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华 北 电 力 大 学

 硕  士  学  位  论  文

题       目：超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流量补偿特性研究

英 文 题 目：Characteristics Study for Ultra-supercritical Boilers with Vertical Rifled Tube Platen Water Wall on Flow Compensation

研究生姓名：王雪涛          专业：热能工程

研 究 方向：热力设备及大型回转机械的安全、经济运行与延寿技术

导 师 姓名：樊泉桂          职称：教授

                         

20##年12月16日

声   明

本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流量补偿特性研究》，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：            日  期：         

关于学位论文使用授权的说明

本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。

(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)

作者签名：                  导师签名：          

日    期：                  日    期：           

摘     要

对超超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行时的流量补偿特性进行了理论分析。以1000MW超超临界锅炉垂直管屏水冷壁设计参数为依据，编制了流量补偿特性计算程序，对该锅炉水冷壁在不同热负荷和热偏差条件下，不同质量流速下的流量补偿特性进行了分析研究。验证了直流锅炉水冷壁系统在高负荷区高质量流速条件下具有强制流动特性，在低负荷区低质量流速条件下具有自然循环的自补偿特性，这种特性对实现直流锅炉变压运行具有重要作用,但增加了由自补偿特性向强制流动特性转化的复杂性。论文计算并分析了锅炉水动力特性，验证了水动力单值性。分析了热负荷、管子内径、管子根数对压降的影响。研究结论可供UP型超临界直流锅炉运行和设计参考。

关键词：超超临界锅炉；热偏差；流量补偿；垂直管屏；下辐射区水冷壁

ABSTRACT

The variable pressure operation characteristic of ultra-supercritical boiler with vertical rifled tube platen water wall is analyzed in this paper. Based on the designed data of vertical tube water wall in a 1000MW supercritical boiler and regarding to the hydrodynamic calculation method, a calculation procedure of flow compensation characteristics is established. The flow compensation characteristics in the condition of different loads and mass flow rates are analyzed and studied, therefore it validates that direct current boiler has not only direct current characteristics but also natural circle characteristics like drum boiler’s which play the important role in the variable pressure operation. Hydrodynamic characteristic of boilers is calculated and analyzed and uniqueness of hydrodynamic is validated. Also the effects between heat load and drop, tube’s inner diameter and drop, tube’s number and drop are analyzed.

Wang Xue-tao(Thermal Power Engineering)

Directed by prof. Fan Quan-gui

KEY WORDS: ultra-supercritical boiler，heat deviation，flow compensation，vertical tube platen，water wall’s lower radiation

第一章 引  言

1.1 课题研究的背景及意义

能源是社会发展的物质基础，环境是人类维护自身生存和发展的前提。在能源日趋紧张，环境日益恶化的情况下为节约能源和减轻环境污染，必须发展洁净煤发电技术^[1]，即：循环流化床(CFBC)、增压流化床联合循环(PFBC—CC)、整体煤气化联合循环(IGCC)以及超临界(SC)与超超临界技术(USC)。

超临界机组是指发电机组的蒸汽参数达到临界压力以上的机组。目前，世界上超临界机组的蒸汽参数以24MPa 、540℃/540℃为基础。超超临界机组并没有严格的定义，国际上通常把主蒸汽压力在27MPa以上或主汽、再热汽温在580℃以上的机组定义为超超临界（USC）机组^[2]。超超临界机组正是由于提高了锅炉蒸汽的初参数，使得机组效率大大提高，达到45%～48%，比亚临界机组提高6%～9%，比超临界机组高3%～4% 。尽管在同等蒸汽参数情况下，联合循环的效率比蒸汽循环的效率高10%左右，但是，由于PFBC和IGCC尚处于试验或示范阶段，在技术上还存在许多不完善之处，而超临界技术已十分成熟，超临界机组也已批量投运，且积累了良好的运行经验，国外已有一套完整而成熟的设计、制造技术。因此，技术成熟的大容量超临界和超超临界机组将是我国洁净煤发电技术的主要发展方向，也是解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重等问题的最现实和最有效的途径。可以预见，在不久的将来超临界锅炉将成为我国电厂锅炉的主力锅炉，因此对超临界锅炉的研究更具有实际应用价值。

超临界机组的蒸汽参数大于临界压力，蒸汽和水的密度基本相同，首先受影响的是锅炉的水冷壁。超临界锅炉水冷壁不能采用自然循环方式，必须采用强制流动方式，即以直流锅炉为主，也可采用复合循环方式。超临界锅炉的水冷壁结构设计主要出现了两种形式：一种是采用螺旋管圈的水冷壁，另一种采用垂直管屏水冷壁。两种水冷壁各有利弊，需要结合实际情况选用。一般认为，采用垂直管屏水冷壁的直流锅炉不适合变压运行，但是采用一些新技术的垂直管屏水冷壁的直流锅炉实现变压运行也是可能的。例如内螺纹管垂直管屏变压运行技术已经有实际应用的例子。

