直流锅炉水动力不稳定问题的分析与防治

张帅博，冯伟忠

(1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海　200090；2.上海外高桥第三发电有限责任公司，上海　200137)

直流锅炉水动力不稳定问题的分析与防治

张帅博1，冯伟忠2

(1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海200090；2.上海外高桥第三发电有限责任公司，上海200137)

摘要：直流锅炉在启动和低负荷阶段会发生水动力不稳定问题，主要原因是此阶段汽水比容差较大, 水动力的稳定性对水冷壁入口的欠焓较大及管间的受热不均匀性尤为敏感。介绍了上海外高桥三期的蒸汽加热启动技术和弹性回热技术，其分别解决了启动阶段水动力多值问题、提高了低负荷阶段水动力的稳定性。同时，锅炉降负荷时，燃烧器从最下层起依次退出可提高水动力稳定性及减小水冷壁管间壁温偏差。

关键词：直流锅炉;水动力不稳定性；欠焓；受热不均匀；蒸汽加热启动技术；弹性回热技术

节能减排、低碳经济已是国际社会关注的焦点，超(超)临界机组由于热效率高、煤耗低等优越性成为了火电机组发展的重点，当然，直流锅炉也就成为了唯一选择。相比定压运行，机组滑压运行可靠性高、负荷适应性强、低负荷经济性高[1]，故超(超)临界机组多采用不同的滑压及调频运行方式[2]。在中国，由于煤电占比高，用户负荷的多样性和调峰需求，直流锅炉经常出现较低负荷运行，当水冷壁入口工质的压力低于临界压力且工质欠焓较大时，因水冷壁管内既有热水段、又有蒸发段和过热段，而蒸汽和水的比容不同，管子中易发生水动力不稳定问题，各管内工质的流量不均和各管间受热不均会导致并联管子的壁温不均，当相邻管壁间温差过大( >50℃)时，就会引起严重的热应力问题，进而造成相邻管壁发生撕裂等问题[3]；锅炉启动阶段，水冷壁入口工质参数较低，欠焓更大，水动力不稳定问题更为突出，若控制不当，会严重威胁锅炉的安全运行。

总而言之，直流锅炉启动和低负荷下水冷壁管间的受热不均匀以及水冷壁入口的欠焓过大是两个影响水动力稳定的最主要问题。

1直流锅炉水动力不稳定问题的定性分析

直流锅炉水动力特性是指在一定的热负荷下，水冷壁蒸发管内工质的流量与压降的关系。水动力特性曲线如图1所示。图1中，曲线1为假定管内处于纯蒸汽状态；曲线2为假定管内为纯热水状态。实际运行中的水动力特性介于曲线1和2之间。若曲线中出现dΔP/dG≤0线段，如曲线3，其在一定的ΔP区域内可对应多个流量G，水动力呈多值性，则该管处于水动力不稳定状态，如曲线3；而曲线4呈单值性，全程dΔP/dG>0，水动力稳定。显然，曲线斜率dΔP/dG越大，表明稳定裕度越高，水动力越稳定。

图1　工质不同状态下的水动力特性曲线

1.1立式管屏水冷壁

直流锅炉炉膛辐射区水冷壁单管的总压降由流动阻力损失、重位压头损失和加速压力损失组成，加速压力损失较小可忽略[4]，故立式管屏光管水冷壁压降可简化为：

(1)

式中ρ——流体密度，kg/m3；ξ——总阻力系数；w——流体流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；ΔH——炉膛辐射区水冷壁进口、出口高度差，m；ζ——局部阻力系数；λ——沿程摩擦阻力系数；L，d——管子长度和内径，m；f——管圈流通截面，m2；G——工质的流量，kg/s；v——工质的平均比容，m3/kg；ΔH——炉膛辐射区水冷壁进口、出口高度差。

水冷壁若采用垂直上升布置方式，则各管间受热不均的问题始终存在。在某特定的负荷下，当某根管子吸热量相对较多时，则管内蒸发量及蒸发段较多，热水段较少，使得水冷壁全管长的平均比容较大，压降趋向增大，但因水冷壁前后联箱的压力差没变，结果必然是管内流量减小，流量的减小使得热水段继续减少，从而形成恶性循环，严重时会出现含水不足的传热恶化现象。现普遍采用内螺纹管且加节流圈的方法来提高垂直水冷壁水动力的稳定性。为解决管间受热不均匀的问题，西门子研发了螺旋管圈水冷壁。

1.2螺旋管圈水冷壁

螺旋水冷壁管间受热均匀，当管子倾角较小时，管子的长度比其高度大很多，其阻力损失远大于重位压头。故螺旋管圈光管水冷壁压降可简化为：

(2)

