低質(zhì)量流速垂直管屏技術(shù)的原理與應(yīng)用分析.docx

1、第21卷第6期熱能動力工程Vol.21,No.62006年11月JOURNALOFENGINEERINGEORTHERMALENERGYANDPOWERNov.,2006文代編1001-2060(2006)06-0640-05文代編1001-2060(2006)06-0640-05技術(shù)交流低質(zhì)量流速垂直管屏技術(shù)的原理與應(yīng)用分析李燕，趙新木,岳光溪，劉青（清華大學熱能工程系，北京100084）摘要：低質(zhì)量流速疊直管屏技術(shù)的核心為Benson內(nèi)螺紋to分析了Bensont的基本原理，并對低質(zhì)量流速疊直管屏技術(shù)的應(yīng)用進行了探討。低質(zhì)爻流速魚直僮屏能械產(chǎn)生自然循環(huán)特性，在滿足較低質(zhì)量流速的同時保證鍋爐

2、的安會運行因此低質(zhì)量流速垂直管屏技術(shù)有優(yōu)勢.尤其是在強制循環(huán)的煤粉爐和必須采用壘直管的超臨界洌環(huán)流化床鍋爐中，Benson管可以減小蒸汽溫度偏差，井降低水冷壁流動阻力，可以保證水冷壁更安全，其性能優(yōu)于光管和普通內(nèi)螺紋管。低質(zhì)量流速魚直管屏技術(shù)在我國姚孟電廠1號機組的改造工程和波蘭超臨界徙環(huán)流化床中均有應(yīng)用。關(guān)鍵詞：Benson管;低質(zhì)量流速;垂K管屏;煤粉爐；循環(huán)流化床中圖分類號:TX229.6文獻標識碼：B1前言大容鼠鍋爐的水冷壁通常采用多回路管屏或螺旋管圈以保證其具有較低的壁面溫度和較小的工質(zhì)溫度偏差。而采用這兩種管屏在解決以上問題的同時也帶來了無法克服的缺陷:支吊復(fù)雜，管內(nèi)流動阻力較大，

3、制造和運行成本增加。與之相比較,垂宜管屏結(jié)構(gòu)簡單，管內(nèi)流動阻力較小，變壓運行適應(yīng)性好可以有效檸約成本。但是其本身存在的熱敏感性強、水動力穩(wěn)定性差等問題一直制約著它的發(fā)展。Benson低質(zhì):fi流速垂直管屏直流技術(shù)（低質(zhì)星流速OTU技術(shù)）可以有效解決這個問題。該技術(shù)中，采用稱之為Benson管的優(yōu)化內(nèi)螺紋管，使采用垂直管屏的直流鍋爐水冷壁中產(chǎn)生自然循環(huán)特性，有效降低熱偏差，使得鍋爐在很低的質(zhì)量流速下依然能夠安全地運行,因此受到了高度重視2Benson管原理與特點管內(nèi)工質(zhì)的阻力特性決定了受熱面的水力流動情況,進而影響了管子布置的可行性與安全性。一般的,管內(nèi)阻力由重位壓降勻八摩擦壓降勻政和加速壓力降

4、勻戶組成。在亞臨界壓力范圍內(nèi)，由于加速壓降少“很小，可以將之忽略。在受熱一定的條件下，摩擦壓降與重位壓降勻中隨質(zhì)量流速的變化如圖1所示?？梢钥吹剑斮|(zhì)量流速小于該負荷下的臨界質(zhì)量流速Go時,重位壓降勻,的變化率大于流動阻力的變化率，因此重位壓降勻正為管內(nèi)總阻力的控制部分。在這種情況下，若管子吸熱增加，管內(nèi)工質(zhì)平均密度會減小，引起重位壓降減小，流動阻力亦即摩擦壓降勻沈增大。因此受重位壓降勻*的控制，總阻力勻心降低，管內(nèi)工質(zhì)流速必須增大以彌補總阻力的降低。當質(zhì)鼠流速大于C。時,管內(nèi)總阻力受流動阻力控制，當工質(zhì)吸熱量增大時，管內(nèi)含汽率增大，流動阻力迅速增加,從而總阻力增大，引起管內(nèi)質(zhì)量流速降低。因此

