超臨界直流鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水動(dòng)力特性探討(共8頁)

1、熱力設(shè)備與水動(dòng)力學(xué)論文 超臨界直流鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水動(dòng)力(dngl)特性探討摘要(zhiyo)：本文(bnwn)敘述了超臨界鍋爐內(nèi)螺紋垂直管屏的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及水動(dòng)力特性，并介紹了內(nèi)螺紋管垂直管屏水動(dòng)力穩(wěn)定性的判別方法以及水冷壁主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取原則。關(guān)鍵詞：超臨界；內(nèi)螺紋管；垂直水冷壁；質(zhì)量流速；水動(dòng)力穩(wěn)定性The Research on Hydrodynamic Characteristics of the Rifle-tube Vertical Water Wall of Ultra Supercritical BoilerAbstract：This paper describes the

2、 structure features and hydrodynamic characteristics of the vertical water wall of USC boiler, and introduces the judgment of the flow stability of the rifle-tube vertical water wall and the selection principles of the design parameters.Key words：Ultra supercritical; Rifle-tube; Vertical water wall;

3、 Mass flux; Flow stability1前言能源是人類進(jìn)行生產(chǎn)和賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)能源的需求也隨之越來越大。因此，合理開發(fā)能源，提高能源利用的綜合效益就顯得越發(fā)重要。因此，為節(jié)約能源消耗和減輕環(huán)境污染，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)中的一項(xiàng)主要內(nèi)容就是超臨界與超超臨界技術(shù)，超臨界機(jī)組的主要設(shè)備是以處于超臨界狀態(tài)的水蒸汽為工質(zhì)的鍋爐和汽輪機(jī)，它是一種節(jié)能、高效、大型的火力發(fā)電機(jī)組 樊泉桂.超超臨界及亞臨界參數(shù)鍋爐.北京：中國電力出版社，2007。它的最主要的特點(diǎn)即發(fā)電煤耗低，效率高，可實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行等。超臨界及超超臨界機(jī)組的最大

4、優(yōu)勢是能夠大幅度提高循環(huán)熱效率，降低發(fā)電煤耗。但相應(yīng)的也需要提高金屬材料的檔次和金屬部件的焊接工藝水平。全世界主要的工業(yè)國家十分重視發(fā)展超臨界和超超臨界技術(shù)，前蘇聯(lián)境內(nèi)超臨界機(jī)組數(shù)量及總?cè)萘烤邮澜缡孜?。在美國、德國、日本等國家也具有相?dāng)數(shù)量的超臨界機(jī)組。目前，日本是世界上超臨界機(jī)組技術(shù)最先進(jìn)的國家，技術(shù)先進(jìn)的主要體現(xiàn)是變壓運(yùn)行技術(shù)成熟，發(fā)電煤耗低等方面。日本目前正在開發(fā)更加適合于超臨界機(jī)組的高強(qiáng)度耐熱金屬材料，并實(shí)現(xiàn)了采用內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁完成變壓運(yùn)行的新一代技術(shù)。超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)大于臨界壓力，蒸汽和水的密度基本相同，沒有明顯分界，首先受影響的是鍋爐的水冷壁。超臨界鍋爐水冷壁不能采用傳

5、統(tǒng)汽包鍋爐的自然循環(huán)方式，而必須采用強(qiáng)制流動(dòng)方式，即以直流運(yùn)行方式為主，也可采用部分復(fù)合循環(huán)方式。超臨界鍋爐的水冷壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要出現(xiàn)了兩種型式：一種是采用螺旋管圈的水冷壁，另一種是采用垂直管屏的水冷壁 樊泉桂.亞臨界與超臨界參數(shù)鍋爐水動(dòng)力特性的分析.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，26(4):3338。兩種水冷壁各有利弊，需要結(jié)合實(shí)際情況選用。一般認(rèn)為，采用垂直管屏水冷壁的直流鍋爐不適合變壓運(yùn)行，但是采用了一些新興技術(shù)的垂直管屏水冷壁實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行也是可能的。例如內(nèi)螺紋管垂直管屏變壓運(yùn)行技術(shù)已經(jīng)有部分實(shí)踐應(yīng)用的例子。2超臨界直流鍋爐(gul)內(nèi)螺紋管垂直管屏介紹(jisho)2.1內(nèi)螺紋管的工作原理

