1000MW塔式直流锅炉炉膛水冷壁管壁温度和热负荷分布的试验研究

陈端雨，范诚豪，杨 勇，张富祥，朱才广

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

大容量超超临界压力塔式直流锅炉炉膛热负荷 的分布受到很多因素的影响，如燃烧方式、炉膛形状、燃料种类以及调温方式等.锅炉炉膛水冷壁热负荷是一个关键的热力参数，对锅炉的设计、调试和安全运行均有重要影响.

笔者以外高桥第三发电厂和谏壁电厂2台同类型1 000 MW 超超临界压力塔式直流锅炉为例，对锅炉炉膛水冷壁管壁温度和热负荷分布进行了实炉测试和研究［1-3］.

1 炉膛结构

所研究的锅炉为2 955t／h超超临界压力、变压运行螺旋管圈炉膛水冷壁直流锅炉，采用单炉膛塔式布置、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构和露天布置.锅炉燃用的设计煤种为神府东胜煤，校核煤种为大同煤.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最大连续蒸发量（BMCR），另有1台磨煤机备用.在锅炉后尾部布置2台转子直径为16 370 mm 的三分仓容克式空气预热器.

炉膛宽度为21 480 mm，炉膛深度为21 480 mm，水冷壁下集箱标高为4 000mm，炉顶管中心线标高为119 310mm，大板梁顶标高为127 560mm.炉膛水冷系统采用下部螺旋管圈和上部垂直管屏的布置方式，螺旋管圈分为冷灰斗部分和螺旋管部分，垂直管屏分为上下两部分.螺旋段水冷壁管经连接管引至水冷壁中间集箱，然后经中间集箱混合后再由连接管引出，形成垂直段水冷壁，两者间通过管锻件结构来连接并完成对炉墙的密封.上、下部垂直管屏之间通过Y 型三通进行过渡连接.

螺旋管圈的管子数为716 根，其倾斜角度为26.210 3°.在标高为69 225 mm 处，螺旋管圈通过炉外中间过渡集箱转换成垂直管屏，从冷灰斗拐点至螺旋管圈出口，螺旋管圈共绕炉膛1.2圈.

冷灰斗螺旋管圈直径为38.1mm、壁厚为7.33 mm，节距为53mm.冷灰斗上部螺旋管直径为38.1 mm、壁厚为6.78 mm，节距为53 mm.冷灰斗螺旋管圈进口集箱标高为4 000mm，冷灰斗拐点标高为18 480 mm，螺旋管圈和垂直管屏分界面标高为69 225mm.

下部垂直管屏的管径为38.1mm、壁厚为6.78 mm，节距为60mm，共有1 432根.上部垂直管屏的管径为44.5 mm、壁厚为7.33 mm，节距为120 mm，共有716根.上部和下部垂直管屏的分界面前后墙标高为90 700 mm，左右侧墙标高为89 700 mm.上部和下部垂直管屏直接通过Y 型三通进行过渡连接.

沿着高度方向，燃烧器分成上、中、下3组，每组燃烧器有4层煤粉喷嘴，每组燃烧器组成1个水冷套，总共有12个水冷套.在每3组燃烧器上面布置1组燃尽风，每组燃尽风分有6层风室喷嘴，每组燃尽风也组成1个水冷套，锅炉总共有16个水冷套.

2 炉膛水冷壁热负荷测量方法及测点的布置

在试验中，炉膛水冷壁的外壁热负荷通过测量水冷壁管的向火面壁温和工质温度并通过迭代计算获得［4-7］.

2.1 外高桥第三发电厂锅炉的测点布置

2.1.1 沿水冷壁管长方向测点的布置

从前墙左侧标高29m 处起，选取1根螺旋水冷壁管作为考察对象，在前墙布置6个测点，右墙布置12个测点，后墙布置6个测点，左墙布置2个测点，前墙测点水平间距为2.9m，右墙测点水平间距为1.45m，后墙和左墙测点水平间距均为2.9m.在每根管子的向火面和背火面测点处各安装1对镍铬-镍硅热电偶，在螺旋水冷壁管上总共布置26对热电偶测点.

2.1.2 沿炉膛高度方向测点的布置

沿炉膛高度方向在后墙和左墙中心线24～64 m 标高处布置热电偶测点，每5 m 布置1 个测点，后墙、左墙沿炉膛高度方向各布置9对热电偶测点，共布置18对热电偶测点.

2.1.3 沿炉膛宽度方向测点的布置

分别选取后墙和左墙沿炉膛宽度方向在54m和34m 标高的水平位置处布置测点，在每面墙同一水平标高处均布置10对热电偶测点，在后墙和左墙上共布置40对热电偶测点.