5、，當質(zhì)量流速小于G）時，吸熱讖增大，流速也增大，這種流動特性被稱為正流抵響應(yīng)特性，此時流動具有日補償能力，因此又被稱為自然循環(huán)特性;當質(zhì)星流速大于G）時，吸熱屋增大，流速減小，這種流動特性被稱為負流最響應(yīng)特性或宜流特性。在超臨界壓力下.各阻力的變化類似于兩相流，因此以上特性在超臨界壓力時也會出現(xiàn)。上述流動特性普遍存在于管內(nèi)流動中。不同的熱負荷對應(yīng)的臨界質(zhì)敏流速有所不同。熱負荷越大,重位壓降隨質(zhì)鼠流速的變化越緩慢，臨界質(zhì)量流速降低。則水冷壁內(nèi)工質(zhì)質(zhì)最流速應(yīng)該小于最大熱負荷下的臨界質(zhì)量流速才能保證水冷壁在額定熱負荷下也具有自補償特性。在自然循環(huán)鍋爐中，通過提商循環(huán)倍率可以使得問路在具有自補償能力的

6、范圍內(nèi)安全運行。而對于直流鍋爐，不得不提高工質(zhì)質(zhì)量流速以防止傳熱惡化。此時直流鍋爐已失去了自補償特收稿日期:20）6-02-27;修訂日期：200608-01.作者簡介；李燕（1981-），女.陜西西安人，清華大學博，研究生.641李燕,等:低質(zhì)最流速垂直管屏技術(shù)的原理與應(yīng)用分析圖1Benson管原理性，運行在負流域響應(yīng)特性區(qū)域。在低質(zhì)量流速下工作的水冷壁,尤其是使用光滑管的水冷壁，根本無法滿足傳熱的需要。而內(nèi)螺紋管通過改變管子結(jié)構(gòu)，在考慮傳熱需要的同時，兼顧考慮管內(nèi)工質(zhì)具有依可能高的臨界質(zhì)量流速，具有較好的應(yīng)用前景:。研究表明,采用內(nèi)螺紋管町以推遲甚至抑制傳熱惡化，在高干度區(qū)域也很難形成膜態(tài)

7、沸騰?，F(xiàn)在用于鍋爐中的內(nèi)螺紋管主要分為單頭和多頭內(nèi)螺紋管。單頭內(nèi)螺紋管造成的流體紊流效應(yīng)很大，可以有效推遲或抑制傳熱惡化，但是其摩擦阻力壓力降很大，耗能大，因此成本比較高，造價比較昂貴。普通的多頭內(nèi)螺紋管摩擦阻力較單頭的小，但是其造成的素流效應(yīng)沒有單頭的大。Siemens公司通過20多萬個實驗數(shù)據(jù)在各種內(nèi)螺紋管中優(yōu)選一種內(nèi)螺紋管，稱為Benson內(nèi)螺紋管(簡稱Benson管)。和以上兩種內(nèi)螺紋管相比，Benson管具有非常高的冷卻能力，即使在質(zhì)量流速很低的情況下，傳熱特性仍然良好。Benson管的另一個優(yōu)勢是在保證壁而附近強烈的紊流的同時，管內(nèi)摩擦阻力降低。垂直管屏宜流鍋爐具有結(jié)構(gòu)簡單、流動阻

8、力小、成本低等特點，因此在鍋爐逐漸大型化的過程中越來越受到重視，而采用了Benson管的低質(zhì)量流速技術(shù)的出現(xiàn)更加推動了這一技術(shù)的進步，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。Benson低質(zhì)量流速垂直管屏直流技術(shù),在滿足低質(zhì)量流速的同時能夠保證水冷壁不發(fā)生傳熱惡化實驗表明，工質(zhì)質(zhì)量流速降到1000kg/(m2-s)時,就出現(xiàn)類似于汽包爐的自然循環(huán)特性。因此降低了管屏對熱偏差的敏感程度，減少了管屏出口工質(zhì)的溫度偏差，保證了鍋爐的安全運行。采用Benson管的垂直管屏將有效降低成本。在保證鍋爐的安全運行的前提下能夠簡化鍋爐支吊，降低成本與給水泵能耗.提高發(fā)電機組的供電效率。鍋爐啟動負荷低，啟動簡單。對于螺旋管圈，通常在