当机组负荷较高时，管内工质压力大于临界压力，饱和蒸汽比容vn和饱和水的比容vt相等，此时图1中曲线1和2重合，不存在水动力多值问题。当机组负荷较低时，管内工质压力为超高压甚至高压，例如1 000 MW机组在400 MW负荷下，水冷壁入口压力约为13 MPa，此时vn/vt=8.16，汽水比容差很大，图1中曲线1和2距离非常大。当受热一定时，增加给水流量，则热水段增加，这使得水冷壁全管长的平均比容减小，此时，dΔp/dG的正负取决于G2、v两者的变化幅度；因受热一定，若降低进口水温，则热水段增加，蒸发段减少，因此时汽水比容差很大，会使平均比容迅速减小，而此时流量平方的上升速率若赶不上平均比容的下降幅度，会使dΔp/dG≤0，从而发生多值性流动。综上所述，汽水比容差大且水冷壁入口水温低易导致直流锅炉启动和低负荷阶段发生水动力多值问题，其水动力的稳定性对热水段长度的变化尤为敏感。

2直流锅炉水动力不稳定问题的数学分析

锅炉负荷一定，则水冷壁入口压力一定，此时，饱和蒸汽和饱和水的比容差为确定值，要提高水动力的稳定性应着眼于提高入口水温，即降低入口欠焓。现以螺旋水冷壁为例进行数学分析。

将螺旋管圈简化成图2的水平管[4]，沿管长方向热负荷分布不均匀，记为qi。

图2　水平布置蒸发管简图

管内汽水混合物的平均比容可表示为：

(3)

当沿管长方向均匀受热时，式(3)可简化为：

(4)

式中Lrs、Lzf、L——热水段、蒸发段及管子总长度，m；x——出口处工质的干度；Q——单根管圈总吸热量，kJ/s；G——管内工质流量，kg/s；h1、h2、h′、hn——管圈进、出口工质的焓值、饱和水及饱和蒸汽的焓值，kJ/kg；v1、v2、v′、vn——管圈进、出口工质的比容、饱和水及饱和蒸汽的比容，m3/kg。

将式(4)代入(2)化简得：

Δp=k(AG3-BG2+CG)

(5)

其中：

式(5)的一元三次函数，其曲线可能有两个驻点(图1曲线3)、一个驻点或没有驻点(图1曲线4)，当有驻点时，曲线中会出现dΔP/dG≤0线段，发生水动力多值问题。对该函数求导得：

(6)

若水动力呈单值性，则dΔP/dG>0应恒成立，则式(6)的右侧函数与G轴无交点(方程无解)，即：

B2-3AC<0

(7)

对式(7)求解化简得水动力稳定的条件为：

(8)

式(8)的不等号右侧内的干、湿饱和点参数在对应的运行压力下为确定值，其左侧(h′-h1)即为水冷壁的入口欠焓。

因此，由上述分析可知，要提高水动力稳定性，应降低水冷壁入口欠焓，当其欠焓满足式(8)时，水动力呈单值性。当考虑沿管长方向受热不均匀时，式(5)较为复杂，不易用显函数表示，但水动力的稳定性与水冷壁入口欠焓强相关的原则不变，因此，提高水动力的稳定性宜从降低入口欠焓着手。因炉膛高度上的辐射传热热负荷不均匀情况可参照相关资料，加之计算机强大的运算能力，故可根据式(1)和(3)对水冷壁管内压降直接进行较为准确的计算。

3水动力不稳定问题解决方法探究

由上述分析可知，要提高直流锅炉启动和低负荷阶段水动力的稳定性，在改善了燃烧工况及水冷壁管间的吸热均匀性的前提下，宜从尽可能降低水冷壁入口欠焓，即提高给水温度入手。锅炉点火前，给水在除氧器通过常规辅汽加热，进入水冷壁时已为欠焓较大的未饱和水，要提高给水温度，可考虑在高压加热器引入较高压力的他源蒸汽加热给水；低负荷阶段，给水温度为至锅炉的最后一级高压加热器的抽汽压力对应的饱和水温度(忽略上端差)，负荷一定时，抽汽压力固定，给水温度不变，要提高给水温度，理论上应提高最后一级高压加热器的蒸汽侧压力。同时，冷灰斗固有的不规则性导致水冷壁并联管的长度不一、火焰中心面对冷灰斗同一高度的不同辐射面的角系数不同，加剧了并联管子的壁温分布的不均匀性，故从水动力的稳定性来讲应减少冷灰斗部分的吸热量。

