黃 鶯，郭 馨

(1．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)，黑龍江 哈爾濱 150046；2．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引言

水冷壁出口工質(zhì)溫度是直流爐非常重要的控制指標(biāo)，直接決定了水冷壁與尾部受熱面的熱量分配特性。分離器出口工質(zhì)在啟動(dòng)過程中進(jìn)入分離器進(jìn)行汽水分離，待機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行后分離器則退出運(yùn)行[1-6]。

當(dāng)前鍋爐水冷壁出口工質(zhì)溫度在設(shè)計(jì)工況下約為437～447 ℃，實(shí)際運(yùn)行過程中工質(zhì)溫度較設(shè)計(jì)值低，約在410～420 ℃。這說明水冷壁吸熱比例較少，水冷壁材料的安全裕量高于設(shè)計(jì)值。但不可否認(rèn)，由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長，水冷壁材料的老化、減薄問題是必然存在的，因此，目前機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對(duì)于保證水冷壁的安全運(yùn)行是非常有力的。充分考慮到機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，機(jī)組不提參數(shù)滑壓運(yùn)行，即主再熱器壓力和溫度保持不變，定壓運(yùn)行改造為滑壓運(yùn)行改造方案。

1 水冷壁改造方案

改造采用哈鍋?zhàn)灾鏖_發(fā)研制的530 MW等級(jí)高效超超臨界T型鍋爐技術(shù)。機(jī)組為直流超臨界一次中間再熱固態(tài)排渣變壓煤粉鍋爐，單爐膛爐體結(jié)構(gòu)，采用不帶泵啟動(dòng)系統(tǒng)。原設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)為低質(zhì)量流速以及垂直往復(fù)一次上升輻射，分離器布置于尾部包墻和頂棚管后，無貯水箱。爐膛為矩形，整體受熱面懸掛在標(biāo)高為86.5 m的鋼結(jié)構(gòu)上。在受熱面膨脹時(shí)，受熱面可自由向下移動(dòng)。由規(guī)格φ32×6，材料12Cr1MoV鰭片管焊接構(gòu)成輻射受熱面，鰭片管間用帶鋼或直接焊接。輻射受熱面構(gòu)成了冷灰斗，爐膛四壁，水平煙道壁，爐膛頂部等，爐膛水冷壁為采用垂直往復(fù)一次上升布置，由上部輻射受熱面(BPЧ)和下部輻射受熱面(HPЧ)組成(以標(biāo)高44.7 m分界)。豎向管屏由管組構(gòu)成，每個(gè)管組有48根管子，管子間距離48 mm。

按照汽水流程先后順序?qū)﹀仩t劃分回路。前后墻冷灰斗到中間集箱(標(biāo)高44.7 m)為水循環(huán)第1回路(這里回路指水冷壁按照爐內(nèi)爐外流程先后順序進(jìn)行劃分的部分，按順序號(hào)串聯(lián)的關(guān)系)；側(cè)墻冷灰斗到中間集箱(標(biāo)高44.7 m)為水循環(huán)第2回路；前后墻中間集箱(標(biāo)高44.7 m)及旁路至爐頂引出為第3回路；側(cè)墻中間集箱(標(biāo)高44.7 m)到折焰角水平煙道、費(fèi)斯頓2(懸吊管)為第4回路。其后回路(分離器前)同樣按照(爐內(nèi)爐外)流程劃分。

根據(jù)鍋爐的原設(shè)計(jì)參數(shù)，鍋爐僅適用于定壓運(yùn)行，且最低負(fù)荷為60%最大蒸發(fā)量。因此，原鍋爐的調(diào)峰能力非常欠缺，與目前國內(nèi)的主流電力發(fā)展趨勢不一致。

為解決鍋爐滑壓運(yùn)行及低負(fù)荷調(diào)峰能力，需對(duì)鍋爐水冷壁進(jìn)行改造，為此，提出改造方案為：定壓改滑壓，采用哈鍋典型螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)，即螺旋管圈+垂直管圈布置結(jié)構(gòu)，分離器布置于水冷壁出口，增加貯水箱，尾部包墻和頂棚管屬于過熱器系統(tǒng)。

從圖1可以看出螺旋管圈均勻布置在爐膛的四面墻，圍繞圈數(shù)在1圈以上，螺旋管圈的同一管帶中的各管子以相同方式從下到上繞過爐膛的角隅部分和中間部分，水冷壁吸熱均勻，管間熱偏差小，使得水冷壁出口的介質(zhì)溫度和金屬溫度非常均勻。

圖1 哈鍋典型螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)示意圖

2 水冷壁改造水動(dòng)力計(jì)算

(1)水冷壁系統(tǒng)汽水流程

給水經(jīng)省煤器加熱后進(jìn)入水冷壁下集箱，經(jīng)水冷壁下集箱進(jìn)入冷灰斗水冷壁。灰斗部分的水冷壁由水冷壁下集箱引出的管子組成的管帶圍繞成。經(jīng)過灰斗拐點(diǎn)后，管帶以一定傾角繼續(xù)盤旋上升。螺旋管圈由512根光管構(gòu)成,節(jié)距為53 mm，水冷壁通過中間集箱轉(zhuǎn)換成垂直管屏，垂直管屏由1 546根光管組成，節(jié)距為48 mm (包括后水吊掛管)出口集箱的引出管與下降管相連，下降管分別連接折焰角入口集箱和水平煙道側(cè)墻的下部入口集箱。折焰角的管子穿過后水冷壁形成水平煙道底包墻，然后形成水平煙道管束與出口集箱相連。水平煙道側(cè)墻出口集箱與煙道管束共引出的連接管與啟動(dòng)分離器相連，形成了爐膛水冷壁系統(tǒng)。

