600MW超临界锅炉水动力特性分析

孙佰泉

（西北电力建设调试施工研究所，陕西 西安 710032）

600MW超临界锅炉水动力特性分析

孙佰泉

（西北电力建设调试施工研究所，陕西 西安 710032）

基于西北电力建设调试施工研究所调试的600MW超临界锅炉的实际工程案例，通过程序计算，绘制MCR和30%MCR两种工况下螺旋水冷壁管段的入口处加装节流管圈前后的水动力特性曲线。分析锅炉水冷壁在这两种工况下的动态特性，校核两种工况下的单值性，为进一步探讨水冷壁安全运行具有一定的参考意义。

600MW；超临界锅炉；水动力特性；MCR工况

为了更好的适应调峰，超临界变压运行机组应运而生。它在额定负荷和部分负荷下都具有较高的热效率，还具备快速变负荷的性能，启动和停止过程中的热损失较小，因此能够在最小负荷下连续稳定的运行。当超临界变压运行机组从额定负荷下降到低负荷时，锅炉炉膛水冷壁管圈的压力也从超临界压力下降到亚临界压力，这种情况下管圈内工质有两种工作状态：单相流动和双相流动，当压降和受热基本相同时，各个并列管圈内的工质流量可能会有较大差别；当压降相同而流量不同时，会出现流动的多值性效果，影响到水冷壁的安全运行。为了保证水冷壁的安全运行，文章分析超临界压力直流锅炉炉膛水冷壁管水动力特性。

1 600MW超临界锅炉

西北电力建设调试施工研究所调试的两台600MW超临界锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的本生直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布置。锅炉中、下部水冷壁采用螺旋管圈，上部水冷壁采用一次上升垂直管屏，二者之间用过渡集箱连接。螺旋管圈的同一管带中的各管子以相同方式从下到上绕过炉膛的角隅部分和中间部分，水冷壁吸热均匀，管间热偏差小，使得水冷壁出口的介质温度和金属温度非常均匀。锅炉螺旋水冷壁管在炉膛四周以23.58°螺旋倾角盘旋上升，垂直管屏由1312根Φ31.8mm×5.5mm、节距为57.5mm的管子焊接而成。燃烧系统采用前后墙布置、对冲燃烧方式布置了三排共30只双调风旋流燃烧器。锅炉在整个负荷范围内蒸汽压力的变化从常压一直到超临界压力，而水冷壁系统中的介质也经历从水到蒸汽变化的整个过程。因此直流锅炉的水冷壁水动力特性要比亚临界汽包锅炉更为复杂也更为重要。锅炉以连续出力工况（MCR）为设计参数。在研究锅炉水动力特性时，选取水冷壁管中经过三个燃烧器、弯头最多且阻力的管段，对应MCR工况和30%工况进行水动力特性计算。

2 MCR工况

试验用水冷壁管两个管段，分别是入口管段和剩余管段。在入口处安装了两个节流圈，入口管段不受热，剩余管段均匀受热。内螺纹管的绝对粗糙度为0.06mm，摩擦阻力系数为0.03。MCR及30%MCR工况下的管段基本测量内容为内径、长度、局部阻力系数、进口压力、节流圈直径出口压力、出口温度、出口焓值、流量以及出口干度。

3 水冷壁管的水动力特性

3.1 水冷壁管两相压降计算

汽液两相重位压降

水冷壁两相摩擦阻力

3.2 MCR工况水动力特性分析

（1）流量-压降特性分析。MCR工况下，在管段入口设置节流圈的前后的流量-压降曲线都呈现单值性的特点，入口处加装节流圈前的流量-压降曲线斜率为0.489，加装后为0.589。由此可以表明在MCR工况下该锅炉的水动力特性较为良好，且斜度也符合工质流量相对变化不大于压降相对变化三倍的要求，在以较小压力变动时不会造成较大的流量波动。在长度大约为93.67m时发生相变，根据公式计算得到此点处的压力大约为24.64MPa，总压降为2.08MPa。

（2）管段阻力特性分析。通过程序计算与仿真出MCR工况下在管段入口加装节流圈前后的阻力的特性可以看出，MCR工况下的上升立置屏中，重位压头不会随着流量的变化而改变。因此重力压头可以提升上升位置管屏流动的稳定性。

3.3 30%MCR工况下的水动力特性分析

（1）流量-压降特性分析。通过程序计算与仿真出30%MCR工况下在管段入口加装节流圈前后的流量-压降可以得知，在30%MCR工况下，加装节流圈之前，当流量在1220～1310kg/h时，流动的单值性较差，会出现多值性；加装节流圈后，会呈现单值性，但是在这个范围内的流量-压降曲线的斜度不符合工质流量相对变化小于压降相对变化三倍的要求，当压力变动较小时就可能会造成较大的流量波动。因此应当尽量避免在此流量范围内运行。若需要在此流量范围内运行时应及时调节，可以采取关小入口水管路阀门的方式增加阻力，使其单值稳定的运行。压力和流量随着热负荷的降低都会有所减小，在低负荷时，因为流量和官网系统压降呈现的是非线性关系，压降-流量曲线的斜度会减小。因此水冷壁管的水动力稳定性也变差。在管子长度大约为30.27处会发生相变，根据公式计算得到此处的压力大约为10.72MPa，总压降为0.544MPa。

（2）管段阻力特性分析。通过程序计算与仿真出30%MCR工况下在管段入口加装节流圈前后的阻力的特性可以得知，与MCR工况下的重位压头的效果相同。因此在此工况下重位压头对于上升立置管屏流动的稳定性仍然有利。

4 结束语

综上所述，MCR工况下的锅炉水冷壁管水动力的特性是良好的，并且在管段入口处加装节流圈之后，水冷壁水动力的特性有所提升；在30%MCR工况下，在流量为1220～1310kg/h，管段入口处加装节流圈会比之前的水动力特性得到提升，但是仍需避免或采取一定措施。两个工况都表明，重位压头可以提高上升立置管屏流动的稳定性。

[1]樊泉桂.亚临界与超临界参数锅炉[M].北京:中国电力出版社,2000.

[2]黄锦涛.600MW超临界直流锅炉螺旋管圈水冷壁动态过程特性及敏感性研究[D].西安交通大学,2000.

[3]华定中.600MW机组超临界直流锅炉非线性动态数学模型及其仿真[D].东南大学,1993.

[4]郑建学,陈听宽,陈学俊,等.600MW变压运行直流锅炉水冷壁内螺纹管内壁换热特性的研究[J].中国电机工程学报,1996,(4).

[5]王宗琪.电站大型直流锅护致学模型的研究及其仿立[D].东南大学,1994.

TK229.2

A

2096-2789（2016）12-0100-02