超臨界W鍋爐啟動階段水冷壁壁溫特性分析

黃曉剛，陳 文，曾 俊

(1.中電永新運營有限公司，平順 77028;2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院(高效清潔火力發(fā)電技術湖南省重點實驗室)，長沙 410007)

0 引 言

W火焰鍋爐一般爐膛寬度較大，因大部分燃用劣質煤其爐膛溫度水平高，常常也帶來水冷壁超溫、鰭片撕裂、膨脹受阻、爆管等問題。水冷壁的安全是超臨界和超超臨界鍋爐穩(wěn)定運行的關鍵，尤其在鍋爐啟動階段、變負荷階段，部分燃燒器的投運或退出會使爐內燃燒的流場發(fā)生變化，近壁面的溫度和熱流密度均會發(fā)生變化，使爐內溫度場分布不均勻[1-4]，水冷壁的壁溫也會隨之發(fā)生變化，多臺W鍋爐在投運初期發(fā)生過水冷壁拉裂、結焦砸傷水冷壁、超溫爆管等，嚴重影響機組運行的安全性。國內外學者對水冷壁傳熱特性和壁溫的研究大多是從管內傳熱出發(fā)，對爐膛內溫度場進行數(shù)值模擬和實驗研究[5-8]，筆者對某600 MW 超臨界“W”鍋爐啟動階段水冷壁管壁溫度分布特性進行了分析，結合該W鍋爐啟動階段水冷壁壁溫分布特點，提出了優(yōu)化運行的注意事項，為同類型鍋爐提供依據(jù)和參考。

1 系統(tǒng)簡介

某電站鍋爐為東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的600 MW e超臨界“W”火焰直流爐，設計燃用本地無煙煤，采用6臺MGS4772雙進雙出鋼球磨。設計參數(shù)見表1，鍋爐下爐膛尺寸(寬×深×高)32 121×17 100×38 000 mm，設計爐膛截面熱負荷4.70 MW/m2，爐膛容積熱負荷81.13 kW/m3，采用雙旋風煤粉濃縮型燃燒器。

表1 設計參數(shù)表

下爐膛四面墻由垂直優(yōu)化內螺紋管及鰭片連接組成，水冷壁材質SA-213T12，規(guī)格φ31.8×5.5 mm；上爐膛在爐拱至過渡段水冷壁出口混合集箱之間的水冷壁采用與下爐膛相同的優(yōu)化內螺紋管，水冷壁上部采用垂直管屏，材質12Cr1MoVG，規(guī)格φ31.8×7 mm。給水經(jīng)過渡段水冷壁后進入水冷壁過渡段出口混合聯(lián)箱，從混合聯(lián)箱出來后進入上部垂直水冷壁管。上部水冷壁設計為垂直管排，由前側管排、折焰角部分管屏、AB側管屏、后水拉稀管、水平煙道底部等構成。

2 鍋爐水冷壁壁溫特性分析

為了監(jiān)視鍋爐運行期間水冷壁壁溫情況，保證鍋爐的安全運行，在鍋爐每面墻布置了溫度測點。下部水冷壁出口共布置272個，上部水冷壁出口布置265個。

W鍋爐在啟動過程中由于熱負荷的不均勻性，易造成水冷壁壁溫偏差大。為保證水冷壁運行的安全性，在設計上增加了過渡段中間混合集箱，以增大對惡劣工況的適應性，正常運行期間要求相鄰兩根水冷壁管子之間的溫度偏差不高于30 ℃，同一側墻垂直管出口任意兩根管子之間的溫度偏差不高于80 ℃。

2.1 爐膛下水冷壁壁溫特性

與有些螺旋水冷壁不同，該W鍋爐爐膛下水冷壁由垂直內螺紋管及鰭片組成，為分析下爐膛水冷壁在啟動過程中的壁溫分布特性，記錄機組在啟動過程中的壁溫曲線，并對啟動過程中的壁溫進行分析。如圖1所示，爐膛下水冷壁壁溫隨負荷的變化曲線，在并網(wǎng)后至鍋爐轉直流負荷前，前后墻下部水冷壁壁溫隨著負荷的增加緩慢升高，壁溫溫升率較小，此階段平均壁溫在320 ℃以下。

圖1 下部水冷壁壁溫特性

在轉直流負荷階段，下水冷壁壁溫的變化較大，壁溫升高較快，此負荷段鍋爐改為煤水比和中間點過熱度控制，給水量不再跟蹤儲水罐水位，而水冷壁出口已是過熱蒸汽。超(超)臨界鍋爐的爐膛下部水冷壁由于采用內螺紋管和較大的質量流速，下爐膛水冷壁內工質為未飽和水，一般不出現(xiàn)水冷壁管壁超溫的現(xiàn)象。從壁溫特性曲線看，應注意轉直流負荷段的壁溫控制，燃料量和給水量應匹配并降低燃料量的增加速率。鍋爐轉入直流狀態(tài)運行后，隨著鍋爐負荷的增加，燃料量/給水量也逐步增加，水冷壁溫度隨“中間點”吸熱量的變化而變化，爐膛下部水冷壁出口管壁溫隨著負荷的增加而增加，前后墻壁溫變化趨勢基本一致，平均壁溫均在400 ℃以下。

2.2 爐膛上水冷壁壁溫特性

上部水冷壁為垂直管屏，如圖2所示為鍋爐啟動階段上部水冷壁出口壁溫曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖2 爐膛上部水冷壁出口壁溫特性

