超临界压力倾斜光管水动力及传热特性的研究

杨 勇, 俞谷颖, 张富祥, 于 猛, 朱才广

(上海发电设备成套设计研究院,上海 200240)

1000 MW超临界压力机组2955 t/h直流锅炉炉膛水冷壁有螺旋管圈和垂直管屏两种型式,螺旋管圈对于变压运行、带中间负荷锅炉具有一定的优势.为了开发具有自主知识产权的1000 MW机组超超临界压力锅炉,必须对倾斜管的水动力特性和传热特性进行研究,尤其是在低负荷亚临界压力下的汽水分层流动以及超临界压力下大比热区的传热特性.

本试验研究分成两部分:试验台试验及实炉试验.试验台试验在上海发电设备成套设计研究院超临界压力水动力及传热特性试验室进行,完成对直径38.1 mm、壁厚7.2 mm的倾斜光管(倾斜角度为26.21°)从亚临界压力到超临界压力范围内的传热特性试验,主要模拟研究光管螺旋管圈水冷壁在实际启动过程、低负荷工况下是否会发生汽水分层现象以及在超临界压力下是否会发生传热恶化的现象.由于在试验室的试验工况与实炉运行工况具有一定的差距,因此考虑在实炉运行条件下进行相同工况的试验研究,以验证试验室中的试验结果.实炉试验在上海锅炉厂有限公司生产的1000 MW超超临界压力机组光管螺旋管圈水冷壁塔式直流锅炉上进行,通过对水冷壁的向火面和背火面管壁温度进行实时监测,研究该锅炉在各种负荷工况下的水冷壁管温度变化状况.

1 试验台试验

1.1 试验方法

在试验台上进行了倾斜光管的传热特性试验.试验系统见图1.试验采用低电压、大电流的交流电直接对试验管段进行加热,试验段的流量和压力由主回路电动调节阀和旁路调节阀配合调节.工质流量用孔板测量.试验段的压力采用HP1151型压力变送器(装在试验段出口汽水分离器处)测量.工质温度由布置在倾斜试验管段进、出口位置的2对直径为0.5 mm的镍铬-镍硅热电偶测得.试验中的所有测量参数均由IMP3595分散式采集系统自动采集,输入计算机内进行处理.

试验管段采用长度为2450 mm、管子外径为38.1 mm 、壁厚为7.2 mm、倾斜角度为26.21°、材料为T23的光管,与上海锅炉厂有限公司生产的1000 MW超超临界压力塔式2955 t/h直流锅炉的螺旋水冷壁管结构参数保持一致.在试验管段上共布置了13个温度测点,其中有11个测点布置在管壁上母线,另外2个测点布置在管壁下母线,见图2.所有测点均采用直径为0.5 mm的镍铬-镍硅热电偶进行温度测量.

图2 试验测点布置Fig.2 Arrangement of measuring points

试验参数的选择参照1000 MW超超临界压力塔式直流锅炉的设计运行参数,以使管壁热负荷、质量流速与实炉运行参数相匹配,并在一定范围内改变参数,观察试验管上、下壁温差,用来判断是否会发生汽水分层现象.根据测得的试验系统压力及试验管段进、出口的工质温度,可以计算出试验管段进、出口工质的焓值及每个测点处的工质焓;进而确定每个测点处工质温度及干度.最后利用上述数据绘制该工况下工质的热焓与壁温的关系曲线,分析在倾斜光管内是否发生传热恶化及壁温飞升现象.

1.2 试验结果

由于受篇幅的限制,在本文中仅选取有代表性的试验工况的试验数据,计算方法参考文献[6]～文献[8],见图3.

图3 不同工况下沿试验管段管壁温度相对于焓值的分布曲线Fig.3 Distribution of tube wall temperature varying with enthalpy under different conditions

在 p=9.3 MPa、qn=155 kW/m2、vm=556 kg/(m2◦s)时,第5点上壁温度的波动情况见图4。

从以上试验结果可以看出:

(1)在试验工况1中,第5个试验点试验管段上壁温度较高,大大高于其他试验点的上壁温度.而实际试验结果表明,在此工况下第5个试验点的上壁温度值产生了波动,其温度变化范围在315～475℃(见图4).除了试验点5发生温度波动以外,其他试验点的上壁温度均为稳定上升趋势.出现这一现象的原因是由于在试验点5位置处的管内壁面上附着了汽泡,在该处形成了汽膜,使得该处内壁面产生了热阻,导致此处管壁温度升高;随着管内工质的流动,当该处汽泡脱离管内壁面时,该处管内壁面的汽膜消失,工质对该处管内壁表面重新冲刷,使得管壁温度迅速下降,降至与附近前后试验点处相接近的管壁温度.

