W形火焰锅炉水冷壁热偏差分析

王　璞， 陈端雨， 杨　勇， 周文台

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)



W形火焰锅炉水冷壁热偏差分析

王璞， 陈端雨， 杨勇， 周文台

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

对超临界压力W形火焰锅炉在不同负荷下的水冷壁热偏差进行计算并分析。结果显示：高负荷和低负荷都会使水冷壁管子产生较大的热偏差，机组在450 MW负荷下热偏差相对较小；前后墙大部分情况下中间部分热偏差系数较大，两侧较小；左右墙热偏差系数分布均匀或者靠近前墙部分稍高；对各个炉墙面来说，工质的平均焓增随着机组负荷的升高而减小；前后墙水冷壁管子平均吸热量高于左右墙。

超临界压力； 锅炉； W形火焰； 水冷壁； 热偏差

我国无烟煤储量丰富，分布广泛，W形火焰锅炉适合燃烧无烟煤；因此，W形火焰锅炉在我国燃煤锅炉中占到了相当的比例。水冷壁特性是超临界压力锅炉的一项关键性技术[1]。笔者通过对超临界压力W形火焰锅炉水冷壁的热偏差进行计算与分析，希望对该类锅炉的运行和设计提供借鉴。

1　试验锅炉及测点布置

该试验锅炉采用П形布置、单炉膛、尾部双烟道、全钢架、悬吊结构，燃烧器布置在前后拱上，W形火焰燃烧方式。燃烧器布置顺序见表1。

表1　燃烧器的布置

上炉膛为长方形，下炉膛为八角形。由于炉膛结构复杂，无法采用螺旋管圈水冷壁结构，所以采用低质量流速垂直管圈技术。

下炉膛分成两部分，冷灰斗部分成四角形，冷灰斗向上到炉拱之间的部分为八角形，两部分间通过异形三叉管连接。上炉膛为光管。

炉膛被中间混合过渡集箱分成上下两部分，下炉膛热负荷较高，故采用优化型内螺纹管用以强化传热。在下炉膛设置有压力平衡集箱(分别布置于23.4 m、28 m、36 m 标高处)，用于平衡各水冷壁管之间的压力，避免在低负荷时可能出现的脉动。

水冷壁上部出口处管壁温度测点在前墙和后墙各有41个，左墙和右墙各有19个。

2　试验结果与分析

锅炉受热面是以平行管构成的管组、管屏方式布置的。在锅炉实际运行中，各平行管中工质的吸热量是不同的。这种平行管中工质焓增不均匀的现象称为热偏差，并把平行管中偏差管内工质的焓增Δi和整个平行管组工质的平均焓增Δim之比称为热偏差系数，简称热偏差：

(1)

式中：Δi为单根水冷壁管子中工质的焓增，kJ/kg；Δim为所有测量的120根水冷壁管子中工质的平均焓增，kJ/kg。

由于省煤器出口处工质的压力、温度，水冷壁出口处工质的温度已经测出，所以单根水冷壁管子的焓增为水冷壁出口工质焓值与入口工质焓值之差。

Δi=iout-iin

(2)

2.1 不同负荷下的水冷壁管子的热偏差

图1是锅炉在331 MW负荷，A、B、C、D磨煤机运行下，各水冷壁管的热偏差系数分布。

在此工况下，主蒸汽压力为14.13 MPa，主蒸汽温度为560.67 ℃，主蒸汽流量为903.74 t/h，省煤器出口压力为15.55 MPa，省煤器出口温度为291.20 ℃，蒸汽焓值为1 290.58 kJ/kg。前墙最大热偏差系数为1.25，最小为0.87，呈中间低两头高的趋势；后墙最大热偏差系数为1.17，最小为0.87，呈中间高两头低的趋势；左墙最大热偏差系数为0.97，最小为0.87，靠前墙部分稍高；右墙最大热偏差系数为0.91，最小为0.86，分布比较均匀。A、D磨煤机运行而另一侧与之对应的E、F磨煤机未运行，造成前墙两侧吸热较多而后墙中部吸热较多。总体来说，前墙中间部分水冷壁吸热少而两侧吸热多，后墙中间部分水冷壁吸热多而两侧吸热较少，左墙靠前墙侧吸热稍多，右墙吸热均匀。前后墙吸热略大于左右墙。水冷壁的吸热比例同磨煤机运行方式有密切关系。