9、35%左右就需要采用再循環(huán)方式，而采用低質(zhì)量流速的Benson鍋爐,其最小直流負荷降到20%左右仍能安全運行O圖2Benson低質(zhì)童流速垂直管屏直流鍋爐3低質(zhì)量流速0TU技術(shù)應(yīng)用分析我國姚孟電廠I號機組的改造成功是Benson低質(zhì)量流速OTU技術(shù)在世界鍋爐技術(shù)中的第一次應(yīng)用。該電J采用了Mitsui-Babcock公訂|提供的鍋爐改造方案。水冷壁采用較大直徑的Benson管進行低質(zhì)量流速設(shè)計。改造前，該鍋爐在100%BMCK負荷時的工質(zhì)質(zhì)量流速高于1800kg/(m2-s),流動特性呈現(xiàn)直流特性,當發(fā)生吸熱偏差時，吸熱最多的管子流量最小，極易發(fā)生傳熱惡化，造成水冷壁管溫度急劇增加。改造后，該鍋

10、爐的工質(zhì)質(zhì)量:流速，不到改造前的40%o100%BMCR時,工.質(zhì)質(zhì)量流速最高僅為687kg/(m2-S)(810此時水冷壁系統(tǒng)的流動特性呈現(xiàn)自然循環(huán)特性，具有自補償能力，吸熱最多的管子中流危最大，極大改善了傳熱條件,降低了管壁溫度以及熱偏是，如圖3所示。實踐證明，雖然改造后的水冷壁管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)最流速很低，但是即使在最惡劣的條件下,其流動特性也是非常穩(wěn)定的，水冷壁得到有效冷卻,能夠保證鍋爐的安全運行。實際上，低質(zhì)量流速垂宜管屏的矛盾在800MW以下鍋爐中普遍存在。由于可以采用螺旋管圈，以提高質(zhì)量流速，避免使用或者盡量較少使用具有自然循環(huán)特性的內(nèi)螺紋管；而大于800MW容量:時，-642-熱能動-

11、642-熱能動力工程2006年直管屏的丁質(zhì)流速已經(jīng)可以滿足傳熱的需要。因此,一般認為在煤粉鍋爐設(shè)計中，可以避免使用包括Benson管在內(nèi)的內(nèi)螺紋管。這一認識已經(jīng)為大量的實踐所驗證。季、榭單fi墨-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4吸熱偏差/%圖3姚孟電廠1號爐改造前后流動特性比較但是,循環(huán)流化床鍋爐中,垂直管屏是不可避免的，這是由爐內(nèi)流動對受熱面的沖刷磨損特點決定的，因此在超臨界條件下，垂直管屏是唯一選擇。與此同時,由于流化速度的限制，水冷壁的周界長度比較大】，在此條件下，對于600MW以下容量，其管內(nèi)質(zhì)量流速不可避免地較低。因此，超臨界循環(huán)流化床鍋爐要重點考

12、慮的問題之一是水冷壁低質(zhì)里流率下的傳熱和流動對管子結(jié)構(gòu)的要求。這一問題已經(jīng)引起人們的高度重視。傳熱對質(zhì)最流率的要求嚴重依賴F受熱面的熱流及其不均勻性。研究表明”七在煤粉鍋爐中，熱流密度嚴重不均，而在循環(huán)流化床鍋爐中熱流密度不僅較低，而旦熱流的不均勻性要小得多(見圖4)。這一分布特點是由循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部的流動、燃燒特點決定的皿。因此，即使在較低的管內(nèi)質(zhì)量流速條件下，依然可以得到較小的熱偏差。所以循環(huán)流化床內(nèi)條件并不嚴峻。盡管FW公司也認為在循環(huán)流化床中可以不需要采用內(nèi)螺紋管，但是為了設(shè)計的安全性，還是在燃燒室上部采用了內(nèi)螺紋管。ABB公司提出的24.1MPa/538勾/538幻滑壓運行超臨界循

