孟 強(qiáng), 王承亮, 李洪濤, 高 鵬, 王玉敬, 呂為智
(1. 華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠, 山東鄒城 273522; 2. 華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)公司,濟(jì)南 250001; 3. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)
“十三五”以來(lái),我國(guó)電力工業(yè)取得了矚目的成績(jī)和長(zhǎng)足的進(jìn)步,電力供應(yīng)能力持續(xù)增強(qiáng),電源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,非化石清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量及大容量高參數(shù)燃煤機(jī)組比重繼續(xù)提高。截至2019年底,全國(guó)非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量為77 551萬(wàn)kW,占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量的40.8%。其中,并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量為20 915萬(wàn)kW,裝機(jī)容量相比上一年度增長(zhǎng)了13.5%;并網(wǎng)太陽(yáng)能裝機(jī)發(fā)電容量為20 418萬(wàn)kW,裝機(jī)容量相比上一年度增長(zhǎng)了17.1%[1]。
然而,隨著清潔能源迅猛發(fā)展,電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化,新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)增加了電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻難度,局部地區(qū)棄風(fēng)、棄光、棄水等問(wèn)題突出,電力系統(tǒng)靈活性不足成為造成新能源消納困難的主要原因之一[2-3]??紤]到我國(guó)能源資源稟賦決定煤電仍將是當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間電力、電量的主體,且煤電具有“一次能源可儲(chǔ)、二次能源易控”的特性,可有效解決新能源間歇性強(qiáng)、波動(dòng)大、預(yù)測(cè)難等隨機(jī)性和不穩(wěn)定性問(wèn)題,在確保電量供應(yīng)的同時(shí)可滿足出力可靠性要求,火電仍是我國(guó)最適宜的調(diào)峰電源。為此,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局出臺(tái)了一系列相關(guān)政策,要求進(jìn)一步挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力,提升我國(guó)火電機(jī)組運(yùn)行靈活性,全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納能力。
在這樣的形勢(shì)需求下,國(guó)內(nèi)外對(duì)燃煤機(jī)組深度調(diào)峰過(guò)程中可能涉及到的問(wèn)題展開(kāi)了一系列相關(guān)研究[4-6],其中機(jī)組在深度調(diào)峰低負(fù)荷下水動(dòng)力的安全性是不可回避的主要問(wèn)題之一[6-7]。對(duì)于超臨界直流爐,30%額定負(fù)荷是干濕態(tài)的敏感區(qū)域,當(dāng)機(jī)組進(jìn)行超低負(fù)荷調(diào)峰時(shí),需要經(jīng)歷鍋爐干濕態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程,此時(shí),鍋爐控制信號(hào)在干態(tài)時(shí)的汽溫控制與濕態(tài)時(shí)的液位控制之間來(lái)回切換,很容易造成系統(tǒng)的劇烈擾動(dòng),引發(fā)主蒸汽溫度和壓力波動(dòng)、受熱面超溫等一系列問(wèn)題[8-9]。對(duì)于亞臨界汽包爐,馬玉華等[10]以丹東電廠350 MW亞臨界機(jī)組為研究對(duì)象對(duì)其水動(dòng)力特性進(jìn)行了分析評(píng)估,結(jié)果表明:25%熱耗率驗(yàn)收(THA)深度調(diào)峰工況下,鍋爐水冷壁的循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率,不會(huì)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定及停滯現(xiàn)象,可以滿足鍋爐安全運(yùn)行要求。