超临界压力变压运行带中间负荷机组要求锅炉能变压运行，负荷变化快，并能快速启停。这使锅炉的工作条件更为复杂，特别是锅炉的炉膛水冷壁，当机组从额定负荷到低负荷时，炉膛水冷壁管圈的运行压力将从超临界压力降至亚临界压力，水冷壁管圈内工质将有两种工作状态，即单相流动和双相流动。分析超临界压力变压运行直流锅炉炉膛水冷壁流量补偿特性对水冷壁的安全运行有着十分重要的意义。在这个背景下开展我的课题，希望能够对超临界及超超临界锅炉在实际设计与运行中有所裨益。

1.2 国内外研究动态

1927年西门子公司生产的第一台本生锅炉采用螺旋管圈水冷壁。为了降低造价1930年开始，开发了垂直管圈水冷壁，不过当时还只是上升—下降管系统，采用砖砌炉墙。直至60年代中期，为了适应西欧电网调峰的需要又重新采用螺旋管圈膜式水冷壁。50年代美国开发了几种不同的垂直管圈膜式水冷壁系统，为保证大量水冷壁管在全部负荷范围的可靠冷却，出现了带中间集箱的管屏串联系统或叠加—再循环系统。但是，为避免中间集箱汽水混合物分离或为保证再循环泵无故障运行，这些水冷壁系统必须始终(包括启停)保持超临界压力运行。因此这种水冷壁系统不太适应每日启停，而且部分负荷运行也不经济。80年代中期Sulzer公司开发了内螺纹管垂直水冷壁。这期间，日本三菱重工业公司与苏尔寿和CE公司合作，设计制造出内螺纹管垂直管圈超临界压力锅炉。第一台这种管圈的700MW超临界燃煤锅炉于1989年6月在日本松浦电厂投运，随后日本川越电厂又相继于1989年和1990年投运了两台700MW超超临界燃气锅炉，这些锅炉的满负荷质量流速均为2000左右，并且采取以下两种措施来防止在如此高的流速下由于热偏差而引起的水冷壁出口焓偏差：

(1)在那些吸热偏低的水冷壁管进口加装节流圈

(2)布置对流烟道蒸发器，使水冷壁出口保持湿蒸汽，而把蒸发终点转移到热负荷较低的对流烟道内。

苏尔寿等3家公司很重视这种方案并称之为第二代变压运行直流锅炉。但是西门子公司认为苏尔寿锅炉的垂直管圈方案有广泛的理论和试验研究基础，但缺乏基准。因此，该公司在长期的理论与实验研究的基础上也推出了内螺纹垂直管圈水冷壁的方案：采用满负荷低质量流速，利用流量分配的自然循环特性保证全部负荷下水冷壁的充分冷却，即在低质量流速下，摩擦压降在总压降中所占比例变得很小，由重位压降决定流量分配。正象自然循环水冷壁一样，吸热偏差引起的流量分配取决于静压降，受热偏高的管子将流过较高的流量。内螺纹管不仅改善压降特性，而且也改变了传热特性。采用内螺纹管垂直管屏水冷壁实现变压运行，在低负荷亚临界压力范围内，能够抵抗水冷壁的膜态沸腾引起的传热恶化，在临界压力和高负荷超临界压力范围内，也具有抵抗类膜态沸腾的作用，即使对于处于大比热区的蒸汽也具有增强传热，降低壁温的作用。

西门子公司推出的内螺纹管垂直管圈炉膛水冷壁的方案，使现代变压运行直流锅炉技术更趋完善。其他如俄罗斯、丹麦、韩国、德国等国家也都相继展开对内螺纹管垂直管圈超临界锅炉的研究。在国内，西安交通大学与哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂合作，研究了超临界锅炉内螺纹水冷壁管的水动力特性和传热特性，并进行了实验研究。日本三菱公司与哈尔滨锅炉厂合作生产的1000MW超超临界锅炉就采用了内螺纹管垂直管屏变压运行技术，在国内的首次用户为玉环电厂。

在理论研究方面，国内学者做了许多工作。在内螺纹管传热方面，西安交通大学的陈听宽等人以动力工程多相流国家重点实验室为依托，做了许多超临界锅炉内螺纹管传热特性的研究，试验得出了在不同参数条件下的壁温分布、发生传热恶化的临界条件、单相及两相对流放热系数、干涸后放热系数及内螺纹管的摩擦压降，提出了计算关联式，比较了单侧加热与全周加热的区别，为超临界锅炉设计提供了重要依据。在垂直管圈水冷壁研究方面，西安交通大学的郑建学等人分析了600MW超临界锅炉垂直管圈水冷壁，并与螺旋管圈水冷壁作了对比，分别得到了两种水冷壁的优劣，对于电站超临界机组锅炉水冷壁的设计有较高的参考价值。在超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压运行方面，樊泉桂针对1000MW超超临界机组锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行特性进行了理论分析。重点分析了低质量流速下的水冷壁热偏差对流量偏差的影响关系和内螺纹管传热特性以及直流锅炉水冷壁强制流动特性被自然循环特性部分抵偿的流动特性。