3.1直流锅炉蒸汽加热启动技术

蒸汽加热启动技术是在锅炉点火前利用他源蒸汽通过启动机组的某级高压加热器将给水加热至较高温度。以冷态启动为例，被加热的给水进入锅炉后，首先加热了省煤器和水冷壁管。在启动风机后，省煤器成了硕大无比的加热器，进入炉膛的冷风在流经省煤器后被反向加热，其排出的热风在空预器内又加热了一次风和二次风的进风，从而形成良性循环。在锅炉点火前达到“热水、热炉、热风”的状态[5]。该技术大大降低了启动能耗，提高了点火后燃料的燃尽率，实现了快速安全启动；与此同时，热水的流动压降以及在水冷壁内向上流动时的静压下降，使部分热水逐步汽化而形成两相流，其中的蒸汽在汽水分离器内被分离出并进入过热器和再热器，驱离过(再)热器里面的空气，防止炉管在点火后高温富氧条件下的干烧而快速氧化并生成氧化皮，也不存在常规启动下过(再)热器管壁在干烧超温后，待水冷壁管内产汽，低温蒸汽进入过(再)热器后引起的内壁骤冷导致氧化皮脱落的问题[3]；值得注意的是，由于该方法大幅提高了启动阶段的给水温度，显著降低了水冷壁入口欠焓，大大增强了水动力的稳定性；其系统如图3所示[5]。

图3　蒸汽加热启动系统图

以上海外高桥三期(以下称外三)1 000 MW机组为例计算，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式，点火30 min后水冷壁入口工质参数见表1，炉膛高度方向的热负荷按不均匀计算，具体方法参照文献[6](低负荷工况计算同此)，得到“蒸汽加热启动技术”技术应用前后的水动力特性曲线，如图4、图5所示。图4和图5中，a、b为平均流量下的工作点，显然，该技术应用前的水动力特性是多值的，而应用后的水动力特性呈单值性，且dΔP/dG曲线的斜率较大。

表1　该技术应用前后冷态启动点火30 min后

图4　原启动方式水动力特性曲线

图5　现启动方式水动力特性曲线

由此可见，采用蒸汽加热启动技术后，确保了启动阶段该锅炉水动力的稳定性。

3.2弹性回热技术

弹性回热技术是在现有末级高压加热器之前再增加一级更高等级的高压加热器，利用新增更高压力等级可调式回热抽汽对给水进行补充加热，使机组在整个滑压运行区域内保证给水维持在较高温度，其方案设计和原理如图6所示[7]。新的系统提高了锅炉的平均吸热温度，减少了系统的冷端损失，故提高了机组的热效率；在机组需快速加(减)负荷时可用抽汽调节阀快速减少(增加)新增高加抽汽量予以响应，且负荷变化时主汽调门常开，节流损失降到最低，因此提高了机组的调频能力和调频经济性[8]；低负荷下，提高了省煤器入口水温，导致省煤器出口烟温升高，使得SCR处于催化剂的安全区运行，最终解决了节能前提下SCR低负荷运行的难题；低负荷下省煤器出口(对应空预器入口)的烟温升高，使得一次风和二次风的热风温度升高，进而提高了低负荷下的锅炉燃烧效率和稳燃性能。毫无疑问，由于该技术显著提高了低负荷下的给水温度，降低了水冷壁入口工质的欠焓，进而增强了水动力的稳定性。

图6　弹性回热技术的系统和工作特性示意图

仍以外三机组为例，其采用了弹性回热技术，改造前后400 MW工况时水冷壁入口工质参数见表2，计算得改造前后水动力特性曲线，如图7、图8所示。

表2　改造前后400 MW工况下水冷壁入口工质参数

图7　原400 MW工况水动力特性曲线

图8　现400 MW工况水动力特性曲线

由图7、图8可知，改造前，水动力是稳定的，但总压降和摩擦压降曲线较为平缓，摩擦压降曲线尤为平缓，说明水动力的稳定性裕度相对较小；而改造后，两曲线陡度增加。图7和图8中，c、d两点为平均流量下的工作点，计算得到起始沸点高度由28.64 m降至18.94 m，即热水段缩短了21.96 m(螺旋水冷壁倾角为26.21°)。显然在改造后，水动力特性曲线陡度增加且热水段减少，这使得其水动力稳定性得到了增强。