綜上,低負(fù)荷下水冷壁的水動(dòng)力安全是鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,而目前關(guān)于低負(fù)荷下的水動(dòng)力安全性評(píng)估還鮮見(jiàn)報(bào)道。為此,筆者以某300 MW亞臨界自然循環(huán)汽包爐為研究對(duì)象,采用流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)法,基于質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程,對(duì)不同負(fù)荷工況下水冷壁的回路流量分配、循環(huán)倍率、循環(huán)流速等參數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算分析,表征機(jī)組在低負(fù)荷下的水動(dòng)力特性,為國(guó)內(nèi)300 MW等級(jí)亞臨界燃煤機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及技術(shù)參考。
該300 MW亞臨界燃煤機(jī)組為自然循環(huán)汽包爐,采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式。根據(jù)鍋爐廠提供的鍋爐給水及水循環(huán)系統(tǒng)流程圖,在鍋爐汽包底端設(shè)置了6根外徑為558.8 mm、壁厚為65 mm的集中下降管,由下降管底端的分配集箱接出74根外徑為159 mm、壁厚為20 mm的分散引入管,進(jìn)入水冷壁下集箱。爐膛四周為全焊式膜式水冷壁,水冷壁管為外徑為63.5 mm、壁厚為7.5 mm,節(jié)距為76.2 mm,共698根,前后墻各192根,兩側(cè)墻各157根。分散引入管進(jìn)入水冷壁下集箱后,自下而上沿爐膛四周不斷加熱,出口含汽率(即汽水混合物中蒸汽的質(zhì)量流量百分比)為0.15~0.35的汽水混合物進(jìn)入水冷壁上集箱,然后由98根外徑為159 mm、壁厚為18 mm的引出管引至鍋筒,在鍋爐汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離。
以該300 MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐為研究對(duì)象,將水冷壁劃分為由流量回路、壓力節(jié)點(diǎn)和連接管組成的流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程,建立300 MW亞臨界自然循環(huán)爐水冷壁流量和壁溫計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)JB/Z 201—1983 《電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法》,采用直接求解非線性流量平衡和壓降平衡方程組的方法,對(duì)30% THA及20% THA工況下的水動(dòng)力安全性進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。
爐膛回路劃分結(jié)構(gòu)特性見(jiàn)圖1,具體數(shù)據(jù)(半開(kāi)表)見(jiàn)表1。
圖1 爐膛回路結(jié)構(gòu)劃分示意圖
表1 爐膛回路結(jié)構(gòu)特性半開(kāi)表
在計(jì)算模型中,為保證亞臨界壓力鍋爐水循環(huán)可靠性,根據(jù)爐膛幾何特性和受熱特性將水冷壁劃為30 個(gè)獨(dú)立的回路,前后墻(各192根管)各8個(gè)回路,兩側(cè)墻(各157根管)各7 個(gè)回路。除此以外,該計(jì)算模型還將連接管分為分散引入管和導(dǎo)汽引出管,一共有170 根,按照表1的回路結(jié)構(gòu)特性基于水冷壁回路對(duì)其進(jìn)行回路劃分,共劃分為30個(gè)獨(dú)立的計(jì)算回路,則計(jì)算模型中流量回路總計(jì)60個(gè)。
