530 MW等級(jí)T型爐水動(dòng)力安全特性

黃 鶯，郭 馨

(1．高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司)，黑龍江 哈爾濱 150046；2．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引言

水冷壁出口工質(zhì)溫度是直流爐非常重要的控制指標(biāo)，直接決定了水冷壁與尾部受熱面的熱量分配特性。分離器出口工質(zhì)在啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)入分離器進(jìn)行汽水分離，待機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行后分離器則退出運(yùn)行[1-6]。

當(dāng)前鍋爐水冷壁出口工質(zhì)溫度在設(shè)計(jì)工況下約為437～447 ℃，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中工質(zhì)溫度較設(shè)計(jì)值低，約在410～420 ℃。這說(shuō)明水冷壁吸熱比例較少，水冷壁材料的安全裕量高于設(shè)計(jì)值。但不可否認(rèn)，由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，水冷壁材料的老化、減薄問(wèn)題是必然存在的，因此，目前機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對(duì)于保證水冷壁的安全運(yùn)行是非常有力的。充分考慮到機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，機(jī)組不提參數(shù)滑壓運(yùn)行，即主再熱器壓力和溫度保持不變，定壓運(yùn)行改造為滑壓運(yùn)行改造方案。

1 水冷壁改造方案

改造采用哈鍋?zhàn)灾鏖_(kāi)發(fā)研制的530 MW等級(jí)高效超超臨界T型鍋爐技術(shù)。機(jī)組為直流超臨界一次中間再熱固態(tài)排渣變壓煤粉鍋爐，單爐膛爐體結(jié)構(gòu)，采用不帶泵啟動(dòng)系統(tǒng)。原設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)為低質(zhì)量流速以及垂直往復(fù)一次上升輻射，分離器布置于尾部包墻和頂棚管后，無(wú)貯水箱。爐膛為矩形，整體受熱面懸掛在標(biāo)高為86.5 m的鋼結(jié)構(gòu)上。在受熱面膨脹時(shí)，受熱面可自由向下移動(dòng)。由規(guī)格φ32×6，材料12Cr1MoV鰭片管焊接構(gòu)成輻射受熱面，鰭片管間用帶鋼或直接焊接。輻射受熱面構(gòu)成了冷灰斗，爐膛四壁，水平煙道壁，爐膛頂部等，爐膛水冷壁為采用垂直往復(fù)一次上升布置，由上部輻射受熱面(BPЧ)和下部輻射受熱面(HPЧ)組成(以標(biāo)高44.7 m分界)。豎向管屏由管組構(gòu)成，每個(gè)管組有48根管子，管子間距離48 mm。

按照汽水流程先后順序?qū)﹀仩t劃分回路。前后墻冷灰斗到中間集箱(標(biāo)高44.7 m)為水循環(huán)第1回路(這里回路指水冷壁按照爐內(nèi)爐外流程先后順序進(jìn)行劃分的部分，按順序號(hào)串聯(lián)的關(guān)系)；側(cè)墻冷灰斗到中間集箱(標(biāo)高44.7 m)為水循環(huán)第2回路；前后墻中間集箱(標(biāo)高44.7 m)及旁路至爐頂引出為第3回路；側(cè)墻中間集箱(標(biāo)高44.7 m)到折焰角水平煙道、費(fèi)斯頓2(懸吊管)為第4回路。其后回路(分離器前)同樣按照(爐內(nèi)爐外)流程劃分。

根據(jù)鍋爐的原設(shè)計(jì)參數(shù)，鍋爐僅適用于定壓運(yùn)行，且最低負(fù)荷為60%最大蒸發(fā)量。因此，原鍋爐的調(diào)峰能力非常欠缺，與目前國(guó)內(nèi)的主流電力發(fā)展趨勢(shì)不一致。

為解決鍋爐滑壓運(yùn)行及低負(fù)荷調(diào)峰能力，需對(duì)鍋爐水冷壁進(jìn)行改造，為此，提出改造方案為：定壓改滑壓，采用哈鍋典型螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)，即螺旋管圈+垂直管圈布置結(jié)構(gòu)，分離器布置于水冷壁出口，增加貯水箱，尾部包墻和頂棚管屬于過(guò)熱器系統(tǒng)。

從圖1可以看出螺旋管圈均勻布置在爐膛的四面墻，圍繞圈數(shù)在1圈以上，螺旋管圈的同一管帶中的各管子以相同方式從下到上繞過(guò)爐膛的角隅部分和中間部分，水冷壁吸熱均勻，管間熱偏差小，使得水冷壁出口的介質(zhì)溫度和金屬溫度非常均勻。

圖1 哈鍋典型螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)示意圖

2 水冷壁改造水動(dòng)力計(jì)算

(1)水冷壁系統(tǒng)汽水流程

給水經(jīng)省煤器加熱后進(jìn)入水冷壁下集箱，經(jīng)水冷壁下集箱進(jìn)入冷灰斗水冷壁?；叶凡糠值乃浔谟伤浔谙录湟龅墓茏咏M成的管帶圍繞成。經(jīng)過(guò)灰斗拐點(diǎn)后，管帶以一定傾角繼續(xù)盤(pán)旋上升。螺旋管圈由512根光管構(gòu)成,節(jié)距為53 mm，水冷壁通過(guò)中間集箱轉(zhuǎn)換成垂直管屏，垂直管屏由1 546根光管組成，節(jié)距為48 mm (包括后水吊掛管)出口集箱的引出管與下降管相連，下降管分別連接折焰角入口集箱和水平煙道側(cè)墻的下部入口集箱。折焰角的管子穿過(guò)后水冷壁形成水平煙道底包墻，然后形成水平煙道管束與出口集箱相連。水平煙道側(cè)墻出口集箱與煙道管束共引出的連接管與啟動(dòng)分離器相連，形成了爐膛水冷壁系統(tǒng)。

