沈 倩, 肖 杰, 楊紅權(quán),周克毅

( 1. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096；2. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102；3. 神華國華太倉發(fā)電有限公司，江蘇 太倉 215433)

0 引言

鍋爐爐膛熱負(fù)荷分布受燃料類型、燃燒方式、爐膛形狀等多種因素的影響[1-4]，在實(shí)際運(yùn)行過程中難以準(zhǔn)確預(yù)測。熱負(fù)荷分布數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否關(guān)系到水動(dòng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性，對鍋爐的設(shè)計(jì)、調(diào)試和安全運(yùn)行均有重要影響[1,5-7]。目前，沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷分布均從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行考慮[8]，針對現(xiàn)場運(yùn)行過程中實(shí)際熱負(fù)荷分布的研究較少。本文以某660 MW超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐[9]為例，對實(shí)際運(yùn)行過程中鍋爐爐膛水冷壁管壁溫度和熱負(fù)荷分布進(jìn)行了研究，在已知某工況上、下爐膛水冷壁管出口溫度分布的基礎(chǔ)上，結(jié)合鍋爐水動(dòng)力計(jì)算，提出了一種確定鍋爐沿爐膛寬度方向熱負(fù)荷分布的方法。這里所涉及的熱負(fù)荷分布是指單根水冷壁管總吸熱量沿爐膛寬度方向的分布，而不是對應(yīng)某高度下的熱負(fù)荷沿寬度方向的分布。

以超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐為研究對象，爐膛水冷壁管共1728根，四墻各432根。水冷壁分成上、下兩個(gè)部分，節(jié)流孔圈布置在水冷壁下集箱外的水冷壁管入口段，通過兩次三叉管過渡與爐膛水冷壁管相連。燃燒器采用四墻布置，切圓燃燒。

1 沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷分布計(jì)算

熱負(fù)荷分布的計(jì)算可分為三步：

(1) 通過上、下爐膛布置的壁溫測點(diǎn)，得到管子出口沿寬度方向的溫度分布；

(2) 基于溫度分布，進(jìn)行鍋爐機(jī)組的水動(dòng)力計(jì)算；

(3) 根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果得到單根水冷壁管總吸熱量，由此確定沿寬度方向的熱負(fù)荷分布規(guī)律。

1.1 沿爐膛寬度方向工質(zhì)出口溫度分布

在大容量電站鍋爐高溫受熱面出口，一般均裝有許多管壁溫度測點(diǎn)[10]。測點(diǎn)布置在四墻上、下爐膛水冷壁管出口處，下爐膛布置448個(gè)測點(diǎn)，上爐膛則布置80個(gè)測點(diǎn)，數(shù)據(jù)并不完整。因此，在處理出口溫度分布時(shí)，下爐膛水冷壁管按節(jié)流圈的布置劃分管組，4根或2根管子為一組，同一管組共用一個(gè)溫度數(shù)據(jù)；上爐膛水冷壁管則按照二級混合器的布置劃分管組，同一管組共用一個(gè)溫度數(shù)據(jù)。

利用爐膛布置的壁溫測點(diǎn)，可得到管子出口沿寬度方向的溫度分布。沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷分布與各水冷壁管出口溫度以及流量大小有關(guān)，僅依靠溫度分布無法確定熱負(fù)荷的分布規(guī)律，還需要通過水動(dòng)力計(jì)算確定每根管子的工質(zhì)流量。

1.2 水動(dòng)力計(jì)算

1.2.1 水動(dòng)力計(jì)算步驟

鍋爐水動(dòng)力特性是指在一定的熱負(fù)荷和結(jié)構(gòu)特性條件下，管內(nèi)工質(zhì)流量與阻力壓降間的關(guān)系[11]。水動(dòng)力計(jì)算可以用于受熱面管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的穩(wěn)定性以及傳熱的安全性分析[12-14]。通過計(jì)算可以確定管內(nèi)工質(zhì)流量、壓降以及吸熱量等參數(shù)，對熱負(fù)荷分布的計(jì)算至關(guān)重要。如圖1所示，水動(dòng)力計(jì)算分為以下5個(gè)步驟：

(1) 按流量回路、壓力節(jié)點(diǎn)劃分水冷壁系統(tǒng)，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)壓力以及各支路流量，得到初始總壓降的假設(shè)值；

