[J]. 科技傳播, 2011(13): 15.

Anonymity. Research and development plan of 700 ℃ultra supercritical power generation technology in China[J]. Public Communication of Science & Technology, 2011(13): 15.

［6］ 王起江, 洪杰, 徐松乾, 等. 超超臨界電站鍋爐用關鍵材料[J]. 北京科技大學學報, 2012, 34(增刊1): 26-33.

WANG Qijiang, HONG Jie, XU Songqian, et al. Key materials used in ultra-supercritical power station boilers[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2012, 34(Suppl.1): 26-33.

［7］ VISWANATHAN R, PURGERT R, GOODSTINE S, et al. U.S. program on materials technology of ultra supercritical coal-fired boilers[C]//Proceedings of the 5th International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants. 2008: 27.

［8］ 黨瑩櫻, 趙新寶, 尹宏飛, 等. A-USC鍋爐關鍵部件用候選合金金屬間相特征[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(23): 3983-3989.

DANG Yingying, ZHAO Xinbao, YIN Hongfei, et al. Microstructural characterization of candidate superalloy for key components of A-USC boilers[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(23): 3983-3989.

［9］ 郭巖, 王博涵, 侯淑芳, 等. 700 ℃超超臨界機組用Alloy 617 mod時效析出相[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(14): 2314-2318.

GUO Yan, WANG Bohan, HOU Shufang, et al. Aging precipitates of alloy 617 mod used for 700 ℃ ultra supercritical unit[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(14): 2314-2318.

［10］ 郭巖, 周榮燦, 張紅軍, 等. 鎳基合金740H的組織結構與析出相分析[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(17): 4439-4444.

GUO Yan, ZHOU Rongcan, ZHANG Hongjun, et al. Microstructure and precipitates of alloy 740H[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(17): 4439-4444.

［11］ 肖平, 何維, 江建忠, 等.660 MW等級M型700 ℃超超臨界燃煤鍋爐[C]. 2012年中國電機工程學會年會. 北京, 2012: 28.

XIAO Ping, HE Wei, JIANG Jianzhong, et al. Scheme design for 660 MW level M type 700 ℃ ultra supercriti- cal coal-fired boiler[C]. 2012 Annual Meeting of China Society of Electrical Engineering. Beijing, 2012: 28.

［12］ 陳端雨, 施鴻飛, 董厚忱. 700 ℃超超臨界參數二次再熱鍋爐的設計探討[C]//中國動力工程學會鍋爐專業(yè)委員會2013年學術研討會論文集, 2013: 61-71.

CHEN Duanyu, SHI Hongfei, DONG Houchen. Research and discussion on design of 700℃ double reheat advanced USC boiler[C]//Proceedings of the 2013 Academic Seminar of Boiler Professional Committee of Chinese Society of Power Engineering. 2013: 61-71.

［13］ 孫獻斌. 700 ℃超超臨界循環(huán)流化床鍋爐方案設計研究[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(23): 3977-3982.

SUN Xianbin. Plan design and research of 700 ℃ ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(23): 3977-3982.

［14］ 王崇斌, 徐雪元, 諸育楓, 等. 主蒸汽溫度700 ℃超超臨界鍋爐水冷壁選材分析[J]. 熱力發(fā)電, 2015, 44(7): 66-71.

WANG Chongbin, XU Xueyuan, CHU Yufeng, et al. Material selection for water wall of ultra supercritical unit boilers with steam temperature of 700 ℃[J]. Thermal Power Generation, 2015, 44(7): 66-71.

［15］ 王崇斌, 徐雪元, 諸育楓, 等. 蒸汽溫度700 ℃超 超臨界鍋爐受熱面選材研究[J]. 壓力容器, 2015(4): 51-59.

WANG Chongbin, XU Xueyuan, CHU Yufeng, et al. Research on material selection of 700 ℃ USC boiler heating surface[J]. Pressure Vessel Technology, 2015(4): 51-59.

［16］ LAUNDER B E, SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1974, 3(2): 269-289.