图4 试验管段第5点上壁温度波动情况示意图Fig.4 Temperature fluctuation at the 5thpoint on tube wall

(2)在压力 p=9～14 MPa,热负荷qn=155 kW/m2,质量流速vm=540～650 kg/(m2◦s)的条件下,以及近邻界压力p=19 MPa,热负荷qn=186 kW/m2,质量流速vm=1140 kg/(m2◦s)的试验条件下均未出现管壁超温现象,管壁温度均在金属材料允许范围内;在高热负荷工况下,且蒸汽参数达到超临界水平(p=26.02 MPa,qn=372 kW/m2,vm=1120 kg/(m2◦s),图 3(d)工况),管壁温度仍维持在金属材料允许范围内,这说明光管螺旋管圈在锅炉从启动到带满负荷运行的各种工况下均能保证管壁的安全运行而不发生超温.

(3)从每一个试验工况均可以看到,试验管段的下壁温度和相邻点的上壁温度没有明显的温差,说明试验过程中的所有工况均未发生汽水分层现象.

(4)在亚临界压力工况中靠近试验管段出口处均有一点壁温比平均壁温高出15～20 K,这些点均发生在干度x=0.8附近.但是壁温均维持在金属材料的允许范围内.

(5)在超临界压力工况下出现了两个壁温突跳点:第一点距离倾斜试验管段入口较近,由于入口效应的作用,引起此处的边界层较厚,发生传热恶化;第二点所对应的温度正好处于该压力下的拟临界温度,由于该点处工质的热物理特性的影响,使得管壁对工质的传热系数减小,发生了传热恶化.

因此,在亚临界压力范围内测得的试验结果与文献[1]～文献[5]相一致;超临界压力工况下的试验结果需要在实炉试验时进一步验证.

2 实炉试验

针对采用螺旋型水冷壁管圈的超临界压力直流锅炉进行实炉水动力及传热特性试验,对试验台试验结果给予完善.2955 t/h超超临界压力变压运行螺旋管圈直流锅炉为单炉膛塔式布置、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊构造、露天布置锅炉,设计煤种为神府东胜煤.采用中速磨煤机正压直吹式制粉系统,5台磨煤机运行带锅炉BMCR工况,1台磨煤机备用.炉膛水冷系统采用下部螺旋管圈、上部垂直管圈的布置方式;螺旋管圈水冷壁分为冷灰斗部分和螺旋管部分,垂直管圈分为垂直管下部和垂直管上部.

2.1 测点布置

本次试验分别在螺旋管圈水冷壁管沿炉膛高度方向、宽度方向以及沿管长上安装了向火面和背火面的壁温测点,见图5:

图5 测点布置图(单位:m)Fig.5 Arrangement of measuring points

(1)从前墙左侧标高29 m开始,选取一根螺旋水冷壁管作为考察对象,在前墙安装了6个测点,右墙布置了12个测点,后墙布置6个测点,左墙2个测点;每个测点位置上管子的向火面和背火面各安装一根镍铬-镍硅热电偶,向火面测点采用喷涂工艺焊接,背火面测点用碰焊法焊接;即该根水冷壁管上共计装有26根热电偶;

(2)沿炉膛高度方向分别选取后墙和左墙的中心线处从24 m标高至64 m标高段布置测点,后墙、左墙沿炉膛高度方向各布置9根热电偶;

(3)沿炉膛宽度方向分别选取后墙和左墙在54 m和34 m标高的水平位置布置测点,每面墙的同一水平标高均布置10根热电偶.用以测定实炉在运行中综合条件下的水冷壁壁温.

2.2 测试结果

在3个工况下测定了水冷壁向火面及背火面温度.这3个工况分别是:

(1)工况1,负荷310 MW,投运CDE磨煤机,贮水罐压力为9.3 MPa,给水流量为964.2 t/h,螺旋水冷壁管平均质量流速为790.9 kg/(m2◦s);

(2)工况2,负荷662 MW,投运CDEF磨煤机,贮水罐压力为18.9 MPa,给水流量为1714 t/h,螺旋水冷壁管平均质量流速为1406 kg/(m2◦s);

(3)工况 3,负荷 970 MW,投运BCDEF磨煤机,贮水罐压力 27.0 MPa,给水流量 2765 t/h,螺旋水冷壁管平均质量流速为2268 kg/(m2◦s).

图6为沿管长方向水冷壁温度分布.54 m、34 m标高处水冷壁管壁温度分别见图7和图8.图9为后墙中心沿炉膛高度方向水冷壁温度分布.