在此基礎(chǔ)上,將水冷壁劃分為由流量回路、壓力節(jié)點(diǎn)和連接管組成流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2,括號(hào)內(nèi)數(shù)值為管道編號(hào),圈內(nèi)數(shù)值為節(jié)點(diǎn))。根據(jù)構(gòu)建的流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將6根集中下降管分別記為31~36號(hào)連接管,其對(duì)應(yīng)的壓力節(jié)點(diǎn)分別記為61~66號(hào),共6 個(gè)節(jié)點(diǎn);對(duì)應(yīng)的前墻入口集箱的壓力節(jié)點(diǎn)分別記為67、68 號(hào),共2 個(gè)節(jié)點(diǎn);對(duì)應(yīng)的后墻入口集箱的壓力節(jié)點(diǎn)分別記為69、70 號(hào),共2 個(gè)節(jié)點(diǎn);右側(cè)墻入口集箱對(duì)應(yīng)的壓力節(jié)點(diǎn)分別記為71~77 號(hào),共7 個(gè)節(jié)點(diǎn);左側(cè)墻入口集箱對(duì)應(yīng)的壓力節(jié)點(diǎn)分別記為78~84 號(hào),共7 個(gè)節(jié)點(diǎn);出口集箱對(duì)應(yīng)的壓力節(jié)點(diǎn)分別記為85~90 號(hào),共6 個(gè)節(jié)點(diǎn);合計(jì)30 個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)。
圖2 模型流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意
根據(jù)上述流量回路及壓力節(jié)點(diǎn)劃分結(jié)果,對(duì)各回路的流量及各節(jié)點(diǎn)的壓力進(jìn)行假設(shè),列出回路、連接管和節(jié)點(diǎn)所遵循的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程[11-13],并對(duì)非線性流量平衡和壓降平衡方程組的方法進(jìn)行直接求解,即可得到各回路的流量分配和節(jié)點(diǎn)壓力分布特性。以此為依據(jù),對(duì)該300 MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐在30% THA及20% THA工況下的水動(dòng)力安全性進(jìn)行綜合評(píng)估分析。
以第31號(hào)連接管(即前墻入口集箱對(duì)應(yīng)的集中下降管)為例,其壓降平衡方程為:
pin-p61-Δp31=0
(1)
式中:pin為汽包第31號(hào)連接管進(jìn)口處壓力,Pa;p61為第31號(hào)連接管對(duì)應(yīng)的61號(hào)節(jié)點(diǎn)的壓力,即第31號(hào)連接管對(duì)應(yīng)的出口壓力,Pa;Δp31為第31號(hào)連接管的壓降,Pa,其余連接管的壓降平衡方程類似。
以67 號(hào)節(jié)點(diǎn)為例,第31號(hào)連接管與前墻進(jìn)口集箱之間經(jīng)由第37~40號(hào)連接管連接,通過(guò)該節(jié)點(diǎn)計(jì)算第31號(hào)連接管經(jīng)由第37~40號(hào)連接管進(jìn)入前墻進(jìn)口集箱的管路流量,其質(zhì)量守恒方程為:
(2)
式中:qm,i為連接67號(hào)節(jié)點(diǎn)的第i號(hào)受熱回路單管質(zhì)量流量,kg/s,對(duì)于67號(hào)節(jié)點(diǎn),i取1~8;qm,j為連接67號(hào)節(jié)點(diǎn)的第j號(hào)受熱回路單管質(zhì)量流量,kg/s,對(duì)于67號(hào)節(jié)點(diǎn),j取37~40,其余節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量守恒方程類似。
對(duì)于管子正面內(nèi)壁溫度、管子正面外壁溫度、鰭根溫度及鰭端溫度,其計(jì)算公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12],這里不再重復(fù)介紹。
依據(jù)JB/Z 201—1983,并采用直接求解法對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行求解。圖3為機(jī)組在20%和30% THA工況下各回路單管質(zhì)量流速分布。