6、(yunl)與傳熱特性由于結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)螺紋管的傳熱系數(shù)明顯大于光管，從而導(dǎo)致它的傳熱性能相對(duì)于光管有著大幅度的提高，所以它能夠起到抵抗膜態(tài)沸騰并且推遲傳熱惡化的作用，其中的主要原理是：由于工質(zhì)受到內(nèi)螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了管內(nèi)壁面附近流體的旋流擾動(dòng)，使水冷壁管貼近內(nèi)壁面產(chǎn)生的汽泡可以被旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)的高速液體及時(shí)帶走，并且在旋轉(zhuǎn)力的作用下，使水流緊貼管子內(nèi)壁面流動(dòng)，從而避免了汽泡在管子內(nèi)壁面上積聚所形成的汽膜，保證了水冷壁管子內(nèi)表面上有連續(xù)不斷的水膜冷卻。從而減小了水冷壁管子超溫的可能性。國外對(duì)于內(nèi)螺紋管和光管進(jìn)行了大量的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)壓力在20MPa以下時(shí)，即使在1000kg/（

7、m2s）的低質(zhì)量流速下，內(nèi)螺紋管水冷壁仍然具有良好的傳熱特性，只有在接近蒸發(fā)終點(diǎn)的質(zhì)量含汽率x=0.9時(shí)才會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化；在近臨界壓力區(qū)，由于壓力的升高，工質(zhì)熱物理特性有了較大的變化，傳熱惡化提前出現(xiàn)，在x=0.6的位置出現(xiàn)壁溫突然升高的現(xiàn)象。 W Kohler. Heat Transfer and Pressure Loss in Bibbed Tubes. The 8th Int. HeatTransfer Conference, 1986, 6: 28612865這說明內(nèi)螺紋管不僅改善了壓降特性，而且也改變了傳熱特性，使機(jī)組更能適應(yīng)變壓運(yùn)行工況以及機(jī)組的頻繁起停 鄭建學(xué)，陳聽寬等.超臨界

8、壓力下600MW直流鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管摩擦阻力特性研究.熱力發(fā)電，2000，（2）：1518，25。2.2超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁特點(diǎn)由于內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)特性，使得它在傳熱性能以及水動(dòng)力特性方面明顯優(yōu)于光管，它在鍋爐上的應(yīng)用給直流鍋爐水冷壁采用垂直管屏型式開辟了嶄新的途徑。早在本世紀(jì)70，80年代，三菱重工等公司鑒于變壓運(yùn)行超臨界機(jī)組的優(yōu)勢和傳統(tǒng)螺旋管圈水冷壁在結(jié)構(gòu)復(fù)雜等方面的不足，使他們在已有長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合循環(huán)鍋爐的基礎(chǔ)上，利用內(nèi)螺紋管在抑制傳熱惡化產(chǎn)生、水動(dòng)力特性良好等方面的優(yōu)點(diǎn)，著手開發(fā)和研究超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重工又在超臨界領(lǐng)域做出重大突破

9、，同時(shí)開發(fā)并生產(chǎn)出了世界上首臺(tái)采用一次上升管圈的超臨界鍋爐變壓運(yùn)行機(jī)組，并在日本多家電廠投入運(yùn)行。國內(nèi)的哈爾濱鍋爐廠引用三菱重工的技術(shù)已經(jīng)成功生產(chǎn)出1000MW內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁超超臨界鍋爐機(jī)組，并在浙江玉環(huán)電廠順利投產(chǎn)，至今運(yùn)行穩(wěn)定。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要優(yōu)點(diǎn) 黃鶯，張亮變壓運(yùn)行600MW超臨界鍋爐垂直水冷壁計(jì)算特性鍋爐制造，2003，（5）：1011，57是：（1）它結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，廠內(nèi)組裝率高，安裝方便，便于吊掛，許多生產(chǎn)工藝和成熟的亞臨界鍋爐水冷壁相近。（2）質(zhì)量(zhling)流速較螺旋管圈水冷壁小，工質(zhì)流程(lichng)比螺旋管圈水冷壁更是大大縮短，因此系統(tǒng)阻力小，