2.2 谏壁电厂锅炉的测点布置

在73m 标高的垂直水冷壁前墙和右墙分别布置水冷壁向火面和背火面温度测点，在前墙选择第47～49号、169～171号和309～311号管共9根管子作为测点布置位置，在管壁上布置9对壁温测点，前墙共布置18个温度测点.在右墙上选择第51～54号、175～184号、269～271号和328～330号管共20根管子作为测点布置位置，在管壁上共布置20对壁温测点，右墙共布置40个温度测点.在前墙和右墙上共布置58个温度测点，所有温度测点的布置见图1.

图1 测点布置示意图Fig.1 Arrangement diagram of measurement points

3 炉膛水冷壁管壁温度分布和外壁热负荷分布

3.1 不同负荷工况下壁温和热负荷的分布

以下数据分别为3种负荷工况下的实测水冷壁管壁温度以及相应的外壁热负荷：在507MW 负荷工况下投运CDE磨煤机，贮水罐压力为14.3MPa，给水流量为1 397t／h，螺旋水冷壁管平均质量流速为1 147kg／（m2·s）；在662 MW 负荷工况下投运CDEF磨煤机，贮水罐压力为18.9 MPa，给水流量为1 714t／h，螺旋水冷壁管的平均质量流速为1 406 kg／（m2·s）；在970 MW 负荷工况下投运BCDEF磨煤机，贮水罐压力为27.0 MPa，给水流量为2 765 t／h，螺旋水冷壁管平均质量流速为2 268kg／（m2·s）.

3.1.1 沿水冷壁管长方向的管壁温度分布和外壁热负荷分布

图2为沿水冷壁管长方向的管壁温度分布.图3为沿水冷壁管长方向的外壁热负荷分布.从图2和图3可以看出：在507 MW 和662 MW 负荷工况下，锅炉处于亚临界压力下运行，因此在水冷壁管内存在很长一段汽水共存的状态，工质从炉膛吸收大量的热量，而温度却保持不变，所以尽管该区域的热负荷很高，但水冷壁背火面的温度有很长一段均保持饱和温度不变.而在970 MW 负荷工况下，锅炉在超临界压力下运行，工质直接从液态过渡到汽态，温度随着焓的增加而连续不断升高.另外，由于同一根水冷壁管上相邻2个测点的水平标高不同，热负荷分布也不同，受到测点位置和热负荷分布2个因素的综合影响，如图2中左墙第1、第2点，虽然工质温度最高，但由于其测点位置在炉膛上部，水冷壁热负荷较低，故水冷壁管的外壁温度低于其他测点的温度.

图2 沿水冷壁管长方向的管壁温度分布Fig.2 Temperature distribution on water wall tube along tube length direction

图3 沿水冷壁管长方向的外壁热负荷分布Fig.3 Heat load distribution on outer wall along tube length direction

3.1.2 沿炉膛宽度方向的管壁温度分布和外壁热负荷分布

图4和图5分别为54m 标高处沿炉膛宽度方向的管壁温度和外壁热负荷分布.图6和图7分别为34m 标高处沿炉膛宽度方向的管壁温度和外壁热负荷分布.

在34m 和54m 标高处，各水冷壁管背火面温度大致保持相等，说明水冷壁管之间热偏差较小，螺旋管圈具有很好的平衡炉内燃烧扰动的能力.在图4中，后墙测点10的背火面温度偏低是由测量偏差造成的.在34 m 标高处，后墙、左墙均呈现出向火面温度中间高、两侧低的弧形分布趋势，其热负荷的分布也呈现这一趋势.而在54m标高处，却没有出现这样的规律，且其平均热负荷比34 m 标高处的热负荷低，这主要是因为54m 标高在燃尽风口处，且燃尽风的温度只有334 ℃左右，风量占总风量的23%，因此燃尽风对炉内高温烟气有一定的冷却作用，导致该处的热负荷有所降低，并且由于燃尽风的扰动使得该区域的热负荷分布规律不明显.

