低質(zhì)量流速技術(shù)在鍋爐改造中的應(yīng)用.docx

1、低質(zhì)量流速技術(shù)在鍋爐改造中的應(yīng)用耿國(guó)，馬利民，沈九賓，郭春英.(斗山巴布科克能源技術(shù)有限公司，湖北武漢430000)在受熱面過熱、管間流量分配不合理和壁溫差較大til1. 受熱最強(qiáng)的管子2. 平均受熱的管子摘要針對(duì)姚盂2號(hào)爐水冷系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題的原因進(jìn)行了分析研究,并就如何解決這些問題提出了方案。關(guān)鍵詞Benson管低質(zhì)量流速垂直管屏正流量響應(yīng)特性UP爐1前言姚孟發(fā)電有限公司2號(hào)爐是上海鍋爐廠二十世紀(jì)80年代生產(chǎn)的與300MW機(jī)組配套的UP型亞臨界直流鍋爐。投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)鍋爐水冷壁系統(tǒng)存在水冷壁管過熱、管間流量分配不合理和壁溫差較大等問題，從而引起水冷壁大面積橫向開裂和爆管事故，而后電廠曾多次對(duì)

2、其改造，但改造后的效果不理想。2009年巴布科克能源有限公司采用低質(zhì)量流速技術(shù)成功解決了上述問題。2存在的問題2.1水冷系統(tǒng)存在的問題2號(hào)鍋爐從投運(yùn)開始水動(dòng)力狀況就一直較差，存的問題，從而引起水冷壁大面積橫向開裂和爆管事故，影響鍋爐的投運(yùn)。鍋爐的實(shí)際負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍僅為70-90%,當(dāng)鍋爐低于230MW(76%)負(fù)荷時(shí)，爐膛下部出現(xiàn)工質(zhì)溫度偏高，金屬溫度波動(dòng)增大，水動(dòng)力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。2.2水冷系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)特性鍋爐水冷壁采用一次垂直上升管，單爐體雙爐=1927kg/m2s,雙面水冷壁po)=2050kg/m2so3原因分析3.1采用高質(zhì)流速的原因由典型的垂直管圈的水動(dòng)力特性，見圖1。在質(zhì)量流速(X

3、O處于某一范圍值時(shí),同一差壓值會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)質(zhì)量流速，這就是所謂的水動(dòng)力多值性。多值性現(xiàn)象勢(shì)必會(huì)增加水冷壁發(fā)生熱偏差、脈動(dòng)等問題的可能性。為了避免水冷壁出現(xiàn)上述問題,原設(shè)計(jì)采用較高的質(zhì)量流速:即選擇的工質(zhì)流速大于臨界流速(p<D*)o目的是為了避免質(zhì)量流速PG)小于(*)時(shí)可能產(chǎn)生多值性問題。，通常傳統(tǒng)的直流鍋爐設(shè)計(jì)中均采用較高的直流流速:(1.3L5)pee*，大部分在2000kg/m2s左右;本次鍋爐的原設(shè)計(jì)質(zhì)量流速征稅基于這一點(diǎn),從而采取高的質(zhì)量流速。膛“IT型布置，爐膛中間用雙面水冷壁將爐膛分成圖1不發(fā)生多值性的界限質(zhì)流速1*1IH.I左右二個(gè)相同大小的燃燒室，爐膛斷面積尺寸為寬17

4、m,深8.475m,爐頂標(biāo)高為45.5m。爐膛周界約為51m,由1448根,節(jié)距為35mm的鰭片管組成。原來的設(shè)計(jì)理念:質(zhì)量流速越高，流動(dòng)穩(wěn)定性越好，傳熱也越好,因此為了獲取更高的質(zhì)量流速，水冷壁于爐室底部，下部，中部的管屏均采用022x5.5的小管徑內(nèi)螺紋管,而位于爐室上部的管屏采用4)25x6的管子，相應(yīng)的質(zhì)量流速為：100%負(fù)荷時(shí)，四面墻p(D3.2垂直管屏水動(dòng)力特性高質(zhì)流速下的負(fù)流量響應(yīng)正常情況下，垂直管內(nèi)阻力AP由重位壓降Pzw,流動(dòng)摩擦阻力降A(chǔ)Plz和加速度壓降A(chǔ)Pjs三部分組成，而計(jì)算發(fā)現(xiàn)亞臨界時(shí)APjs可以忽略不計(jì)，故P=APlz+ZiPzw,在熱負(fù)荷一定時(shí)，壓降與質(zhì)速的關(guān)系見