图6 沿管长方向的水冷壁管壁温度分布Fig.6 Temperature distribution of water wall tube along tube length direction

从上述三个工况下的试验结果可以看出,管壁向火面温度均在530℃以下,且未发生壁温飞升现象,向火面壁温的小幅波动是由于炉内各区域的热负荷分布不均所致.310 MW和662 MW两个工况均为亚临界压力,所以有很长一段水冷壁管背火面壁温维持不变,为当时压力下的饱和温度;而997 MW工况时锅炉工作于超临界压力下,工质的温度连续变化,不再像亚临界压力下存在汽水共存的两相状态.

2.3 深入研究

从试验台的试验结果可以发现,在工质拟临界温度点附近发生壁温突跳(见图3和图4),另外该类锅炉水冷壁管在实际运行中也曾发生过爆管,因而进一步对其进行了深入的试验监测.在其水冷壁爆管处分别安装了向火面和背火面温度测点.在发生爆管的50 m标高靠近1号角的前墙处安装了3个温度测点,测点的位置见图10.爆管发生的位置在1-2点处,为了安全起见,在该处分别设置了2个向火面壁温测点,另在与该管子相邻的上、下两根水冷壁管上各设置了一个测点.

在试验过程中发现,测点1-11的温度始终偏高,发生向火面壁温飞升也是在该点.以下分别是两个工况下测得的该点水冷壁温度发生飞升的数据:图11中工况投运的是ABCDF 5台磨煤机,锅炉启动贮水罐压力在23～25 MPa;图12中工况投运的是BCDEF 5台磨煤机,锅炉启动贮水罐压力在27～28 MPa.而且,首次在实炉运行过程中发现了在超临界压力下,在拟临界点处发生壁温飞升传热恶化的现象.

图7 54m标高处宽度方向水冷壁管壁温度分布Fig.7 T emperature distribution of water wall tube along width direction at level 54 m

图8 34m标高宽度方向水冷壁管壁温度分布Fig.8 Temperature distribution of water wall tube along width direction at level 34m

图9 后墙中心沿高度方向水冷壁管壁温度分布Fig.9 Temperature distribution of water wall tube along height direction at the center of rear wall

图10 50m标高附近水冷壁测点布置示意图Fig.10 Arrangement of measuring points on water wall at level 50 m

图 11中,从 11:05～11:07,向火面温度从592.6℃升至609℃,而背火面温度从377.9℃升至384.6℃.这一过程中锅炉启动贮水罐压力为23 MPa,该压力下的拟临界温度在380℃左右.

图11 50m标高前墙1-1和1-11处水冷壁管壁温变化Fig.11 Curves of temperature variation at points 1-1&1-11 at level 50 m of front wall

图12 50m标高前墙1-1和1-11处水冷壁管壁温变化Fig.12 Curves of temperature variation at points 1-1&1-11 at level 50 m of front wall

从图12可以看到,在这一时间段中发生了两次壁温飞升现象,第一次发生壁温飞升是从9:07～9:09,向火面温度从570.6℃升至602.4℃,而背火面温度从388.6℃升至389.7℃,此时锅炉启动贮水罐压力为27.5 MPa;第二次发生壁温飞升是从10:44～10:46,此时向火面温度从549.8℃升至611.8℃,背火面温度相应地从385.2℃升至391.2℃,此时锅炉启动贮水罐压力为27.7 MPa,此压力下的拟临界温度为394℃,在这一过程中机组负荷、给水流量等参数均非常稳定.

从传热机理上看,整个传热过程包括管壁的导热以及管壁对工质的对流传热,管子结构参数一定,其导热只受管材导热系数的影响,但是其导热系数随温度的变化很小,所以传热恶化只会发生在管壁对工质的对流传热上,管壁向火面温度发生飞升,说明管壁对工质的对流传热系数减小,所以发生传热恶化.可以发现,发生传热恶化的这几个点均处于该压力下的拟临界温度附近,而此时工质的热物理特性变化剧烈,由此影响到对流传热系数的变化.

3 结 论

从试验台的传热特性试验以及现场的实炉试验过程中均可以发现:对于倾斜光管来说,管内工质在锅炉设计的运行参数下工作时不会发生汽水分层现象,只有在质量流速低,热负荷高的工况下才有可能出现壁温飞升,发生汽水分层现象.另外在实炉试验中发现,在超临界压力下,当工质温度在拟临界点附近时,管内会发生传热恶化,管壁对工质的对流放热系数减小,壁温有大幅的上升.

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