图4 54m 标高处沿炉膛宽度方向的管壁温度分布Fig.4 Temperature distribution on water wall tube along width direction of furnace at level 54m

图5 54m 标高处沿炉膛宽度方向的外壁热负荷分布Fig.5 Heat load distribution on outer wall along width direction of furnace at level 54m

图6 34m 标高处沿炉膛宽度方向的管壁温度分布Fig.6 Temperature distribution on water wall tube along width direction of furnace at level 34m

图7 34m 标高处沿炉膛宽度方向的外壁热负荷分布Fig.7 Heat load distribution on outer wall along width direction of furnace at level 34m

3.1.3 沿炉膛高度方向的管壁温度分布和外壁热负荷分布

图8 沿炉膛后墙中心线高度方向的管壁温度分布Fig.8 Temperature distribution on water wall tube along height direction of rear wall center line in furnace

图9 沿炉膛后墙中心线高度方向的外壁热负荷分布Fig.9 Heat load distribution on outer wall along height direction of rear wall center line

图10 沿炉膛左墙中心线高度方向的管壁温度分布Fig.10 Temperature distribution on water wall tube along height direction of left wall center line in furnace

图11 沿炉膛左墙中心线高度方向的外壁热负荷分布Fig.11 Heat load distribution on outer wall along height direction of left wall center line in furnace

图8和图9分别为沿炉膛后墙中心线高度方向的管壁温度和外壁热负荷分布.图10和图11分别为沿炉膛左墙中心线高度方向的管壁温度和外壁热负荷分布.从炉膛后墙和左墙中心线高度方向的热负荷分布可以看到，在燃烧器所在区域中心部分的热负荷最高，最下层燃烧器以下和最上层燃烧器以上的热负荷均较低，呈现出中间高、上下低的趋势.在54 m 标高处，从燃尽风口开始，外壁热负荷随着标高的升高而降低，再次证明燃尽风进入炉膛降低了炉膛内的火焰温度.

3.2 上部垂直管圈水冷壁管壁温度和热负荷分布

通过谏壁电厂上部垂直管屏处安装的58个测点壁温以及采集的DCS运行数据，计算出各测点的热负荷.图12为超临界压力下垂直水冷壁的管壁温度和外壁热负荷分布.试验工况的运行参数如下：负荷为1 008 MW，压力为28.9 MPa，给水流量为2 835t／h，质量流速为1 163kg／（m2·s）.

从图12的试验结果可以看出：前墙第170号水冷壁管的向火面温度低于相应的背火面温度，说明该测点炉外引线可能有短路现象；右墙第52号水冷壁管的向火面温度较高，而其背火面温度与相邻测点一致，可能是由于安装过程中留下焊瘤等原因造成该根水冷壁管的工质流量偏低引起的.此外，还发现前墙靠近左墙的1号角以及右墙靠近后墙的3号角的热负荷偏低，而右墙靠近前墙的2号角位置的热负荷较高.在500 MW工况时，测点位置处的热负荷约为140kW／m2，在750 MW 工况下，测点位置处的热负荷约为220kW／m2，而满负荷工况下的热负荷约为280kW／m2.

图12 超临界压力下垂直水冷壁的管壁温度和外壁热负荷分布Fig.12 Temperature ＆outer wall heat load distribution of vertical water wall tube under supercritical pressure

3.3 1 000 MW 塔式直流锅炉炉膛水冷壁局部热负荷的计算

在研究1 000MW 塔式直流锅炉水冷壁的水动力特性和校核壁温时，需要确定炉膛水冷壁受热面的热负荷.由于炉膛内火焰的行径路线、充满度、炉膛内烟气温度场、速度场以及燃烧产物浓度场的不均匀等因素，炉膛内各管屏和各管间受热面的热负荷各不相同.通过对1 000 MW 塔式直流锅炉炉膛热负荷分布和水冷壁水动力特性及传热特性的研究得出，随着锅炉负荷的增加，炉膛内火焰充满度趋于均匀.图13、图14分别给出了炉膛水冷壁外壁面热负荷不均匀系数沿炉膛宽度和炉膛高度的分布.

炉膛水冷壁的局部热负荷可按下式计算

式中：q为炉膛壁面的局部热负荷，kW／m2；ηb为沿炉膛宽度的热负荷不均匀系数（按图13查得）；ηh为沿炉膛高度的热负荷不均匀系数（按图14查得）.

图13 沿炉膛宽度方向的水冷壁外壁面热负荷不均匀系数分布Fig.13 Distribution of water wall tube heat load non-uniformity coefficient along width direction of furnace

图14 沿炉膛高度方向的水冷壁外壁面热负荷不均匀系数分布Fig.14 Distribution of water wall tube heat load non-uniformity coefficient along height direction of furnace

4 结 论

（1）1 000 MW 塔式直流锅炉炉膛热负荷的分布规律与其他四角切圆燃烧锅炉炉膛热负荷的分布情况基本一致.

（2）由于在最上层的燃烧器上方布置了燃尽风，对炉内烟气的扰动增强，导致沿管长方向54 m标高处的热负荷波动较大.

（3）在燃尽风喷嘴中心线以上，因受到燃尽风进入炉膛的影响，导致水冷壁热负荷大幅度下降.为避免炉膛大比热区传热恶化，可以考虑将处于拟临界点附近的水冷壁布置在低热负荷区域.

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