深度调峰锅炉水动力特性分析

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1143

摘要/Abstract

摘要：

依据某600MW超临界机组锅炉的水冷壁结构特性，将水冷壁系统中的各种进出口集箱及复杂的并联管简化为压力节点及流通回路从而建立水冷壁的水动力计算模型及壁温计算模型。针对锅炉在BMCR负荷、30%BMCR设计负荷及深度调峰提高压力运行时的30%BMCR负荷进行水动力计算及壁温计算，得到了提高工作压力前后在30%BMCR负荷时的水冷壁流量分配及金属壁温沿管内工质流动方向的分布趋势。分析结果表明，提高压力后垂直管屏流量分配由负响应特性转变为正响应特性，有利于垂直管屏安全性。锅炉水冷壁在深度调峰提高压力运行30%BMCR负荷下，水动力特性和壁温峰值均处于允许范围之内，运行压力的增加提高了锅炉低负荷运行垂直水冷壁的安全性，可以作为提高锅炉深度调峰水冷壁水动力循环安全性的运行方案。

关键词: 超临界锅炉, 气液两相流, 水冷壁, 深度调峰

Abstract:

According to the structural characteristics of the water wall of a 600MW supercritical unit boiler, various headers and complex parallel pipes in the water wall system were simplified and equivalent to pressure nodes and flow circuits to establish the hydrodynamic calculation model and metal temperature calculation model for the water wall system. Hydrodynamic calculation and metal temperature calculation were solved for the boiler in Boiler Maximum Continuous Rating (BMCR) load, design 30% BMCR load and 30% BMCR during deep peak shaving operation. The flow distribution of the water wall, pressure of each header and the metal temperature of the pipe along the direction of the working fluid flow under the initial constant pressure was increased before and after the 30% BMCR load was obtained. The calculation results showed that the flow distribution of the vertical tube panel changed from negative response to positive response after the initial constant pressure was increased, which was conducive to the safety of vertical tube screens. Under the three loads, the peak metal temperature of the boiler water wall was within the allowable range, and the water wall was safe and reliable. The increase in operating pressure improved the safety of the vertical water wall under lower load operation.

Key words: supercritical boiler, gas-liquid flow, riser, peaking operation

中图分类号:

TK222

庞力平, 袁虎, 丘文生, 段立强, 李文学. 深度调峰锅炉水动力特性分析[J]. 化工进展, 2023, 42(4): 1708-1718.

PANG Liping, YUAN Hu, QIU Wensheng, DUAN Liqiang, LI Wenxue. Hydrodynamic characteristics during peaking operation in utility boiler[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(4): 1708-1718.

图/表 25

图1 炉膛内的螺旋管和垂直管屏

表1 锅炉水冷壁的结构参数

水冷壁类型	管材	管子尺寸/mm×mm	管子类型	节距/mm	根数	与水平方向夹角/(°)
螺旋管圈水冷壁	15GrMoG	ϕ38×6.5	膜式壁	53	436	17.893
垂直管水冷壁	15GrMoG	ϕ31.8×5.5	膜式壁	57.5	1312	90
后水悬吊管	15GrMoG	ϕ76×12.5	吊挂管	230	95	90
水平烟道底包墙	15GrMoG	ϕ44.5×6.3	膜式壁	57.5	385	17.53/35/20/90
水平烟道侧包墙	15GrMoG	ϕ44.5×6.3	膜式壁	115	92	90

图2 锅炉180MW-30% BMCR负荷运行情况

图3 深度调峰锅炉主蒸汽压力和水冷壁质量流量

图4 BMCR负荷下沿炉膛高度方向热负荷分布

图5 沿炉膛宽（深）度方向热负荷分布

图6 下炉膛螺旋管圈水冷壁回路划分示意图

图7 上炉膛垂直管屏水冷壁回路划分示意图

图8 水冷壁系统的流动网络图

表2 水冷壁系统压降计算值

项目	100% BMCR	75% THA	30% BMCR
螺旋管圈压降/MPa	0.93	0.509	0.358
垂直管屏压降/MPa	0.14	0.084	0.049
折焰角及水平烟道包墙压降/MPa	0.276	0.159	0.086
水冷壁系统总压降/MPa	1.363	0.759	0.497

表3 发电机功率为185.40MW时实测值与计算值对比

项目	实测值	计算值	相对误差
水冷壁入口联箱压力/MPa	16.477	16.476	-0.01%
中间联箱压力/MPa	16.178	16.178	0.00%
折焰角汇集集箱工质温度/℃	354.32	354.4	0.02%
分离器出口压力/MPa	16.082	16.087	0.03%
分离器温度/℃	360.57	361.1	0.15%