图2是锅炉在400 MW负荷，A、B、C、D、E、F磨煤机运行下，各水冷壁管的热偏差系数分布。

在此工况下，主蒸汽压力为17.30 MPa，主蒸汽温度为568.08 ℃，主蒸汽流量为903.74 t/h，省煤器出口压力为18.24 MPa，省煤器出口温度为271.47 ℃，蒸汽焓值为1 189.53 kJ/kg。前墙最大热偏差系数为1.25，最小为0.87，呈中间高两头低的趋势；后墙最大热偏差系数为1.14，最小为0.88，呈中间高两头低的趋势；左墙最大热偏差系数为1.10，最小为0.88，靠前墙部分稍高，靠后墙部分分布均匀；右墙最大热偏差系数为1.02，最小为0.87，靠前墙部分稍高，靠后墙部分分布均匀。A、F磨煤机相较其他几台磨煤机投煤量小，前墙和后墙两侧负荷较低。总体来说，前后墙中间部分水冷壁吸热少而两侧吸热多，左右墙靠前墙侧吸热稍多，靠后墙部分吸热均匀。

图3是锅炉在450 MW负荷，A、B、C、D、F磨煤机运行下，各水冷壁管的热偏差系数分布。

在此工况下，主蒸汽压力为18.81 MPa，主蒸汽温度为566.33 ℃，主蒸汽流量为1 216.98 t/h，省煤器出口压力为20.84 MPa，省煤器出口温度为288.52 ℃，蒸汽焓值为1 274.08 kJ/kg。前墙最大热偏差系数为1.15，最小为0.90，呈中间高两头低的趋势；后墙最大热偏差系数为1.16，最小为0.90，呈中间高两头低的趋势；左墙最大热偏差系数为0.91，最小为0.90，分布非常均匀；右墙最大热偏差系数为1.04，最小为0.90，靠前墙部分稍高。此时，E磨煤机不运行，F磨煤机相比其他几台磨煤机给煤量较小，可是仍然呈现中间部分热负荷高，两侧热负荷低的趋势，说明炉内两侧火焰向中部倾斜，造成中部热负荷高的现象。总体来说，前后墙中间部分水冷壁吸热少而两侧吸热多，左墙吸热均匀，右墙靠前墙侧吸热稍多。

图4是锅炉在500 MW负荷，A、B、C、D、E、F磨煤机运行下，各水冷壁管的热偏差系数分布。

在此工况下，主蒸汽压力为21.38 MPa，主蒸汽温度为564.17 ℃，主蒸汽流量为1 295.85 t/h，省煤器出口压力为22.86 MPa，省煤器出口温度为296.84 ℃，蒸汽焓值为1 315.90 kJ/kg。前墙最大热偏差系数为1.19，最小为0.87，呈中间高两头低的趋势；后墙最大热偏差系数为1.19，最小为0.84，呈中间高两头低的趋势；左墙最大热偏差系数为1.07，最小为0.83，靠前墙部分稍高；右墙最大热偏差系数为1.02，最小为0.83，靠前墙部分稍高。A、F磨煤机相比其他几台磨煤机给煤量较小，中间部分热负荷高。总体来说，前后墙中间部分水冷壁吸热少而两侧吸热多，左右墙靠前墙侧吸热稍多。

图5是锅炉在600 MW负荷，A、B、C、D、E、F磨煤机运行下，各水冷壁管的热偏差系数分布。

在此工况下，主蒸汽压力为24.02 MPa，主蒸汽温度为568.40 ℃，主蒸汽流量为1 543.88 t/h，省煤器出口压力为26.07 MPa，省煤器出口温度为305.95 ℃，蒸汽焓值为1 361.58 kJ/kg。前墙最大热偏差系数为1.23，最小为0.80，左侧部分稍大；后墙最大热偏差系数为1.20，最小为0.76，呈中间高两头低的趋势；左墙最大热偏差系数为1.10，最小为0.77，靠前墙部分稍高；右墙最大热偏差系数为1.04，最小为0.80，中间部分稍高。A、F磨煤机相比其他几台磨煤机给煤量较小，两侧热负荷较低，E1磨煤机给煤量最高，造成前墙炉内火焰中稍向前墙左墙处偏斜，中部左侧热负荷较高。

