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1000 MW超超临界锅炉高热负荷区垂直水冷壁温度特性研究1 2王为术1

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1000 MW超超临界锅炉高热负荷区垂直水冷壁温度特性研究1 2王为术1

浏览量:   来源:http://www.hhzzf.com  作者:恒磁诺业

电站系统工程1000MW超超临界锅炉高热负荷区垂直水冷壁温度特性研究12王为术1,2徐维晖1李帅帅1顾红芳2罗毓珊2陈听宽2(1.华北水利水电学院,2.西安交通大学)度分布。计算研究表明:水冷壁温度最高区域处于管壁向火侧顶点或水冷壁向火侧鳍端,在低负荷时管壁向火侧外壁温度最高,而高负荷时向火侧鳍端温度最高。管壁最大温差随锅炉负荷升高而显著增大,最高温度亦随锅炉负荷升高而增大。研究结果为超超临界直流锅炉垂直管圈水冷壁的工程设计及运行监测提供了可靠的理论依据。

  超超临界锅炉均采用膜式水冷壁,膜式水冷壁向火侧接受炉膛火焰辐射热量,而背火侧是绝热材料,水冷壁管内是工质强制对流换热。膜式水冷壁的温度水平是超超临界锅炉运行可靠性的重要参数。锅炉水冷壁工作环境复杂,为保证超超临界锅炉安全、可靠的运行,必须评估膜式水冷壁的安全性,为此不但需要校核管子是否超过最高允许温度,还必须校核鳍端温度是否超过最高温度限制。盛春红、李志宏和李春燕等曾采用数值方法研究膜式水冷壁的温度分布问题,分别建立了亚临界和超临界锅炉水冷壁二维温度分布计算方法。

  超超临界锅炉参数高、效率高、负荷变化幅度大,为满足我国超超临界锅炉水冷壁和锅炉水动力安全设计、温度校核、机组运行监测的实际需要,建立了超超临界锅炉垂直管圈膜式水冷壁温度分布计算模型,并开发了膜式水冷壁温度分布计算程序。本文对浙江玉环1000MW超超临界直流锅炉高热负荷区的垂直水冷壁温度特性进行数值研究。

  1膜式水冷壁传热边界水冷壁接受炉内高温火焰辐射,通过导热和对流将热量传至管内工质。将水冷壁传热看作一个不规则区域的稳态导热问题,忽略沿管子长度方向上的热流,将问题简化为二维、稳态、无内热源的导热问题。膜式水冷壁温度特性物理模型如所示。取中阴影部分为研究对象,采用区域分离法将计算区域分解为两个半圆环形及扩充后的矩形三部分。

  用有限容积法分别对其控制方程进行离散,网格系统分别为极坐标系统及直角坐标系统,网格划分采用内节点法,对于两者的重叠区域采用线性插值方法进行温度场拟合。

  膜式水冷壁温度分布的边界条件包括管内壁对流边界条件和管外壁边界条件,而管外壁边界条件包括膜式壁向火面的辐射边界和背火面及鳍片两端面的绝热边界。

  1。1膜式水冷壁炉侧热负荷膜式水冷壁外部边界的确定首先要确定辐射边界,即水冷壁炉侧热负荷,给出的是哈尔滨锅炉厂提供的1000MW超超临界直流锅炉沿炉膛高度方向上热负荷系数分布曲线。而锅炉各负荷下不同高度的平均热负荷由各负荷炉膛水冷壁热负荷乘以对应高度的热负荷分布系数。

  膜式水冷壁外部边界的确定首先要确定辐射边界,该炉膛燃烧器区域及其上部一段为高热负荷区(标高23m至40m)。

  将沿高度方向的平均热负荷厂乘以沿宽度方向上热负荷分配系数",即可得到炉膛内任一处L的壁面热负荷也,"根据哈尔滨锅炉厂提供的沿炉膛宽度方向上热负荷分布系数,如所示。

  基于二维稳态假设,膜式水冷壁主要由管子、鳍片以及表丨主要数据称性及热负荷随炉膛宽度、炉膛深度的分布特性,取其中1072根管为研究对象,编号是从后墙开始的,如所示。

  其中后墙选取14根管子即第丨、73、145、177、209、241、作为研究对象,侧墙取927、1021、1049作为研究对象。根据数值计算结果,重点焊缝三部分组成,所以需根据炉膛任一处壁面热负荷取,分别确定管子、鳍片以及焊缝的热负荷分布函数。首先应由角系数的相对性与完整性,推导确定辐射角系数W51,角系数示意如,鳍片上热负荷分布函数如式P),焊缝上热负荷分布函数如式(3),管壁上热负荷分布函数如式(4>。图i膜式水冷壁数理问题示意图沿炉膛宽度方向上热负荷分布%,dx、分别表示管壁与焊缝、和管壁微元段间的角系数。

  1.2膜式水冷壁管侧传热膜式水冷壁内部边界即管内壁的对流边界,属第三类边界条件,根据对垂直管在从亚临界到超超临界广泛压力范围内获得的对流换热系数确定w,包括亚临界压力下的单相对流区、核态沸腾区、千涸后传热区的传热系数关联式和超临界及超超临界压力下的传热系数关联式。

  膜式水冷壁温度特性计算程序用FORTRAN语言按模块化思想编写,各子程序间数据传递采用公用块方式,可同时求解圆环区域与矩形区域,将二者耦合求出膜式水冷壁整场温度分布计算时先假设一个内壁温度,由此计算换热系数,再求内壁温度,当前次内壁温度与当次内壁温度相差很小时,即终止迭代。

