超臨界直流鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水動力特性探討

1、熱力設備與水動力學論文超臨界直流鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水動力特性探討摘要：本文敘述了超臨界鍋爐內(nèi)螺紋垂直管屏的結(jié)構特點及水動力特性，并介紹了內(nèi)螺紋管垂直管屏水動力穩(wěn)定性的判別方法以及水冷壁主要設計參數(shù)的選取原則。關鍵詞：超臨界；內(nèi)螺紋管；垂直水冷壁；質(zhì)量流速；水動力穩(wěn)定性The Research on Hydrodynamic Characteristics of the Rifle-tube Vertical Water Wall of Ultra Supercritical BoilerAbstract：This paper describes the structure features

2、and hydrodynamic characteristics of the vertical water wall of USC boiler, and introduces the judgment of the flow stability of the rifle-tube vertical water wall and the selection principles of the design parameters.Key words：Ultra supercritical; Rifle-tube; Vertical water wall; Mass flux; Flow sta

3、bility1前言能源是人類進行生產(chǎn)和賴以生存的重要物質(zhì)基礎，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，對能源的需求也隨之越來越大。因此，合理開發(fā)能源，提高能源利用的綜合效益就顯得越發(fā)重要。因此，為節(jié)約能源消耗和減輕環(huán)境污染，應當大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g，而這項技術中的一項主要內(nèi)容就是超臨界與超超臨界技術，超臨界機組的主要設備是以處于超臨界狀態(tài)的水蒸汽為工質(zhì)的鍋爐和汽輪機，它是一種節(jié)能、高效、大型的火力發(fā)電機組 樊泉桂.超超臨界及亞臨界參數(shù)鍋爐.北京：中國電力出版社，2007。它的最主要的特點即發(fā)電煤耗低，效率高，可實現(xiàn)變壓運行等。超臨界及超超臨界機組的最大優(yōu)勢是能夠大幅度提高循環(huán)熱效率，降低發(fā)電

4、煤耗。但相應的也需要提高金屬材料的檔次和金屬部件的焊接工藝水平。全世界主要的工業(yè)國家十分重視發(fā)展超臨界和超超臨界技術，前蘇聯(lián)境內(nèi)超臨界機組數(shù)量及總?cè)萘烤邮澜缡孜弧Ｔ诿绹?、德國、日本等國家也具有相當?shù)量的超臨界機組。目前，日本是世界上超臨界機組技術最先進的國家，技術先進的主要體現(xiàn)是變壓運行技術成熟，發(fā)電煤耗低等方面。日本目前正在開發(fā)更加適合于超臨界機組的高強度耐熱金屬材料，并實現(xiàn)了采用內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁完成變壓運行的新一代技術。超臨界機組的蒸汽參數(shù)大于臨界壓力，蒸汽和水的密度基本相同，沒有明顯分界，首先受影響的是鍋爐的水冷壁。超臨界鍋爐水冷壁不能采用傳統(tǒng)汽包鍋爐的自然循環(huán)方式，而必須采用強制

5、流動方式，即以直流運行方式為主，也可采用部分復合循環(huán)方式。超臨界鍋爐的水冷壁結(jié)構設計主要出現(xiàn)了兩種型式：一種是采用螺旋管圈的水冷壁，另一種是采用垂直管屏的水冷壁 樊泉桂.亞臨界與超臨界參數(shù)鍋爐水動力特性的分析.華北電力大學學報，1999，26(4):3338。兩種水冷壁各有利弊，需要結(jié)合實際情況選用。一般認為，采用垂直管屏水冷壁的直流鍋爐不適合變壓運行，但是采用了一些新興技術的垂直管屏水冷壁實現(xiàn)變壓運行也是可能的。例如內(nèi)螺紋管垂直管屏變壓運行技術已經(jīng)有部分實踐應用的例子。2超臨界直流鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏介紹2.1內(nèi)螺紋管的工作原理與傳熱特性由于結(jié)構特性，內(nèi)螺紋管的傳熱系數(shù)明顯大于光管，從而導致

6、它的傳熱性能相對于光管有著大幅度的提高，所以它能夠起到抵抗膜態(tài)沸騰并且推遲傳熱惡化的作用，其中的主要原理是：由于工質(zhì)受到內(nèi)螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強了管內(nèi)壁面附近流體的旋流擾動，使水冷壁管貼近內(nèi)壁面產(chǎn)生的汽泡可以被旋轉(zhuǎn)向上流動的高速液體及時帶走，并且在旋轉(zhuǎn)力的作用下，使水流緊貼管子內(nèi)壁面流動，從而避免了汽泡在管子內(nèi)壁面上積聚所形成的汽膜，保證了水冷壁管子內(nèi)表面上有連續(xù)不斷的水膜冷卻。從而減小了水冷壁管子超溫的可能性。國外對于內(nèi)螺紋管和光管進行了大量的對比試驗，試驗結(jié)果表明：當壓力在20MPa以下時，即使在1000kg/（m2s）的低質(zhì)量流速下，內(nèi)螺紋管水冷壁仍然具有良好的傳熱特性，只有在接近蒸發(fā)