10、給水泵的功耗(n ho)降低。（3）采用內(nèi)螺紋管可提高傳熱性能，在亞臨界負(fù)荷時(shí)防止?fàn)t膛下輻射區(qū)高熱負(fù)荷區(qū)域發(fā)生膜態(tài)沸騰，在超臨界負(fù)荷時(shí)能夠防止類膜態(tài)沸騰的發(fā)生，變壓性能好。（4）降低質(zhì)量流速，使它在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水動(dòng)力特性轉(zhuǎn)化為自然循環(huán)，有利于維持鍋爐安全運(yùn)行。（5）下輻射區(qū)采用一次上升內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁，結(jié)合較低的質(zhì)量流速，克服了傳統(tǒng)UP型鍋爐的主要缺陷。（6）吹灰效果好，結(jié)渣傾向小，疏松型灰渣易于自行脫落，維護(hù)和檢修工作簡單。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要缺點(diǎn)是 潘增祥超臨界機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和發(fā)展前景探討浙江電力，2002，21（4）:2527，33：（1）對(duì)煤種變化的適應(yīng)性較差，不如螺

11、旋管圈水冷壁好。（2）垂直管屏水冷壁沿爐膛周界的水冷壁出口溫度偏差較螺旋管圈水冷壁稍大，但是可通過加裝節(jié)流孔圈將此偏差值控制在適合的范圍。（3）在變壓運(yùn)行特性方面相對(duì)于螺旋管圈水冷壁還是有不足之處。如果垂直管屏水冷壁所有管子平行連接，那么只有在采用較大鍋爐容量時(shí)才能保證水冷壁可靠冷卻所必須的質(zhì)量流速。（4）必須裝設(shè)再循環(huán)泵，以保證啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)必要的質(zhì)量流速，從而增加了設(shè)備投資。（5）原蘇聯(lián)超臨界鍋爐的垂直水冷壁大多采用326的光管，CE公司的復(fù)合循環(huán)鍋爐的垂直水冷壁也采用326的光管，而日本的變壓運(yùn)行超臨界鍋爐垂直水冷壁采用284的內(nèi)螺紋管，由于管徑小，熱敏感性強(qiáng)，對(duì)運(yùn)行控制要求高。3內(nèi)螺紋

12、管垂直管屏水冷壁水動(dòng)力特性分析對(duì)超臨界鍋爐來說，變壓運(yùn)行的方式使其工作條件變得更為復(fù)雜，從額定負(fù)荷至最低直流負(fù)荷，鍋爐運(yùn)行壓力將從超臨界壓力降為亞臨界再降為超高壓，當(dāng)?shù)陀谧畹椭绷髫?fù)荷則又進(jìn)入依靠循環(huán)泵的控制循環(huán)方式運(yùn)行，水冷壁內(nèi)工質(zhì)也由超臨界時(shí)的單相變?yōu)閬喤R界、超高壓以至高壓運(yùn)行時(shí)的汽水雙相，工質(zhì)的溫度和干度也有很大的變化，因此水冷壁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要防止傳熱惡化的發(fā)生和出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定。對(duì)于變壓運(yùn)行的超臨界和超超臨界直流爐，在超臨界區(qū)，管內(nèi)單相介質(zhì)的傳熱系數(shù)比亞臨界區(qū)介質(zhì)低，工質(zhì)溫度也高，因此水冷壁壁溫最高；在近臨界區(qū)，由于兩相介質(zhì)的干度(含汽率)大，特別在上部水冷壁中高干度的工質(zhì)將產(chǎn)生干涸(

13、DRO)現(xiàn)象，因此需將干涸點(diǎn)控制在較低的熱負(fù)荷區(qū)，避免干涸時(shí)的壁溫驟升；在亞臨界區(qū)，對(duì)下爐膛高熱負(fù)荷區(qū)水冷壁，要防止膜態(tài)沸騰(DNB)的產(chǎn)生，也要控制上爐膛高干度區(qū)壁溫的升高幅度；在啟動(dòng)和低負(fù)荷區(qū)(最低直流負(fù)荷)，由于壓力的降低，使汽水密度差增大，容易產(chǎn)生較大的熱偏差和流動(dòng)的不穩(wěn)定。 Lei Wu,Chuan-jing Lu,Tao Huang. Research on the hydrodynamic characteristics of cavitating grid fins.Journal of hydrodynamics,2006,18(5): 5375413.1停滯(tngzh)和