1.3 国内内螺纹管垂直管屏变压运行锅炉研究中的问题

在国外，西门子公司已经对内螺纹管传热和压降进行了深入的实验研究，得到了一些重要的结论。另外，他们不仅通过计算机模拟了低质量流速下内螺纹管垂直管屏的流量补偿特性，而且还在特定的电厂进行了大型试验，验证了在热偏差情况下流量分配的理论估算，校验了在实验室测试开发的压降计算程序。但是在国内，虽然内螺纹管垂直管屏变压运行技术已经有实际应用的例子，但是对于内螺纹管的传热传质特性和压降特性的理论与实验研究还根本不够，尤其是对于内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行的理论认识还不够深入，尚没有人进行相关的计算机模拟实验与大型实例验证。其中，计算机模拟实验需要开发压降计算程序，涉及到管内两相流的理论，分析研究比较复杂，具有一定的难度。

1.4 本论文研究的主要内容

1.4.1内螺纹管垂直管屏水冷壁的特点及其变压运行

首先介绍了水冷壁的几种主要型式，通过探讨螺旋管圈水冷壁的流动阻力大、结构复杂等缺点说明内螺纹管垂直管屏水冷壁有很大发展趋势。最后重点介绍了内螺纹管垂直管屏水冷壁的特点及其变压运行的理论分析。

1.4.2水动力计算方法的研究

主要介绍了管内工质压降的计算方法，包括单相流和两相流压降的计算。因为涉及到编程计算，对一些公式根据模型进行了简化。

1.4.3流量补偿特性的研究

在管内工质压降计算的基础上，建立流量补偿特性的模型和程序流程图。流量补偿特性模型其实就是建立压降-热偏差的关系，由于亚临界与超临界流量补偿特性不同，对两种工况下的流量补偿特性进行对比分析。

在本文中分析并对比了正的流量补偿特性和负的流量补偿特性。其中正的流量补偿特性又称为自然循环特性，即在亚临界工况下，内螺纹管垂直管屏管内工质质量流速很低(低于1200)，水冷壁的动压损失(或流动摩擦阻力引起的压降)在压力总损失(总压降)中的比例很小，静压损失(重位压降)起决定作用，流量分配为正流量补偿特性；负的流量补偿特性又称为直流特性，即在超临界工况下，内螺纹管内工质质量流速很高(高于1200)，水冷壁的动压损失(或流动摩擦阻力引起的压降)在压力总损失(总压降)中的比例很大，动压损失(重位压降)起决定作用，流量分配为负流量补偿特性。

1.4.4水动力特性的研究以及其他因素对管内压降的影响

水动力特性指的是进出口集箱间所连接管子两端的压降与流量的关系。水动力特性主要分析超临界满负荷工况下水动力特性的稳定性，分析其具有不具有流动的多值性。

本文还分析了对管内压降影响的其他因素，包括管子内径、管子根数、管子热负荷等。

第二章 内螺纹管垂直管屏水冷壁及其变压运行分析

目前，世界上正在运行的超临界和超超临界机组直流锅炉水冷壁型式有4种：光管螺旋管圈水冷壁、内螺纹管螺旋管圈水冷壁、光管垂直管屏水冷壁和内螺纹管垂直管屏水冷壁。水冷壁炉膛布置主要有两种：第一种是上炉膛采用垂直管屏水冷壁，下炉膛采用螺旋管圈水冷壁；第二种是一次垂直上升水冷壁。如图2-1是水冷壁炉膛的两种布置方式。两种炉膛布置的上、下炉膛水冷壁间都有中间混合集箱，用以消除炉膛下部水冷壁工质吸热与温度偏差。

图2-1 两种水冷壁的炉膛布置

1927年，西门子公司生产的第一台本生锅炉采用螺旋管圈水冷壁。到目前为止，全世界已经有1000多台超临界锅炉机组投入使用，其中大部分仍是采用的这种经典的螺旋管圈水冷壁型式。这种型式的水冷壁能够实现真正的滑压运行。另外它还有许多优点：主要是它采用较高的质量流速，各根管子盘旋上升，受热均匀，所以管子热偏差小，保证了管子壁温不高于许可温度，有效的防止了亚临界条件下的膜态沸腾和超临界条件下的类膜态沸腾。可是螺旋管圈水冷壁有许多无法避免的缺点，主要包括：

(1)水冷壁阻力较大。这是由于质量流速较高，下炉膛螺旋管圈展开长度几乎为垂直管屏长度的二倍。以600MW变压运行超临界燃煤锅炉为例，水冷壁系统的总阻力约为2MPa左右，几乎为垂直管屏水冷壁的一倍，增加了给水泵的耗电量；

