超超臨界塔式直流鍋爐爐膛水冷壁溫度和熱負(fù)荷分布研究

超超臨界塔式直流鍋爐爐膛水冷壁溫度和熱負(fù)荷分布研究

塔式直式式大型鍋爐的rg能量分布受到許多因素的影響，如燃燒模式、道路設(shè)計(jì)形狀、燃料類型和加熱模式。對(duì)鍋爐的設(shè)計(jì)、調(diào)試和安全運(yùn)行有重要影響。筆者以外高橋第三發(fā)電廠和諫壁電廠2臺(tái)同類型1000MW超超臨界壓力塔式直流鍋爐為例,對(duì)鍋爐爐膛水冷壁管壁溫度和熱負(fù)荷分布進(jìn)行了實(shí)爐測(cè)試和研究.1爐硫系統(tǒng)的布置所研究的鍋爐為2955t/h超超臨界壓力、變壓運(yùn)行螺旋管圈爐膛水冷壁直流鍋爐,采用單爐膛塔式布置、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)和露天布置.鍋爐燃用的設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤,校核煤種為大同煤.采用中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng),5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行帶鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR),另有1臺(tái)磨煤機(jī)備用.在鍋爐后尾部布置2臺(tái)轉(zhuǎn)子直徑為16370mm的三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器.爐膛寬度為21480mm,爐膛深度為21480mm,水冷壁下集箱標(biāo)高為4000mm,爐頂管中心線標(biāo)高為119310mm,大板梁頂標(biāo)高為127560mm.爐膛水冷系統(tǒng)采用下部螺旋管圈和上部垂直管屏的布置方式,螺旋管圈分為冷灰斗部分和螺旋管部分,垂直管屏分為上下兩部分.螺旋段水冷壁管經(jīng)連接管引至水冷壁中間集箱,然后經(jīng)中間集箱混合后再由連接管引出,形成垂直段水冷壁,兩者間通過(guò)管鍛件結(jié)構(gòu)來(lái)連接并完成對(duì)爐墻的密封.上、下部垂直管屏之間通過(guò)Y型三通進(jìn)行過(guò)渡連接.螺旋管圈的管子數(shù)為716根,其傾斜角度為26.2103°.在標(biāo)高為69225mm處,螺旋管圈通過(guò)爐外中間過(guò)渡集箱轉(zhuǎn)換成垂直管屏,從冷灰斗拐點(diǎn)至螺旋管圈出口,螺旋管圈共繞爐膛1.2圈.冷灰斗螺旋管圈直徑為38.1mm、壁厚為7.33mm,節(jié)距為53mm.冷灰斗上部螺旋管直徑為38.1mm、壁厚為6.78mm,節(jié)距為53mm.冷灰斗螺旋管圈進(jìn)口集箱標(biāo)高為4000mm,冷灰斗拐點(diǎn)標(biāo)高為18480mm,螺旋管圈和垂直管屏分界面標(biāo)高為69225mm.下部垂直管屏的管徑為38.1mm、壁厚為6.78mm,節(jié)距為60mm,共有1432根.上部垂直管屏的管徑為44.5mm、壁厚為7.33mm,節(jié)距為120mm,共有716根.上部和下部垂直管屏的分界面前后墻標(biāo)高為90700mm,左右側(cè)墻標(biāo)高為89700mm.上部和下部垂直管屏直接通過(guò)Y型三通進(jìn)行過(guò)渡連接.沿著高度方向,燃燒器分成上、中、下3組,每組燃燒器有4層煤粉噴嘴,每組燃燒器組成1個(gè)水冷套,總共有12個(gè)水冷套.在每3組燃燒器上面布置1組燃盡風(fēng),每組燃盡風(fēng)分有6層風(fēng)室噴嘴,每組燃盡風(fēng)也組成1個(gè)水冷套,鍋爐總共有16個(gè)水冷套.2式中冷壁熱負(fù)荷測(cè)量方法及測(cè)點(diǎn)配置在試驗(yàn)中,爐膛水冷壁的外壁熱負(fù)荷通過(guò)測(cè)量水冷壁管的向火面壁溫和工質(zhì)溫度并通過(guò)迭代計(jì)算獲得.2.1外高橋第三污水處理廠的鍋爐準(zhǔn)備2.1.1測(cè)點(diǎn)的布置從前墻左側(cè)標(biāo)高29m處起,選取1根螺旋水冷壁管作為考察對(duì)象,在前墻布置6個(gè)測(cè)點(diǎn),右墻布置12個(gè)測(cè)點(diǎn),后墻布置6個(gè)測(cè)點(diǎn),左墻布置2個(gè)測(cè)點(diǎn),前墻測(cè)點(diǎn)水平間距為2.9m,右墻測(cè)點(diǎn)水平間距為1.45m,后墻和左墻測(cè)點(diǎn)水平間距均為2.9m.