外三实施弹性回热技术改造后，低负荷水动力稳定性明显增强、水冷壁管间壁温偏差减小。技术改造前后低负荷阶段四面水冷壁墙的出口温度三维分布图如图9、图10所示。

图9　原低负荷下水冷壁出口温度分布图

图10　现低负荷下水冷壁出口温度分布图

3.3冷灰斗的受热不均匀性问题

由直流锅炉的特性可知，水冷壁管间的受热不均匀，会直接对其水动力产生负面影响。螺旋水冷壁的设计理念就是使倾斜布置的水冷壁管道绕行炉膛一周而解决管间的吸热不均匀问题，但这个概念只对炉膛的垂直段有效，而冷灰斗固有的不规则性使得该部分的水冷壁管长度及壁面倾角不一、必然导致管间的吸热量不均，若在低负荷时，冷灰斗在整个水冷壁的吸热总量中占比较大，会加剧水动力的不稳定性。基于各层燃烧器火焰平面对冷灰斗的辐射角系数不同，在锅炉降负荷时，若先退出上层燃烧器，则火焰中心下移，冷灰斗处的水冷壁管内工质相对辐射吸热量增加，使得并联管子的热水段工质温差增大，则并联管子的壁温分布不均匀性会增强，必然对水冷壁系统的水动力稳定性产生负面影响，故锅炉降负荷时，燃烧器应从最下层起依次退出(限于篇幅，数学分析略)。

因外三采用了正确的燃烧器投切方式，低负荷的水动力也得到了进一步改善，图9、图10已包含了这一成效。

4结语

直流锅炉在启动和低负荷阶段会发生水动力不稳定问题，其主要原因是此阶段汽水比容差较大，水动力的稳定性对水冷壁入口的欠焓较大及管间的受热不均匀性尤为敏感。因此：

(1)蒸汽加热启动技术和弹性回热技术分别大大降低了启动和低负荷下水冷壁入口的欠焓，大大缩短了热水段长度，显著提高了直流锅炉水动力稳定性；

(2)锅炉降负荷时，燃烧器从最下层起依次退出可减轻水冷壁管间的吸热不均匀性，提高水动力的稳定性；

(3)蒸汽加热启动技术、弹性回热技术和降负荷时燃烧器从最下层起依次退出的方法对改善水动力的稳定性具有普适性。

参考文献：

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[2]冯伟忠. 1000MW超超临界汽轮机蒸汽参数的优化及讨论[J]. 动力工程,2007(3):305-309，331.

FENG Wei-zhong. Discussion and optimization of steam parameters of 1000 MW ultra-supercritical steam turbines[J]. Power Engineering, 2007,27(3):305-309,331.

[3]曹艳，冯伟忠．超(超)临界锅炉启动阶段出现的异常及防治[J]．华东电力，2013，41(7)：1529-1532.

CAO Yan, FENG Wei-zhong. Abnormal occurrence at the start-up phase of ultra-supercritical boiler and prevention measures[J]．East China Electric Power，2013，41(7)：1529-1532．

[4]西安交通大学《直流锅炉》编写组. 直流锅炉[M].北京：水利电力出版社，1977.

[5]冯伟忠. 疏水扩容启动直流锅炉邻汽加热锅炉的启动方法[P]. 中国专利，ZL200710046959.9.

[6]冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，2003.

[7]冯伟忠. 一种用于汽轮发电机组的可调式给水回热系统[P]. 中国专利，ZL201110459533.2.

[8]杜洋洋,冯伟忠. 基于弹性回热技术的调频性能研究[J]. 华东电力,2014,42(9):1944-1949.

DU Yang-yang, FENG Wei-zhong. Research of properties of frequency regulation based on the flexible extraction technology J]．East China Electric Power，2014，42(9)：1944-1949．

(本文编辑：杨林青)

Analysis and Prevention of Hydrodynamic Instability of Once-Through Boiler

ZHANG Shuai-bo1, FENG Wei-zhong2

(1. College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2. Shanghai Waigaoqiao No.3 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

Abstract:The hydrodynamic instability of once-through boiler occurs during the start-up period and the low-load conditions. The main reason is that the specific volume difference between the steam and the water is large during the period, and hydrodynamic stability is particularly sensitive to the big owe enthalpy of the substance at the entrance of water wall and the uneven heating between the water wall tubes. The steam heating start-up technology and the flexible extraction regeneration technology are developed and applied in Shanghai Waigaoqiao Phase III, where with the technology the hydrodynamic instability problem can be solved during the start-up period and be improved during the low load conditions respectively. Meanwhile, when the load drops, turning off the burners from the bottom in turn can also improve the hydrodynamic stability and reduce the temperature difference between the water wall tubes.

Key words:once-through boiler; hydrodynamic instability; owe enthalpy; uneven heating; steam heating start-up technology; flexible extraction regeneration technology

DOI：10.11973/dlyny201601025

作者简介：张帅博(1989)，男，硕士研究生，从事超超临界发电技术研究。

中图分类号：TK22

文献标志码：B

文章编号：2095-1256(2016)01-0117-06

收稿日期：2016-01-10