(2)水冷壁支撑和刚性梁结构复杂。因水平管子承受轴向载荷能力差，必须采用张力板，张力板与水冷壁管之间在锅炉启停时有较大温差，其形状和尺寸必须经仔细的应力分析和运行考验；水冷壁的强度也需要考虑x、y、z三方向作用力；刚性梁必须采用框架式结构，从而增加了安装和焊接工作量。

(3)螺旋管圈水冷壁受加工分段长度的限制，现场对接焊缝的数量约为垂直管屏的4倍；

(4)水冷壁管螺旋倾斜上升，在水冷壁上设计开孔很困难；

(5)对结渣性较强的煤种，螺旋管圈结渣倾向比垂直管屏要大，灰渣自行脱落的能力较差。螺旋管圈水冷壁的维护和检修比垂直管屏要复杂一些。

2.1 内螺纹管垂直管屏水冷壁的特点

2.1.1内螺纹管的结构与传热特性

内螺纹管的传热性能明显优于光管，它能够抵抗膜态沸腾并且推迟传热恶化，主要机理是：由于工质受到内螺纹的作用产生旋转，增强了管内壁面附近流体的扰动，使水冷壁管内壁面产生的汽泡可以被旋转向上流动的液体及时带走。在旋转力的作用下，水流紧贴管子内壁面流动，从而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的“汽膜”，保证了管子内壁面上有连续的水流冷却。内螺纹管的结构可以制成各种型式，如四头、六头、八头等。例如河南沁北电厂600MW超临界锅炉采用的螺旋水冷壁管全部采用六头、上升角60°的内螺纹管。

西门子公司对于低质量流速下的内螺纹管和光管进行了大量试验，结果表明：当压力在20MPa以下时，即使在1000 的低质量流速下，内螺纹管仍然具有良好的传热效果，在接近蒸发终点时才出现传热恶化；在近临界压力区，传热恶化提前出现，在x=0.6的位置出现壁温突然升高的现象；内螺纹管不仅改善了传热特性，而且也改变了压降特性。

另外三菱公司也对内罗管和光管的最低质量流速作了深入的研究，结果表明：内螺纹管大大降低了最低质量流速，在25%MCR~30MCR时最低质量流速可以降低到500，而光管水冷壁一般控制最低允许质量流速为1000。

2.1.2内螺纹管垂直管屏水冷壁的优缺点

内螺纹管的传热性能明显优于光管，它在锅炉上应用给直流锅炉水冷壁采用垂直管屏开辟了途径。早在70年代末、80年代初，CE、Sulzer和三菱重工等公司鉴于国际上变压运行超临界机组的优点和传统的螺旋管圈水冷壁结构的复杂，在已有长期运行经验的复合循环锅炉的基础上，吸取内螺纹管在强化传热、抑制DNB产生等方面的优点，着手研究和开发用于变压运行的超临界和超超临界锅炉的内螺纹管一次上升的垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重工同时开发并生产出了世界上首次采用一次上升管圈的变压运行超临界和超超临界锅炉机组，并在日本多家电厂投运，至今锅炉运行顺利。在国内，哈尔滨锅炉厂采用三菱重工的技术已经生产出1000MW垂直管屏水冷壁超超临界锅炉，并在浙江玉环电厂得到投运。

内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要优点是：

(1)水冷壁阻力较小，降低了给水泵耗电量。

(2)采用内螺纹管可提高传热性能，在亚临界负荷时防止下炉膛高热负荷区域发生膜态沸腾，在超临界负荷时能够防止类膜态沸腾的发生，实现变压运行。

(3)可降低质量流速，使在低负荷时流量分配转换为自然循环特性，有利于锅炉安全运行。

(4)下辐射区采用一次垂直上升管屏和内螺纹管，结合低质量流速，克服了传统UP型锅炉的主要缺陷。

(5)水冷壁本身、支撑结构和刚性梁结构简单，制造容易，安装方便，便于吊挂，不存在复杂的结构影响运行安全性的问题。

(6)结渣倾向较小，吹灰效果较好，疏松型渣块易于自行脱落，维护和检修较易。

内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要缺点是：

(1)水冷壁管径较细，内螺纹管制造精度和管子价格较高，而且管子热敏感性强，对运行控制要求高。

(2)需装设节流孔圈，增加了水冷壁下集箱结构的复杂性。

(3)机组容量的限制。如果垂直管屏水冷壁所有的管子平行连接，那么只有在大容量锅炉时才能保证水冷壁可靠冷却所需要的工质质量流速。因为垂直管屏水冷壁受到管径的限制，对容量较小的机组，其炉膛周界相对较大，因此无法保证必要的质量流速。一般认为，对垂直管屏来说，锅炉机组的最小容量为500MW~600MW。