14、倒流如果(rgu)水冷壁的壓降很小，當(dāng)水冷壁的總阻力等于(dngy)假設(shè)管子全部被對(duì)應(yīng)壓力下的飽和水充滿時(shí)的靜壓差時(shí)，停滯和倒流就可能發(fā)生，如圖1所示:圖1超臨界直流鍋爐由于在最低直流負(fù)荷以下，采用再循環(huán)運(yùn)行方式，水冷壁具有較強(qiáng)的強(qiáng)制流動(dòng)特性，所有上升的管屏不會(huì)發(fā)生倒流，不必進(jìn)行倒流的校驗(yàn)，在最低直流負(fù)荷以上，可通過水冷壁壓降與飽和水靜壓的比來判斷有無停滯和倒流發(fā)生的可能。3.2多值性一般情況下，一個(gè)平行管組的流量分配只有唯一的一個(gè)平衡點(diǎn)，也就是對(duì)應(yīng)于一個(gè)壓降應(yīng)只有一個(gè)質(zhì)量流速。然而，在兩相流狀態(tài)下，可能會(huì)有兩個(gè)或更多的平衡點(diǎn)，如圖2所示，在一個(gè)壓降下將有三個(gè)流量值，管屏的水動(dòng)力特性呈三次方曲

15、線，從而造成很大的流量偏差或不穩(wěn)定性，這種流動(dòng)不穩(wěn)定就是水動(dòng)力的多值性。圖2通常水動(dòng)力的多值性都是在低負(fù)荷(fh)下產(chǎn)生，但由于在小于最低直流負(fù)荷(fh)采用再循環(huán)泵進(jìn)行(jnxng)強(qiáng)制循環(huán)，循環(huán)泵有足夠的壓頭保持流動(dòng)的穩(wěn)定性，另一方面，轉(zhuǎn)入直流運(yùn)行的低負(fù)荷時(shí)，由于采用較高的質(zhì)量流速，且水冷壁入口加裝節(jié)流孔圈，提供了一附加阻力，有利于防止出現(xiàn)多值性，但需要做必要的校核。3.3流體脈動(dòng)在沸騰系統(tǒng)中產(chǎn)生的脈動(dòng)可以分成密度波型脈動(dòng)，壓力降型脈動(dòng)和熱力型脈動(dòng)三種類型。密度波型脈動(dòng)是由于兩相流的密度變化引起的自激振蕩，發(fā)生在水動(dòng)力特性曲線的正斜率段，壓力降型脈動(dòng)是由于系統(tǒng)內(nèi)可壓縮容積存儲(chǔ)和釋放能量引起

16、的脈動(dòng)，發(fā)生在水動(dòng)力特性曲線的負(fù)斜率段，故產(chǎn)生壓力降型脈動(dòng)的關(guān)鍵是系統(tǒng)水動(dòng)力呈多值性 俞谷穎，張富祥.超臨界壓力直流鍋爐垂直管屏水冷壁特性的研究.動(dòng)力工程，2009，29（3）：205209，227。熱力型脈動(dòng)一般是由密度波型脈動(dòng)觸發(fā)，與密度波型脈動(dòng)同時(shí)發(fā)生。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)小于最低直流負(fù)荷時(shí)水冷壁質(zhì)量流速高于300kg/m2s不會(huì)產(chǎn)生密度波型脈動(dòng)，又由于垂直水冷壁水動(dòng)力特性呈單值性曲線，不存在負(fù)斜率區(qū)段，因此也不會(huì)發(fā)生壓力降型脈動(dòng)。足夠高的質(zhì)量流速避免了低負(fù)荷下產(chǎn)生膜態(tài)沸騰的可能性，同時(shí)又不會(huì)發(fā)生密度波型脈動(dòng)，所以也就不會(huì)發(fā)生熱力型脈動(dòng)。3.4水動(dòng)力穩(wěn)定性判定平行管間的流體流動(dòng)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定。

17、這種流動(dòng)不穩(wěn)定的傾向是由系統(tǒng)的壓降特性決定的，典型的不穩(wěn)定流動(dòng)情況有停滯和倒流、 多值性引起的不穩(wěn)定、熱輸入變化引起的不穩(wěn)定。通常采用R、S、Sq三個(gè)流動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)參數(shù)判斷流動(dòng)穩(wěn)定性 王孟浩，李綽文.電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法.上海：上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院出版社，1984。(1)壓降與飽和水靜壓的比R=P/(gZ)，用于校核停滯或倒流。當(dāng)R=1時(shí)，意味著飽和水可能阻塞管子中工質(zhì)的流動(dòng)。實(shí)際上，即使R=1，這種阻塞也不會(huì)發(fā)生，因?yàn)楣茏邮鞘軣岬?，工質(zhì)也不是保持飽和水。如果R非常小，當(dāng)某一部分變成飽和水時(shí)，可能發(fā)生倒流，因此，R值越大越好，一般不小于0.8。對(duì)于受熱較弱或有部分管段不受熱的非爐膛內(nèi)回