［17］ RAITHBY G D, CHUI E H. A finite-volume method for predicting a radiant heat transfer in enclosures with participating media[J]. Journal of Heat Transfer, 1990, 112(2): 415.

［18］ KOBAYASHI H, HOWARD J B, SAROFIM A F. Coal devolatilization at high temperatures[J]. Symposium (International) on Combustion, 1977, 16(1): 411-425.

［19］ SIVATHANU Y R, FAETH G M. Generalized state relationships for scalar properties in nonpremixed hydrocarbon/air flames[J]. Combustion and Flame, 1990, 82(2): 211-230.

［20］ HAMOR R J, SMITH I W, TYLER R J. Kinetics of combustion of a pulverized brown coal char between 630 and 2200 K[J]. Combustion and Flame, 1973, 21(2): 153-162.

［21］ 電站鍋爐水動力計算方法: JB/Z 201—1983[S].上海: 上海發(fā)電設備成套設計研究所, 1983: 77-92.

Method for hydrodynamic calculation of utility boilers: JB/Z 201—1983[S]. Shanghai: Shanghai Power Equipment Research Institute, 1983: 77-92.

［22］ 張威, 陳凱, 王歡, 等. 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)水動力特性計算通用模型[J]. 熱力發(fā)電, 2016, 45(4): 13-18.

ZHANG Wei, CHEN Kai, WANG Huan, et al. A universal model for thermal hydrodynamic performance calculation for steam generation system[J]. Thermal Power Generation, 2016, 45(4): 13-18

［24］ 張威, 閆凱, 王歡, 等. 超超臨界二次再熱直流鍋爐水冷壁水動力特性研究[J]. 熱能動力工程, 2016, 31(8): 75-80.

ZHANG Wei, YAN Kai, WANG Huan, et al. Study on the thermal hydrodynamic performance of the water wall in a ultra-supercritical double reheat once-through boiler[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2016, 31(8): 75-80.

［25］ 車得福, 閆凱, 吉平, 等. 一種鍋爐水動力通用設計和校核的方法: 101013416[P]. 2007-08-08[2019-05-29].

CHE Defu, YAN Kai, JI Ping, et al. A design and verification method of the boiler hydrodynamic calculation: 101013416[P]. 2007-08-08[2019-05-29].

Hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of a 700 ℃ ultra-supercritical single reheat П type boiler

QI Cheng

(Datang Huangdao Power Generation Co., Ltd., Qingdao 266599, China)

To master the hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of 700 ℃ultra supercritical unit boiler’s hydrodynamic characteristics, this paper takes a 600 MW, 35 MPa/700 ℃/720 ℃ ultra supercritical unit with single reheat П type boiler as an example to carry out numerical calculation by universal hydrodynamic calculation method. The results show that, along the wall height direction, the working fluid temperature increases linearly, the wall temperature increases correspondingly, while the heat transfer temperature has little change. The good heat transfer performance of the fluid in the large specific heat region effectively inhibits the peak value of the wall temperature in the high heat load region. Using coiled water wall can control the wall temperature deviation effectively. However, due to the increase of working parameters of the 700 ℃ ultra-supercritical boiler, the outlet wall temperature of the water wall is still as high as 520 ℃, which puts forward higher requirements for boiler water wall materials and the actual operation of boiler.

700 ℃, ultra-supercritical unit, boiler, water wall, hydrodynamic performance, wall temperature distribution, efficient power generation

TK223.3+1；TK212+.2

A

10.19666/j.rlfd.201905132

祁成. 700 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐水動力特性及壁溫分布規(guī)律研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 58-63. QI Cheng. Hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of a 700 ℃ ultra-supercritical single reheat П type boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 58-63.

2019-05-29

祁成(1964)，男，學士，高級工程師（副高），大唐黃島發(fā)電有限責任公司總經理，主要研究方向為火電廠環(huán)保、生物質能等新型發(fā)電技術，dtsdqc@163.com。

（責任編輯 馬昕紅）