5、圖2。圖2熱負(fù)荷一定時(shí)壓降與質(zhì)流速的關(guān)系圖介質(zhì)比容，因而流量會(huì)相應(yīng)的低。相反，吸熱低的管till從圖2可以看到，當(dāng)質(zhì)量流速小于某一值時(shí)，重位壓降的變化率大于流動(dòng)阻力的變化率，此時(shí)管內(nèi)阻力以重位阻力為主,而在流速大于某一點(diǎn)時(shí)，阻力值以流動(dòng)阻力為主，呈現(xiàn)流動(dòng)阻力的特性。在強(qiáng)制循環(huán)的并聯(lián)管排中由于管子的進(jìn)出口壓差相等，因此各管子壓降應(yīng)為整組管子的平均壓降，不會(huì)因?yàn)槲鼰岵煌霈F(xiàn)壓降不同的情況。所以，此時(shí)當(dāng)吸熱量發(fā)生變化時(shí),管內(nèi)流量會(huì)發(fā)生變化,吸熱大于平均值的管子，管內(nèi)介質(zhì)的比容要大于吸熱少的管內(nèi)子質(zhì)量相應(yīng)的減少,即流量呈現(xiàn)負(fù)響應(yīng)。簡(jiǎn)單的說,吸熱大的管子，管內(nèi)實(shí)際流量小，相反，吸熱量小的管子，管內(nèi)實(shí)際

6、流量大,這就是所謂的盲質(zhì)量流速負(fù)流量反應(yīng)。從實(shí)際計(jì)算中也發(fā)現(xiàn)上述關(guān)系，見圖3。圖3恒溫壓差下改造前管內(nèi)吸熱變化圖3.3高質(zhì)流速帶來的問題鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中，由于燃燒工況的組織及冷熱角的存在，總會(huì)存在受熱不均的情況，而高質(zhì)量流速卻導(dǎo)致受熱強(qiáng)的管子工質(zhì)流量小，冷卻能力弱的結(jié)果，這樣很容易出現(xiàn)受熱強(qiáng)的管子得不到冷卻會(huì)更熱，受熱弱的管子由于冷卻能力強(qiáng)反而壁溫相對(duì)更低，往往由于超溫而爆管;同樣受熱強(qiáng)的管屏管壁溫度大于受熱弱的管屏，由于膨脹原因?qū)е鹿芷灵g撕裂。而鍋爐在低負(fù)荷時(shí)，由于工質(zhì)流速達(dá)不到臨界流速,引起負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍小,而且低負(fù)荷極易出現(xiàn)多值性的問題，引起水冷壁脈動(dòng)，引發(fā)水冷壁疲勞破壞等等。4對(duì)策與方案

7、4.1Benson內(nèi)螺紋管低質(zhì)流速引起水冷壁脈動(dòng)的最直接原因?yàn)楦哔|(zhì)量流速,因此Benson內(nèi)螺紋管低質(zhì)量流速技術(shù)正是解決問題的關(guān)鍵。從20世紀(jì)80年代開始西門子在經(jīng)過大量的試驗(yàn)后研發(fā)了Benson內(nèi)螺紋管垂直管屏直流技'術(shù)。本技術(shù)是利用低質(zhì)量流速下流量分配的自動(dòng)補(bǔ)償特性和優(yōu)化的內(nèi)螺紋管所具有的良好的傳熱性能，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運(yùn)行。而且能夠應(yīng)用于超臨界、亞臨界大型機(jī)組鍋爐。2001年斗山巴布科克利用低質(zhì)量流速技術(shù)對(duì)姚孟1號(hào)鍋爐進(jìn)行了改造,2009年對(duì)姚孟2號(hào)鍋爐進(jìn)行改造,再次驗(yàn)證低質(zhì)量流速垂直管屏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。4.2低質(zhì)流速下的正態(tài)響應(yīng)由上面3.2中的

