1000 MW超超臨界鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算

滕葉　張忠孝　朱明　周托

摘 要： 采用分區(qū)計(jì)算簡(jiǎn)化大容量高參數(shù)超超臨界鍋爐爐內(nèi)輻射、對(duì)流傳熱模型，研究爐膛水冷壁熱負(fù)荷及壁溫的空間分布情況，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值之間的偏差較小，最大為5.72%.該模型與算法可給出不同鍋爐負(fù)荷條件下，水冷壁壁面熱負(fù)荷與壁溫沿爐膛寬度方向的分布規(guī)律.結(jié)果表明，水冷壁熱負(fù)荷與壁溫均呈現(xiàn)出中間高兩端低的弧形分布.四角切圓燃燒鍋爐火焰位置對(duì)爐內(nèi)傳熱有很大影響.模擬計(jì)算可為超超臨界鍋爐的運(yùn)行提供參考，預(yù)測(cè)了在材料允許溫度范圍內(nèi)，火焰中心偏斜最大不超過(guò)2 m.

關(guān)鍵詞：

超超臨界鍋爐； 爐膛傳熱； 熱負(fù)荷； 水冷壁壁溫； 火焰偏斜

中圖分類(lèi)號(hào)： TK 224 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

鍋爐爐內(nèi)熱負(fù)荷的分布規(guī)律是研究爐膛換熱的一項(xiàng)重要指標(biāo)，鍋爐的水動(dòng)力計(jì)算、管壁溫度計(jì)算等都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的.鍋爐運(yùn)行工況改變，各項(xiàng)參數(shù)都相應(yīng)發(fā)生變化，研究這些變化對(duì)于調(diào)整鍋爐運(yùn)行有著重要的意義[1].

燃煤鍋爐的運(yùn)行狀況與運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)和操作水平有很大關(guān)系，四角切圓燃燒鍋爐的火焰位置對(duì)鍋爐安全運(yùn)行至關(guān)重要，若一、二次風(fēng)動(dòng)量控制不合理，火焰中心就會(huì)有明顯偏斜，這將造成單側(cè)受熱面的管壁溫度處于高限附近[2]，長(zhǎng)期運(yùn)行容易發(fā)生管子超溫，還會(huì)造成金屬高溫腐蝕等不利狀況.爐內(nèi)的燃燒、傳熱會(huì)影響工質(zhì)的溫度分布，若汽溫大幅偏離設(shè)計(jì)值會(huì)影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)性及安全性[3]，研究認(rèn)為，只有嚴(yán)格控制火焰中心，保證較小的熱偏差，機(jī)組才能安全穩(wěn)定運(yùn)行，但對(duì)于火焰偏斜的范圍未有明確定論.

本文在一維分區(qū)模型的基礎(chǔ)上，利用區(qū)域法進(jìn)行二維小區(qū)建模，分析研究了鍋爐在不同負(fù)荷下?tīng)t內(nèi)熱負(fù)荷與水冷壁壁溫的分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)了火焰偏斜對(duì)壁溫安全的影響.

1 爐膛分區(qū)

本文所研究的某1 000 MW超超臨界燃煤鍋爐，為變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置，爐膛沿高度方向的18個(gè)分區(qū)如圖1所示.

2 計(jì)算模型

2.1 簡(jiǎn)化假設(shè)

鍋爐爐內(nèi)的燃燒過(guò)程與傳熱過(guò)程相互作用，通常情況下難以處理兩者之間的復(fù)雜耦合關(guān)系，因此，本文首先作了必要的簡(jiǎn)化與假設(shè)：

（1） 爐內(nèi)的燃燒與傳熱獨(dú)立進(jìn)行[5]，由一維模型得到火焰沿爐膛高度方向的溫度分布；

（2） 將火焰視為黑體，呈圓柱形分布于燃燒區(qū)內(nèi)，火焰偏斜僅改變其中心位置而不改變形狀與大??；

（3） 膜式水冷壁單側(cè)接收來(lái)自爐膛內(nèi)的熱量，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)流量均勻，管內(nèi)放熱系數(shù)[6-7]根據(jù)工作狀態(tài)、工質(zhì)物性和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取.

2.2 流動(dòng)模型簡(jiǎn)化

對(duì)四角切圓鍋爐的爐內(nèi)流場(chǎng)作了一定的簡(jiǎn)化，將爐內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡看作是一個(gè)橢圓，通過(guò)一維速度曲線的內(nèi)外斜率α和α′，橢圓中心O點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0），橢圓長(zhǎng)短半徑a、b確定爐內(nèi)流動(dòng)的二維速度場(chǎng)，如圖2所示.

