1000MW塔式直流鍋爐爐膛水冷壁管壁溫度和熱負荷分布的試驗研究

陳端雨，范誠豪，楊 勇，張富祥，朱才廣

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海200240）

大容量超超臨界壓力塔式直流鍋爐爐膛熱負荷 的分布受到很多因素的影響，如燃燒方式、爐膛形狀、燃料種類以及調(diào)溫方式等.鍋爐爐膛水冷壁熱負荷是一個關(guān)鍵的熱力參數(shù)，對鍋爐的設(shè)計、調(diào)試和安全運行均有重要影響.

筆者以外高橋第三發(fā)電廠和諫壁電廠2臺同類型1 000 MW 超超臨界壓力塔式直流鍋爐為例，對鍋爐爐膛水冷壁管壁溫度和熱負荷分布進行了實爐測試和研究［1-3］.

1 爐膛結(jié)構(gòu)

所研究的鍋爐為2 955t／h超超臨界壓力、變壓運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、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)計煤種為神府東勝煤，校核煤種為大同煤.采用中速磨煤機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，5臺磨煤機運行帶鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR），另有1臺磨煤機備用.在鍋爐后尾部布置2臺轉(zhuǎn)子直徑為16 370 mm 的三分倉容克式空氣預(yù)熱器.

爐膛寬度為21 480 mm，爐膛深度為21 480 mm，水冷壁下集箱標高為4 000mm，爐頂管中心線標高為119 310mm，大板梁頂標高為127 560mm.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，兩者間通過管鍛件結(jié)構(gòu)來連接并完成對爐墻的密封.上、下部垂直管屏之間通過Y 型三通進行過渡連接.

螺旋管圈的管子數(shù)為716 根，其傾斜角度為26.210 3°.在標高為69 225 mm 處，螺旋管圈通過爐外中間過渡集箱轉(zhuǎn)換成垂直管屏，從冷灰斗拐點至螺旋管圈出口，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7.33 mm，節(jié)距為53mm.冷灰斗上部螺旋管直徑為38.1 mm、壁厚為6.78 mm，節(jié)距為53 mm.冷灰斗螺旋管圈進口集箱標高為4 000mm，冷灰斗拐點標高為18 480 mm，螺旋管圈和垂直管屏分界面標高為69 225mm.

下部垂直管屏的管徑為38.1mm、壁厚為6.78 mm，節(jié)距為60mm，共有1 432根.上部垂直管屏的管徑為44.5 mm、壁厚為7.33 mm，節(jié)距為120 mm，共有716根.上部和下部垂直管屏的分界面前后墻標高為90 700 mm，左右側(cè)墻標高為89 700 mm.上部和下部垂直管屏直接通過Y 型三通進行過渡連接.

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個水冷套，總共有12個水冷套.在每3組燃燒器上面布置1組燃盡風，每組燃盡風分有6層風室噴嘴，每組燃盡風也組成1個水冷套，鍋爐總共有16個水冷套.

2 爐膛水冷壁熱負荷測量方法及測點的布置

在試驗中，爐膛水冷壁的外壁熱負荷通過測量水冷壁管的向火面壁溫和工質(zhì)溫度并通過迭代計算獲得［4-7］.

2.1 外高橋第三發(fā)電廠鍋爐的測點布置

2.1.1 沿水冷壁管長方向測點的布置

從前墻左側(cè)標高29m 處起，選取1根螺旋水冷壁管作為考察對象，在前墻布置6個測點，右墻布置12個測點，后墻布置6個測點，左墻布置2個測點，前墻測點水平間距為2.9m，右墻測點水平間距為1.45m，后墻和左墻測點水平間距均為2.9m.在每根管子的向火面和背火面測點處各安裝1對鎳鉻-鎳硅熱電偶，在螺旋水冷壁管上總共布置26對熱電偶測點.

2.1.2 沿爐膛高度方向測點的布置

沿爐膛高度方向在后墻和左墻中心線24～64 m 標高處布置熱電偶測點，每5 m 布置1 個測點，后墻、左墻沿爐膛高度方向各布置9對熱電偶測點，共布置18對熱電偶測點.

2.1.3 沿爐膛寬度方向測點的布置

分別選取后墻和左墻沿爐膛寬度方向在54m和34m 標高的水平位置處布置測點，在每面墻同一水平標高處均布置10對熱電偶測點，在后墻和左墻上共布置40對熱電偶測點.