7、終點的質(zhì)量含汽率x=0.9時才會出現(xiàn)傳熱惡化；在近臨界壓力區(qū)，由于壓力的升高，工質(zhì)熱物理特性有了較大的變化，傳熱惡化提前出現(xiàn)，在x=0.6的位置出現(xiàn)壁溫突然升高的現(xiàn)象。 W Kohler. Heat Transfer and Pressure Loss in Bibbed Tubes. The 8th Int. HeatTransfer Conference, 1986, 6: 28612865這說明內(nèi)螺紋管不僅改善了壓降特性，而且也改變了傳熱特性，使機組更能適應變壓運行工況以及機組的頻繁起停 鄭建學，陳聽寬等.超臨界壓力下600MW直流鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管摩擦阻力特性研究.熱力發(fā)電，2000，

8、（2）：1518，25。2.2超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁特點由于內(nèi)螺紋管的結(jié)構特性，使得它在傳熱性能以及水動力特性方面明顯優(yōu)于光管，它在鍋爐上的應用給直流鍋爐水冷壁采用垂直管屏型式開辟了嶄新的途徑。早在本世紀70，80年代，三菱重工等公司鑒于變壓運行超臨界機組的優(yōu)勢和傳統(tǒng)螺旋管圈水冷壁在結(jié)構復雜等方面的不足，使他們在已有長期運行經(jīng)驗的復合循環(huán)鍋爐的基礎上，利用內(nèi)螺紋管在抑制傳熱惡化產(chǎn)生、水動力特性良好等方面的優(yōu)點，著手開發(fā)和研究超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重工又在超臨界領域做出重大突破，同時開發(fā)并生產(chǎn)出了世界上首臺采用一次上升管圈的超臨界鍋爐變壓運行機組，并在

9、日本多家電廠投入運行。國內(nèi)的哈爾濱鍋爐廠引用三菱重工的技術已經(jīng)成功生產(chǎn)出1000MW內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁超超臨界鍋爐機組，并在浙江玉環(huán)電廠順利投產(chǎn)，至今運行穩(wěn)定。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要優(yōu)點 黃鶯，張亮變壓運行600MW超臨界鍋爐垂直水冷壁計算特性鍋爐制造，2003，（5）：1011，57是：（1）它結(jié)構簡單，制造容易，廠內(nèi)組裝率高，安裝方便，便于吊掛，許多生產(chǎn)工藝和成熟的亞臨界鍋爐水冷壁相近。（2）質(zhì)量流速較螺旋管圈水冷壁小，工質(zhì)流程比螺旋管圈水冷壁更是大大縮短，因此系統(tǒng)阻力小，給水泵的功耗降低。（3）采用內(nèi)螺紋管可提高傳熱性能，在亞臨界負荷時防止爐膛下輻射區(qū)高熱負荷區(qū)域發(fā)生膜態(tài)沸騰，

10、在超臨界負荷時能夠防止類膜態(tài)沸騰的發(fā)生，變壓性能好。（4）降低質(zhì)量流速，使它在低負荷運行時水動力特性轉(zhuǎn)化為自然循環(huán)，有利于維持鍋爐安全運行。（5）下輻射區(qū)采用一次上升內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁，結(jié)合較低的質(zhì)量流速，克服了傳統(tǒng)UP型鍋爐的主要缺陷。（6）吹灰效果好，結(jié)渣傾向小，疏松型灰渣易于自行脫落，維護和檢修工作簡單。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要缺點是 潘增祥超臨界機組的技術經(jīng)濟分析和發(fā)展前景探討浙江電力，2002，21（4）:2527，33：（1）對煤種變化的適應性較差，不如螺旋管圈水冷壁好。（2）垂直管屏水冷壁沿爐膛周界的水冷壁出口溫度偏差較螺旋管圈水冷壁稍大，但是可通過加裝節(jié)流孔圈將此偏差值