13、環(huán)流化床鍋爐，也是采用普通內(nèi)螺紋管垂直管屏，以推退或抑制傳熱惡化四。FW公司在波蘭的L岫sza電廠安裝了世界上第一臺46()MW超臨界循環(huán)流化床，如圖5所示。鍋爐即采用低質(zhì)量流速OTU技術(shù)。由于采用了Benson垂直管屏技術(shù)，全負荷時管胖出門處管壁溫度偏差僅為35勾，管屏入口到分離器入口處壓力降為0.27Mla61o2323456I1-PC爐履出口2-PC爐股平均3-PC燃燒卷區(qū)域4-CFB爐履出口區(qū)5-CFB爐膛卜.部6-CFB爐履平均-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.2030.40.5相對寬度4循環(huán)流化床與煤粉爐水冷壁熱流密度比較圖5460MW超臨界CFB以圖4所示的

14、熱流密度，對稀相區(qū)截面尺寸為17430mmx25394mm、布風板距離頂棚為63040mm的爐膛進行計算，計算中水冷壁的外徑為32mm,壁厚為8mm,管節(jié)距為44mm,在水冷壁管內(nèi)工質(zhì)流速為1460kg/(m2-s)0管子結(jié)構(gòu)選擇光滑643李燕,等:低質(zhì)噠流速垂直管屏技術(shù)的原理與應(yīng)用分析管、普通內(nèi)螺紋管和Benson管以單根管的某高度上的微元管段(1m)作為計算單元，進行該單元的水力計算。通過逐段的水動力計算，完成整根管的水動力計算。每一計算單元內(nèi),取統(tǒng)一的熱負荷強度，工質(zhì)參數(shù)取平均值。模型中忽略了燃燒過程及傳熱過程對燃燒室煙氣側(cè)溫度的影響。在完成單管的水動力計算基礎(chǔ)上,再進行并聯(lián)管組的計算。

15、假定工質(zhì)各管流最和出口壓力,根據(jù)在出口集箱處流體的均壓條件，考察全部垂直管的最終出口壓力是否滿足均壓條件，不滿足則修正并聯(lián)管的流最，重新進行計算。然后將各何路在同一壓降下流最相加，與設(shè)計流量:比較。誤差不滿足許可范圍時,改變假定壓力，直到計算流量值與設(shè)計值相差滿足誤差要求為止。計算過程中采用二分法，多次迭代逼近。計算結(jié)果表明，即使使用光滑管,管子出口蒸汽溫度的偏差最大為45乞，水冷壁壓降為0.22MPao若采用普通內(nèi)螺紋管，溫度偏差最大為36水冷壁壓降為0.44MPao若采用Benson管，溫度偏差最大為28水冷壁壓降為0.25MPa(見圖6)。相對寬度圖6不同管子類型水冷壁出口蒸汽溫度可見,

16、采用內(nèi)螺紋管，尤其是采用低質(zhì)量流速OW技術(shù)，蒸汽溫度的偏差得到相當?shù)母纳?。一般看來，采用光滑管是可行的，但是在爐膛上部，由于熱流密度的分布趨于不均勾(見圖4),因此在該區(qū)域采用內(nèi)螺紋管，可以TF效改善蒸汽溫度的非均勻程度。因此，低質(zhì)童流速OTIJ技術(shù)是一種全新的設(shè)計思路，通過采用優(yōu)化的內(nèi)螺紋管，使得水冷壁在較低的工質(zhì)流量下產(chǎn)生自然循環(huán)特性，既降低了整個流動回路的壓降損失，乂保證鍋爐的安全運行,并降低電站成本C低質(zhì)鼠流速OTU技術(shù)是基于煤粉鍋爐發(fā)展起來的，然而這種新技術(shù)與超臨界循環(huán)流化床燃燒技術(shù)(SUC-CFB)的結(jié)合將使得這種新型鍋爐在市場中更具競爭力。循環(huán)流化床鍋爐占地面積小，可以有效降低污

