超超臨界雙切圓鍋爐熱角水動力分析

(高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司)，哈爾濱 150046)

0 引 言

1 000 MW超超臨界Π型鍋爐采用垂直水冷壁八角雙切圓燃燒方式，下水冷壁前墻中間兩燃燒器之間及后墻外側(cè)兩個燃燒器與后墻角部之間區(qū)域容易超溫，即存在熱角現(xiàn)象。文中通過數(shù)值模擬和水動力計(jì)算對熱角進(jìn)行分析，并對節(jié)流孔圈進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1 水冷壁運(yùn)行壁溫情況

1 000 MW超超臨界Π型鍋爐采用內(nèi)螺紋管一次上升垂直水冷壁，帶中間混合集箱，在水冷壁入口管段裝有節(jié)流孔圈，采用八角反向雙切圓燃燒方式，燃燒器布置在前后墻，運(yùn)行中下水冷壁局部區(qū)域壁溫容易超溫，圖1為水冷壁前墻和后墻壁溫曲線，總體上是前墻中間兩燃燒器之間區(qū)域容易超溫、后墻外側(cè)兩個燃燒器與角部之間容易超溫，并且這四個位置各有一根管超溫嚴(yán)重，尤其是前墻。

圖1 水冷壁前墻和后墻壁溫曲線

反向雙切圓燃燒方式的示意圖如圖2所示，陰影區(qū)域?yàn)槿菀壮瑴氐膮^(qū)域，這四個位置有一個共同的特點(diǎn)是燃燒器噴口結(jié)構(gòu)相同，燃燒器入射角度相同，而超溫嚴(yán)重的四根管子均剛好位于燃燒器噴口邊緣轉(zhuǎn)角的位置，平均溫度比相鄰管高20 ℃。

圖2 雙切圓燃燒方式示意圖

2 數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬對爐膛燃燒速度場和溫度場進(jìn)行分析，圖3為爐膛橫截面速度矢量場，各角燃燒器氣流在上游燃燒器射流的作用下發(fā)上偏轉(zhuǎn)，切圓直徑變大，并且形成橢圓結(jié)構(gòu)，橢圓的長軸指向前墻中間燃燒器和后墻外側(cè)燃燒器，后墻燃燒器的氣流流向前墻中部位置，前墻燃燒器的氣流流向后墻角部。高熱負(fù)荷區(qū)域爐膛橫截面溫度場分布如圖4所示，在前墻2號角和3號角燃燒器之間形成了高溫區(qū)域，而后墻高溫區(qū)域則在5號角、8號角燃燒器與爐膛角部之間。

圖3 爐膛橫截面速度矢量場

圖4 爐膛橫截面溫度場

通過數(shù)值模擬證實(shí)了熱角的存在，熱負(fù)荷分布前墻為中間高兩側(cè)低，后墻為兩側(cè)各有高點(diǎn)，兩側(cè)墻熱負(fù)荷高點(diǎn)在中心線偏后墻方向。

3 熱角水動力分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，以前墻為例對熱角水動力特性進(jìn)行分析研究，前墻兩根管所在的位置分別為墻2號角和3號角燃燒器噴口的邊緣，剛好在噴口彎管與水冷壁交界的轉(zhuǎn)角位置，原水動力計(jì)算這兩個管分別在前墻第13和第16回路中，本次水動力計(jì)算，將這兩根管從原回路中分出來作為單獨(dú)回路，以便使分析針對性更強(qiáng)。

水冷壁向火面角度通常為180度，以投影面積計(jì)算受熱面積，而這兩根管向火面角度大于180度，如仍按投影面積計(jì)算則不能真實(shí)體現(xiàn)出管子吸熱量的增加，由于轉(zhuǎn)角的存在，經(jīng)計(jì)算環(huán)向換熱面積增加約20%，受到水動力計(jì)算方法的限制，面積只能按照管子根數(shù)乘以節(jié)距計(jì)算，因此通過提高熱負(fù)荷來增加吸熱量，可達(dá)到和增加面積一樣的換熱效果，因此在不變面積的基礎(chǔ)上將該回路熱負(fù)荷增加到1.2倍，BMCR工況水動力計(jì)算結(jié)果見圖5，增加熱負(fù)荷后，這兩個管子的溫度升高了24 ℃，這個計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場運(yùn)行平均數(shù)據(jù)是吻合的，由此可見燃燒器噴口角部結(jié)構(gòu)對換熱的影響是需要單獨(dú)考慮的。