11、控制在適合的范圍。（3）在變壓運行特性方面相對于螺旋管圈水冷壁還是有不足之處。如果垂直管屏水冷壁所有管子平行連接，那么只有在采用較大鍋爐容量時才能保證水冷壁可靠冷卻所必須的質(zhì)量流速。（4）必須裝設再循環(huán)泵，以保證啟動和低負荷時必要的質(zhì)量流速，從而增加了設備投資。（5）原蘇聯(lián)超臨界鍋爐的垂直水冷壁大多采用32×6的光管，CE公司的復合循環(huán)鍋爐的垂直水冷壁也采用32×6的光管，而日本的變壓運行超臨界鍋爐垂直水冷壁采用28×4的內(nèi)螺紋管，由于管徑小，熱敏感性強，對運行控制要求高。3內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁水動力特性分析對超臨界鍋爐來說，變壓運行的方式使其工作條件變得更為復

12、雜，從額定負荷至最低直流負荷，鍋爐運行壓力將從超臨界壓力降為亞臨界再降為超高壓，當?shù)陀谧畹椭绷髫摵蓜t又進入依靠循環(huán)泵的控制循環(huán)方式運行，水冷壁內(nèi)工質(zhì)也由超臨界時的單相變?yōu)閬喤R界、超高壓以至高壓運行時的汽水雙相，工質(zhì)的溫度和干度也有很大的變化，因此水冷壁系統(tǒng)設計的關鍵是要防止傳熱惡化的發(fā)生和出現(xiàn)流動不穩(wěn)定。對于變壓運行的超臨界和超超臨界直流爐，在超臨界區(qū)，管內(nèi)單相介質(zhì)的傳熱系數(shù)比亞臨界區(qū)介質(zhì)低，工質(zhì)溫度也高，因此水冷壁壁溫最高；在近臨界區(qū)，由于兩相介質(zhì)的干度(含汽率)大，特別在上部水冷壁中高干度的工質(zhì)將產(chǎn)生干涸(DRO)現(xiàn)象，因此需將干涸點控制在較低的熱負荷區(qū)，避免干涸時的壁溫驟升；在亞臨界區(qū)，

13、對下爐膛高熱負荷區(qū)水冷壁，要防止膜態(tài)沸騰(DNB)的產(chǎn)生，也要控制上爐膛高干度區(qū)壁溫的升高幅度；在啟動和低負荷區(qū)(最低直流負荷)，由于壓力的降低，使汽水密度差增大，容易產(chǎn)生較大的熱偏差和流動的不穩(wěn)定。 Lei Wu,Chuan-jing Lu,Tao Huang. Research on the hydrodynamic characteristics of cavitating grid fins.Journal of hydrodynamics,2006,18(5): 5375413.1停滯和倒流如果水冷壁的壓降很小，當水冷壁的總阻力等于假設管子全部被對應壓力下的飽和水充滿時的靜壓差時，停

14、滯和倒流就可能發(fā)生，如圖1所示:圖1超臨界直流鍋爐由于在最低直流負荷以下，采用再循環(huán)運行方式，水冷壁具有較強的強制流動特性，所有上升的管屏不會發(fā)生倒流，不必進行倒流的校驗，在最低直流負荷以上，可通過水冷壁壓降與飽和水靜壓的比來判斷有無停滯和倒流發(fā)生的可能。3.2多值性一般情況下，一個平行管組的流量分配只有唯一的一個平衡點，也就是對應于一個壓降應只有一個質(zhì)量流速。然而，在兩相流狀態(tài)下，可能會有兩個或更多的平衡點，如圖2所示，在一個壓降下將有三個流量值，管屏的水動力特性呈三次方曲線，從而造成很大的流量偏差或不穩(wěn)定性，這種流動不穩(wěn)定就是水動力的多值性。圖2通常水動力的多值性都是在低負荷下產(chǎn)生，但由于

15、在小于最低直流負荷采用再循環(huán)泵進行強制循環(huán)，循環(huán)泵有足夠的壓頭保持流動的穩(wěn)定性，另一方面，轉(zhuǎn)入直流運行的低負荷時，由于采用較高的質(zhì)量流速，且水冷壁入口加裝節(jié)流孔圈，提供了一附加阻力，有利于防止出現(xiàn)多值性，但需要做必要的校核。3.3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三種類型。密度波型脈動是由于兩相流的密度變化引起的自激振蕩，發(fā)生在水動力特性曲線的正斜率段，壓力降型脈動是由于系統(tǒng)內(nèi)可壓縮容積存儲和釋放能量引起的脈動，發(fā)生在水動力特性曲線的負斜率段，故產(chǎn)生壓力降型脈動的關鍵是系統(tǒng)水動力呈多值性 俞谷穎，張富祥.超臨界壓力直流鍋爐垂直管屏水冷壁特性的研究.動力

