700 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐水動(dòng)力特性及壁溫分布規(guī)律研究

祁 成

700 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐水動(dòng)力特性及壁溫分布規(guī)律研究

祁 成

（大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 青島 266599）

為了掌握700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐水動(dòng)力特性和壁溫分布規(guī)律，以某600 MW， 35 MPa/700 ℃/720 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐為例，采用通用水動(dòng)力計(jì)算方法對(duì)700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐的水動(dòng)力特性和壁溫分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析。結(jié)果表明，隨著高度的增加，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度基本呈線(xiàn)性增加，管壁壁溫也隨之升高，換熱溫差沿程變化不大，大比熱容區(qū)流體換熱性能良好，有效地抑制了高熱負(fù)荷區(qū)域壁溫的峰值。螺旋管圈水冷壁能夠有效地控制700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁的壁溫偏差。但是，由于700 ℃鍋爐工作參數(shù)的提升，水冷壁出口壁溫仍然高達(dá)520 ℃左右，這對(duì)鍋爐水冷壁材料和鍋爐的實(shí)際運(yùn)行均提出了更高的要求。

700 ℃；超超臨界機(jī)組；鍋爐；水冷壁；水動(dòng)力特性；壁溫分布；高效發(fā)電

目前，我國(guó)高效火力發(fā)電已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，例如，萊蕪電廠的31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃二次再熱機(jī)組發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到48.12%，發(fā)電煤耗為255.29 g/(kW·h)，供電煤耗為266.18 g/(kW·h)，刷新了世界紀(jì)錄[1]。但是進(jìn)一步提高火電機(jī)組效率仍將是火電發(fā)展的重要方向，對(duì)我國(guó)電力的發(fā)展意義重大。其中，700 ℃超高參數(shù)超超臨界火力發(fā)電技術(shù)是被公認(rèn)的未來(lái)高效發(fā)電技術(shù)之一。

為了追求更高的效率，美國(guó)、日本、歐洲從上世紀(jì)80年代開(kāi)始相繼開(kāi)展了超超臨界700 ℃發(fā)電技術(shù)的研究，研究重點(diǎn)集中在高溫部件的開(kāi)發(fā)。從上世紀(jì)90年代末開(kāi)始，歐洲、日本、美國(guó)、印度等國(guó)家和地區(qū)陸續(xù)啟動(dòng)了700 ℃超超臨界發(fā)電技術(shù)研究計(jì)劃，如歐洲的AD-700[2]及后續(xù)系列計(jì)劃，美國(guó)的USC計(jì)劃（Ultra-Supercritical Steam Project）[3]，日本的A-USC計(jì)劃[3]，印度700 ℃技術(shù)發(fā)展規(guī)劃[4]等。我國(guó)700 ℃發(fā)電技術(shù)的研究也緊跟世界步伐。國(guó)家能源局組織了“700 ℃聯(lián)盟”開(kāi)展相關(guān)研究[5]，2018年國(guó)家科技部再次通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“700 ℃等級(jí)高效超超臨界發(fā)電技術(shù)”資助700 ℃發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

700 ℃發(fā)電技術(shù)的研究包含高溫合金材料研制、鍋爐、汽輪機(jī)關(guān)鍵高溫部件的加工制造、高溫閥門(mén)制造、高溫材料及關(guān)鍵部件的實(shí)爐驗(yàn)證、700 ℃超超臨界示范電站的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行等[4]，且經(jīng)過(guò)各國(guó)研究人員的努力，均取得了豐碩的成果[6-10]。

700 ℃超超臨界鍋爐是700 ℃發(fā)電技術(shù)的核心設(shè)備之一。肖平等[11]提出了“M”型及倒置型700 ℃鍋爐布置方案，相較傳統(tǒng)布置方案，該方案通過(guò)改變煙氣流程、降低高溫受熱面布置標(biāo)高，可大大縮短700 ℃主蒸汽管道長(zhǎng)度，從而大幅降低電站建設(shè)成本，具有顯著的創(chuàng)新性和經(jīng)濟(jì)性。陳端雨等[12]針對(duì)700 ℃超超臨界壓力二次再熱鍋爐，通過(guò)比較Ⅱ型和塔式2種布置的1 000 MW級(jí)鍋爐設(shè)計(jì)案例，探討了參數(shù)對(duì)爐型選擇、水冷壁設(shè)計(jì)、再熱調(diào)溫方式、煙氣余熱的深度利用、材料和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等問(wèn)題。孫獻(xiàn)斌[13]在總結(jié)國(guó)內(nèi)330 MW和 600 MW循環(huán)流化床（CFB)鍋爐開(kāi)發(fā)研制及工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了蒸汽溫度為700 ℃的350 MW超超臨界CFB鍋爐方案設(shè)計(jì)，并對(duì)工質(zhì)流程及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算和設(shè)計(jì)研究。王崇斌等[14-15]針對(duì)超超臨界600 MW機(jī)組主蒸汽溫度為700 ℃的鍋爐水冷壁、過(guò)熱器等受熱面的選材問(wèn)題展開(kāi)了詳細(xì)研究，并提出了700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐受熱面的選材建議。