  MW超超临界锅炉垂直水冷壁温度特性针对玉环电厂1000MW超超临界锅炉膜式水冷壁温度分布特性,炉膛水冷壁管节距为44.5mm,共2144根。鳍分析不同锅炉运行工况下,处于高热负荷区域炉膛下部垂直膜式水冷壁壁温特性。

  2。1膜式水冷壁高热负荷区截面温度分布高热负荷区是燃烧区域,处于锅炉标高2340m范围,计算发现后墙第469号管壁温度最高,而第469号管水平位置也大体在热负荷炉宽分布曲线峰值对应位置;在右侧墙第927号管管壁温度最高,第927号管水平位置也大体在热负荷沿炉宽分布曲线峰值对应的位置,与实际情况基本相符。

辽宁快乐12   锅炉水冷壁平面展开示意图处于后墙中部强受热区的第469号水冷壁管在燃烧器区域附近的热负荷较高,热负荷最高值对应炉膛高度为37.5m,在此区域水冷壁管壁温度最高,0分别给出了35%BMCR(锅炉最火连续蒸发量)、50%BMCR、BRL(锅炉额定蒸发S)和BMCR等不同工况下,第469号水冷壁管在37.5m高度截面温度分布,分析总结0发现:水冷壁向火侧温度远高于背火侧,水冷壁管壁周向存在较大温差,这是因膜式水冷壁向火侧和背火侧热边界迥然不同。水冷壁温度最高区域处于管壁向火侧顶点或者膜式水冷壁向火侧鳍端,随负荷升高。最高温度区从管壁向火侧顶点移向水冷壁向火侧鳍端,在亚临界压力的低负荷时管壁向火侧顶点温度最高,而在超临界及超超临界压力的高负荷时向火侧鳍端温度最高。

  锅炉不同负荷下,管壁最大温差和圾高温度不同,第469号管壁周向最大温差和最高温度如图丨1所示。可见最大温差随锅炉负荷升高而显著增大,最高温度亦随锅炉负荷升高而增大。

  在35%BMCR下,膜式水冷壁管向火侧外壁温度最高,达350C,截面最大温差28 C,在BRL下水冷壁截面向火侧鳍端温度最高,向火面管外壁温度次之,鳍端温度为475C,截面最大温差达71T.在锅炉从低负荷向篼负荷滑压运行时,膜式水冷壁截面的最高温度点从向火面管外壁顶点向鳍端移动。

  2.2炉膛截面水冷壁金属温度及工质温度炉膛横截面上热负荷的不均匀分布和水冷壁结构的不均匀性,造成炉膛水冷壁的吸热不均,在同一炉膛截面上水冷壁管间存在热偏差。标高37.5m为最高热负荷区域,35%BMCR下,各水冷壁标高37.5m的炉膛截面上工质焓值、千度,管外向火侧壁面温度和工质温度如24.由图可见,在此标高位置,管内工质均达到饱和,管内工质温BRL负荷469号管在高37.5m截面温度场0BMCR469号管在高37.5m截面温度场度都处于相应压力下的饱和温度,管间饱和温度差别小,但各管干度有较大差别,最大干度为0.4,最大干度差为0.15,热负荷高区域干度高。焓值和管外向火侧温度的变化趋势与干度的变化趋势相似。在炉膛宽度上,热负荷高区域管壁温度高,焓值高,工质温度高,在亚临界负荷下时其干度高。

  超临界负荷下,炉膛宽度上管壁温度仍然是热负荷区高的区域管壁温度高,如图丨5所示。

  2.3炉膛高度膜式水冷壁截面温度本平分析炉膛高度方向水冷壁的温度分布仅给出BMCR负荷下第469号管管壁向火侧外壁母线温度、内壁母线温度及流体温度沿炉膛高度方向的变化,如67所示,BMCR沿炉膛宽度方向的X轴250%BMCR标高37.5m炉膛截面管内工质焓值沿炉膛宽度方向的变化沿炉膛宽度方向的X轴3 m炉膛截面管内工质干度沿炉膛宽度方向的变化沿炉膛宽度方向的X轴450%BMCR标高37.5m炉膛截面管内工质温度和管外壁温度沿炉膛宽度方向的变化5BRL负荷标高37.5m炉腊截面管内工质温度和管外壁温度沿炉膛宽度方向的变化6BMCR下469号管壁温度沿管高度变化下水冷壁工作在超超临界压力区。管壁温度沿管子高度方向逐渐升高,没出现壁温飞升现象,其外壁温度与内壁温度的差值相对较大,尤其在燃烧器附近,此处热负荷较高,受热面管外壁向火侧外壁温度与内壁温度的差值最大,内外壁最大温差为51.5(:,较亚临界压力下的35%BMCR下内外壁温度差大。在BMCR下,469管沿管子高度方向的最大热负荷为300kW/m2.根据水冷壁运行参数,此时469管内工质质量流速为1830kg/(m2s),压力在28.530.8MPa之间。根据6,内螺纹管水冷壁在此工况条件下,传热良好,壁温不会出现明显的飞升现象。这也验证了在此工况下计算结果是可靠的。6中壁温都低于490C,水冷壁温度也都在水冷壁金属最高温限以内。在标高18m处,管子外壁温度存在尖点,这是因为此处为光管与内螺纹管的分界点,光管和内螺纹管的传热不同,内螺纹管有明显的强化传热效果,内螺纹管的内壁换热系数于光管,管子外壁温度则小于光管,这正好验证了内螺纹的传热性能优于光管。焓值在标高48.92m出现降低,是因为水冷壁管在此标高的中间混合集箱实现混合以平衡了管间温度差所致。

  王为术(1972-),男,副教授,博士。郑州,450011 2国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(No.2009CB219805),河南省教育厅自然科学研究计划项目(N0.2009A470005)

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