2.2 不同负荷下的各个炉墙受热面的热偏差

计算各个炉墙面的平均焓增和热偏差系数，见图6和图7。

从图6中可知：前墙和后墙的平均焓增大于左墙和右墙的平均焓增。随着负荷的升高，炉墙的平均焓增总体呈减小的趋势。这是因为随着压力的升高，工质汽化潜热减小，同时炉膛辐射热量的增加速度小于水冷壁流量的增加速度。

前后墙的热偏差系数大于左右墙的热偏差系数，说明前后墙的热负荷高于左右墙的热负荷，这是由锅炉的燃烧方式决定的。该锅炉的燃烧方式是W形火焰燃烧，前后墙距离火焰中心较近，热负荷较高，符合W形火焰锅炉的燃烧机理。前墙热偏差系数略高于后墙，说明前墙热负荷较高。随着机组符合的变化，各个炉墙面热偏差系数无规则变化，W形火焰锅炉并非像四角切圆锅炉随着负荷升高而热偏差减小[2]，充分说明了W形火焰锅炉炉内燃烧情况的复杂。

3　结语

(1) 机组负荷改变，各个水冷壁管子的热偏差系数也随之改变。过高或者过低的负荷都会使水冷壁管子产生较大的热偏差，机组在450 MW负荷下热偏差相对较小。低负荷时，有些磨煤机不运行，炉内温度较低，煤粉燃烧不充分，产生较大的热偏差，水冷壁吸热偏差同磨煤机运行方式有密切关系。高负荷时，给煤量较大，炉内温度高，但炉内空气动力场可能不稳定，对火焰分布影响较大，出现较大的热偏差。

(2) 前后墙在大部分情况下中间部分热偏差系数较大，热负荷较高，两侧部分热偏差系数较小，热负荷较低；极少数情况中间部分热偏差系数较小，热负荷较低，两侧部分热偏差系数较大，热负荷较高。左右墙热偏差系数分布均匀或者靠近前墙部分稍高，这与磨煤机投运方式和各台磨煤机磨煤量有很大关系。

(3) 对各个炉墙面来说，工质的平均焓增随着机组负荷的升高而减小，随着压力的升高，工质汽化潜热减小；同时炉膛辐射热量的增加速度小于水冷壁流量的增加速度。前后墙水冷壁管子平均吸热量高于左右墙。

[1] 俞谷颖,张富祥,陈端雨,等. 超(超)临界压力直流锅炉垂直管圈水冷壁特性的研究[J]. 动力工程,2009,29(3):205-209,227.

[2] 陈端雨,何翔,杨勇,等. 超临界压力塔式直流锅炉螺旋管圈水冷壁吸热偏差的试验研究[J]. 动力工程学报,2012,32(8):581-585.

Analysis on Thermal Deviation of W-flame Boiler Water Walls

Wang Pu, Chen Duanyu, Yang Yong, Zhou Wentai

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

The thermal deviation of water walls was calculated at different loads of a supercritical pressure W-flame boiler. Results show that large thermal deviation generates in the water wall at both high and low loads, and the thermal deviation is relatively small at the unit load of 450 MW; for the front and back wall, the thermal deviation coefficient is larger in the middle part while smaller at both sides in most cases; for the left and right wall, the thermal deviation coefficient distributes uniformly, or is just slightly higher in the area close to the front wall; for all the furnace walls, the average enthalpy rise of working medium declines with increasing unit load; the average heat absorption of front and back wall is higher than that of left and right wall.

supercritical pressure; boiler; W-flame; water wall; thermal deviation

2016-03-01

王璞(1988—)，男，助理工程师，研究方向为锅炉水动力及传热学。

E-mail: wangpu@speri.com.cn

TK222

A

1671-086X(2016)05-0299-05