(4)垂直管屏水冷壁沿炉膛周界和各面墙的水冷壁出口温度的偏差较螺旋管圈稍大，可通过装高节流孔圈将此偏差值控制在允许范围内。

(5)启动和低负荷时为了保持必要的质量流速，必须装设再循环泵，增加了设备投资。

(6)对煤种变化的适应性较差，没有螺旋管圈水冷壁强。

针对垂直水冷壁结构设计存在的问题，直流锅炉垂直管屏水冷壁设计的发展趋势是采用较低的质量流速，呈现出强制-自然循环特性。即在高负荷下呈强制循环特性，低负荷下呈现一定的自然循环特性。在以后的章节中，内螺纹管垂直管屏水冷壁的强制-自然循环特性将是主要探讨的内容。

2.1.3光管垂直管屏水冷壁

讨论了内螺纹管垂直管屏的优缺点，有必要与光管垂直管屏作下比较，分析其不适宜做变压运行的原因。

光管垂直管屏水冷壁为了保证炉膛下辐射区水冷壁管内的质量流速，下辐射区水冷壁的流路一般设计成2~3次垂直上升。在现代大功率锅炉机组上，为了避免产生较大的热偏差和提高工质的质量流速，仅采用二次垂直上升的型式，两个流路之间用不受热的下降管相连接。

水冷壁有中间联箱，工质的二次再分配易导致分配不均；以提高质量流速防止水冷壁的流动不稳定性，致使热偏差和流量偏差相互影响的不良作用扩大化，不适合变压运行；一般超临界锅炉光管水冷壁的设计质量流速高达2800~3000，流量分配为负流量补偿特性，受热偏高的管子流量反而会变少，容易发生管子壁温升高，不利于锅炉安全运行。总之，相比内螺纹管垂直管屏水冷壁，光管垂直管屏水冷壁对变压运行的适应性较差，不适宜大范围推广。

2.2 内螺纹管垂直管屏水冷壁的变压运行

2.2.1 变压运行

单元机组的运行目前有两种基本形式，即定压运行(或称等压运行)和变压运行(或滑压运行)。定压运行是指汽轮机在不同工况运行时，依靠调节汽轮机调节汽门的开度来改变机组的功率，而汽轮机前的新汽压力维持不变。采用此方法跟踪负荷调峰时，在汽轮机内将产生较大的温度变化，且低负荷时主蒸汽的节流损失很大，机组的热效率下降。因此国内、外新装大机组一般不采用此方法调峰，而是采用变压运行方式。所谓变压运行，是指汽轮机在不同工况运行时，不仅主汽门是全开的，而且调节汽门也是全开的(或部分全开)，机组功率的变动是靠汽轮机前主蒸汽压力的改变来实现的，但主蒸汽温度维持额定值不变。处在变压运行中的单元机组，当外界负荷变动时，在汽轮机跟随的控制方式中，负荷变动指令直接下达给锅炉的燃烧调节系统和给水调节系统，锅炉就按指令要求改变燃烧工况和给水量，使出口主蒸汽的压力和流量适应外界负荷变动后的需要。而在定压运行时，该负荷指令是送给汽轮机调节系统改变调节汽门的开度。

当今的大型超临界锅炉一般采用负荷变压运行，在高负荷区采用定压运行，在中低负荷区采用变压运行，在极低负荷区又恢复为定压运行。例如浙江玉环电厂，90%BMCR~100%BMCR是定压运行，25%BMCR～90%BMCR是变压运行，而在极低负荷区又是定压运行。

2.2.2 内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行理论分析

超临界锅炉水冷壁在亚临界负荷时，采用低质量流速，利用流量分配的自然循环特性保证全部负荷下水冷壁的充分冷却，即在低质量流速下，摩擦压降在总压降中所占比例变得很小，由重位压降决定流量分配。这一情况正象自然循环水冷壁一样，吸热偏差引起的流量分配取决于静压降，受热偏高的管子将流过较高的流量。这样在低负荷亚临界压力范围内，由于自然循环作用的存在，能够抵抗水冷壁的膜态沸腾引起的传热恶化，在临界压力和高负荷超临界压力范围内，也具有抵抗类膜态沸腾的作用，即使对于处于大比热区的蒸汽也具有增强传热，降低壁温的作用，采用内螺纹管垂直管屏水冷壁能够实现变压运行。在下面的章节中，将主要探讨内螺纹管垂直管屏在亚临界负荷和超临界负荷的流量补偿作用，分析自然循环作用和流量补偿的直流特性。下面在理论上分析内螺纹管垂直管屏变压运行的可行性。

2.2.2.1从强制流动特性分析

假定流体是单相的，而且加速压降可以忽略，则有压降公式

                                       (2-1)

                                   (2-2)

式中——分别为折算阻力系数、摩擦阻力系数和局部阻力系数；

——分别为管内的蒸汽流量、比容、密度和流速

——分别为管子的内径、流通截面和长度

——为管组进出口之间的高度差

对于一组平行工作的管组，受热偏差、阻力偏差和重位压头都可以引起流量偏差。假定对所有平行工作管子的集箱两端的压差是相等的，且流动方向向上，则代表平均流动情况和具有流动偏差的管子的压差应分别为：