图9 螺旋管出口工质温度对比

图10 垂直管出口工质温度对比

表4 变压运行前后水冷壁系统压降计算值

压降	变压前30% BMCR	变压后30% BMCR
螺旋管圈压降/kPa	358	308
垂直管屏压降/kPa	49	47
折焰角及延伸包墙压降/kPa	86	57
水冷壁系统总压降/kPa	497	403

图11 变压运行前后螺旋管水冷壁9回路内压降对比

表5 变压运行前后回路9内主要参数的对比

项目	变压前30% BMCR	变压后30% BMCR
两相区起始点/m	48.3	70.0
两相区长度/m	77.2	55.5
螺旋管出口工质干度/%	78.7	64.3
质量流速/kg·m^-2·s^-1	734.8	739.2

图12 提高运行压力前后下炉膛水冷壁质量流速分配

图13 变压运行前后垂直管屏水冷壁61回路内压降对比

表6 变压运行前后回路61内主要参数的对比

项目	变压前30% BMCR	变压后30% BMCR
两相区长度/m	8.2	14.0
入口干度/%	78.7	64.3
工质出口密度/kg·m^-3	39.66	78.58

图14 变压运行前后上炉膛水冷壁质量流速分配

图15 动态蓄质量法校验提高压力前后第9回路管子脉动

图16 BMCR负荷时下炉膛9回路壁温沿回路沿程的分布

图17 BMCR负荷时上炉膛61回路壁温沿炉高的分布

图18 变压运行前、后9回路壁温沿回路沿程的分布

图19 变压运行前后61回路壁温沿炉高的分布

参考文献 16

1	国家发展改革委. 国家能源局关于开展全国煤电机组改造升级的通知发改运行〔2021〕1519号[J]. 电力设备管理, 2021(13): 18-21.
	National Development and Reform Commission. National Energy Administration notice on the national coal power unit renovation and upgrading[J]. Electric Power Equipment Management, 2021(13): 18-21.
2	GU Yujiong, XU Jing, CHEN Dongchao, et al. Overall review of peak shaving for coal-fired power units in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 54: 723-731.
3	WANG Siyang, YANG Dong, LIU Dan, et al. Experimental and theoretical analysis on the safety and efficiency of an ultra-supercritical pulverized coal-fired boiler with low mass flux vertical water wall[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 146: 440-449.
4	石荣雪, 张适宜, 张胜寒. 基于大数据分析的电厂锅炉水冷壁失效研究[J]. 化工进展, 2016, 35(9): 2640-2646.
	SHI Rongxue, ZHANG Shiyi, ZHANG Shenghan. Failure investigation on boiler water wall tubes in power plant by large data analysis[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35(9): 2640-2646.
5	林雪健. 300MW等级亚临界燃煤锅炉深度调峰低负荷稳燃技术研究[D]. 上海: 上海发电设备成套设计研究院, 2018.
	LIN Xuejian. Research on stable combustion technology of 300MW subcritical coal-fired boiler under super low load in deep cyclic operation[D]. Shanghai: Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., 2018.
6	王亚欧, 陶谦, 肖杰, 等. 1000MW双切圆燃烧锅炉干湿态转换过程中水冷壁温度控制[J]. 中国电力, 2019, 52(1): 161-165， 173.
	WANG Yaou, TAO Qian, XIAO Jie, et al. Water-wall temperature control of a 1000MW dual circle tangential firing boiler during wet-dry transferring period[J]. Electric Power, 2019, 52(1): 161-165， 173.
7	宋贵良. 锅炉计算手册[M]. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 1995.
	SONG Guiliang. Boiler calculation manual[M]. Shenyang: Liaoning Science and Technology Publishing House, 1995.
8	MALI C R, VINOD V, PATWARDHA A W. New methodology for modeling pressure drop and thermal hydraulic characteristics in long vertical boiler tubes at high pressure[J]. Progress in Nuclear Energy, 2019, 113: 215-229.
9	吕俊复. 超临界循环流化床锅炉水冷壁热负荷及水动力研究[D]. 北京: 清华大学, 2005.
	Junfu LYU. Investigation on heat flux and hydrodynamics of water wall of a supercritical pressure circulating fluidized bed boiler[D]. Beijing: Tsinghua University, 2005.
10	董乐, 辛亚飞, 李娟, 等. 660MW超超临界循环流化床锅炉水动力及流动不稳定特性计算分析[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(5): 1545-1554.
	DONG Le, XIN Yafei, LI Juan, et al. Computational analysis on thermal-hydraulic characteristics and flow instability of a 660MW ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(5): 1545-1554.
11	WANG Long, YANG Dong, SHEN Zhi, et al. Thermal-hydraulic calculation and analysis of a 600 MW supercritical circulating fluidized bed boiler with annular furnace[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 95: 42-52.
12	张魏静, 杨冬, 黄莺, 等. 超临界直流锅炉螺旋管圈水冷壁流量分配及壁温计算[J]. 动力工程, 2009, 29(4): 342-347.
	ZHANG Weijing, YANG Dong, HUANG Ying, et al. Calculation on flow rate distribution and wall temperature of waterwall with spiral tube coils of supercritical once-through boilers[J]. Journal of Power Engineering, 2009, 29(4): 342-347.
13	李子建. DG 3000t/h级超超临界锅炉水冷壁管壁温度和吸热量偏差研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2018.
	LI Zijian. Research on wall temperature and heat absorption deviation of DG 3000t/h ultra supercritical boiler water wall[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2018.
14	上海发电设备所成套设计研究所. 电站锅炉水动力计算方法： [S]. 上海: 上海发电设备成套研究所, 1983.
	Shanghai Power Equipment Research Institute. The national standard of the boiler hydrodynamics calculation: [S]. Shanghai: Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., 1983.
15	徐雷. 气液两相流联箱内流量分配的可视化实验及应用[D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2020.
	XU Lei. Visualization experiment and application of gas-liquid two-phase header flow distribution[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2020.
16	林清宇, 吴佩霖, 冯振飞, 等. 螺旋通道内流动沸腾传热研究进展[J]. 化工进展, 2020, 39(7): 2521-2533.
	LIN Qingyu, WU Peilin, FENG Zhenfei, et al. Research progresses of boiling heat transfer in helical channels[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2020, 39(7): 2521-2533.

