超临界W火焰锅炉水冷壁壁温特性的控制研究

李美文

摘  要：在煤炭资源需求量日益增大的背景下，如何做到资源的高效利用成为煤炭能源领域技术改进的重要内容。从近年来大多以煤炭作为原料的发电站看，其在煤炭燃烧中将耗费极多的资源，究其原因在于锅炉的燃烧模式不合理。在此背景下便提出W火焰锅炉，其能够以新型的煤粉燃烧方式被运用于企业中，但由于机组规模呈逐年扩大趋势，单纯依托于以往燃烧控制技术将无法保证W火焰锅炉的安全与经济运行。对此，文章将对超临界W火焰锅炉的相关概述、汽水物热性问题以及相关的优化控制策略进行探析。

关键词：超临界;W火焰锅炉;水冷壁;优化控制

前言

超临界W火焰锅炉将锅炉技术、超临界技术等集于一体，可保证煤炭燃烧中资源浪费的问题得以解决。然而因这种超临界W锅炉采取的为叠加技术，在运行中容易出现水冷壁壁温特性问题，若无法对其进行有效控制，将制约锅炉运行效率的进一步提升。因此，文章通过对锅炉运行问题与水冷壁壁温特性的分析，对提升锅炉运行效果与资源节约具有十分重要的意义。

1 超临界W火焰锅炉的相关概述

关于超临界W火焰锅炉，其主要将W火焰锅炉技术、超临界技术等融入其中，二者各自运行中存在较多弊端。以其中的超临界锅炉的为例，设计过程中的水冷壁主要以垂直管屏为主，运行中出现的问题较为明显，具体包括：第一，正流量在垂直管屏内不具备补偿特征，若锅炉运行中出现燃烧方式改变的问题，此时便会导致火焰发生偏移，整个水冷壁中热负荷由此不断变化，壁温偏差逐渐拉大。第二，超临界锅炉设计中因忽视节流孔板对热负荷的影响，导致流量在水冷壁中难以均匀分配，进而出现壁温偏差问题[1]。

另外，从W火焰锅炉运行情况看，其存在的问题主要表现在：首先在设计过程中有较多卫燃带存在于燃烧室中，且炉膛在高度设置上较低，这样锅炉运行中难以保证足够的蒸发吸热，加上锅炉压力变动无法保持较快的速度，使气温出现的波动问题逐渐明显。其次，燃烧调节、制粉系统运行等都因燃烧效率问题而受到影响，若燃烧不具备较强的稳定性，锅炉中的煤质会发生变化，这样在燃烧调节与制粉系统运行方面都将出现问题。最后，若燃烧器喷口保持向下状态，一旦面临低负荷情况便可能发生火焰短路情况，进而导致火焰发生偏离，水冷壁壁温变化极为明显。综合来看，无论W火焰锅炉或超临界锅炉实际运行中，壁温变化都较为明显，需采取相应的控制策略[2]。

2 汽水热物性在超临界中的具体表现

2.1 汽水物热性受水冷壁工质影响分析

超临界环境下，对水冷壁壁温影响最大的主要以工质温度特性为主。在锅炉实际运行中能够发现，当热负荷恒定、水冷壁管型一定的情况下，与模拟临界温度相比，若工质温度与其保持接近，比热值会在温度提高的背景下不断上升，这样水冷壁的热量都会被工质吸收，壁管传热强度会由此增强。但在临界温度小于工质温度的情况下，比热值将在温度升高的情况下逐渐下降，由于壁面热量无法被工质吸收，此时水冷壁整体传热效果将被削弱。由此可见，不同临界温度下，水冷壁壁面在传热效果上也存在较多的差异。但需注意的是，工质温度并非决定水冷壁管传热效果的唯一因素，根据以往学者研究发现，当压力恒定的情况下，热负荷、水冷壁管型等很可能受壁面工质热物性影响。当热负荷过高时，由于相关的温导系数、比热等参数都会发生变化，会导致质量流速无法被有效控制，这样壁面在传热中很可能存在类膜态沸腾的现象。