(2) 輸入第一部分管屏進(jìn)口壓力，進(jìn)、出口溫度，流量等參數(shù)，確定該管屏阻力系數(shù)，截面積以及高度等計(jì)算參數(shù)；

(3) 根據(jù)工質(zhì)所在區(qū)域選擇合適的計(jì)算公式計(jì)算各管段介質(zhì)平均比容；

(4) 計(jì)算該管屏出口混合節(jié)點(diǎn)溫度，與混合節(jié)點(diǎn)壓力一起，作為下一管屏的進(jìn)口參數(shù)，重復(fù)上述計(jì)算過程，直至最后一個(gè)管屏；

(5) 將計(jì)算得到的新壓降與前一次的壓降進(jìn)行比較，如果兩次壓降的差值超出了給定的誤差范圍，則需要在新壓降下重新計(jì)算各支路流量，在新支路流量下重新計(jì)算各節(jié)點(diǎn)壓力以及每根管子內(nèi)的流量，用新壓力和新流量代替舊值，重新進(jìn)行迭代計(jì)算，直至兩次壓降的差值滿足給定的誤差要求。

圖1 水動(dòng)力計(jì)算流程Fig.1 Hydrodynamic calculation process

通過水動(dòng)力計(jì)算可得到每根管子的工質(zhì)流量。流量的大小取決于水冷壁管的阻力，阻力的大小與管內(nèi)工質(zhì)的平均比容以及管子的串并聯(lián)連接密切相關(guān)。

1.2.2 平均比容的確定

超臨界壓力下，在大比熱容區(qū)[15]內(nèi)，工質(zhì)的熱物性會(huì)發(fā)生劇烈變化，水的密度或比體積與焓值不呈線性關(guān)系[8]，不能簡單地通過計(jì)算管段的平均焓值來確定平均比容。特別是下爐膛水冷壁區(qū)域，該區(qū)域工質(zhì)性質(zhì)變化劇烈，且至少橫跨兩個(gè)區(qū)段[16]，因此對工質(zhì)平均比容的處理需要分區(qū)段進(jìn)行，區(qū)段劃分如圖2所示。其中，1區(qū)主要在大比熱容區(qū)外，可以通過計(jì)算工質(zhì)進(jìn)出口平均焓值來確定平均比容；若工質(zhì)處于3區(qū)，則可以將計(jì)算范圍分成若干小段，對每一段用迭代的方式求解平均比容，再對整體進(jìn)行加權(quán)平均；對于處于2區(qū)的工質(zhì)則采用積分的方法計(jì)算平均比容。

圖2 IAPWS-IF97區(qū)域劃分Fig.2 Regionalization by IAPWS-IF97

1.2.3 串并聯(lián)系統(tǒng)的處理方式

在實(shí)際計(jì)算過程中，涉及許多管子的串并聯(lián)連接，管子的并聯(lián)處理尤其復(fù)雜。傳統(tǒng)管子的并聯(lián)處理認(rèn)為每根管子的平均密度相同，同時(shí)忽略重力的影響，這些簡化與實(shí)際情況不符。實(shí)際中，下爐膛水冷壁屬于低質(zhì)量流速垂直上升管屏，重力的大小對阻力的影響很大，且管內(nèi)工質(zhì)性質(zhì)各不相同。因此，必須將管與管之間的差異以及重力的影響考慮在內(nèi)，用系數(shù)Ki[17]來表示，即：

(1)

式中：Ki為折算阻力系數(shù)，1/(kg·m)；Zi為摩擦及局部阻力系數(shù)之和；νi為工質(zhì)平均比容，m3/kg；fi為管子截面積，m2；ρi為工質(zhì)平均密度，kg/m3；g為重力加速度，N/kg；h為高度，m；Gi為工質(zhì)流量，kg/s。

1.3 熱負(fù)荷分布的確定

國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了常見的熱負(fù)荷分布計(jì)算模型[18-19]供鍋爐計(jì)算中直接應(yīng)用。鍋爐實(shí)際燃燒過程十分復(fù)雜，根據(jù)計(jì)算模型得出的分布曲線往往與爐內(nèi)實(shí)際的熱負(fù)荷分布有較大差異。因此，在已知出口溫度分布的基礎(chǔ)上，可通過計(jì)算得到沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷分布，具體流程如圖3所示，分為3個(gè)步驟：