圖3 不同負(fù)荷下各回路單管質(zhì)量流速分布
從圖3可以看出:在30% THA工況下,前后墻的回路質(zhì)量流速在480~800 kg/(m2·s),兩側(cè)墻的回路質(zhì)量流速在1 100~1 400 kg/(m2·s);在20% THA工況下,前后墻的回路質(zhì)量流速在380~640 kg/(m2·s),兩側(cè)墻的回路質(zhì)量流速在1 000~1 250 kg/(m2·s)。通過(guò)對(duì)比2個(gè)工況可以發(fā)現(xiàn),不同工況下最大質(zhì)量流速均出現(xiàn)在右側(cè)墻第12號(hào)回路,最小質(zhì)量流速均出現(xiàn)在后墻第16號(hào)回路。不同工況下前后墻的單管流量均小于側(cè)墻的單管流量,這主要是由于前后墻的引入管數(shù)量小于側(cè)墻的引入管數(shù)量。
另一方面,前墻、后墻、左側(cè)墻和右側(cè)墻單面墻不同回路之間也存在流量差異,且均呈現(xiàn)中間高、兩頭低的趨勢(shì),這主要是由不同回路之間的吸熱存在偏差引起的。以前墻為例,其墻面中間部位回路受熱強(qiáng)度高,導(dǎo)致其回路流量偏大;相應(yīng)的,墻面兩端受熱強(qiáng)度低,導(dǎo)致其回路流量偏小,這也就意味著熱負(fù)荷越大的回路其質(zhì)量流速越大。整體來(lái)看,各負(fù)荷下每一面墻的各回路的流量分配均在一定的范圍內(nèi),無(wú)明顯的差異,但不同面墻之間,特別是前后墻與左右側(cè)墻的流量之間存在較大差距。
圖4為機(jī)組在30% THA和20% THA工況下各回路循環(huán)倍率分布。從圖3可以看出:當(dāng)機(jī)組在30% THA工況下運(yùn)行時(shí),前墻回路循環(huán)倍率為 10.3~11.4,后墻回路循環(huán)倍率為 7.2~9.2,兩側(cè)墻回路循環(huán)倍率為16.3~21.5;20%THA工況下,前墻回路循環(huán)倍率為 13.3~14.1,后墻回路循環(huán)倍率為 8.7~11.4,兩側(cè)墻回路循環(huán)倍率為24.2~33.2。
圖4 不同負(fù)荷下各回路循環(huán)倍率分布
相比較而言,同一回路在30% THA工況下的循環(huán)倍率明顯低于20% THA工況。根據(jù)文獻(xiàn)[10],鍋爐總體循環(huán)倍率與工質(zhì)干度呈現(xiàn)倒數(shù)關(guān)系,循環(huán)倍率越大,混合工質(zhì)干度越小,受熱面工質(zhì)冷卻效果好,不容易發(fā)生傳熱惡化;相應(yīng)的,循環(huán)倍率越小,混合工質(zhì)干度越大,受熱面工質(zhì)冷卻效果差,容易發(fā)生膜態(tài)沸騰。上述研究結(jié)果表明,相比于30% THA工況,20% THA工況下水冷壁工質(zhì)冷卻效果更佳,不容易發(fā)生傳熱惡化。
從圖4還可以看出:在相同工況下,后墻各回路的循環(huán)倍率相對(duì)其他墻面偏低,兩側(cè)墻各回路的循環(huán)倍率相對(duì)于前后墻偏高,這主要是因?yàn)樵阱仩t設(shè)計(jì)階段,后墻折焰角區(qū)域布置了部分對(duì)流管束,后墻的吸熱量比其他三面墻要多,導(dǎo)致后墻出口工質(zhì)干度大。根據(jù)回路流量特性計(jì)算結(jié)果,單面墻不同回路之間的質(zhì)量流量均呈現(xiàn)中間高、兩頭低的特性趨勢(shì),各墻面中間部位回路受熱強(qiáng)度高,墻面兩端受熱強(qiáng)度低,在管內(nèi)質(zhì)量流速正響應(yīng)分布和管外熱負(fù)荷分布的雙重作用下,導(dǎo)致各面墻中間部位出口干度較大,循環(huán)倍率較低。
另一方面,對(duì)20% THA工況下各回路的循環(huán)流速進(jìn)行計(jì)算, 其分布特性與各回路單管質(zhì)量流速分布特性一致。20% THA工況下,后墻第16號(hào)回路的循環(huán)流速最小,其計(jì)算結(jié)果為 0.614 m/s。
綜上所述,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,該鍋爐在30% THA和20% THA工況下的循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率(2.85,取鍋爐廠水動(dòng)力計(jì)算說(shuō)明書中提供的設(shè)計(jì)值),20% THA工況下的質(zhì)量流速均大于鍋爐廠水動(dòng)力計(jì)算說(shuō)明書中提供的設(shè)計(jì)要求值(0.4 m/s),意味著上升管出口端汽水混合物中水的占比較大,水循環(huán)處于比較安全的區(qū)域,可以滿足鍋爐安全運(yùn)行,且20% THA工況下安全裕度更大。