但是從公開(kāi)的文獻(xiàn)資料可知，目前700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐的研究多集中在爐型設(shè)計(jì)、受熱面布置、受熱面選材等方面。而涉及700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐的水動(dòng)力和壁溫研究相對(duì)較少。本文擬以Ⅱ型700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐為例，展開(kāi)水動(dòng)力和壁溫研究，為該型鍋爐的合理設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 鍋爐概況

本文研究對(duì)象為600 MW，35 MPa/700 ℃/ 720 ℃的超超臨界一次再熱鍋爐，爐膛尺寸為 20.35 m×14.20 m，爐膛高度59 m，采用前后墻對(duì)沖燃燒方式。爐膛下部布置有螺旋水冷壁，爐膛上部布置有墻式再熱器和屏式過(guò)熱器，水平煙道內(nèi)布置有高溫過(guò)熱器和高溫再熱器。煙道由中隔墻分為前后煙道，前煙道中布置低溫再熱器，后煙道中布置低溫過(guò)熱器。中隔墻的下方布置有省煤器。鍋爐受熱面布置如圖1所示，鍋爐設(shè)計(jì)煤種和校核煤種的煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。

1—螺旋水冷壁；2—儲(chǔ)水罐；3—屏式過(guò)熱器；4—高溫過(guò)熱器；5—汽水分離器；6—墻式再熱器；7—高溫再熱器；8—包覆過(guò)熱器；9—低溫再熱器；10—低溫過(guò)熱器；11—省煤器。

表1 設(shè)計(jì)煤種和校核煤種煤質(zhì)分析

Tab.1 Quality analysis for the design coal and check coal

BMCR工況時(shí)，過(guò)熱蒸汽流量為1 600 t/h，過(guò)熱蒸汽壓力為35.0 MPa，過(guò)熱蒸汽溫度為700 ℃，再熱蒸汽流量為1 290 t/h，再熱蒸汽壓力為7.2 MPa，再熱蒸汽溫度為720 ℃，給水溫度為326.4 ℃，燃料消耗量為207.6 t/h，排煙溫度為116.56℃，鍋爐效率為94.23%。

2 水動(dòng)力計(jì)算模型及邊界條件

首先針對(duì)本文研究鍋爐構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)Fluent對(duì)爐側(cè)燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取水冷壁熱負(fù)荷分布數(shù)據(jù)，作為水動(dòng)力計(jì)算的輸入?yún)?shù)。圖2為根據(jù)該鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)建立的計(jì)算模型，整個(gè)爐膛共劃分為193萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

圖2 爐膛模型

湍流采用Realisable-模型[16]模擬，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)采用Lagrangian方法計(jì)算，爐內(nèi)輻射傳熱采用DO模型計(jì)算[17]。煤粉燃燒過(guò)程可分為兩部分：1）揮發(fā)分從煤粉顆粒中析出，然后以氣態(tài)形式燃燒；2）殘留的焦炭顆粒進(jìn)行非均相氧化過(guò)程。揮發(fā)分的析出過(guò)程用被廣泛使用的兩步競(jìng)爭(zhēng)模型[18]計(jì)算，兩步競(jìng)爭(zhēng)模型假設(shè)揮發(fā)分的析出速率取決于2個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)，一個(gè)在低溫時(shí)占主導(dǎo)地位，一個(gè)在高溫時(shí)占主導(dǎo)地位。揮發(fā)分的均相燃燒假設(shè)化學(xué)反應(yīng)速率無(wú)限大，只要混合就燃燒。瞬時(shí)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)用瞬時(shí)混合物的組分表示，單個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由平均混合組分和組分變量決定?；瘜W(xué)反應(yīng)和湍流之間的相互作用用PDF模型考慮[19]。反應(yīng)過(guò)程用Field模型[20]計(jì)算，其中反應(yīng)速率取決于化學(xué)動(dòng)力學(xué)速率和外部氧氣擴(kuò)散到焦炭表面的速率。模擬所用煤種為表1中設(shè)計(jì)煤種，數(shù)值模擬主要參數(shù) 見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬主要參數(shù)

