700 ℃超超临界一次再热П型锅炉水动力特性及壁温分布规律研究

祁 成

700 ℃超超临界一次再热П型锅炉水动力特性及壁温分布规律研究

祁 成

（大唐黄岛发电有限责任公司，山东 青岛 266599）

为了掌握700 ℃超超临界机组锅炉水动力特性和壁温分布规律，以某600 MW， 35 MPa/700 ℃/720 ℃超超临界一次再热П型锅炉为例，采用通用水动力计算方法对700 ℃超超临界机组锅炉的水动力特性和壁温分布规律进行了数值计算和分析。结果表明，随着高度的增加，水冷壁管内工质温度基本呈线性增加，管壁壁温也随之升高，换热温差沿程变化不大，大比热容区流体换热性能良好，有效地抑制了高热负荷区域壁温的峰值。螺旋管圈水冷壁能够有效地控制700 ℃超超临界机组锅炉水冷壁的壁温偏差。但是，由于700 ℃锅炉工作参数的提升，水冷壁出口壁温仍然高达520 ℃左右，这对锅炉水冷壁材料和锅炉的实际运行均提出了更高的要求。

700 ℃；超超临界机组；锅炉；水冷壁；水动力特性；壁温分布；高效发电

目前，我国高效火力发电已经达到了世界领先水平，例如，莱芜电厂的31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃二次再热机组发电效率已经达到48.12%，发电煤耗为255.29 g/(kW·h)，供电煤耗为266.18 g/(kW·h)，刷新了世界纪录[1]。但是进一步提高火电机组效率仍将是火电发展的重要方向，对我国电力的发展意义重大。其中，700 ℃超高参数超超临界火力发电技术是被公认的未来高效发电技术之一。

为了追求更高的效率，美国、日本、欧洲从上世纪80年代开始相继开展了超超临界700 ℃发电技术的研究，研究重点集中在高温部件的开发。从上世纪90年代末开始，欧洲、日本、美国、印度等国家和地区陆续启动了700 ℃超超临界发电技术研究计划，如欧洲的AD-700[2]及后续系列计划，美国的USC计划（Ultra-Supercritical Steam Project）[3]，日本的A-USC计划[3]，印度700 ℃技术发展规划[4]等。我国700 ℃发电技术的研究也紧跟世界步伐。国家能源局组织了“700 ℃联盟”开展相关研究[5]，2018年国家科技部再次通过国家重点研发计划项目“700 ℃等级高效超超临界发电技术”资助700 ℃发电技术的发展。

700 ℃发电技术的研究包含高温合金材料研制、锅炉、汽轮机关键高温部件的加工制造、高温阀门制造、高温材料及关键部件的实炉验证、700 ℃超超临界示范电站的设计、建造及运行等[4]，且经过各国研究人员的努力，均取得了丰硕的成果[6-10]。

700 ℃超超临界锅炉是700 ℃发电技术的核心设备之一。肖平等[11]提出了“M”型及倒置型700 ℃锅炉布置方案，相较传统布置方案，该方案通过改变烟气流程、降低高温受热面布置标高，可大大缩短700 ℃主蒸汽管道长度，从而大幅降低电站建设成本，具有显著的创新性和经济性。陈端雨等[12]针对700 ℃超超临界压力二次再热锅炉，通过比较Ⅱ型和塔式2种布置的1 000 MW级锅炉设计案例，探讨了参数对炉型选择、水冷壁设计、再热调温方式、烟气余热的深度利用、材料和技术经济分析等问题。孙献斌[13]在总结国内330 MW和 600 MW循环流化床（CFB)锅炉开发研制及工程经验基础上，进行了蒸汽温度为700 ℃的350 MW超超临界CFB锅炉方案设计，并对工质流程及关键部件结构进行分析计算和设计研究。王崇斌等[14-15]针对超超临界600 MW机组主蒸汽温度为700 ℃的锅炉水冷壁、过热器等受热面的选材问题展开了详细研究，并提出了700 ℃超超临界机组锅炉受热面的选材建议。

但是从公开的文献资料可知，目前700 ℃超超临界机组锅炉的研究多集中在炉型设计、受热面布置、受热面选材等方面。而涉及700 ℃超超临界机组锅炉的水动力和壁温研究相对较少。本文拟以Ⅱ型700 ℃超超临界机组锅炉为例，展开水动力和壁温研究，为该型锅炉的合理设计和安全运行提供技术支持。

1 锅炉概况

本文研究对象为600 MW，35 MPa/700 ℃/ 720 ℃的超超临界一次再热锅炉，炉膛尺寸为 20.35 m×14.20 m，炉膛高度59 m，采用前后墙对冲燃烧方式。炉膛下部布置有螺旋水冷壁，炉膛上部布置有墙式再热器和屏式过热器，水平烟道内布置有高温过热器和高温再热器。烟道由中隔墙分为前后烟道，前烟道中布置低温再热器，后烟道中布置低温过热器。中隔墙的下方布置有省煤器。锅炉受热面布置如图1所示，锅炉设计煤种和校核煤种的煤质分析见表1。