17、染物排放,旦燃料適應(yīng)性好,能夠滿足日益嚴格的環(huán)保要求，有效解決資源緊張問題;而超臨界技術(shù)將使得CFB的運行更加靈活、電站效率進一步提高；再加上低質(zhì)量流速OTU技術(shù)，CFB的優(yōu)勢將會進一步體現(xiàn)，并能有效降低鍋爐成本。采用這些技術(shù)的循環(huán)流化床憑借其優(yōu)良的性能將會成為未來鍋爐發(fā)展的重要方向之一。4結(jié)論低質(zhì)量流速垂直管屏技術(shù)在降低給水泵電耗、流動安全性方面，在直流煤粉鍋爐中有著優(yōu)勢。在必須采用垂直管和低質(zhì)量流速的直流循環(huán)流化床鍋爐中，也有著良好的應(yīng)用前景。低質(zhì)量流速垂直管屏技術(shù)的核心為Benson內(nèi)螺紋管,Benson管充分利用了流動阻力與流動的美系,在低質(zhì)量流速下，魚苴管屏能夠產(chǎn)生自然循環(huán)特性，在滿

18、足較低質(zhì)量流速的同時保證鍋爐的安全運行。因此低質(zhì)量流速垂宜管屏技術(shù)是有優(yōu)勢的。對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的熱流分布分析表明，由于熱流密度較低而且相對均勻，因此即使在較低的管內(nèi)質(zhì)量:流速條件下，采用光滑管也可以得到較小的熱偏差。但是在爐膛上部，由于熱流密度的分布趨于不均勻,因此在該區(qū)域采用內(nèi)螺紋管，可以保證水冷壁更加安全。對稀相區(qū)截面尺寸為17430mmx25394mm、布風板距離頂棚為63040mm的爐膛進行計算，其中水冷壁的外徑為32mm,壁厚為8mm,管節(jié)距為44mm,水冷壁管內(nèi)工質(zhì)流速為1460kg/(m2-s),管子結(jié)構(gòu)選擇光滑管、普通內(nèi)螺紋管和Benson管。計算表明，使用光滑管，管子出

19、口蒸汽溫度的偏差最大為45T,水冷壁壓降為0.22MP&。若采用普通熱螺紋管，溫度偏差最大為36水冷壁壓降為0.44MPao若采用Benson管，溫度偏差最大為28水冷壁壓降為0.25MPac參考文獻：1 辛建.呂俊SL岳光溪，等.發(fā)展超臨界循環(huán)流化床的討論J.熱能動力工程，2002,17(5):439441.2 于龍，日俊復(fù)，王智微，等.循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的研究展望J.熱能動力工程,203,19(4):336-342.(下轉(zhuǎn)第647頁)4R.峰，等:水煤漿流化-懸浮燃燒技術(shù)在勝利油m的應(yīng)用已經(jīng)過4個采曖期的可靠運行，表現(xiàn)出r燃燒效率高、排放特性良好的特性。4水煤漿流化.懸浮燃燉鍋爐的應(yīng)用前景

20、儀2(X)2年,勝利油II應(yīng)用水煤漿流化-懸浮燃燒新技術(shù)對4座鍋爐房進行改造.至此全油田共計改造和新增鍋爐20臺(個別鍋爐由霧化-懸浮燃燒改為流化-懸浮燃燒)，總?cè)蓦m達300l/h,單臺最大容量為75t/h,當年燃燒水煤漿6.54x1L共節(jié)約費用2400萬元。該技術(shù)已經(jīng)于2004年10月通過了山東省科技廳組織的技術(shù)鑒定,結(jié)論為“該技術(shù)成功解決了水煤漿燃燒存在的諸多技術(shù)難題，在中小容蟲鍋爐水煤漿程應(yīng)用中有技術(shù)突破，達到了國際領(lǐng)先水平”。并獲得了山東省2(X)5年技術(shù)進步二等獎。水煤漿流化-懸浮燃燒技術(shù)實現(xiàn)了水煤漿的低溫、高效潔凈燃燒。不僅具有負荷調(diào)節(jié)性能好、運行費用低、勞動強度低、對水煤漿的適應(yīng)

