超臨界W火焰鍋爐水冷壁壁溫特性的控制研究

李美文

摘 ?要：在煤炭資源需求量日益增大的背景下，如何做到資源的高效利用成為煤炭能源領(lǐng)域技術(shù)改進(jìn)的重要內(nèi)容。從近年來大多以煤炭作為原料的發(fā)電站看，其在煤炭燃燒中將耗費(fèi)極多的資源，究其原因在于鍋爐的燃燒模式不合理。在此背景下便提出W火焰鍋爐，其能夠以新型的煤粉燃燒方式被運(yùn)用于企業(yè)中，但由于機(jī)組規(guī)模呈逐年擴(kuò)大趨勢(shì)，單純依托于以往燃燒控制技術(shù)將無法保證W火焰鍋爐的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)此，文章將對(duì)超臨界W火焰鍋爐的相關(guān)概述、汽水物熱性問題以及相關(guān)的優(yōu)化控制策略進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：超臨界;W火焰鍋爐;水冷壁;優(yōu)化控制

前言

超臨界W火焰鍋爐將鍋爐技術(shù)、超臨界技術(shù)等集于一體，可保證煤炭燃燒中資源浪費(fèi)的問題得以解決。然而因這種超臨界W鍋爐采取的為疊加技術(shù)，在運(yùn)行中容易出現(xiàn)水冷壁壁溫特性問題，若無法對(duì)其進(jìn)行有效控制，將制約鍋爐運(yùn)行效率的進(jìn)一步提升。因此，文章通過對(duì)鍋爐運(yùn)行問題與水冷壁壁溫特性的分析，對(duì)提升鍋爐運(yùn)行效果與資源節(jié)約具有十分重要的意義。

1 超臨界W火焰鍋爐的相關(guān)概述

關(guān)于超臨界W火焰鍋爐，其主要將W火焰鍋爐技術(shù)、超臨界技術(shù)等融入其中，二者各自運(yùn)行中存在較多弊端。以其中的超臨界鍋爐的為例，設(shè)計(jì)過程中的水冷壁主要以垂直管屏為主，運(yùn)行中出現(xiàn)的問題較為明顯，具體包括：第一，正流量在垂直管屏內(nèi)不具備補(bǔ)償特征，若鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)燃燒方式改變的問題，此時(shí)便會(huì)導(dǎo)致火焰發(fā)生偏移，整個(gè)水冷壁中熱負(fù)荷由此不斷變化，壁溫偏差逐漸拉大。第二，超臨界鍋爐設(shè)計(jì)中因忽視節(jié)流孔板對(duì)熱負(fù)荷的影響，導(dǎo)致流量在水冷壁中難以均勻分配，進(jìn)而出現(xiàn)壁溫偏差問題[1]。

另外，從W火焰鍋爐運(yùn)行情況看，其存在的問題主要表現(xiàn)在：首先在設(shè)計(jì)過程中有較多衛(wèi)燃帶存在于燃燒室中，且爐膛在高度設(shè)置上較低，這樣鍋爐運(yùn)行中難以保證足夠的蒸發(fā)吸熱，加上鍋爐壓力變動(dòng)無法保持較快的速度，使氣溫出現(xiàn)的波動(dòng)問題逐漸明顯。其次，燃燒調(diào)節(jié)、制粉系統(tǒng)運(yùn)行等都因燃燒效率問題而受到影響，若燃燒不具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，鍋爐中的煤質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，這樣在燃燒調(diào)節(jié)與制粉系統(tǒng)運(yùn)行方面都將出現(xiàn)問題。最后，若燃燒器噴口保持向下狀態(tài)，一旦面臨低負(fù)荷情況便可能發(fā)生火焰短路情況，進(jìn)而導(dǎo)致火焰發(fā)生偏離，水冷壁壁溫變化極為明顯。綜合來看，無論W火焰鍋爐或超臨界鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，壁溫變化都較為明顯，需采取相應(yīng)的控制策略[2]。

2 汽水熱物性在超臨界中的具體表現(xiàn)

2.1 汽水物熱性受水冷壁工質(zhì)影響分析

超臨界環(huán)境下，對(duì)水冷壁壁溫影響最大的主要以工質(zhì)溫度特性為主。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱負(fù)荷恒定、水冷壁管型一定的情況下，與模擬臨界溫度相比，若工質(zhì)溫度與其保持接近，比熱值會(huì)在溫度提高的背景下不斷上升，這樣水冷壁的熱量都會(huì)被工質(zhì)吸收，壁管傳熱強(qiáng)度會(huì)由此增強(qiáng)。但在臨界溫度小于工質(zhì)溫度的情況下，比熱值將在溫度升高的情況下逐漸下降，由于壁面熱量無法被工質(zhì)吸收，此時(shí)水冷壁整體傳熱效果將被削弱。由此可見，不同臨界溫度下，水冷壁壁面在傳熱效果上也存在較多的差異。但需注意的是，工質(zhì)溫度并非決定水冷壁管傳熱效果的唯一因素，根據(jù)以往學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力恒定的情況下，熱負(fù)荷、水冷壁管型等很可能受壁面工質(zhì)熱物性影響。當(dāng)熱負(fù)荷過高時(shí)，由于相關(guān)的溫導(dǎo)系數(shù)、比熱等參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量流速無法被有效控制，這樣壁面在傳熱中很可能存在類膜態(tài)沸騰的現(xiàn)象。