1—螺旋水冷壁；2—储水罐；3—屏式过热器；4—高温过热器；5—汽水分离器；6—墙式再热器；7—高温再热器；8—包覆过热器；9—低温再热器；10—低温过热器；11—省煤器。

表1 设计煤种和校核煤种煤质分析

Tab.1 Quality analysis for the design coal and check coal

BMCR工况时，过热蒸汽流量为1 600 t/h，过热蒸汽压力为35.0 MPa，过热蒸汽温度为700 ℃，再热蒸汽流量为1 290 t/h，再热蒸汽压力为7.2 MPa，再热蒸汽温度为720 ℃，给水温度为326.4 ℃，燃料消耗量为207.6 t/h，排烟温度为116.56℃，锅炉效率为94.23%。

2 水动力计算模型及边界条件

首先针对本文研究锅炉构建数值计算模型，通过Fluent对炉侧燃烧过程进行数值模拟，获取水冷壁热负荷分布数据，作为水动力计算的输入参数。图2为根据该锅炉炉膛结构建立的计算模型，整个炉膛共划分为193万个网格。

图2 炉膛模型

湍流采用Realisable-模型[16]模拟，固体颗粒的运动采用Lagrangian方法计算，炉内辐射传热采用DO模型计算[17]。煤粉燃烧过程可分为两部分：1）挥发分从煤粉颗粒中析出，然后以气态形式燃烧；2）残留的焦炭颗粒进行非均相氧化过程。挥发分的析出过程用被广泛使用的两步竞争模型[18]计算，两步竞争模型假设挥发分的析出速率取决于2个竞争的反应，一个在低温时占主导地位，一个在高温时占主导地位。挥发分的均相燃烧假设化学反应速率无限大，只要混合就燃烧。瞬时的组分质量分数用瞬时混合物的组分表示，单个组分的质量分数由平均混合组分和组分变量决定。化学反应和湍流之间的相互作用用PDF模型考虑[19]。反应过程用Field模型[20]计算，其中反应速率取决于化学动力学速率和外部氧气扩散到焦炭表面的速率。模拟所用煤种为表1中设计煤种，数值模拟主要参数 见表2。

表2 数值模拟主要参数

Tab.2 The major parameters for numerical simulation

图3为通过炉内燃烧的数值模拟获得的壁面热流密度分布结果。

图3 水冷壁热流密度分布

根据本文数值模拟获得的水冷壁壁面热流密度，可以计算出本文水动力计算模型中各个单元的吸热量，并作为水动力计算的输入参数。随后通过水动力计算，可得出该600 MW，35 MPa/700 ℃/ 720 ℃超超临界一次再热锅炉水冷壁的流量分配规律和壁温分布特点。

本文水动力计算依据《电站锅炉水动力计算方法》（JB /Z 201—1983）[21]，采用通用水动力计算方法[22-25]进行计算。根据锅炉的实际结构型式，在水动力计算建模时，将水冷壁分为前、右、后、左墙模块，前墙和后墙模块分别分为16×15组管屏，左侧墙和右侧墙模块分别分为16×9组管屏，即将水冷壁共分成768个不同的单元。每个单元之间的连接关系及工质流程则严格按照锅炉实际结构和流程设置。

3 结果及分析

本文对设计煤种BMCR工况时水冷壁的水动力特性进行计算分析，并获取水冷壁沿高度方向和沿周向的壁温分布规律。图4—图7分别为前墙、右墙、后墙和左墙的水冷壁入口中心管沿流动方向的工质温度分布和壁温分布。

图4 前墙中线壁温分布

图5 右墙中线壁温分布

图6 后墙中线壁温分布

图7 左墙中线壁温分布

图中横坐标为高度节点，8点即为水冷壁出口位置（即螺旋管圈水冷壁出口集箱处，具体位置见图1）。

从图4—图7可以看出：前墙、右墙、后墙和左墙的平均壁温最高值分别为503.6、510.3、503.6、507.8 ℃，向火侧壁温最高值分别为514.8、521.5、514.8、518.9 ℃；随着高度的增加，水冷壁管内工质温度基本上呈线性增加，管壁平均壁温（沿管子周向平均）和管子向火侧壁温也随之增加，且沿程的换热温差变化不大。这主要是因为螺旋管圈水冷壁有效地减小了热负荷分布不均带来的热偏差，各受热面工质温升较为均匀。另外，沿高度方向上超临界水的大比热容区刚好位于热负荷较高的区域，其良好的换热性能有效地抑制了该区域壁温的升高。

