超臨界直流鍋爐水冷壁方案的選擇

1中間混合集箱與冷灰斗現(xiàn)代交叉式斜式鍋爐通常采用下拱螺旋管圈冷壁和上拱垂直管冷壁的組合。另一方面，它滿足了可變壓力運行性能的要求。另一方面，在冷壁頂部采用結(jié)構(gòu)成熟的懸吊結(jié)構(gòu)。螺旋管圈與垂直管屏采用中間混合集箱的過渡形式。與分叉管方式相比,中間混合集箱更能保證汽水兩相分配的均勻性,而且結(jié)構(gòu)上不受螺旋管與垂直管轉(zhuǎn)換比的限制。中間混合集箱布置在低負荷時螺旋管圈出口蒸汽干度在0.8以上的標(biāo)高上,在這個蒸汽干度下中間混合集箱的汽水均勻分配沒有問題。在這個位置爐膛熱負荷已明顯降低,垂直管屏在較低的質(zhì)量流速下能夠得到可靠的冷卻。冷灰斗吸熱量約占爐膛總吸熱量10%左右,故冷灰斗吸熱不均引起的熱偏差不可忽視。冷灰斗采用螺旋管圈時,出口工質(zhì)幾乎沒有溫度偏差,這是垂直管冷灰斗不可比擬的。綜上所述,采用螺旋管圈冷灰斗和中間混合集箱由螺旋管圈向垂直管屏過渡的水冷壁系統(tǒng),是適合變壓運行最優(yōu)組合形式,因此國際上大多數(shù)鍋爐制造商都采用該設(shè)計方案。2螺旋管圈冷壁的主要設(shè)計參數(shù)選擇2.1水冷壁參數(shù)鍋爐變壓運行時,從額定負荷變化至最低直流負荷,鍋爐運行壓力將從超臨界壓力降至亞臨界、超高壓和高壓。水冷壁內(nèi)工質(zhì)由單相變?yōu)殡p相,工質(zhì)的溫度也有很大變化。因此,水冷壁系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是要防止發(fā)生傳熱惡化和出現(xiàn)不穩(wěn)定的流動。對于變壓運行超臨界直流鍋爐,水冷壁設(shè)計必須考慮不同負荷參數(shù)下的傳熱特性:(1)在超臨界壓力下,管內(nèi)單相介質(zhì)的傳熱系數(shù)比亞臨界雙相介質(zhì)低,流體溫度高,因此水冷壁壁溫最高。(2)在近臨界區(qū)域,工質(zhì)的物性變化大,需控制在高熱負荷區(qū)不發(fā)生蒸干。(3)在亞臨界區(qū)域,對下爐膛高熱負荷區(qū)水冷壁,要防止膜態(tài)沸騰的產(chǎn)生;而在上爐膛垂直管屏,則要抑制水冷壁蒸干區(qū)域壁溫的升高幅度。(4)在啟動和低負荷運行時,壓力降低使得汽水密度差別增大,容易產(chǎn)生較大的熱偏差和不穩(wěn)定流動。為保證在各種運行工況下水冷壁運行的安全性,水冷壁管材選用SA-213T12耐熱低合金鋼,使得運行管壁溫度有較大的安全裕度;另一方面選取較高的質(zhì)量流速,在任何工況下都要大于相應(yīng)熱負荷下的最低界限質(zhì)量流速,保證水冷壁管有足夠的冷卻能力。2.2水冷壁出口溫度與工質(zhì)欠對于直流鍋爐,蒸發(fā)受熱面與過熱受熱面之間沒有一個固定的分界點,因此水冷壁出口工質(zhì)過熱度的合理確定是十分重要的。在額定負荷下,水冷壁出口溫度的選取主要取決于內(nèi)置式汽水分離器的設(shè)計溫度和水冷壁管材的使用溫度。水冷壁出口溫度選取過高,分離器材質(zhì)就要升級或增加壁厚,對水冷壁管也一樣。所以,對于過熱器出口壓力為25MPa的超臨界壓力鍋爐,水冷壁出口(即內(nèi)置式分離器入口)工質(zhì)溫度一般選取在450℃以下。水冷壁出口溫度選取過低也不可取,由于在最低直流負荷時水冷壁出口工質(zhì)仍需有一定過熱度,如果水冷壁出口溫度選取過低,將造成低負荷下本生點提高,甚至造成過熱器帶水。另一方面,水冷壁進口工質(zhì)的溫度(過冷度)也有一定限制,水冷壁進口水必須有一定的欠焓,絕對不允許工質(zhì)汽化造成水冷壁傳熱工況惡化。但入口欠焓又不允許過大,欠焓過大,又會給水冷壁系統(tǒng)水動力的穩(wěn)定性帶來問題。變壓運行直流鍋爐對水冷壁進口工質(zhì)欠焓的要求主要在最低直流負荷下,因為此時運行壓力低,工質(zhì)容易汽化。