圖5 前墻下水冷壁出口溫度

數(shù)值模擬結(jié)果表明了2號角和3號角之間為高熱負(fù)荷區(qū)域，實(shí)際運(yùn)行中爐內(nèi)熱負(fù)荷是不斷波動的，有時候在負(fù)荷變化時這兩根管溫度會突然升高，比相鄰管溫度高出40 ℃以上或更高，這說明在較高的熱負(fù)荷下，該區(qū)域的水動力穩(wěn)定性存在一定問題，在上述用增加熱負(fù)荷模擬面積增加的計(jì)算基礎(chǔ)上，分別對BMCR負(fù)荷、75%負(fù)荷、50%負(fù)荷按照爐膛實(shí)際熱負(fù)荷增加10%和20%，進(jìn)行水動力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示在熱負(fù)荷增加20%時，這兩根管的下爐膛出口溫度比相鄰管高出約40 ℃，圖6為管內(nèi)質(zhì)量流速隨熱負(fù)荷變化趨勢，隨著熱負(fù)荷的升高，該管的質(zhì)量流速逐漸降低，出現(xiàn)了負(fù)流量響應(yīng)特性，沒有出現(xiàn)正流量響應(yīng)，不利于水動力安全性。75%負(fù)荷水冷壁壓力略高于臨界壓力，熱負(fù)荷增加后發(fā)生了類膜態(tài)沸騰，出現(xiàn)了壁溫飛升，50%負(fù)荷水冷壁壓力在亞臨界壓力以下，處于兩相流狀態(tài)，在熱負(fù)荷增加后發(fā)生了膜態(tài)沸騰(DNB)，因此出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行中該區(qū)域壁溫波動大，穩(wěn)定性差，壁溫不好控制的現(xiàn)象。

圖6 質(zhì)量流速隨熱負(fù)荷變化趨勢

為了降低溫差并提高水動力穩(wěn)定性，經(jīng)過反復(fù)水動力計(jì)算調(diào)整孔圈， 最終取消了這兩根管的節(jié)流孔圈，同時對熱角區(qū)域其它節(jié)流孔圈進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)放大孔徑，這兩根管取消節(jié)流孔圈后，75%負(fù)荷與原同回路相鄰管溫差降低到10 ℃左右，50%負(fù)荷當(dāng)熱負(fù)荷增加10%時不會發(fā)生膜態(tài)沸騰，當(dāng)熱負(fù)荷增加到20%時才會發(fā)生膜態(tài)沸騰(DNB)和干涸(OFB)現(xiàn)象，說明在兩相流區(qū)域時，當(dāng)熱負(fù)荷高于某一臨界負(fù)荷時，水動力穩(wěn)定性變差，易出現(xiàn)DNB現(xiàn)象。圖7為熱角節(jié)流孔圈優(yōu)化后前墻運(yùn)行壁溫，可以看出經(jīng)過分析和孔圈優(yōu)化后，有效改善了熱角效應(yīng)，降低了壁溫偏差。

圖7 熱角優(yōu)化后前墻壁溫

4 結(jié)束語

通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)分析，對1 000 MW超超臨界八角雙切圓鍋爐的熱角現(xiàn)象和特點(diǎn)進(jìn)行了說明，并運(yùn)用水動力計(jì)算對熱角熱負(fù)荷進(jìn)行分析，掌握了熱角熱負(fù)荷分布規(guī)律和水動力特性。根據(jù)熱負(fù)荷分析結(jié)果，對熱角節(jié)流孔圈進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，取得了良好的效果，可以用于指導(dǎo)新工程的設(shè)計(jì)。