图8、图9为水冷壁工质温度和壁温沿炉膛周向的分布规律。其中，图8为燃烧器上沿热负荷较高区域的壁温周向分布，图9为水冷壁出口壁温周向分布。

图8 火焰中心区域（标高30.86 m）水冷壁壁温周向分布

图9 水冷壁出口壁温周向分布

从图8可以看出，标高30.86 m位置水冷壁工质温度、平均壁温、向火侧壁温沿炉膛周向的平均值分别为433.91、455.92、469.71 ℃；最高值为436.06、459.36、473.78 ℃，出现在右墙中间区域；最小值为431.58、452.47、465.86 ℃，出现在后墙左侧区域。该水平方向，平均壁温的壁温偏差仅为6.9 ℃，螺旋管圈水冷壁抑制壁温偏差效果非常明显。

从图9可以看出，水冷壁出口工质温度、平均壁温、向火侧壁温沿炉膛周向的平均值分别为478.59、501.81、512.79 ℃；最高值为485.71、510.75、522.26 ℃，出现在右墙中间区域；最小值为470.85、492.02、502.70 ℃，出现在后墙左侧区域。该水平方向，平均壁温的壁温偏差为18.73 ℃，壁温偏差仍然控制在较为理想的范围。

综上可见，采用螺旋管圈水冷壁的600 MW，35 MPa/700 ℃/720 ℃超超临界一次再热锅炉能够有效地控制水冷壁周向的壁温偏差。但是由于锅炉整体工作参数的提升，水冷壁出口区域壁温仍然高达520 ℃左右，这对锅炉水冷壁材料和锅炉的实际运行均提出了更高的要求。

图10为水冷壁出口质量流速周向分布。

图10 水冷壁出口质量流速周向分布

从图10可以看出，水冷壁内工质整体上呈负流量响应特性，但是由于采用了螺旋管圈的布置形式，有效抑制了热负荷偏差，负流量响应特性非常微弱，流量分配较为均匀。

4 结 语

1）本文所研究的700 ℃超超临界一次再热П型锅炉，无论是前墙、右墙、后墙还是左墙，随着高度的增加，水冷壁管内工质温度基本上呈线性增加，管壁平均壁温和管子向火侧壁温也随之增加。大比热容区流体良好的换热性能有效地抑制了高热负荷区域壁温的峰值。

2）采用了螺旋管圈水冷壁的600 MW，35 MPa/ 700 ℃/720 ℃超超临界一次再热锅炉能够有效地控制水冷壁周向的壁温偏差。但是由于锅炉整体工作参数的提升，水冷壁出口区域壁温仍然高达520 ℃左右，这对锅炉水冷壁材料和锅炉的实际运行均提出了更高的要求。

3）本文中的700 ℃超超临界一次再热锅炉水冷壁整体上仍呈负流量响应特性，但是由于采用了螺旋管圈的布置形式，有效抑制了热负荷偏差，负流量响应特性非常微弱，流量分配较为均匀。

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Hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of a 700 ℃ ultra-supercritical single reheat П type boiler

QI Cheng

(Datang Huangdao Power Generation Co., Ltd., Qingdao 266599, China)

To master the hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of 700 ℃ultra supercritical unit boiler’s hydrodynamic characteristics, this paper takes a 600 MW, 35 MPa/700 ℃/720 ℃ ultra supercritical unit with single reheat П type boiler as an example to carry out numerical calculation by universal hydrodynamic calculation method. The results show that, along the wall height direction, the working fluid temperature increases linearly, the wall temperature increases correspondingly, while the heat transfer temperature has little change. The good heat transfer performance of the fluid in the large specific heat region effectively inhibits the peak value of the wall temperature in the high heat load region. Using coiled water wall can control the wall temperature deviation effectively. However, due to the increase of working parameters of the 700 ℃ ultra-supercritical boiler, the outlet wall temperature of the water wall is still as high as 520 ℃, which puts forward higher requirements for boiler water wall materials and the actual operation of boiler.

700 ℃, ultra-supercritical unit, boiler, water wall, hydrodynamic performance, wall temperature distribution, efficient power generation

TK223.3+1；TK212+.2

A

10.19666/j.rlfd.201905132

祁成. 700 ℃超超临界一次再热П型锅炉水动力特性及壁温分布规律研究[J]. 热力发电, 2019, 48(12): 58-63. QI Cheng. Hydrodynamic characteristics and wall temperature distribution law of a 700 ℃ ultra-supercritical single reheat П type boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 58-63.

2019-05-29

祁成(1964)，男，学士，高级工程师（副高），大唐黄岛发电有限责任公司总经理，主要研究方向为火电厂环保、生物质能等新型发电技术，dtsdqc@163.com。

（责任编辑 马昕红）