18、路，如延伸側(cè)墻等，R值應(yīng)不小于1。(2)壓降變化與質(zhì)量流量(liling)變化的關(guān)系S=(dPP)/(dGG)，用于校核(xio h)多值性。S值小表示當(dāng)流量(liling)變化時(shí)，壓降的變化很小，也可以說一個(gè)很小的壓降變化將引起很大的流量變化。如果S小于0，曲線具有負(fù)斜率特性，則水動(dòng)力多值性可能發(fā)生。因此，S必須大于0，一般在0.5以上。(3)質(zhì)量流量變化與吸熱量變化的關(guān)系Sq=(dGG)/(dQQ)，用于校核脈動(dòng)。如果Sq的絕對(duì)值很大，說明很小的吸熱量變化將引起很大的流量變化，這就是一種不穩(wěn)定因素，在水動(dòng)力特性曲線呈正斜率情況下，導(dǎo)致產(chǎn)生熱力型脈動(dòng)。因此，Sq的絕對(duì)值越小越好，一般Sq的絕

19、對(duì)值1。4內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取4.1水冷壁工質(zhì)質(zhì)量流速質(zhì)量流速的選取必須要大于變壓運(yùn)行超超臨界鍋爐在下述四個(gè)運(yùn)行區(qū)內(nèi)的水冷壁管壁溫度不超過管材的許可壁溫時(shí)的臨界質(zhì)量流速，即要分別高于超臨界區(qū)不發(fā)生類膜態(tài)沸騰、近臨界區(qū)控制干涸、亞臨界區(qū)不發(fā)生膜態(tài)沸騰、啟動(dòng)階段保持水動(dòng)力的穩(wěn)定性等四個(gè)運(yùn)行區(qū)的臨界質(zhì)量流速。MHI在大型二相流熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)一般燃煤的超超臨界鍋爐在亞臨界區(qū)(1722MPa)直流運(yùn)行時(shí)，當(dāng)管內(nèi)質(zhì)量流速達(dá)到1500kg/m2s，就已有足夠的裕量來防止處于低干度局部高熱負(fù)荷區(qū)的管子產(chǎn)生膜態(tài)沸騰，而在爐膛上部的高干度低熱負(fù)荷區(qū)出現(xiàn)干涸現(xiàn)象(DRO)時(shí)能有效控

20、制管子壁溫的升高，而且在鍋爐的啟動(dòng)階段(最小直流負(fù)荷)，由于此階段鍋爐按再循環(huán)模式運(yùn)行，壓力為89MPa，必須保證水動(dòng)力的穩(wěn)定性和控制管間溫差，啟動(dòng)階段的臨界質(zhì)量流速對(duì)內(nèi)螺紋管垂直水冷壁按MHI的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為300kg/m2s左右 樊泉桂.超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行特性分析.鍋爐技術(shù)，2006，37（5）：510。哈鍋超超臨界鍋爐垂直水冷壁BMCR工況的質(zhì)量流速均在1800kg/m2s以上，這樣高的質(zhì)量流速即使在所采用的最低直流負(fù)荷為25%BMCR時(shí)水冷壁的質(zhì)量流速仍在450kg/m2s以上，遠(yuǎn)高于啟動(dòng)低負(fù)荷階段的臨界質(zhì)量流速，因此仍有足夠的安全裕度。這樣高的質(zhì)量流速可以保證水冷壁在各個(gè)運(yùn)行階段的安全性。4.2水冷壁出口過熱度和入口欠焓對(duì)于直流鍋爐，蒸發(fā)受熱面和過熱器之間沒有固定的分界點(diǎn)，因此水冷壁出口工質(zhì)過熱度的合理確定是十分重要的，在額定負(fù)荷下，水冷壁出口溫度的選取主要取決于內(nèi)置式汽水分離器材質(zhì)的允許使用溫度 朱全利.鍋爐設(shè)備及系統(tǒng).武漢：武漢大