                        (2-3)

                        (2-4)

                  (2-5)

流量偏差系数为：

                   (2-6)

由式可知，对于强制流动，影响流量偏差的因素大致是管组结构阻力系数分布、吸热分布和重位压降分布。管组结构阻力系数分布引起的流量偏差易于理解，而吸热分布的影响比较复杂。

(1)对于水平或垂直布置的平行工作管子，即使在超临界压力下，工质无论处于大比热区内还是处于大比热区外，受热偏差都会引起流量偏差。吸热较强的管子，管内工质温度上升，比容增大，质量流量减小。

(2)对于垂直布置的平行工作管子，在亚临界压力范围内或超临界压力的大比热区内，由于吸热偏差引起管子之间出现重位压差，导致流量偏差发生变化。吸热较强的管子，管内工质温度上升，密度降低，管子之间的重位压差增大，从而使吸热较强的管子中工质质量流量增加。

(3)流量偏差也取决于重位压差和摩擦阻力的比值大小。当重位压差远小于摩擦阻力时，重位压差对流量偏差的影响减弱，由于此时管内工质质量流速很高，吸热量较强的管子摩擦阻力的增大值要大于重位压降的减小值，所以流量减少；重位压差远大于摩擦阻力时，重位压差对流量偏差的影响增强。此时管内工质质量流速很低，吸热量较强的管子重位压降的减小值要大于摩擦阻力的增大值，所以流量增加。这两种流量补偿特性分别叫做直流特性和自然循环特性，或者叫负流量补偿特性和正流量补偿特性。在这里理论分析的结果和西门子等公司做实验的结果是一致的，说明吸热偏差对管组的流量偏差具有双重影响。

2.2.2.2从热平衡和工质热物理特性分析

对于平均吸热水平的管子和具有吸热量偏差的管子分别有下面式子成立：

                               (2-7)

                              (2-8)

式中——分别为平均管的吸热量、质量流量、定压比热和工质温升；

——分别为偏差管的吸热量、质量流量、定压比热和工质温升。

由两式得到

                            (2-9)

式(2-9)不仅十分直观的说明了吸热偏差对平行管流量偏差的影响，特别有意义的是直接表达超临界压力下，工质定压比热和工质温升或工质焓增对流量偏差的影响关系。

根据式(2-9)分析，吸热量较多的管子中，工质流量会自动增加，这正好说明强制流动也能具有自然循环的自补偿特性。同时，工质温升较大和比热较大或工质焓增较大的管子，工质流量会自动减少。这也正好说明，在超临界压力下，当工质处于对应压力下的拟临界温度时，由于工质处于大比热区，较大的工质焓增也会引起工质流量减少。结合超临界压力下工质热物理特性变化可知，大比热区内，工质比容和温导系数发生突变且变化幅度很大，当管子吸热偏差增大时，对于水冷壁流量分配和传热影响十分明显。

图2-3是在采用内螺纹垂直管水冷壁的1000MW超临界锅炉上测试的数据，其显示了不同的热负荷下，质量流速和水冷壁出口温度的变化特点。一个十分重要的特点是：在质量流速为650~1100低质量流速下，随着热负荷的增大，管内的质量流速随热负荷增加而自动增大，这种流动特性恰好说明了强制流动的直流锅炉流量分配特性可以大部分转换成自然循环的自补偿特性。其原因正是受热偏高的管内摩擦阻力造成的压降份额变化小于静压降份额的变化。采用垂直管屏水冷壁变压运行的本生炉新方案的基本思想正是利用这种流量分配的自然循环特性。

图2-3 1000MW锅炉垂直管水冷壁质量流速和出口温度

图2-3的测试结果还表明，超临界压力下工质的热物理特性仍然决定了工质温度随吸热量增加的特性并不会因低流速下出现的自然循环特性而改变。水冷壁出口工质温度首先决定于工质的热物理特性，但是因为自然循环特性的自补偿特性的存在使得工质出口温度的增长受到一定程度的抑制。因此，即使在超临界压力下，质量流速愈低。热负荷愈低，自然循环特性愈明显．出口工质温度的上升幅度就愈小。

根据超临界压力下工质的热物理特性可以判断，在低质量流速下，超临界压力下工作的垂直管屏水冷壁所产生的自补偿性是有限的。例如，蒸汽压力超过28 MPa时，水冷壁中的压力将达到32 MPa以上。此时，由于受热不同导致的工质密度变化，则因为压力提高而减弱，不同受热强度的管子之间产生的自然循环特性随之降低。试验证实，当质量流速低于500时，内螺纹管的旋流作用减弱。即水冷壁的最低质量流速不能低于500。在此条件下，600MW~1000MW 超临界锅炉水冷壁最大质量流速将达到1 800以上。质量流速超过1 200 ，就会失去正流量补偿特性．转变为负流量补偿特性。