(2)水動(dòng)力計(jì)算回路劃分

下爐膛螺旋管圈計(jì)算回路劃分:本工程的鍋爐爐膛為長方形，下爐膛兩側(cè)墻螺旋管圈各劃分為10個(gè)回路，前后墻螺旋管圈各劃分6個(gè)回路，共32個(gè)回路。

(3)水動(dòng)力計(jì)算管段劃分

下爐膛部分各回路共劃分約為27個(gè)管段。將冷灰斗拐點(diǎn)以下的各水冷壁管劃分為3個(gè)管段；從冷灰斗拐點(diǎn)至水冷壁中間集箱處的水冷壁螺旋管圈，每個(gè)回路被劃分約為24個(gè)管段。上爐膛部分各回路共劃分為15個(gè)管段。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

(1)典型回路求解結(jié)果

表1列出了下爐膛螺旋管圈三個(gè)回路在BMCR負(fù)荷時(shí)的主要求解結(jié)果，選取的回路為左側(cè)墻的三個(gè)典型回路，即最短管3回路、平均管6回路和最長管11回路。

表1 BMCR負(fù)荷時(shí)的下爐膛典型回路計(jì)算結(jié)果

(2)水冷壁壓力分布計(jì)算結(jié)果

表2列出了BMCR負(fù)荷時(shí)水動(dòng)力計(jì)算得出的水冷壁各部分壓力，表中的系統(tǒng)總壓降是水冷壁入口集箱到分離器之間的壓降，為1.64 MPa。

表2 BMCR負(fù)荷水冷壁各部分壓力分布計(jì)算結(jié)果

(3)回路流量計(jì)算分配結(jié)果

圖2和圖3分別給出了計(jì)算得到的BMCR負(fù)荷時(shí)下爐膛32個(gè)回路和上爐膛32個(gè)回路單管流量分配情況。從圖可以看出，下爐膛各回路流量的差別主要是因?yàn)楣茏娱L度的差別引起的。

圖2 下爐膛螺旋管圈各回路單管質(zhì)量流速分布

圖3 上爐膛垂直水冷壁各回路單管質(zhì)量流速分布

(4)爐膛出口焓值和汽溫分布計(jì)算結(jié)果

圖4示出了計(jì)算得到的BMCR負(fù)荷時(shí)下爐膛出口溫度分布。可以看出，下爐膛四面墻的溫度分布情況為流量較小的回路相應(yīng)出口溫度值較高。

圖4 下爐膛螺旋管圈各回路出口汽溫分布

總體來看，螺旋管圈出口汽溫偏差較小，最短管和最長管的出口汽溫偏差為6.4 ℃。螺旋管圈各回路吸熱量偏差小，偏差的產(chǎn)生主要來自于管段長度，由此導(dǎo)致螺旋管圈出口汽溫偏差較小，這也正是螺旋管圈的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)[7-9]。

圖5示出了計(jì)算得到的BMCR負(fù)荷時(shí)上爐膛出口溫度分布總體來看，垂直管段偏差明顯大于螺旋段，爐膛壁面出口汽溫偏差約20.2℃，根本原因在于各管段間回路吸熱偏差不同造成的，符合水動(dòng)力安全要求。

圖5 上爐膛螺旋管圈各回路出口汽溫分布

(5)壁溫計(jì)算

對(duì)于BMCR負(fù)荷下的壁溫分布分析，下爐膛選取第4回路為螺旋管圈壁溫分析對(duì)象；上爐膛垂直水冷壁管壁溫分析對(duì)象選取如下，前墻的受熱最強(qiáng)管45回路進(jìn)行分析。

圖6示出了BMCR負(fù)荷時(shí)下爐膛4回路壁的工質(zhì)溫度、內(nèi)壁溫度、中間壁溫、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的變化曲線。圖7示出了BMCR負(fù)荷時(shí)上爐膛45回路的工質(zhì)溫度、內(nèi)壁溫度、中間壁溫、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的變化曲線。

圖6 BMCR負(fù)荷下爐膛4回路壁溫沿爐膛高度分布

圖7 BMCR負(fù)荷上爐膛45回路壁溫沿爐膛高度分布

計(jì)算結(jié)果表明，BMCR負(fù)荷時(shí)鍋爐上、下爐膛水冷壁溫度和鰭片溫度處于材料允許范圍之內(nèi)，并且裕量很大，鍋爐運(yùn)行是安全的[10-12]。

4 結(jié)論

本文針某電廠530 MW超臨界鍋爐進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)組在BMCR負(fù)荷下的水冷壁的分布進(jìn)行計(jì)算，主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)該電廠530 MW超臨界鍋爐整個(gè)水冷壁系統(tǒng)進(jìn)行了回路和壓力節(jié)點(diǎn)劃分，根據(jù)安全性核算得到了530 MW下各回路的流量分配和節(jié)點(diǎn)壓力分布。

(2)計(jì)算結(jié)果表明，定壓改滑壓后鍋爐在100%負(fù)荷(530 MW)上、下輻射區(qū)四面墻的出口汽溫偏差范圍為6.4～20.2 ℃，鍋爐運(yùn)行是安全的。

(3)變壓運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的降低，壁溫將會(huì)下降。計(jì)算結(jié)果表明，改造后鍋爐530 MW負(fù)荷最高中間點(diǎn)溫度不超過510 ℃，水冷壁運(yùn)行是安全可靠的。