另外，根据相关实验可分析，若临界温度高出水温时，管壁的传热系数会在质量流速增加的情况下得以提升。例如，若质量流速初始保持在800kg/（m2·s），管壁传热系数约为22.6kW/（m2·K），但在质量流速上升至1200kg/（m2·s）的情况下，传热系数将保持在32.0kW（m2·K）左右。然而，從压力变化角度看，传热效果将在压力升高的条件下不断削弱。因此，实际设计中需考虑到做好管内工质的控制工作，避免因工质热物性改变而使水冷壁整体传热效果受到影响[3]。

2.2 汽水热物性受锅炉类型影响分析

对于超临界锅炉，将W火焰技术应用其中，其存在的问题主要表现在：首先，蒸发吸热受到影响。由于水冷壁的吸热能力不断下降，当其出口温度保持为400℃时，需使受热面进行扩大，以此保证蒸发吸热的效果。其次，W火焰技术引入锅炉中，炉膛所接收的燃烧放热量便会逐渐增大，使水冷壁整体难以保持均匀吸热。最后，水冷壁阻力在缩腰并管结构影响下会逐渐上升，因重位压头能力下降，水冷壁中的正流量将无法得到补偿。但从优势上看，W火焰技术引入也为超临界锅炉的运行注入新鲜的活力，原因在于有较多卫燃带的存在，其能够保证工质不会受到主燃烧区影响。同时，水冷壁中设置卫燃带，能够将流动压降进行降低，或直接通过内螺纹管的设置，可使质量流速得以提升。因此实际改善过程中，应注重从炉型结构方面着手，可通过炉膛高度的控制使锅炉性能得以提升[4]。

3 优化设计水冷壁的具体策略

现行对于超临界W火焰锅炉，在优化中常用的方式主要有螺旋管圈、垂直管屏两种方式。国内常见的优化设计方案主要以垂直管屏为主，其能够使质量流速保持1000kg（m2·s），但需注意这种方式应用下需考虑到正流量补偿特性所带的的温差变化问题。通过国内较多企业设计研究发现，垂直管屏设计中主要以内螺纹管为主，当质量流速超出400kg/（m2·s），且最大流速范围保持在1200kg/（m2·s）内，此时在热负荷上涨的情况下，质量流速会出现明显的增加趋势，可由此判断正流量具有一定的补偿特性。在实际优化中，首先可对内螺纹管型进行优化，可根据质量流速要求使内螺纹管在管理温度上保持合理，且在重位压降上不断提升，能够满足正流量补偿特性要求。其次，需在工质温度上采取相应的控制措施。根据超临界锅炉运行情况，其在工质温度不合理的情况下容易影响锅炉的安全稳定运行，同时若设计中对节流孔板未采取相应的质量控制措施，也可能导致水冷壁流量难以合理分配，且热负荷分布也会受到影响。因此，在工质温度控制中应结合当前的水温、工质压力、热负荷等具体参数，确保温度偏差能够在正流量补偿、热负荷减少的情况下得以解决。除此之外，在优化设计中还需对锅炉蒸汽参数、水温等进行考虑。以其中的水温为例，通常超临界W锅炉水温需保证维持在284℃左右。若水温不合理，便会因蒸发吸热效果过低而使工质温度难以得到有效控制。因此，设计中除保证水温合理外，需根据相关蒸汽参数等级，以此解决壁温温差问题[5]。

4 结束语

超临界W锅炉的优化是提升锅炉运行效果的重要途径。实际优化中应正确认识锅炉运行中水冷壁壁温温差问题，分析汽水热物性受锅炉类型、工质温度的影响，在此基础上采取相应的优化策略，包括内螺纹管的优化、给水温度控制以及蒸汽参数优化等，这样才可达到水冷壁壁温问题解决的目标。

参考文献

[1]刘佳利.超临界W火焰锅炉水冷壁壁温特性控制研究[D].昆明理工大学，2014.

[2]尹猛.600MW超临界W火焰锅炉燃烧过程数值模拟的研究[D].华北电力大学，2014.

[3]郑树，罗自学，周怀春.超临界W型锅炉蒸发系统的分布参数建模研究[J].中国电机工程学报，2013，35：8-14+4.

[4]樊泉桂，阎书耕.超临界“W”火焰锅炉水冷壁的优化设计[J].中国电力，2010，8：13-17.

[5]朱明，张忠孝，周托，等.1000MW超超临界塔式锅炉炉内水冷壁壁温计算研究[J].动力工程学报，2012，1：1-9.