8、分析知:在垂直管屏中，當(dāng)質(zhì)量流速小于某一值時(shí)，管內(nèi)重位壓降的變化率大于流動(dòng)阻力的變化率,此時(shí)管內(nèi)阻力以重位阻力為主,即當(dāng)質(zhì)量流速p<o下降時(shí)，流動(dòng)阻力APlz所占比例減少.這時(shí)重位壓差A(yù)Pg起主要作用,這與自然循環(huán)特性相類似，表現(xiàn)了自然循環(huán)的特性:受熱強(qiáng)的管子，流動(dòng)速度快，見圖4。圖4低質(zhì)流速下的正態(tài)響應(yīng)可見，當(dāng)吸熱量增加時(shí)，系統(tǒng)壓降不變，管屏（或管子）的動(dòng)壓頭損失增加而靜壓頭壓降減少。但是由于靜壓頭的所占比例大于動(dòng)壓頭，而且動(dòng)壓頭增加的量的絕對(duì)值小于靜壓頭減少的絕對(duì)值，因而工質(zhì)在單個(gè)管子或管屏內(nèi)的壓降相應(yīng)的減少，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的壓降是不變的（系統(tǒng)的進(jìn)出口是各自匯合的），因此當(dāng)管內(nèi)吸熱增加

9、時(shí),必然通過增加流量的調(diào)整方式來達(dá)到新的平衡點(diǎn)。所以，這里設(shè)計(jì)的基本思路就變成:降低質(zhì)量流速，從而獲得更低的動(dòng)壓頭損失，使靜壓頭所占比例增大。靜壓頭可以達(dá)到在自然循環(huán)鍋爐中的數(shù)值，這樣工質(zhì)的流速（流量）就可以隨著吸熱增加而增加。整個(gè)系統(tǒng)在恒定的流量時(shí)，當(dāng)供熱增加，壓降減少，相反，當(dāng)供熱減少時(shí),壓降增加。這意味著有大量并聯(lián)管子的爐膛，進(jìn)水的分配取決于熱量的分配。這就是所謂的正流量響應(yīng)特性或自我補(bǔ)償特性。這種特性的好處就是各水冷壁管的質(zhì)量含汽率偏差很小，因而管間金屬壁溫溫差也很小。4.3改造后的水冷壁特性改造后的爐膛斷面不變,高度不變,取消受熱最惡劣中間墻水冷壁，下爐膛及折焰角區(qū)域均采用優(yōu)化的大口

10、徑內(nèi)螺紋管，上爐膛采用光管，設(shè)置過渡中間聯(lián)箱;爐膛四周設(shè)計(jì)1030根管子，下爐膛管子為33.7x5.2mm,上爐膛管子為28.6x5.8mm,改造后的質(zhì)量流速約為700kg/m2s,直流Benson負(fù)荷為30%BMCR,論理上可以達(dá)到20%。圖5為改造前后的某一工況下水冷壁管動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性對(duì)比計(jì)算?？梢钥闯?改造前的水動(dòng)力是不收斂的,而改造后的水動(dòng)力特性僅是在鍋爐啟動(dòng)時(shí),微微有點(diǎn)波動(dòng)，隨即很快收斂,并趨于穩(wěn)定。:.-*.*,，-"A-辰土"1.MM.'amLi-:一sAMJ人AroftAnrAVVVV廠iY一7WMWteX0改造后改造前圖5改造前后某一工況下水冷壁管動(dòng)態(tài)

11、穩(wěn)定性對(duì)比計(jì)算斗山巴布科克利用成熟的計(jì)算程序?qū)σγ?號(hào)鍋爐水冷壁進(jìn)行詳盡的計(jì)算，確認(rèn)不存在水動(dòng)力多值性問題，在擾動(dòng)工況下能夠在很短時(shí)間內(nèi)消除脈動(dòng)，改造后已于2009底順利投運(yùn)近一年的時(shí)間，各項(xiàng)性能指標(biāo)均到的設(shè)計(jì)要求，鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍30100%BMCR,鍋爐熱效率達(dá)92.53%,比改造前增加了1.53%。5結(jié)束語我國(guó)上世紀(jì)國(guó)產(chǎn)300MW鍋爐多采用UP的爐型（UniversalPressureBoiler），普遍存在水冷壁管過熱、管夾流量分配不合理和壁溫差較大等問題。而低質(zhì)量流速的垂直管屏的技術(shù)完全可以解決上述問題。參考文獻(xiàn)1. J.Franke,RCossmann,andH.Huschauer,uBENSONSteamGeneratorwithVertically_TubedFurnace,wVGBKraft-werkstechnik,Vol.75,No.4,19952. 容鑾恩,袁鎮(zhèn)福，劉志敏，田子平.電站