(1)在并網(wǎng)后至轉直流負荷前，上部水冷壁壁溫特性曲線與下部水冷壁基本一致，隨著負荷的增加壁溫逐漸緩慢升高，前后墻壁溫特性基本一致，壁溫偏差也不大。

(2)在轉直流負荷段至380 MW，上部水冷壁壁溫發(fā)生突升，壁溫升高較快，至280 MW時上部水冷壁最高壁溫/最低壁溫偏差已經(jīng)超過100 ℃。此階段由于負荷的增加，鍋爐轉入直流方式運行，而超臨界直流鍋爐的運行控制方式轉為煤水比和中間點過熱度控制，實際運行中中間點并不是一個固定點，它會隨著吸熱量的變化上下移動，當受熱增強時過熱度上升，吸熱量減小時過熱度下降。因直流鍋爐垂直水冷壁出口已是過熱蒸汽，當中間點過熱度發(fā)生變化時，水冷壁管內的工質在水冷壁中的汽化點位置也會發(fā)生變化，水冷壁管壁溫度也會隨著發(fā)生變化。鍋爐轉直流運行后，隨著鍋爐負荷的上升，水冷壁內給水質量流量增加，管內工質的質量含汽率逐漸增加，傳熱系數(shù)也發(fā)生變化，質量含汽率的增加使上部水冷壁壁溫更敏感。

超(超)臨界鍋爐在30%～90% BMCR內一般采用變壓運行方式，為控制壁溫和主蒸汽參數(shù)，超臨界W鍋爐有時在負荷35%BMCR以上才轉入直流運行。結合該W鍋爐的實際，在250～350 MW負荷段，鍋爐轉入直流運行，此階段是一個熱負荷和給水量同步增大的過程，工質的熱物理特性變化也較大。受工質物性參數(shù)變化的影響，發(fā)生膜態(tài)沸騰和類膜態(tài)沸騰的可能性也增大[9]。在W鍋爐運行期間為了防止水冷壁管壁超溫和管壁之間壁溫偏差大，一般采取均衡溫度場和氧量場、控制管外熱負荷的增加速率等方式。在此升負荷階段，應注意控制水煤比，尤其是控制燃料量的增加速率，這是保證水冷壁安全運行的重要措施。

(3)隨著負荷的進一步增加，上部水冷壁壁溫逐步升高，前后墻趨勢基本相同。在直流負荷以上運行時，上部水冷壁出口工質為過熱蒸汽，水冷壁內工質的相變點也將隨著負荷的變化而上下移動，水冷壁壁溫會隨著負荷、管內工質流量、熱負荷的變化而波動。

表2 轉直流升負荷階段上部水冷壁壁溫

2.3 沿爐膛高度方向水冷壁壁溫特性

在直流負荷以下運行時，水冷壁出口工質為汽水混合物，此負荷段爐膛上下部水冷壁壁溫相差不大，基本相差不超過10 ℃。超臨界W鍋爐轉入直流狀態(tài)運行后，水冷壁出口工質為過熱蒸汽，根據(jù)該鍋爐機組運行實際情況，在負荷35%BMCR以上轉入直流運行后，上部水冷壁壁溫明顯高于下部水冷壁，這也與一些研究者的結論一致[10-11]。理論分析認為雖然經(jīng)水冷壁過渡段中間混合集箱后，已消除了一部分工質溫度偏差，但工質在過渡段中間混合集箱中進行了流量二次分配，質量流速相對降低，工質溫度提高，焓值增大，垂直水冷壁上部工質已是過熱蒸汽，管內工質參數(shù)處于大比熱區(qū)，尤其是在熱負荷增加較快階段上部壁溫明顯偏差高于下部。因此W鍋爐在直流負荷以上運行時更應注意上部水冷壁的壁溫偏差情況，防止偏差過大，造成水冷壁拉裂。

圖3 前墻上下水冷壁出口壁溫特性

圖4 后墻上下水冷壁出口壁溫特性

3 結束語

對于超(超)臨界鍋爐尤其是W型火焰鍋爐，無論是下部管屏還是上部垂直管屏，水冷壁的壁溫偏差都客觀存在著。造成水冷壁壁溫偏差的根本原因是爐內的熱負荷偏差和吸熱偏差，而熱偏差也會影響管內工質流量偏差，從而影響壁溫偏差。從該W鍋爐啟動過程中水冷壁壁溫的分布特性來看：

(1)鍋爐下部水冷壁隨著負荷的增加而增加，在轉直流負荷至380 MW負荷段壁溫有一個突升的過程，但一般不出現(xiàn)下部水冷壁管壁超溫的現(xiàn)象。

(2)鍋爐上部水冷壁壁溫特性曲線與下部水冷壁基本一致，但在轉直流負荷段至380 MW負荷段的壁溫突升更大，且水冷壁管間壁溫偏差高于100 ℃，在此升負荷階段，應注意控制水煤比，尤其是控制燃料量的增加速率，這是保證水冷壁安全運行的重要措施。

(3)沿爐膛高度方向上，W鍋爐運行中存在上部垂直水冷壁出口段的壁溫偏差比下部大的現(xiàn)象。W鍋爐在直流負荷以上運行時更應注意上部水冷壁的壁溫偏差情況，一般采取均衡溫度場和氧量場、控制管外熱負荷的增加速率等，防止水冷壁拉裂。