特別在啟動工況下,隨著運行壓力提高,分離器水溫度也提高,進入除氧水箱的熱量增加,此時應(yīng)特別注意防止水冷壁進口工質(zhì)汽化,一般水冷壁進口工質(zhì)過冷度不得少于5℃。避免水動力不穩(wěn)定的主要措施是水冷壁進口工質(zhì)的欠焓要小于產(chǎn)生水動力不穩(wěn)定的界限欠焓,所以在最低直流負荷下水冷壁進口工質(zhì)的欠焓要也不宜過大。2.3水冷壁出口溫度實際運行中,由于管間吸熱偏差和結(jié)構(gòu)上的偏差,而引起管間工質(zhì)溫度、壓力、干度的差別。直流鍋爐具有較強的強制流動特性,對于熱負荷高的偏差管,管內(nèi)工質(zhì)的流量降低,出口工質(zhì)的溫度升高。一方面流量降低致使?fàn)t內(nèi)管壁溫度升高,甚至產(chǎn)生傳熱惡化;另一方面出口溫度升高加大了管間的熱應(yīng)力,致使管屏變形甚至損壞。原則上,螺旋管圈的圈數(shù)愈多,水冷壁出口溫度偏差愈小,但水阻力增大,因此需選擇一個合理的圈數(shù)。對于上爐膛垂直管屏,由于螺旋管圈出口汽水混合物的干度已在0.8以上,因此中間混合集箱的汽水分配已不成問題,不會因汽水分配不均而引起垂直管屏過大的熱偏差。П型布置對沖燃燒的鍋爐后水冷壁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,前后墻與兩側(cè)墻之間熱負荷偏差也較大,為此通過爐膛水冷壁出口下降管又實現(xiàn)一次工質(zhì)混合,而后經(jīng)折焰角、水平煙道斜坡、對流管速和水平煙道兩側(cè)墻引出,避免后墻水冷壁與兩側(cè)墻水冷壁之間產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力,保證水冷壁工作的安全性。3水動力特性分析(1)倒流和停滯。超臨界直流鍋爐在最低直流負荷以下采用再循環(huán)運行方式,水冷壁仍具有較強的強制流動特性,故所有上升管屏都不會發(fā)生倒流,不必進行倒流校驗。同時,無論是下爐膛螺旋管圈水冷壁還是上爐膛垂直管屏,在最低直流負荷下的工作壓差(平均受熱管的重位壓差和流動阻力的總和)總大于管圈最大停滯壓差,也不會發(fā)生停滯現(xiàn)象。(2)多值性。它是指管屏的水動力特性呈三次方曲線,故對應(yīng)于一個壓降有3個流量,從而造成很大流量偏差或不穩(wěn)定。影響螺旋管圈水冷壁水動力特性穩(wěn)定性的主要因素是運行壓力和入口工質(zhì)的欠焓。提高運行壓力和減少進口欠焓有利于提高穩(wěn)定性,但運行壓力和進口欠焓是考慮各種困素由設(shè)計確定的參數(shù),因此要求運行操作不能遠離設(shè)計工況。對于上爐膛垂直管屏,由于入口工質(zhì)已是干度較高的汽水混合物,同時重位壓降的影響也使水動力特性趨向穩(wěn)定,安全裕度更大,不必再進行校核。對于冷態(tài)啟動工況,水冷壁工作壓力為8MPa,水平管單值性極限欠焓為336.35kJ/kg,就是說只要此時保持水冷壁入口的欠焓少于336.35kJ/kg,相應(yīng)入口水溫超過220℃,就能避免出現(xiàn)水動力多值性。(3)流體脈動。在沸騰系統(tǒng)中產(chǎn)生的脈動可以分成密度波型脈動、壓力降型脈動和熱力型脈動等3種類型。密度流型脈動是由兩相流密度變化引起的自激振蕩,發(fā)生在水動力曲線的正斜率段,是實際沸騰系統(tǒng)中最常見的脈動形式;壓力降型脈動是由系統(tǒng)內(nèi)可壓縮容積貯存和釋放能量引起的脈動,發(fā)生在特性曲線的負斜率段,故產(chǎn)生壓力降型脈動的關(guān)鍵是系統(tǒng)水動力呈多值特性;熱力型脈動發(fā)生在高熱負荷區(qū),是指流體發(fā)生膜態(tài)沸騰時的脈動,熱力型脈動一般由密度波型脈動觸發(fā),所以它總是與密度波型脈動同時發(fā)生。在鍋爐最低直流負荷和啟動工況運行參數(shù)范圍內(nèi),密度波型脈動在重量流速小于400kg/m2·s才會