2.2 諫壁電廠鍋爐的測點布置

在73m 標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點，在前墻選擇第47～49號、169～171號和309～311號管共9根管子作為測點布置位置，在管壁上布置9對壁溫測點，前墻共布置18個溫度測點.在右墻上選擇第51～54號、175～184號、269～271號和328～330號管共20根管子作為測點布置位置，在管壁上共布置20對壁溫測點，右墻共布置40個溫度測點.在前墻和右墻上共布置58個溫度測點，所有溫度測點的布置見圖1.

圖1 測點布置示意圖Fig.1 Arrangement diagram of measurement points

3 爐膛水冷壁管壁溫度分布和外壁熱負荷分布

3.1 不同負荷工況下壁溫和熱負荷的分布

以下數(shù)據(jù)分別為3種負荷工況下的實測水冷壁管壁溫度以及相應(yīng)的外壁熱負荷：在507MW 負荷工況下投運CDE磨煤機，貯水罐壓力為14.3MPa，給水流量為1 397t／h，螺旋水冷壁管平均質(zhì)量流速為1 147kg／（m2·s）；在662 MW 負荷工況下投運CDEF磨煤機，貯水罐壓力為18.9 MPa，給水流量為1 714t／h，螺旋水冷壁管的平均質(zhì)量流速為1 406 kg／（m2·s）；在970 MW 負荷工況下投運BCDEF磨煤機，貯水罐壓力為27.0 MPa，給水流量為2 765 t／h，螺旋水冷壁管平均質(zhì)量流速為2 268kg／（m2·s）.

3.1.1 沿水冷壁管長方向的管壁溫度分布和外壁熱負荷分布

圖2為沿水冷壁管長方向的管壁溫度分布.圖3為沿水冷壁管長方向的外壁熱負荷分布.從圖2和圖3可以看出：在507 MW 和662 MW 負荷工況下，鍋爐處于亞臨界壓力下運行，因此在水冷壁管內(nèi)存在很長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)域的熱負荷很高，但水冷壁背火面的溫度有很長一段均保持飽和溫度不變.而在970 MW 負荷工況下，鍋爐在超臨界壓力下運行，工質(zhì)直接從液態(tài)過渡到汽態(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個測點的水平標高不同，熱負荷分布也不同，受到測點位置和熱負荷分布2個因素的綜合影響，如圖2中左墻第1、第2點，雖然工質(zhì)溫度最高，但由于其測點位置在爐膛上部，水冷壁熱負荷較低，故水冷壁管的外壁溫度低于其他測點的溫度.

圖2 沿水冷壁管長方向的管壁溫度分布Fig.2 Temperature distribution on water wall tube along tube length direction

圖3 沿水冷壁管長方向的外壁熱負荷分布Fig.3 Heat load distribution on outer wall along tube length direction

3.1.2 沿爐膛寬度方向的管壁溫度分布和外壁熱負荷分布

圖4和圖5分別為54m 標高處沿爐膛寬度方向的管壁溫度和外壁熱負荷分布.圖6和圖7分別為34m 標高處沿爐膛寬度方向的管壁溫度和外壁熱負荷分布.

在34m 和54m 標高處，各水冷壁管背火面溫度大致保持相等，說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)燃燒擾動的能力.在圖4中，后墻測點10的背火面溫度偏低是由測量偏差造成的.在34 m 標高處，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，其熱負荷的分布也呈現(xiàn)這一趨勢.而在54m標高處，卻沒有出現(xiàn)這樣的規(guī)律，且其平均熱負荷比34 m 標高處的熱負荷低，這主要是因為54m 標高在燃盡風口處，且燃盡風的溫度只有334 ℃左右，風量占總風量的23%，因此燃盡風對爐內(nèi)高溫煙氣有一定的冷卻作用，導(dǎo)致該處的熱負荷有所降低，并且由于燃盡風的擾動使得該區(qū)域的熱負荷分布規(guī)律不明顯.

圖4 54m 標高處沿爐膛寬度方向的管壁溫度分布Fig.4 Temperature distribution on water wall tube along width direction of furnace at level 54m

圖5 54m 標高處沿爐膛寬度方向的外壁熱負荷分布Fig.5 Heat load distribution on outer wall along width direction of furnace at level 54m

圖6 34m 標高處沿爐膛寬度方向的管壁溫度分布Fig.6 Temperature distribution on water wall tube along width direction of furnace at level 34m

圖7 34m 標高處沿爐膛寬度方向的外壁熱負荷分布Fig.7 Heat load distribution on outer wall along width direction of furnace at level 34m