Tab.2 The major parameters for numerical simulation

圖3為通過(guò)爐內(nèi)燃燒的數(shù)值模擬獲得的壁面熱流密度分布結(jié)果。

圖3 水冷壁熱流密度分布

根據(jù)本文數(shù)值模擬獲得的水冷壁壁面熱流密度，可以計(jì)算出本文水動(dòng)力計(jì)算模型中各個(gè)單元的吸熱量，并作為水動(dòng)力計(jì)算的輸入?yún)?shù)。隨后通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算，可得出該600 MW，35 MPa/700 ℃/ 720 ℃超超臨界一次再熱鍋爐水冷壁的流量分配規(guī)律和壁溫分布特點(diǎn)。

本文水動(dòng)力計(jì)算依據(jù)《電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法》（JB /Z 201—1983）[21]，采用通用水動(dòng)力計(jì)算方法[22-25]進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)鍋爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)型式，在水動(dòng)力計(jì)算建模時(shí)，將水冷壁分為前、右、后、左墻模塊，前墻和后墻模塊分別分為16×15組管屏，左側(cè)墻和右側(cè)墻模塊分別分為16×9組管屏，即將水冷壁共分成768個(gè)不同的單元。每個(gè)單元之間的連接關(guān)系及工質(zhì)流程則嚴(yán)格按照鍋爐實(shí)際結(jié)構(gòu)和流程設(shè)置。

3 結(jié)果及分析

本文對(duì)設(shè)計(jì)煤種BMCR工況時(shí)水冷壁的水動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析，并獲取水冷壁沿高度方向和沿周向的壁溫分布規(guī)律。圖4—圖7分別為前墻、右墻、后墻和左墻的水冷壁入口中心管沿流動(dòng)方向的工質(zhì)溫度分布和壁溫分布。

圖4 前墻中線(xiàn)壁溫分布

圖5 右墻中線(xiàn)壁溫分布

圖6 后墻中線(xiàn)壁溫分布

圖7 左墻中線(xiàn)壁溫分布

圖中橫坐標(biāo)為高度節(jié)點(diǎn)，8點(diǎn)即為水冷壁出口位置（即螺旋管圈水冷壁出口集箱處，具體位置見(jiàn)圖1）。

從圖4—圖7可以看出：前墻、右墻、后墻和左墻的平均壁溫最高值分別為503.6、510.3、503.6、507.8 ℃，向火側(cè)壁溫最高值分別為514.8、521.5、514.8、518.9 ℃；隨著高度的增加，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度基本上呈線(xiàn)性增加，管壁平均壁溫（沿管子周向平均）和管子向火側(cè)壁溫也隨之增加，且沿程的換熱溫差變化不大。這主要是因?yàn)槁菪苋λ浔谟行У販p小了熱負(fù)荷分布不均帶來(lái)的熱偏差，各受熱面工質(zhì)溫升較為均勻。另外，沿高度方向上超臨界水的大比熱容區(qū)剛好位于熱負(fù)荷較高的區(qū)域，其良好的換熱性能有效地抑制了該區(qū)域壁溫的升高。

圖8、圖9為水冷壁工質(zhì)溫度和壁溫沿爐膛周向的分布規(guī)律。其中，圖8為燃燒器上沿?zé)嶝?fù)荷較高區(qū)域的壁溫周向分布，圖9為水冷壁出口壁溫周向分布。

圖8 火焰中心區(qū)域（標(biāo)高30.86 m）水冷壁壁溫周向分布

圖9 水冷壁出口壁溫周向分布

從圖8可以看出，標(biāo)高30.86 m位置水冷壁工質(zhì)溫度、平均壁溫、向火側(cè)壁溫沿爐膛周向的平均值分別為433.91、455.92、469.71 ℃；最高值為436.06、459.36、473.78 ℃，出現(xiàn)在右墻中間區(qū)域；最小值為431.58、452.47、465.86 ℃，出現(xiàn)在后墻左側(cè)區(qū)域。該水平方向，平均壁溫的壁溫偏差僅為6.9 ℃，螺旋管圈水冷壁抑制壁溫偏差效果非常明顯。