(1) 將測點(diǎn)溫度與給定工況的入口參數(shù)(壓力、溫度、流量等)作為輸入條件，劃分節(jié)點(diǎn)，對鍋爐水冷壁系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，得到各管流量、進(jìn)出口壓力、焓增等主要參數(shù)；

(2) 計(jì)算爐膛水冷壁管總吸熱量和平均吸熱量，包括單根水冷壁管，單面爐墻以及上、下爐膛。根據(jù)各墻吸熱量占上、下爐膛總吸熱量的份額，確定各墻水冷壁的熱量分配系數(shù)；根據(jù)單根水冷壁管吸熱量占單面爐墻平均吸熱量的份額確定沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷不均勻系數(shù)；

(3) 將各墻平均熱負(fù)荷、各水冷壁管吸熱面積以及擬合的熱負(fù)荷不均勻系數(shù)相乘，作為該管計(jì)算所得的吸熱量，與水動(dòng)力計(jì)算所得的吸熱量進(jìn)行比較，將兩者的比值作為各水冷壁管吸熱量修正系數(shù)。

圖3 熱負(fù)荷分布計(jì)算流程Fig.3 Calculation process of heat load distribution

得到熱負(fù)荷分布后，可以建立熱負(fù)荷模型，用于計(jì)算其他工況下的蒸汽溫度與金屬溫度，特別是爐內(nèi)的管壁溫度。

2 熱負(fù)荷分布計(jì)算與分析

在熱負(fù)荷模型建立過程中，需要選擇合適的計(jì)算工況。通過計(jì)算，確定各墻水冷壁沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷分布，以此為基礎(chǔ)對另一工況的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析，從而驗(yàn)證計(jì)算模型的精確性。

2.1 工況的選擇

在計(jì)算熱負(fù)荷分布時(shí)，涉及到兩個(gè)工況，其中計(jì)算工況用于熱負(fù)荷模型的建立，校核工況用于模型的驗(yàn)證。表1列出了兩個(gè)工況的主要運(yùn)行參數(shù)，作為鍋爐機(jī)組水動(dòng)力計(jì)算的初始條件。

表1 工況數(shù)據(jù)對比Tab.1 Data comparison between two working conditions

2.2 水冷壁劃分

水冷壁系統(tǒng)汽水流程如圖4所示，給水自爐膛分配器依次流經(jīng)水冷壁，頂棚，側(cè)包墻以及吊掛管，最后進(jìn)入頂棚出口集箱匯合。節(jié)點(diǎn)取為水冷壁系統(tǒng)各混合節(jié)點(diǎn)，包括進(jìn)出口集箱，一級混合器，二級混合器等。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的管屏為一個(gè)管段區(qū)域。

圖4 汽水流程Fig.4 Flow chart of water and vapor

2.3 下爐膛水冷壁沿寬度方向的熱負(fù)荷分布

根據(jù)測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，可以得到單根水冷壁管總吸熱量沿爐膛寬度方向的分布規(guī)律。圖5、圖6分別給出了計(jì)算工況下后墻和右墻下爐膛水冷壁沿寬度方向的熱負(fù)荷分布。

圖5 后墻下爐膛水冷壁沿寬度方向熱負(fù)荷不均勻系數(shù)(η)分布Fig.5 Heat load distribution in the direction of the width of the back lower water wall

圖6 右墻下爐膛水冷壁沿寬度方向熱負(fù)荷不均勻系數(shù)(η)分布Fig.6 Heat load distribution in the direction of the width of the right lower water wall

從圖中可見，無論是后墻還是右墻，單根水冷壁管沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷分布是不連續(xù)的，會(huì)出現(xiàn)突然跳躍的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)處理方式導(dǎo)致的。熱負(fù)荷模型的建立基于現(xiàn)場壁溫測點(diǎn)數(shù)據(jù)，而測點(diǎn)的個(gè)數(shù)有限，因此在計(jì)算過程中往往需要幾根水冷壁管共用一個(gè)測點(diǎn)溫度，導(dǎo)致原本連續(xù)的熱負(fù)荷分布出現(xiàn)突變的現(xiàn)象。