2.3 本章小结

(1)介绍了超临界锅炉水冷壁的型式与炉膛布置方式。通过分析螺旋管圈水冷壁阻力大，结构复杂等缺点提出了内螺纹管垂直管屏应用的可行性。

(2)分析了内螺纹管不仅改善传热，而且改变压降特性的优点。

(3)分析了内螺纹管垂直管屏的优缺点。

(3)在理论上分析了内螺纹管垂直管屏水冷壁能够实现变压运行。

第三章 锅炉水动力计算方法

内螺纹管垂直管屏流量补偿研究的基础是计算锅炉受热管内的水动力特性及流动阻力。水动力特性指的是进出口集箱间所连接管子两端的压降与流量的关系，流动阻力的计算也就是确定工质在管内流动的总阻力或总压降，以便确定泵的扬程。所以本章将重点介绍管内压降计算的具体方法，包括单相流和两相流压降的计算方法。另外，为了方便进行编程计算，我们将对部分公式进行理想化处理。首先，有必要介绍一下汽液两相流的基础知识。

3.1 汽液两相流动和传热

3.1.1汽液两相流的定义与应用

由任意两种存在分界面的独立物质组成的物体或系统都称之为两相物体或两相系统。两相物体的流动称为两相流。两相流的分界面是随流动不断变化的。汽液两相流是两相流的一种，又分为单组分汽液两相流和双组分汽液两相流。锅炉中的汽液两相流就是单组分汽液两相流。根据受热情况，汽液两相流又分为绝热汽液两相流和有热交换的汽液两相流。

汽液两相流体的流动工况在动力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工业中经常遇到。在这些工业的具有热交换的设备中还存在两相流体的传热问题。以高压直流锅炉为例，为了分析其性能，评定其安全性和经济性，都须要计算蒸发管两相区的阻力、相的分布、传热恶化处的含汽率、壁温等。正由于两相流应用广泛，近几十年来受到世界各国研究者的高度重视并取得了许多成果。这些成果不仅解决了有关的工程技术问题，而且为建立和发展两相流体动力学和传热这门学科奠定了基础。

3.1.2汽液两相流的研究方法

汽液两相流比单相流复杂，关键在于它的两相各种物理参数不一样并且两相之间还相互影响。但是汽液两相流也适用流体力学的基本方程，可以先对各相列出各自的守恒方程，再考虑进两相之间的作用。由于汽液两相流的分界面复杂多变，所以用适当边界条件求解汽液两相流的方程非常困难。工程上主要应用经验或半经验处理方法得到关系式或曲线，然后再应用到与试验条件相类似的实践中去，具有很大的局限性。现在，得到很大发展的一种方法是首先分清两相流的流型，然后根据各种流型的特点分析其流动特性并建立关系式。这种方法能更深入的探究两相流的实质，并具有更普遍的意义。

目前汽液双相流的简化模型主要有以下三种：

(1)均相流动模型

所谓均相流动模型，就是把汽液两相混合物看作一种均匀介质，其流动物理参数取两相介质的相应参数的平均值。在这里采取了两个假定：液相和汽相的流速相等；两相介质已达到热力学平衡。

(2)分相流模型

在这种模型中将气液两相想象成两股流体，一股为气，一股为液体，而且分别具有自己的平均流速。当气相的平均流速与液相的相等时，分相模型就转化成均相模型。分别对两相进行描述，并考虑两相之间的相互作用。

(3)流动式样模型

这种模型较复杂，其研究仍处于初级阶段。它首先根据试验确定几种典型的流动式样和应用范围，再按照它们来确定所研究的两相流体应该采用哪一套对应的计算模型和数据。

目前应用最为广泛的模型是均相流模型和分相流模型，而流动式样模型的结果比较精确，但形式过于复杂。

以直流锅炉为例，一般工况下水冷壁蒸发段管子吸收炉内辐射热量后，其内部工质经历了由单相不饱和水到饱和水再到汽水混和物乃至单相微过热蒸汽的转变过程。由于相变的存在，使其流动过程变得非常复杂，因此不可能直接应用理论流体力学的数学方法解决这些实际问题。为了建立直流锅炉水冷壁内工质流动的数学模型，全面分析研究其水动力特性，以指导工程，一般将水冷壁蒸发段管内工质的流动状态分为单相流动和汽液双相流动，并对其流动过程进行一系列的简化处理，如将管道内的工质流动看作为一元或一维流动；在一定范围内，假定受热管段的热负荷均匀分布等。再以上述流动模型为基础，可以导出相应的流体压降计算公式。计算两相流体压降的方法很多，本文按照前《电站锅炉水动力计算方法》进行计算，单位以国际标准参数量纲为准。

3.2 单相流体压降的计算方法

单相流体在管内流动时，总压降可由下式计算

                    (3-1)

式中——总压降，;

——单相流体的流动阻力，；

——单相流体的重位压降，；

——单相流体的加速压降，；

3.2.1 单相流体的流动阻力

单相流体的流动阻力由沿程摩擦阻力和局部阻力两部分组成，即

                     (3-2)