從圖9可以看出，水冷壁出口工質(zhì)溫度、平均壁溫、向火側(cè)壁溫沿爐膛周向的平均值分別為478.59、501.81、512.79 ℃；最高值為485.71、510.75、522.26 ℃，出現(xiàn)在右墻中間區(qū)域；最小值為470.85、492.02、502.70 ℃，出現(xiàn)在后墻左側(cè)區(qū)域。該水平方向，平均壁溫的壁溫偏差為18.73 ℃，壁溫偏差仍然控制在較為理想的范圍。

綜上可見(jiàn)，采用螺旋管圈水冷壁的600 MW，35 MPa/700 ℃/720 ℃超超臨界一次再熱鍋爐能夠有效地控制水冷壁周向的壁溫偏差。但是由于鍋爐整體工作參數(shù)的提升，水冷壁出口區(qū)域壁溫仍然高達(dá)520 ℃左右，這對(duì)鍋爐水冷壁材料和鍋爐的實(shí)際運(yùn)行均提出了更高的要求。

圖10為水冷壁出口質(zhì)量流速周向分布。

圖10 水冷壁出口質(zhì)量流速周向分布

從圖10可以看出，水冷壁內(nèi)工質(zhì)整體上呈負(fù)流量響應(yīng)特性，但是由于采用了螺旋管圈的布置形式，有效抑制了熱負(fù)荷偏差，負(fù)流量響應(yīng)特性非常微弱，流量分配較為均勻。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）本文所研究的700 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐，無(wú)論是前墻、右墻、后墻還是左墻，隨著高度的增加，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度基本上呈線(xiàn)性增加，管壁平均壁溫和管子向火側(cè)壁溫也隨之增加。大比熱容區(qū)流體良好的換熱性能有效地抑制了高熱負(fù)荷區(qū)域壁溫的峰值。

2）采用了螺旋管圈水冷壁的600 MW，35 MPa/ 700 ℃/720 ℃超超臨界一次再熱鍋爐能夠有效地控制水冷壁周向的壁溫偏差。但是由于鍋爐整體工作參數(shù)的提升，水冷壁出口區(qū)域壁溫仍然高達(dá)520 ℃左右，這對(duì)鍋爐水冷壁材料和鍋爐的實(shí)際運(yùn)行均提出了更高的要求。

3）本文中的700 ℃超超臨界一次再熱鍋爐水冷壁整體上仍呈負(fù)流量響應(yīng)特性，但是由于采用了螺旋管圈的布置形式，有效抑制了熱負(fù)荷偏差，負(fù)流量響應(yīng)特性非常微弱，流量分配較為均勻。

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Hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of a 700 ℃ ultra-supercritical single reheat П type boiler

QI Cheng

(Datang Huangdao Power Generation Co., Ltd., Qingdao 266599, China)

To master the hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of 700 ℃ultra supercritical unit boiler’s hydrodynamic characteristics, this paper takes a 600 MW, 35 MPa/700 ℃/720 ℃ ultra supercritical unit with single reheat П type boiler as an example to carry out numerical calculation by universal hydrodynamic calculation method. The results show that, along the wall height direction, the working fluid temperature increases linearly, the wall temperature increases correspondingly, while the heat transfer temperature has little change. The good heat transfer performance of the fluid in the large specific heat region effectively inhibits the peak value of the wall temperature in the high heat load region. Using coiled water wall can control the wall temperature deviation effectively. However, due to the increase of working parameters of the 700 ℃ ultra-supercritical boiler, the outlet wall temperature of the water wall is still as high as 520 ℃, which puts forward higher requirements for boiler water wall materials and the actual operation of boiler.

700 ℃, ultra-supercritical unit, boiler, water wall, hydrodynamic performance, wall temperature distribution, efficient power generation

TK223.3+1；TK212+.2

A

10.19666/j.rlfd.201905132

祁成. 700 ℃超超臨界一次再熱П型鍋爐水動(dòng)力特性及壁溫分布規(guī)律研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 58-63. QI Cheng. Hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of a 700 ℃ ultra-supercritical single reheat П type boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 58-63.

2019-05-29

祁成(1964)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師（副高），大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司總經(jīng)理，主要研究方向?yàn)榛痣姀S環(huán)保、生物質(zhì)能等新型發(fā)電技術(shù)，dtsdqc@163.com。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）