熱負(fù)荷的分布與爐內(nèi)的燃燒方式密切相關(guān)。鍋爐燃燒時(shí)，因風(fēng)量、粉量不均勻，磨煤機(jī)投用方式不同等原因，不可避免地會(huì)存在熱負(fù)荷偏差。此外，燃燒器排布方式對沿爐膛寬度方向熱負(fù)荷分布也存在較大影響。本臺鍋爐的燃燒器布置在爐墻相對寬度為0.75附近的區(qū)域。在燃燒器噴口區(qū)域和靠近爐膛角落區(qū)域熱負(fù)荷較低，熱負(fù)荷最高處位于相對寬度為0.5附近的區(qū)域。由于上游燃燒器與相鄰燃燒器的共同作用，導(dǎo)致火焰中心發(fā)生一定的偏斜，使得中間區(qū)域熱負(fù)荷較大。對于燃燒器所在管屏區(qū)域，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，水冷壁管繞噴口布置，導(dǎo)致水冷壁吸熱面積減少，且噴口區(qū)域一、二次風(fēng)溫度較低[20]，因此該區(qū)域熱負(fù)荷相對較低。

2.4 下爐膛水冷壁管出口溫度分布

圖7、圖8分別給出了校核工況下后墻和右墻下爐膛水冷壁出口處管子的溫度分布，將計(jì)算工況所得的熱負(fù)荷分布模型應(yīng)用到校核工況的計(jì)算中，通過熱力計(jì)算和鍋爐水動(dòng)力計(jì)算，得到下爐膛水冷壁各管出口處的溫度值，將計(jì)算所得的溫度值與校核工況的現(xiàn)場測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

由圖可知，測量值與計(jì)算值之間的偏差較小，沿爐膛寬度方向的溫度分布趨勢基本相同，后墻水冷壁溫度平均誤差為0.70%，最大誤差為2.7%；右墻水冷壁溫度平均誤差為1.99%，最大誤差為4.76%。整體上看，計(jì)算溫度略高于測量值。

圖7 后墻下爐膛水冷壁出口溫度分布Fig.7 Outlet temperature distribution of the back lower water wall

圖8 右墻下爐膛水冷壁出口溫度分布Fig.8 Outlet temperature distribution of the right lower water wall

在鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，由于運(yùn)行的調(diào)整以及風(fēng)量與粉量分配等原因，不同工況所對應(yīng)的運(yùn)行條件不可能完全一致，即使是相近工況，運(yùn)行條件也會(huì)存在差異。因此，在應(yīng)用熱負(fù)荷模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)造成一定的偏差。但是，由于兩個(gè)工況的基本運(yùn)行參數(shù)差異不大，本模型可以應(yīng)用于與計(jì)算工況較為相近工況的現(xiàn)場運(yùn)行計(jì)算。此外，本模型的建立以超超臨界垂直管圈鍋爐為基準(zhǔn)，因此在應(yīng)用時(shí)受到爐型以及水冷壁型式的限制。在后續(xù)模型改進(jìn)中可將上述影響因素考慮在內(nèi)，使模型更加完善，適用范圍更加廣泛。

3 結(jié)語

針對鍋爐爐膛熱負(fù)荷分布難以準(zhǔn)確預(yù)測的問題，本文針對某超超臨界墻式切圓燃燒直流鍋爐，提出了一種確定爐膛熱負(fù)荷分布的方法，并且將所得的熱負(fù)荷模型應(yīng)用于其他工況的計(jì)算，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。通過研究得到如下結(jié)論：

(1) 實(shí)際熱負(fù)荷分布與理論熱負(fù)荷分布有較大差異，理論熱負(fù)荷分布是從鍋爐設(shè)計(jì)的角度考慮的，而本文提出的確定沿爐膛寬度方向熱負(fù)荷分布的方法針對的是實(shí)際運(yùn)行過程；

(2) 本文所提出的熱負(fù)荷分布計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確反映每根管子的總吸熱量沿爐膛寬度方向的分布。計(jì)算結(jié)果表明，爐墻中間區(qū)域熱負(fù)荷較大，燃燒器所在管屏區(qū)域熱負(fù)荷較?。?/p>

(3) 該熱負(fù)荷計(jì)算方法可以應(yīng)用于鍋爐現(xiàn)場運(yùn)行的調(diào)整和安全性分析。通過改變下爐膛水冷壁入口節(jié)流圈孔徑的方法，可以增大原本壁溫較高處的節(jié)流圈孔徑，減少節(jié)流損失，提高管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速，使得水冷壁金屬溫度隨之降低，下爐膛水冷壁出口溫度趨于一致，從而提高鍋爐運(yùn)行的安全性。

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