(2)水動(dòng)力計(jì)算回路劃分

下?tīng)t膛螺旋管圈計(jì)算回路劃分:本工程的鍋爐爐膛為長(zhǎng)方形，下?tīng)t膛兩側(cè)墻螺旋管圈各劃分為10個(gè)回路，前后墻螺旋管圈各劃分6個(gè)回路，共32個(gè)回路。

(3)水動(dòng)力計(jì)算管段劃分

下?tīng)t膛部分各回路共劃分約為27個(gè)管段。將冷灰斗拐點(diǎn)以下的各水冷壁管劃分為3個(gè)管段；從冷灰斗拐點(diǎn)至水冷壁中間集箱處的水冷壁螺旋管圈，每個(gè)回路被劃分約為24個(gè)管段。上爐膛部分各回路共劃分為15個(gè)管段。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

(1)典型回路求解結(jié)果

表1列出了下?tīng)t膛螺旋管圈三個(gè)回路在BMCR負(fù)荷時(shí)的主要求解結(jié)果，選取的回路為左側(cè)墻的三個(gè)典型回路，即最短管3回路、平均管6回路和最長(zhǎng)管11回路。

表1 BMCR負(fù)荷時(shí)的下?tīng)t膛典型回路計(jì)算結(jié)果

(2)水冷壁壓力分布計(jì)算結(jié)果

表2列出了BMCR負(fù)荷時(shí)水動(dòng)力計(jì)算得出的水冷壁各部分壓力，表中的系統(tǒng)總壓降是水冷壁入口集箱到分離器之間的壓降，為1.64 MPa。

表2 BMCR負(fù)荷水冷壁各部分壓力分布計(jì)算結(jié)果

(3)回路流量計(jì)算分配結(jié)果

圖2和圖3分別給出了計(jì)算得到的BMCR負(fù)荷時(shí)下?tīng)t膛32個(gè)回路和上爐膛32個(gè)回路單管流量分配情況。從圖可以看出，下?tīng)t膛各回路流量的差別主要是因?yàn)楣茏娱L(zhǎng)度的差別引起的。

圖2 下?tīng)t膛螺旋管圈各回路單管質(zhì)量流速分布

圖3 上爐膛垂直水冷壁各回路單管質(zhì)量流速分布

(4)爐膛出口焓值和汽溫分布計(jì)算結(jié)果

圖4示出了計(jì)算得到的BMCR負(fù)荷時(shí)下?tīng)t膛出口溫度分布?？梢钥闯?，下?tīng)t膛四面墻的溫度分布情況為流量較小的回路相應(yīng)出口溫度值較高。

圖4 下?tīng)t膛螺旋管圈各回路出口汽溫分布

總體來(lái)看，螺旋管圈出口汽溫偏差較小，最短管和最長(zhǎng)管的出口汽溫偏差為6.4 ℃。螺旋管圈各回路吸熱量偏差小，偏差的產(chǎn)生主要來(lái)自于管段長(zhǎng)度，由此導(dǎo)致螺旋管圈出口汽溫偏差較小，這也正是螺旋管圈的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)[7-9]。

圖5示出了計(jì)算得到的BMCR負(fù)荷時(shí)上爐膛出口溫度分布總體來(lái)看，垂直管段偏差明顯大于螺旋段，爐膛壁面出口汽溫偏差約20.2℃，根本原因在于各管段間回路吸熱偏差不同造成的，符合水動(dòng)力安全要求。

圖5 上爐膛螺旋管圈各回路出口汽溫分布

(5)壁溫計(jì)算

對(duì)于BMCR負(fù)荷下的壁溫分布分析，下?tīng)t膛選取第4回路為螺旋管圈壁溫分析對(duì)象；上爐膛垂直水冷壁管壁溫分析對(duì)象選取如下，前墻的受熱最強(qiáng)管45回路進(jìn)行分析。

圖6示出了BMCR負(fù)荷時(shí)下?tīng)t膛4回路壁的工質(zhì)溫度、內(nèi)壁溫度、中間壁溫、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的變化曲線。圖7示出了BMCR負(fù)荷時(shí)上爐膛45回路的工質(zhì)溫度、內(nèi)壁溫度、中間壁溫、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的變化曲線。

圖6 BMCR負(fù)荷下?tīng)t膛4回路壁溫沿爐膛高度分布

圖7 BMCR負(fù)荷上爐膛45回路壁溫沿爐膛高度分布

計(jì)算結(jié)果表明，BMCR負(fù)荷時(shí)鍋爐上、下?tīng)t膛水冷壁溫度和鰭片溫度處于材料允許范圍之內(nèi)，并且裕量很大，鍋爐運(yùn)行是安全的[10-12]。

4 結(jié)論

本文針某電廠530 MW超臨界鍋爐進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)組在BMCR負(fù)荷下的水冷壁的分布進(jìn)行計(jì)算，主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)該電廠530 MW超臨界鍋爐整個(gè)水冷壁系統(tǒng)進(jìn)行了回路和壓力節(jié)點(diǎn)劃分，根據(jù)安全性核算得到了530 MW下各回路的流量分配和節(jié)點(diǎn)壓力分布。

(2)計(jì)算結(jié)果表明，定壓改滑壓后鍋爐在100%負(fù)荷(530 MW)上、下輻射區(qū)四面墻的出口汽溫偏差范圍為6.4～20.2 ℃，鍋爐運(yùn)行是安全的。

(3)變壓運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的降低，壁溫將會(huì)下降。計(jì)算結(jié)果表明，改造后鍋爐530 MW負(fù)荷最高中間點(diǎn)溫度不超過(guò)510 ℃，水冷壁運(yùn)行是安全可靠的。