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[1]	陈匡胤, 李蕊兰, 童杨, 沈建华. 质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 246-259.
[2]	赵晨, 苗天泽, 张朝阳, 洪芳军, 汪大海. 负压状态窄缝通道乙二醇水溶液传热特性[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 148-157.
[3]	卜治丞, 焦波, 林海花, 孙洪源. 脉动热管计算流体力学模型与研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(8): 4167-4181.
[4]	刘厚励, 顾中浩, 阳康, 张莉. 3D打印槽道结构槽宽对池沸腾传热特性的影响[J]. 化工进展, 2023, 42(5): 2282-2288.
[5]	张猛, 李树谦, 张东, 马坤茹. 微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面运动特性[J]. 化工进展, 2022, 41(9): 4644-4652.
[6]	梅响, 姚元鹏, 吴慧英. 连通微通道内过冷流动沸腾传热强化机理分析[J]. 化工进展, 2022, 41(6): 2884-2892.
[7]	钱媛媛, 王永杰, 杨雪晶. 臭氧相关水处理工艺及其传质特征研究进展[J]. 化工进展, 2021, 40(S1): 411-425.
[8]	廖珮懿, 杨代军, 明平文, 薛明喆, 李冰, 张存满. 微流道气-液两相流研究及其在PEMFC中的应用进展[J]. 化工进展, 2021, 40(9): 4734-4748.
[9]	吴浩, 索梦善, 陶星晓, 车志钊, 孙凯, 陈锐, 王天友. 开孔金属泡沫内气液两相流动的可视化[J]. 化工进展, 2021, 40(8): 4152-4164.
[10]	胡波, 庞明军. 特征时间对剪切稀化流体气泡上浮特性的影响[J]. 化工进展, 2021, 40(5): 2440-2451.
[11]	赵宁, 贾慧君, 郭立强, 刘雨航, 方立德. 环状流液滴夹带率测量方法及分析[J]. 化工进展, 2021, 40(12): 6469-6478.
[12]	任思远, 刘春江, 郭凯, 刘辉, 项文雨, 谢春刚, 李雪. 非中心入射流旋转圆盘水跃现象的实验与模拟[J]. 化工进展, 2021, 40(11): 6027-6034.
[13]	马立辉, 何利民, 米祥冉, 陈舒炯, 李晓伟. 冲击型T形管处气液两相流分流特性研究进展[J]. 化工进展, 2021, 40(11): 5919-5928.
[14]	黎义斌, 梁开一, 歹晓晖, 李正贵. 搅拌反应器气液两相流混合过程的涡旋效应数值模拟[J]. 化工进展, 2021, 40(1): 99-110.
[15]	于英利, 付旭晨, 戴莹莹, 荣俊, 高正平, 蔡斌, 胡俊虎. 燃煤电站锅炉水冷壁壁面高温腐蚀问题分析与对策[J]. 化工进展, 2020, 39(S1): 90-96.