1000MW超临界锅炉水冷壁壁温计算研究

王晔++崔文杰

摘要 本文选取的研究对象是某台1000MW的超临界塔式锅炉，采用的计算方法是分区计算，并简化高参数锅炉内的对流与辐射，将不同锅炉负荷条件下冷壁壁温的分布规律进行总结，对实测数据进行比较。我们发现，超超临1000MW机组锅炉启动冷态时，水冷壁易出现超温现象，从而对水冷壁管材的寿命会产生一定的影响。因此，计算100MW超临界锅炉水冷壁壁温很有必要。计算结果表明，水冷壁爆管属于短时过热爆管。当水循环不良时或者水冷壁管出现堵塞时，会比较容易造成水冷壁爆管。因此，为了避免事故的发生，保证壁温适中，在锅炉运行时必须加强监控，控制煤含硫量以及入炉氧量。

关键词 1000MW；超临界锅炉；水冷壁壁温计算

中图分类号 TK2

文献标识码 A

文章编号2095-6363（2015）10-0052-01

目前我国的发电技术已经走向了高效清洁的超临界燃煤技术，利用这种方式发电必须要提高发电效率，而发电的效率取决与蒸汽动力的循环参数，如果参数高，那么机组的操作效率就高，如果参数低，那么机组的操作效率就偏低。机组在运行的过程中，1000MW超临界塔式锅炉的工质流动状态会发生很大的变化，这也会引起锅炉内的温度发生变化，因此，我们需要对锅炉温度进行计算，将温度控制在一定范围之内，以免发生意外现象。本文主要从超临1000MW机组锅炉水冷壁超温情况、炉灶的分区、数学模型的建立以及温度的计算与分析四个方面进行阐述，其具体情况如下。

1 超临1000MW机组锅炉水冷壁超温情况

电厂1000MW超超临锅炉机组水冷壁的结构为垂直管屏膜式水冷壁，其中运用了经过改进的内螺纹管。其材质为AS213-T12，在上下炉膛间有设计水冷壁中间集箱，其工质在经过两级混合，再进入上炉膛。通过查询生产信息系统（SIS）的数据记录，这组数据将电厂2009年1月12日到2010年1月22日所有机组5次水冷壁超温的情况，具体情况如下。

超超临1000MW机组锅炉水冷壁超温状况是在冷态启动时超超临1000MW机组锅炉由湿态转为干态运行后发生的。其负荷一般300-400MW的变压运行初期，也就是亚临界直流运行初期，机组投入协调控制方式（CCS）之前。超超临1000MW机组锅炉水冷壁超温的测点位置都在前墙超超临1000MW机组锅炉水冷壁中间信箱入口处，即炉膛标高45.5m处。超超临1000MW机组锅炉水冷壁超温测点在水冷壁超过常规温度限度前，一般都在340℃左右，并可在5min内迅速上升到540℃以上或更高，它有着突发性强的特点，可调节性与可预测性都较弱。

2 炉灶的分区

1000MW超临界锅炉的安全性是电场正常运行的保障，也是决定超临界锅炉的关键部分。锅炉的工质温度与很多方面的因素都有关系，例如水冷壁的吸热量、水冷壁的进口工质的温度与流量等。如果进口工质的温度太高，可能会引起爆炸，还可能会缩短锅炉的寿命。要想将锅炉的温度计算清楚，我们需要对炉膛进行分析。一般来说，1000MW超临界塔式锅炉的水冷壁分为下炉膛螺旋管圈水冷壁与上炉膛垂直管圈水冷壁，螺旋管的倾斜度为27°。下炉膛或分为16个区域，从冷灰斗半高处开始到第一级过滤器底部结束。而上炉膛则分为5个区域，每一区域有不同的分工。

3 数学模型的建立

当锅炉运行时，锅炉内的温度变化相对较快，但是传热的过程非常复杂，冷壁工质的温度变化规律难以捉摸，我们需要针对传热过程建立合理的数学模型。第一，锅炉内的燃烧与传热全部都是独立完成的，我们只需单纯计算出火焰沿高度方向的温度分布规律即可，温度在截面径向上的变化是可以忽略的。第二，锅炉的水冷壁壁面与延期都应该被当成灰体来看，如果水冷壁的壁管是单侧受热，那么壁管内的工质流动会相对均匀，水冷壁内放热以及吸热的相关参数要根据机组的工作状态、工质的物性以及经验参数来进行恰当的选取。第三，在计算划分的各区域中我们需暂时假定火焰的温度场处于均匀状态，火焰的温度按平均温度考虑，但是我们在计算时需要考虑延期对火焰辐射的吸收减弱。第四，各分区内的烟气流动速度需要按照烟气的平均流动速度来计算。

在这一数学模型假定中，我们将其划分为中心火焰去与周围烟气区，火焰的偏斜我们可以忽略不计，火焰应至始至终位于炉膛的中心区，也就是以火焰的中心位置为圆心，将其分为大小不同的同心圆环。水冷壁避免接受到的辐射投射表示如下：在公式中，㎡ k为辐射减弱系数，s为有效辐射层厚度o为黑体辐射常数，R为间隔距离，B为炉膛宽度。除了计算辐射换热，还需要计算对流换热的影响，烟气与壁面的对流换热量Q=a（T-Tb）F，F为壁面面积，a为对流传热系数。

4 温度的计算与分析

锅炉实验选取的横截面的标高在35m～55m之间，稍短的买卫浴锅炉的主燃烧区，而后者则处于燃尽的区域。在35m的标高处，存在三种情况工质的温度的试验值与计算值的相差甚小，当计算得到的950MW工况工质温度为362.5～268.6℃；500MW工况工质温度为332.4～336.6摄氏度。在55m标高处，950MW与650MW工况下的工质温度有不同程度的提高，分别为420.0～402.8℃。502MW工况的工质温度为342.2～344.8℃，基本上是保持不变的，这就说明，锅炉在502MW的工况下，锅炉的水冷壁存在很长一段的汽水共存状态，工质的温度基本保持不变。

对温度进行计算时，我们必须计算垂直管的温度。当出口质温度在950MW的工况为460℃，升温为28℃；而在660MW工况为425℃，升温为23℃；沿程的烟气温度会逐渐降低，传热的温压也会越来越小，工质温度升高的速度会越来越慢。水冷壁工质的温度计算可能会存在误差，在计算时需要将温差控制在0.01%～1.5%之间，若温差太大，将会对锅炉的安全运行造成影响，甚至爆管。

5 结语

1000MW锅炉的壁温计算需要考虑的因素非常多，本文采用的计算方法是分区计算法，在计算时，要将误差控制在一定的范围之内，不能太大。因此，我们应该将壁温的计算工作做好，维持锅炉的安全运行。