煤粉顆粒粒徑范圍為15～165 μm，并遵循Rosin-Rammler規(guī)律分布.考慮到煤粉顆粒與氣流有一定速度差，不同粒徑的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡可采用拉格朗日方法求解.顆粒運(yùn)動(dòng)方程為

2.3 爐內(nèi)傳熱模型簡(jiǎn)化

爐膛截面分區(qū)示意圖如圖3所示，將燃燒區(qū)內(nèi)介質(zhì)劃分為兩部分：中心火焰區(qū)（Ⅰ）與周?chē)鸁煔鈪^(qū)（Ⅱ），四周水冷壁被劃分為4×10共40個(gè)區(qū)域，由中心熱源向方向角為θ的四周壁面輻射能量.

式中：ddl為爐膛截面當(dāng)量直徑；d0為假想切圓直徑；H為燃燒器高度；B為燃燒器寬度；C為燃燒器間隙；m為一、二次風(fēng)動(dòng)量比.

對(duì)任意高度區(qū)域建立通用的傳熱模型，分析區(qū)域內(nèi)以及相鄰區(qū)域的傳熱情況.分區(qū)為六面體，接收來(lái)自上下兩個(gè)假想面的投入熱量，同時(shí)也向假想面以及四周水冷壁壁面散發(fā)出熱量.由穩(wěn)態(tài)時(shí)的能量平衡關(guān)系[10]，可分別得到任意分區(qū)內(nèi)水冷壁壁面k以及煙氣介質(zhì)l的能量平衡方程，即

式中：SiSk、GlSk分別為分區(qū)各面、分區(qū)空間對(duì)壁面的輻射交換面積；εk為壁面黑度；Ka為煙氣輻射減弱系數(shù)；SiGl、GlGl分別為壁面與空間、空間自身的輻射交換面積；I′、I″分別為流入和流出區(qū)域的煙氣焓；Qr為區(qū)域內(nèi)燃料放熱量；Qd為煙氣與壁面間的對(duì)流傳熱量；Jj為有效輻射量；σ為黑體輻射常數(shù)；Tg為體區(qū)溫度；Tk為面區(qū)溫度；Fk為分區(qū)壁面面積；qj為熱流量；Vg為微元體體積.

大容量高參數(shù)超超臨界鍋爐應(yīng)將爐內(nèi)對(duì)流換熱量Qd考慮在內(nèi)，其計(jì)算式為

式中：Nu為努塞爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；ν、νb分別為溫度T、Tb下的煙氣運(yùn)動(dòng)黏度；Ck為修正系數(shù)，Ck=0.75.

2.4 水冷壁壁溫計(jì)算

通過(guò)校核爐膛出口煙氣溫度，獲得水冷壁壁面熱負(fù)荷分布.若將每根水冷壁管子沿長(zhǎng)度方向分為n小段，沿水冷壁管長(zhǎng)建立能量方程，可得到各微元段長(zhǎng)度ΔS內(nèi)的流量qm及熱負(fù)荷ql，即

式中：d為管子外徑；p為工質(zhì)壓力；t為工質(zhì)溫度；h（p，t）為工質(zhì)焓值.

對(duì)水冷壁管任意微元段，可認(rèn)為是穩(wěn)定傳熱工況下的圓管傳熱，其壁溫Tb可表示為

式中：β為管子外徑與內(nèi)徑之比；δ為管子壁厚；λ為管子導(dǎo)熱系數(shù)；α2為工質(zhì)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)；μ為熱量分流系數(shù).

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 熱負(fù)荷分布

分別選取了標(biāo)高為34、54 m這兩個(gè)較具代表性的爐膛截面進(jìn)行計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較.圖4分別給出了34 m標(biāo)高和54 m標(biāo)高沿水冷壁寬度方向的熱負(fù)荷分布.

試驗(yàn)值與計(jì)算值都表現(xiàn)出燃燒區(qū)的熱負(fù)荷明顯高于燃燼區(qū)，計(jì)算得到工況1下34 m水冷壁壁面熱負(fù)荷為198～479 kW·m-2、54 m壁面熱負(fù)荷為232～372 kW·m-2；工況2下34 m水冷壁壁面熱負(fù)荷為112～304 kW·m-2、54 m壁面熱負(fù)荷為219～352 kW·m-2；工況3下34 m水冷壁壁面熱負(fù)荷為106～332 kW·m-2、54 m壁面熱負(fù)荷為141～220 kW·m-2.

從圖4中可看出，煙氣在旋轉(zhuǎn)上升過(guò)程中，溫度逐漸降低，爐膛充滿(mǎn)度逐漸增大，煙氣各組分逐漸混合均勻，使得火焰對(duì)壁面的熱輻射趨于均勻，因此，隨爐膛高度增加，水冷壁熱負(fù)荷的不均勻性不斷衰減.

鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于最高熱負(fù)荷位置的預(yù)期，一般是在同一標(biāo)高處的每側(cè)墻中部區(qū)域，而四角上的熱負(fù)荷較低，呈中間高兩端低的弧形分布.34 m標(biāo)高處的分布規(guī)律較為明顯，而54 m標(biāo)高位于燃燼風(fēng)層，占總空氣量23%的冷空氣對(duì)此區(qū)域有較強(qiáng)的擾動(dòng)，因而規(guī)律不明顯.

3.2 水冷壁壁溫分布

3.2.1 火焰中心無(wú)偏斜

表2給出了計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的偏差.在所選截面的34個(gè)測(cè)點(diǎn)中，絕大部分測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與試驗(yàn)值之間偏差均較小，最大不超過(guò)5.72%，由此表明，該模型計(jì)算得到的分布結(jié)果可信，模型假設(shè)合理可靠.工況3下34 m標(biāo)高處的壁溫略高于工況2，這主要和燃燒器的投運(yùn)有關(guān)，工況3的火焰中心位置距34 m測(cè)試標(biāo)高的距離較工況2近，壁溫也會(huì)相應(yīng)提高.

從水冷壁壁溫曲線來(lái)看，靠近火焰中心的壁溫較高，遠(yuǎn)離火焰中心的水冷壁壁溫較低.與熱負(fù)荷分布規(guī)律相同，水冷壁壁溫在同一高度處也呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的弧形分布，且隨爐膛高度增加水冷壁壁溫的不均勻性逐漸衰減.壁溫的最高值出現(xiàn)在工況1下，其34 m標(biāo)高處壁溫為400～524℃，54 m標(biāo)高處壁溫為471～506℃.

計(jì)算得到的水冷壁最高壁溫為524℃，低于材料的允許溫度550℃，約有4.72%的安全裕度.因此，在正常運(yùn)行狀況下，不會(huì)發(fā)生管壁超溫現(xiàn)象.

3.2.2 火焰中心有偏斜

當(dāng)火焰中心發(fā)生偏斜時(shí)，工況1最容易出現(xiàn)管壁超溫，因此，計(jì)算了工況1下，火焰不同偏斜距離Δx對(duì)水冷壁壁溫的影響，如圖6所示.計(jì)算中假定了火焰中心向左墻中心逐漸偏斜，偏斜距離分別為0.5、1.0、1.5和2.0 m.結(jié)果表明，壁溫的高低與火焰中心位置有關(guān)，隨著火焰中心逐漸靠近，左墻壁溫逐漸升高，偏斜距離越大，壁溫的波動(dòng)范圍也越大；后墻壁溫的最高位置也逐漸向左墻靠近，靠近左墻處的壁溫會(huì)升高，遠(yuǎn)離左墻處的壁溫則降低.

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)火焰逐漸偏斜至2.0 m處，54 m標(biāo)高的最高壁溫將升高31℃，達(dá)到537℃；34 m標(biāo)高左墻的最高壁溫將升高28℃，達(dá)到552℃，超過(guò)了材料允許溫度.

4 結(jié) 論

（1）本文在一維分區(qū)模型的基礎(chǔ)上，采用區(qū)域法建立了二維小區(qū)換熱模型，研究了爐內(nèi)熱負(fù)荷與壁溫的分布規(guī)律.結(jié)果顯示，絕大部分測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差均較小，表明該模型基本可靠，計(jì)算結(jié)果可信.

（2）在爐膛同一標(biāo)高處，每側(cè)墻的熱負(fù)荷、壁溫都呈現(xiàn)出中部的數(shù)值較大兩邊逐漸降低的弧形分布規(guī)律.計(jì)算得到34 m標(biāo)高處最大壁面熱負(fù)荷為479 kW·m-2，54 m標(biāo)高處的最大壁面熱負(fù)荷為372 kW·m-2.隨爐膛高度增加，煙氣充滿(mǎn)度逐漸增大，煙氣中各組分逐漸混合均勻，水冷壁壁面熱負(fù)荷不均勻性逐漸衰減.

（3）計(jì)算得到火焰未偏斜時(shí)，水冷壁最高壁溫出現(xiàn)在工況1下，其值為524℃.當(dāng)火焰向水冷壁偏斜，壁溫會(huì)相應(yīng)升高.火焰中心偏斜2.0 m后水冷壁壁溫將達(dá)到552℃，超過(guò)了材料允許溫度.故在鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)控制火焰中心最大偏斜不超過(guò)2.0 m，否則容易引起超溫爆管.

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