在每根管子的向火面和背火面測(cè)點(diǎn)處各安裝1對(duì)鎳鉻-鎳硅熱電偶,在螺旋水冷壁管上總共布置26對(duì)熱電偶測(cè)點(diǎn).2.1.2u3000熱電測(cè)點(diǎn)的布置沿爐膛高度方向在后墻和左墻中心線24～64m標(biāo)高處布置熱電偶測(cè)點(diǎn),每5m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn),后墻、左墻沿爐膛高度方向各布置9對(duì)熱電偶測(cè)點(diǎn),共布置18對(duì)熱電偶測(cè)點(diǎn).2.1.3墻體內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的布置分別選取后墻和左墻沿爐膛寬度方向在54m和34m標(biāo)高的水平位置處布置測(cè)點(diǎn),在每面墻同一水平標(biāo)高處均布置10對(duì)熱電偶測(cè)點(diǎn),在后墻和左墻上共布置40對(duì)熱電偶測(cè)點(diǎn).2.2溫度測(cè)點(diǎn)的布置在73m標(biāo)高的垂直水冷壁前墻和右墻分別布置水冷壁向火面和背火面溫度測(cè)點(diǎn),在前墻選擇第47～49號(hào)、169～171號(hào)和309～311號(hào)管共9根管子作為測(cè)點(diǎn)布置位置,在管壁上布置9對(duì)壁溫測(cè)點(diǎn),前墻共布置18個(gè)溫度測(cè)點(diǎn).在右墻上選擇第51～54號(hào)、175～184號(hào)、269～271號(hào)和328～330號(hào)管共20根管子作為測(cè)點(diǎn)布置位置,在管壁上共布置20對(duì)壁溫測(cè)點(diǎn),右墻共布置40個(gè)溫度測(cè)點(diǎn).在前墻和右墻上共布置58個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),所有溫度測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖1.3路橋冷壁的溫度分布和外壁的熱負(fù)荷分布3.1cdef磨煤機(jī)裝置以下數(shù)據(jù)分別為3種負(fù)荷工況下的實(shí)測(cè)水冷壁管壁溫度以及相應(yīng)的外壁熱負(fù)荷:在507MW負(fù)荷工況下投運(yùn)CDE磨煤機(jī),貯水罐壓力為14.3MPa,給水流量為1397t/h,螺旋水冷壁管平均質(zhì)量流速為1147kg/(m2·s);在662MW負(fù)荷工況下投運(yùn)CDEF磨煤機(jī),貯水罐壓力為18.9MPa,給水流量為1714t/h,螺旋水冷壁管的平均質(zhì)量流速為1406kg/(m2·s);在970MW負(fù)荷工況下投運(yùn)BCDEF磨煤機(jī),貯水罐壓力為27.0MPa,給水流量為2765t/h,螺旋水冷壁管平均質(zhì)量流速為2268kg/(m2·s).3.1.1鍋爐水冷壁管熱負(fù)荷圖2為沿水冷壁管長(zhǎng)方向的管壁溫度分布.圖3為沿水冷壁管長(zhǎng)方向的外壁熱負(fù)荷分布.從圖2和圖3可以看出:在507MW和662MW負(fù)荷工況下,鍋爐處于亞臨界壓力下運(yùn)行,因此在水冷壁管內(nèi)存在很長(zhǎng)一段汽水共存的狀態(tài),工質(zhì)從爐膛吸收大量的熱量,而溫度卻保持不變,所以盡管該區(qū)域的熱負(fù)荷很高,但水冷壁背火面的溫度有很長(zhǎng)一段均保持飽和溫度不變.而在970MW負(fù)荷工況下,鍋爐在超臨界壓力下運(yùn)行,工質(zhì)直接從液態(tài)過(guò)渡到汽態(tài),溫度隨著焓的增加而連續(xù)不斷升高.另外,由于同一根水冷壁管上相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平標(biāo)高不同,熱負(fù)荷分布也不同,受到測(cè)點(diǎn)位置和熱負(fù)荷分布2個(gè)因素的綜合影響,如圖2中左墻第1、第2點(diǎn),雖然工質(zhì)溫度最高,但由于其測(cè)點(diǎn)位置在爐膛上部,水冷壁熱負(fù)荷較低,故水冷壁管的外壁溫度低于其他測(cè)點(diǎn)的溫度.3.1.2火面溫度分布圖4和圖5分別為54m標(biāo)高處沿爐膛寬度方向的管壁溫度和外壁熱負(fù)荷分布.圖6和圖7分別為34m標(biāo)高處沿爐膛寬度方向的管壁溫度和外壁熱負(fù)荷分布.