3.1.3 沿爐膛高度方向的管壁溫度分布和外壁熱負荷分布

圖8 沿爐膛后墻中心線高度方向的管壁溫度分布Fig.8 Temperature distribution on water wall tube along height direction of rear wall center line in furnace

圖9 沿爐膛后墻中心線高度方向的外壁熱負荷分布Fig.9 Heat load distribution on outer wall along height direction of rear wall center line

圖10 沿爐膛左墻中心線高度方向的管壁溫度分布Fig.10 Temperature distribution on water wall tube along height direction of left wall center line in furnace

圖11 沿爐膛左墻中心線高度方向的外壁熱負荷分布Fig.11 Heat load distribution on outer wall along height direction of left wall center line in furnace

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荷分布.從爐膛后墻和左墻中心線高度方向的熱負荷分布可以看到，在燃燒器所在區(qū)域中心部分的熱負荷最高，最下層燃燒器以下和最上層燃燒器以上的熱負荷均較低，呈現(xiàn)出中間高、上下低的趨勢.在54 m 標高處，從燃盡風口開始，外壁熱負荷隨著標高的升高而降低，再次證明燃盡風進入爐膛降低了爐膛內(nèi)的火焰溫度.

3.2 上部垂直管圈水冷壁管壁溫度和熱負荷分布

通過諫壁電廠上部垂直管屏處安裝的58個測點壁溫以及采集的DCS運行數(shù)據(jù)，計算出各測點的熱負荷.圖12為超臨界壓力下垂直水冷壁的管壁溫度和外壁熱負荷分布.試驗工況的運行參數(shù)如下：負荷為1 008 MW，壓力為28.9 MPa，給水流量為2 835t／h，質(zhì)量流速為1 163kg／（m2·s）.

從圖12的試驗結(jié)果可以看出：前墻第170號水冷壁管的向火面溫度低于相應(yīng)的背火面溫度，說明該測點爐外引線可能有短路現(xiàn)象；右墻第52號水冷壁管的向火面溫度較高，而其背火面溫度與相鄰測點一致，可能是由于安裝過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號角以及右墻靠近后墻的3號角的熱負荷偏低，而右墻靠近前墻的2號角位置的熱負荷較高.在500 MW工況時，測點位置處的熱負荷約為140kW／m2，在750 MW 工況下，測點位置處的熱負荷約為220kW／m2，而滿負荷工況下的熱負荷約為280kW／m2.

圖12 超臨界壓力下垂直水冷壁的管壁溫度和外壁熱負荷分布Fig.12 Temperature ＆outer wall heat load distribution of vertical water wall tube under supercritical pressure

3.3 1 000 MW 塔式直流鍋爐爐膛水冷壁局部熱負荷的計算

在研究1 000MW 塔式直流鍋爐水冷壁的水動力特性和校核壁溫時，需要確定爐膛水冷壁受熱面的熱負荷.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、速度場以及燃燒產(chǎn)物濃度場的不均勻等因素，爐膛內(nèi)各管屏和各管間受熱面的熱負荷各不相同.通過對1 000 MW 塔式直流鍋爐爐膛熱負荷分布和水冷壁水動力特性及傳熱特性的研究得出，隨著鍋爐負荷的增加，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荷可按下式計算

式中：q為爐膛壁面的局部熱負荷，kW／m2；ηb為沿爐膛寬度的熱負荷不均勻系數(shù)（按圖13查得）；ηh為沿爐膛高度的熱負荷不均勻系數(shù)（按圖14查得）.

圖13 沿爐膛寬度方向的水冷壁外壁面熱負荷不均勻系數(shù)分布Fig.13 Distribution of water wall tube heat load non-uniformity coefficient along width direction of furnace

圖14 沿爐膛高度方向的水冷壁外壁面熱負荷不均勻系數(shù)分布Fig.14 Distribution of water wall tube heat load non-uniformity coefficient along height direction of furnace

4 結(jié) 論

（1）1 000 MW 塔式直流鍋爐爐膛熱負荷的分布規(guī)律與其他四角切圓燃燒鍋爐爐膛熱負荷的分布情況基本一致.

（2）由于在最上層的燃燒器上方布置了燃盡風，對爐內(nèi)煙氣的擾動增強，導(dǎo)致沿管長方向54 m標高處的熱負荷波動較大.

（3）在燃盡風噴嘴中心線以上，因受到燃盡風進入爐膛的影響，導(dǎo)致水冷壁熱負荷大幅度下降.為避免爐膛大比熱區(qū)傳熱惡化，可以考慮將處于擬臨界點附近的水冷壁布置在低熱負荷區(qū)域.

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