21、性強、輔助配食系統(tǒng)簡潔可辛和設(shè)備投資少等優(yōu)點，而且拓寬r制漿的煤種范圍并降低制漿成本；在燃燒過程中直接脫硫脫氮,不僅燃燒效率高，而旦環(huán)保特性好C水煤漿流化-懸浮燃燒新技術(shù)在全國丁業(yè)鍋爐燃燒水煤漿應(yīng)用方面積累了寶員的經(jīng)驗，起到了良好的示范作用，對潔凈煤技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠的影響。5結(jié)論勝利汕山-直致力于水煤漿的技術(shù)開發(fā)和推廣_L作,開始采用水煤漿霧化-懸浮燃燒技術(shù)，在積累一定的經(jīng)驗后，又發(fā)展了水煤漿流化-懸浮燃燒技術(shù)，目前正在推廣應(yīng)用之中。水煤漿流化-懸浮燃燒技術(shù)采用專用的水煤漿?；?，將水煤漿以顆粒形式噴入燃燒室，省略r用于客化漿槍的復(fù)雜霧化系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)簡單，可靠性高,而且避免r漿槍的堵塞

22、和磨損等難題的困擾，不僅燃燒效率高，而且抑制了熱力型N().t的生成，由于床料中加入了一定量的石火石，口丁以實現(xiàn)水煤漿燃燒過程中的背接脫硫，具有良好的環(huán)保特性。在勝利汕山20余臺鍋爐采用該技術(shù)，經(jīng)過4個采暖期的可野運行,鍋爐運行穩(wěn)定，操作簡單，已經(jīng)燃燒水煤漿29.7X仃1,替代石油13.5X1O1,經(jīng)濟效益相當顯著。水煤漿流化-懸浮技術(shù)在工業(yè)鍋爐和小容星電站鍋爐上的應(yīng)用實例表明，其經(jīng)濟和社會效益良好，進-步的研究方向是鍋爐木體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、提高燃燒過程的脫硫效率以及控制熱力型NO*的牛成等，有關(guān)這方而的研究還需要不斷積累運行經(jīng)驗，進行深入的理論分析。參考文獻：UJ4玉峰”建強.萬R科.等.水煤漿

23、燃燒技術(shù)及兒發(fā)展J.潔凈煤技術(shù),2003(3):13-17.12晏秀bi,馬R峰.萬啟料.等.水煤漿流化懸浮商效潔凈燃燒I：藝P.中國弓利:ZI02I09852.2.3 5峰，妥秀心萬舄科.等.水煤漿流化懸浮高效潔冷燃燒裝置P.中國專利:ZID2273489.9.：4馬玉峰.萬申科.種11有嫉通和冷卻功能的水煤漿或泥煤漿鋼爐給漿裝置內(nèi)，中國專利：20052(X)X5303.4.5姜秀民.孫教.郝志金.等.fHC式島混旋渦分肉器P.中國專利:ZI6I2I228.4.(何靜芳編輯)(上接第643頁)31店人虎，悶志宏,陳聽也等.國產(chǎn)UP直流爐水冷壁改造方案分析J.熱能動力Efi.,2002.17(6):641-643.4j鄭建學，陳聽寬.羅毓冊.等.超臨界ItijjF600MW白流鍋爐水冷里內(nèi)螺紋管岸擦陽力特性研究1J.熱力發(fā)電,2000.2：15-26.5XI孫學.陳聽寬.陳學俊，等.600MW變壓運行直流鋼爐水冷壁內(nèi)螺紋竹內(nèi)暇換熱廿fl的研究.中國電機工程學報,1996,16(4):271-275.6RAGNARLUNDQVIST.ANDRESCHRIF.I),PEKmKINNUNE、.etid.Amajo