在34m和54m標(biāo)高處,各水冷壁管背火面溫度大致保持相等,說(shuō)明水冷壁管之間熱偏差較小,螺旋管圈具有很好的平衡爐內(nèi)燃燒擾動(dòng)的能力.在圖4中,后墻測(cè)點(diǎn)10的背火面溫度偏低是由測(cè)量偏差造成的.在34m標(biāo)高處,后墻、左墻均呈現(xiàn)出向火面溫度中間高、兩側(cè)低的弧形分布趨勢(shì),其熱負(fù)荷的分布也呈現(xiàn)這一趨勢(shì).而在54m標(biāo)高處,卻沒(méi)有出現(xiàn)這樣的規(guī)律,且其平均熱負(fù)荷比34m標(biāo)高處的熱負(fù)荷低,這主要是因?yàn)?4m標(biāo)高在燃盡風(fēng)口處,且燃盡風(fēng)的溫度只有334℃左右,風(fēng)量占總風(fēng)量的23%,因此燃盡風(fēng)對(duì)爐內(nèi)高溫?zé)煔庥幸欢ǖ睦鋮s作用,導(dǎo)致該處的熱負(fù)荷有所降低,并且由于燃盡風(fēng)的擾動(dòng)使得該區(qū)域的熱負(fù)荷分布規(guī)律不明顯.3.1.3高度方向的管壁溫度和外壁熱負(fù)荷圖8和圖9分別為沿爐膛后墻中心線高度方向的管壁溫度和外壁熱負(fù)荷分布.圖10和圖11分別為沿爐膛左墻中心線高度方向的管壁溫度和外壁熱負(fù)荷分布.從爐膛后墻和左墻中心線高度方向的熱負(fù)荷分布可以看到,在燃燒器所在區(qū)域中心部分的熱負(fù)荷最高,最下層燃燒器以下和最上層燃燒器以上的熱負(fù)荷均較低,呈現(xiàn)出中間高、上下低的趨勢(shì).在54m標(biāo)高處,從燃盡風(fēng)口開(kāi)始,外壁熱負(fù)荷隨著標(biāo)高的升高而降低,再次證明燃盡風(fēng)進(jìn)入爐膛降低了爐膛內(nèi)的火焰溫度.3.2測(cè)點(diǎn)爐外管線溫度通過(guò)諫壁電廠上部垂直管屏處安裝的58個(gè)測(cè)點(diǎn)壁溫以及采集的DCS運(yùn)行數(shù)據(jù),計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的熱負(fù)荷.圖12為超臨界壓力下垂直水冷壁的管壁溫度和外壁熱負(fù)荷分布.試驗(yàn)工況的運(yùn)行參數(shù)如下:負(fù)荷為1008MW,壓力為28.9MPa,給水流量為2835t/h,質(zhì)量流速為1163kg/(m2·s).從圖12的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:前墻第170號(hào)水冷壁管的向火面溫度低于相應(yīng)的背火面溫度,說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)爐外引線可能有短路現(xiàn)象;右墻第52號(hào)水冷壁管的向火面溫度較高,而其背火面溫度與相鄰測(cè)點(diǎn)一致,可能是由于安裝過(guò)程中留下焊瘤等原因造成該根水冷壁管的工質(zhì)流量偏低引起的.此外,還發(fā)現(xiàn)前墻靠近左墻的1號(hào)角以及右墻靠近后墻的3號(hào)角的熱負(fù)荷偏低,而右墻靠近前墻的2號(hào)角位置的熱負(fù)荷較高.在500MW工況時(shí),測(cè)點(diǎn)位置處的熱負(fù)荷約為140kW/m2,在750MW工況下,測(cè)點(diǎn)位置處的熱負(fù)荷約為220kW/m2,而滿負(fù)荷工況下的熱負(fù)荷約為280kW/m2.3.31爐硫酸鈉的熱負(fù)荷分布在研究1000MW塔式直流鍋爐水冷壁的水動(dòng)力特性和校核壁溫時(shí),需要確定爐膛水冷壁受熱面的熱負(fù)荷.由于爐膛內(nèi)火焰的行徑路線、充滿度、爐膛內(nèi)煙氣溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及燃燒產(chǎn)物濃度場(chǎng)的不均勻等因素,爐膛內(nèi)各管屏和各管間受熱面的熱負(fù)荷各不相同.通過(guò)對(duì)1000MW塔式直流鍋爐爐膛熱負(fù)荷分布和水冷壁水動(dòng)力特性及傳熱特性的研究得出,隨著鍋爐負(fù)荷的增加,爐膛內(nèi)火焰充滿度趨于均勻.圖13、圖14分別給出了爐膛水冷壁外壁面熱負(fù)荷不均勻系數(shù)沿爐膛寬度和爐膛高度的分布.爐膛水冷壁的局部熱負(fù)荷可按下式計(jì)算q=ηb?ηh?qˉ(1)q=ηb?ηh?qˉ(1)式中:q為爐膛壁面的局部熱負(fù)荷,kW/m2;ηb為沿爐膛寬度的熱負(fù)荷不均勻系數(shù)(按圖13查得);ηh為沿爐膛高度的熱負(fù)荷不均勻系數(shù)(按圖14查得)