圖5為 30%和20% THA工況下后墻第 20 號(hào)回路工質(zhì)溫度、內(nèi)壁溫度、中間點(diǎn)溫度、外壁溫度及鰭端溫度沿爐膛高度方向的分布。
圖5 不同負(fù)荷下后墻第20號(hào)回路壁溫沿爐膛高度的分布
由圖5可以看出:不同深度調(diào)峰低負(fù)荷下,沿爐膛高度方向,隨著爐膛熱負(fù)荷逐漸升高,水冷壁出口的介質(zhì)溫度都處于汽水兩相區(qū),基本沒(méi)有偏差。沿爐膛高度方向,隨著爐膛熱負(fù)荷逐漸升高,壁溫及中間點(diǎn)溫度逐漸增大,30% THA工況下在爐膛高度16.8 m 處達(dá)到最大值,此時(shí)中間點(diǎn)最高溫度約為320 ℃,水冷壁最大外壁溫為330 ℃,鰭端溫度也在爐膛高度16.8 m 處達(dá)到最大值,為356 ℃;20% THA工況下在爐膛高度12.2 m 處中間點(diǎn)溫度達(dá)到最大值,約為 318 ℃,水冷壁最大外壁溫為322 ℃,鰭端溫度在爐膛高度16.8 m 處達(dá)到最大值,為336℃。隨著爐膛高度的繼續(xù)升高,熱負(fù)荷開(kāi)始下降,管壁溫度也隨之下降。內(nèi)壁溫度、中間點(diǎn)溫度、外壁溫度在爐膛高度15~20 m存在溫度拐點(diǎn),這主要是由于此標(biāo)高為燃燒器標(biāo)高,此處回路為繞過(guò)燃燒器處不受熱的管段。從溫度整體分布趨勢(shì)來(lái)看,各個(gè)負(fù)荷下水冷壁金屬壁溫均能夠滿足材料強(qiáng)度和抗氧化的要求。
當(dāng)鍋爐在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),由于流動(dòng)不穩(wěn)定而引發(fā)各回路的熱負(fù)荷不均勻[14]。因此,茆凱源等[15]采用一維單通道通用數(shù)值計(jì)算模型,以前墻第4號(hào)回路為計(jì)算對(duì)象,對(duì)其進(jìn)出口流動(dòng)特性進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 20% THA工況下施加1.1、1.2、1.3倍熱負(fù)荷擾動(dòng)的流量脈動(dòng)對(duì)比圖
由圖6可以看出:20% THA工況下施加1.1、1.2、1.3倍熱負(fù)荷后,進(jìn)、出口流量隨時(shí)間呈現(xiàn)一定的相位差脈動(dòng),進(jìn)、出口流量脈動(dòng)的振幅隨時(shí)間逐漸減小直至消失,最終進(jìn)、出口流量相等,恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),水冷壁進(jìn)、出口流量趨于一致,不會(huì)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性。
以某300 MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐為研究對(duì)象,建立流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),以及水冷壁流量和壁溫計(jì)算的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)機(jī)組在30%和20% THA工況下的水動(dòng)力安全性進(jìn)行計(jì)算與分析,主要研究結(jié)論如下:
(1) 低負(fù)荷運(yùn)行工況下,鍋爐水冷壁循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率,循環(huán)流速高于設(shè)計(jì)要求值,可以滿足鍋爐安全運(yùn)行,且20% THA工況下安全裕度更大。
(2) 低負(fù)荷運(yùn)行工況下,鍋爐水冷壁單面墻各回路的流量分配呈現(xiàn)中間高、兩頭低的趨勢(shì),熱負(fù)荷越大的回路其相應(yīng)的質(zhì)量流速越大。
(3) 20% THA工況下,對(duì)前墻水冷壁受熱最強(qiáng)回路施加 1.1、 1.2、1.3倍的熱負(fù)荷擾動(dòng),水冷壁進(jìn)、出口流量趨于一致,不會(huì)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性。