16、工程，2009，29（3）：205209，227。熱力型脈動一般是由密度波型脈動觸發(fā)，與密度波型脈動同時發(fā)生。根據(jù)經(jīng)驗，當小于最低直流負荷時水冷壁質(zhì)量流速高于300kg/m2s不會產(chǎn)生密度波型脈動，又由于垂直水冷壁水動力特性呈單值性曲線，不存在負斜率區(qū)段，因此也不會發(fā)生壓力降型脈動。足夠高的質(zhì)量流速避免了低負荷下產(chǎn)生膜態(tài)沸騰的可能性，同時又不會發(fā)生密度波型脈動，所以也就不會發(fā)生熱力型脈動。3.4水動力穩(wěn)定性判定平行管間的流體流動有時會產(chǎn)生不穩(wěn)定。這種流動不穩(wěn)定的傾向是由系統(tǒng)的壓降特性決定的，典型的不穩(wěn)定流動情況有停滯和倒流、 多值性引起的不穩(wěn)定、熱輸入變化引起的不穩(wěn)定。通常采用R、S、Sq三個

17、流動穩(wěn)定性系數(shù)參數(shù)判斷流動穩(wěn)定性 王孟浩，李綽文.電站鍋爐水動力計算方法.上海：上海發(fā)電設備成套設計研究院出版社，1984。(1)壓降與飽和水靜壓的比R=P/(gZ)，用于校核停滯或倒流。當R=1時，意味著飽和水可能阻塞管子中工質(zhì)的流動。實際上，即使R=1，這種阻塞也不會發(fā)生，因為管子是受熱的，工質(zhì)也不是保持飽和水。如果R非常小，當某一部分變成飽和水時，可能發(fā)生倒流，因此，R值越大越好，一般不小于0.8。對于受熱較弱或有部分管段不受熱的非爐膛內(nèi)回路，如延伸側(cè)墻等，R值應不小于1。(2)壓降變化與質(zhì)量流量變化的關系S=(dPP)/(dGG)，用于校核多值性。S值小表示當流量變化時，壓降的變化很小

18、，也可以說一個很小的壓降變化將引起很大的流量變化。如果S小于0，曲線具有負斜率特性，則水動力多值性可能發(fā)生。因此，S必須大于0，一般在0.5以上。(3)質(zhì)量流量變化與吸熱量變化的關系Sq=(dGG)/(dQQ)，用于校核脈動。如果Sq的絕對值很大，說明很小的吸熱量變化將引起很大的流量變化，這就是一種不穩(wěn)定因素，在水動力特性曲線呈正斜率情況下，導致產(chǎn)生熱力型脈動。因此，Sq的絕對值越小越好，一般Sq的絕對值1。4內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁主要設計參數(shù)的選取4.1水冷壁工質(zhì)質(zhì)量流速質(zhì)量流速的選取必須要大于變壓運行超超臨界鍋爐在下述四個運行區(qū)內(nèi)的水冷壁管壁溫度不超過管材的許可壁溫時的臨界質(zhì)量流速，即要分

19、別高于超臨界區(qū)不發(fā)生類膜態(tài)沸騰、近臨界區(qū)控制干涸、亞臨界區(qū)不發(fā)生膜態(tài)沸騰、啟動階段保持水動力的穩(wěn)定性等四個運行區(qū)的臨界質(zhì)量流速。MHI在大型二相流熱態(tài)試驗臺的試驗結(jié)果表明，對一般燃煤的超超臨界鍋爐在亞臨界區(qū)(1722MPa)直流運行時，當管內(nèi)質(zhì)量流速達到1500kg/m2s，就已有足夠的裕量來防止處于低干度局部高熱負荷區(qū)的管子產(chǎn)生膜態(tài)沸騰，而在爐膛上部的高干度低熱負荷區(qū)出現(xiàn)干涸現(xiàn)象(DRO)時能有效控制管子壁溫的升高，而且在鍋爐的啟動階段(最小直流負荷)，由于此階段鍋爐按再循環(huán)模式運行，壓力為89MPa，必須保證水動力的穩(wěn)定性和控制管間溫差，啟動階段的臨界質(zhì)量流速對內(nèi)螺紋管垂直水冷壁按MHI的試驗數(shù)據(jù)為300kg/m2s左右 樊泉桂.超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁變壓運行特性分析.鍋爐技術，2006，37（5）：510。哈鍋超超臨界鍋爐垂直水冷壁BMCR工況的質(zhì)量流速均在1800kg/m2s以上，這樣高的質(zhì)量流速即使在所采用的最低直流負荷為25%BMCR時水冷壁的質(zhì)量流速仍在450kg/m2s以上，遠高于啟動低負荷階段的臨界質(zhì)量流速，因此仍有足夠的安全裕度。這樣高的質(zhì)量流速可以保證水冷壁在