另外，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)可分析，若臨界溫度高出水溫時(shí)，管壁的傳熱系數(shù)會(huì)在質(zhì)量流速增加的情況下得以提升。例如，若質(zhì)量流速初始保持在800kg/（m2·s），管壁傳熱系數(shù)約為22.6kW/（m2·K），但在質(zhì)量流速上升至1200kg/（m2·s）的情況下，傳熱系數(shù)將保持在32.0kW（m2·K）左右。然而，從壓力變化角度看，傳熱效果將在壓力升高的條件下不斷削弱。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中需考慮到做好管內(nèi)工質(zhì)的控制工作，避免因工質(zhì)熱物性改變而使水冷壁整體傳熱效果受到影響[3]。

2.2 汽水熱物性受鍋爐類型影響分析

對(duì)于超臨界鍋爐，將W火焰技術(shù)應(yīng)用其中，其存在的問題主要表現(xiàn)在：首先，蒸發(fā)吸熱受到影響。由于水冷壁的吸熱能力不斷下降，當(dāng)其出口溫度保持為400℃時(shí)，需使受熱面進(jìn)行擴(kuò)大，以此保證蒸發(fā)吸熱的效果。其次，W火焰技術(shù)引入鍋爐中，爐膛所接收的燃燒放熱量便會(huì)逐漸增大，使水冷壁整體難以保持均勻吸熱。最后，水冷壁阻力在縮腰并管結(jié)構(gòu)影響下會(huì)逐漸上升，因重位壓頭能力下降，水冷壁中的正流量將無法得到補(bǔ)償。但從優(yōu)勢(shì)上看，W火焰技術(shù)引入也為超臨界鍋爐的運(yùn)行注入新鮮的活力，原因在于有較多衛(wèi)燃帶的存在，其能夠保證工質(zhì)不會(huì)受到主燃燒區(qū)影響。同時(shí)，水冷壁中設(shè)置衛(wèi)燃帶，能夠?qū)⒘鲃?dòng)壓降進(jìn)行降低，或直接通過內(nèi)螺紋管的設(shè)置，可使質(zhì)量流速得以提升。因此實(shí)際改善過程中，應(yīng)注重從爐型結(jié)構(gòu)方面著手，可通過爐膛高度的控制使鍋爐性能得以提升[4]。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)水冷壁的具體策略

現(xiàn)行對(duì)于超臨界W火焰鍋爐，在優(yōu)化中常用的方式主要有螺旋管圈、垂直管屏兩種方式。國(guó)內(nèi)常見的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案主要以垂直管屏為主，其能夠使質(zhì)量流速保持1000kg（m2·s），但需注意這種方式應(yīng)用下需考慮到正流量補(bǔ)償特性所帶的的溫差變化問題。通過國(guó)內(nèi)較多企業(yè)設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，垂直管屏設(shè)計(jì)中主要以內(nèi)螺紋管為主，當(dāng)質(zhì)量流速超出400kg/（m2·s），且最大流速范圍保持在1200kg/（m2·s）內(nèi)，此時(shí)在熱負(fù)荷上漲的情況下，質(zhì)量流速會(huì)出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，可由此判斷正流量具有一定的補(bǔ)償特性。在實(shí)際優(yōu)化中，首先可對(duì)內(nèi)螺紋管型進(jìn)行優(yōu)化，可根據(jù)質(zhì)量流速要求使內(nèi)螺紋管在管理溫度上保持合理，且在重位壓降上不斷提升，能夠滿足正流量補(bǔ)償特性要求。其次，需在工質(zhì)溫度上采取相應(yīng)的控制措施。根據(jù)超臨界鍋爐運(yùn)行情況，其在工質(zhì)溫度不合理的情況下容易影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)若設(shè)計(jì)中對(duì)節(jié)流孔板未采取相應(yīng)的質(zhì)量控制措施，也可能導(dǎo)致水冷壁流量難以合理分配，且熱負(fù)荷分布也會(huì)受到影響。因此，在工質(zhì)溫度控制中應(yīng)結(jié)合當(dāng)前的水溫、工質(zhì)壓力、熱負(fù)荷等具體參數(shù)，確保溫度偏差能夠在正流量補(bǔ)償、熱負(fù)荷減少的情況下得以解決。除此之外，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中還需對(duì)鍋爐蒸汽參數(shù)、水溫等進(jìn)行考慮。以其中的水溫為例，通常超臨界W鍋爐水溫需保證維持在284℃左右。若水溫不合理，便會(huì)因蒸發(fā)吸熱效果過低而使工質(zhì)溫度難以得到有效控制。因此，設(shè)計(jì)中除保證水溫合理外，需根據(jù)相關(guān)蒸汽參數(shù)等級(jí)，以此解決壁溫溫差問題[5]。

4 結(jié)束語

超臨界W鍋爐的優(yōu)化是提升鍋爐運(yùn)行效果的重要途徑。實(shí)際優(yōu)化中應(yīng)正確認(rèn)識(shí)鍋爐運(yùn)行中水冷壁壁溫溫差問題，分析汽水熱物性受鍋爐類型、工質(zhì)溫度的影響，在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的優(yōu)化策略，包括內(nèi)螺紋管的優(yōu)化、給水溫度控制以及蒸汽參數(shù)優(yōu)化等，這樣才可達(dá)到水冷壁壁溫問題解決的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉佳利.超臨界W火焰鍋爐水冷壁壁溫特性控制研究[D].昆明理工大學(xué)，2014.

[2]尹猛.600MW超臨界W火焰鍋爐燃燒過程數(shù)值模擬的研究[D].華北電力大學(xué)，2014.

[3]鄭樹，羅自學(xué)，周懷春.超臨界W型鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)的分布參數(shù)建模研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，35：8-14+4.

[4]樊泉桂，閻書耕.超臨界“W”火焰鍋爐水冷壁的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電力，2010，8：13-17.

[5]朱明，張忠孝，周托，等.1000MW超超臨界塔式鍋爐爐內(nèi)水冷壁壁溫計(jì)算研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012，1：1-9.