(1)单相流体的摩擦阻力

                (3-3)

                  (3-4)

式中——每米摩擦阻力系数；

——计算管长，；

——工质流速，；

——工质密度,；

——计算管段内工质的质量流速，；

——工质平均比容，；

——管子内径，；

——管子绝对粗糙度，可查出，。

(2)单相流体的局部阻力

                  (3-5)

式中——局部阻力系数

(3)部分公式的简化

单相流体的流动阻力计算要涉及到计算单相水和单相蒸汽，在程序计算中具体应用公式进行计算时，可以根据工质物理性质或管段受热实际情况对公式作一定的简化处理。例如，单相水在受热过程中比容变化不大，而且管段长度较短，所以单相水的摩擦阻力和局部阻力公式可以简化为

                      (3-6)

                       (3-7)

式中——循环水速，；

——饱和水密度, 。

当计算单相蒸汽时，因为工质比容非常大，而且随着受热增加也会有一定的比容变化，但是在该计算中，因为蒸汽段会非常短，所以单相蒸汽的摩擦压降和局部阻力公式简化为

                      (3-8)

                      (3-9)

式中——饱和蒸汽密度

3.2.2 单相流体的重位压降

                       (3-10)

式中——管段计算高度，；

——工质平均密度，。

单相流体的重位压降计算要涉及到计算单相水和单相蒸汽，因为两个单相工质管段都比较短，在程序计算中工质平均密度分别采用饱和单相水和饱和单相蒸汽密度，即和。这样单相流体的重位压降公式简化为

                           (3-11)

                           (3-12)

3.2.3 单相流体的加速压降

                  (3-13)

式中——计算管段出口处的重量含汽率

——计算管段入口处的重量含汽率

——饱和蒸汽比容

——饱和水比容

对于水，加热时比容变化不大，压力对比容的影响更小，因此加速压降可忽略不计。对于过热蒸汽，加热时比容和流速都有较大的变化，但因加速压降比流动阻力小的多，故也可不计。总之，单相流体的加速压降可不计算。

3.3 两相流体压降的计算方法

在亚临界及临界工况下，工质在受热管内吸热发生了相变，工质比容发生了很大的变化，而蒸发过程中温度却基本不变，这样的流体就称为两相流。而在超临界工况下，因为受热管内工作压力非常大，水与汽的密度相同，水可以直接转变成水蒸汽，不需要经过饱和沸腾过程，所以随着吸热量增加，工质温度也是增加的。总之，我们这里讨论的两相流指的是在亚临界工况下。

                    (3-14)

                      (3-15)

式中——两相流体的总压降，；

——两相流体的流动阻力，；

——两相流体的重位压降，；

——两相流体的加速压降，；

——两相流体的摩擦阻力，；

——两相流体的局部阻力，。

3.3.1 两相流体的流动阻力

(1)两相流体的摩擦阻力

            (3-16)

                 (3-17)

                     (3-18)

式中——摩擦阻力校正系数；

——平均质量含汽率；

——质量含汽率；

——管段吸热量，；

——质量流量，；

——锅炉水欠焓，；

——汽化潜热，；

汽水混合物摩擦损失校正系数按下式计算

1)当时；

2)当时

                     (3-19)

3)当时

                       (3-20)

(2)两相流体的局部阻力

                  (3-21)

——两相流体的局部阻力系数，目前水动力计算中所推荐的两相局部阻力系数均是一些经验数据。本文需要计算内螺纹管的水动力特性，与光管不同，内螺纹管的两相局部阻力系数为

                          (3-22)

式中——内螺纹管阻力损失校正系数，可查取；

    ——摩擦阻力损失校正系数；

3.3.2 两相流体的重位压降

                    (3-23)

                 (3-24)

                  (3-25)

               (3-26)

                 (3-27)

式中 ——实际汽水混合物的平均密度，；

——平均截面含汽率；

——平均容积含汽率；

——滑动比，表示蒸汽实际速度和水的实际速度之比；

——工作压力，。

3.3.3 两相流体的加速压降

在水动力计算中，由于加速压降在总压降中所占的份额小，所以一般不计算加速压降。

3.4 相变点的确定

直流锅炉的蒸发受热面中，两相蒸发区与前后的单相区之间并无固定的界限，在工况变化时，蒸发段长度会随之变化。因此，要对蒸发受热面进行水动力计算，必须处理好两相区相变点移动的问题，否则会使结果严重偏离实际情况。

为简化计算，假设在一定负荷下，管段沿管长吸热量均匀一致，根据能量守恒定律，有

                       (3-28)

                         (3-29)

式中——单位长度管段单位时间吸热量，；

    ——管段入口到相变点长度，m；

    ——相变点焓值，；

——管段入口焓值，；

——管内工质质量流量，。

3.5 小结

(1)该超超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁流量补偿特性研究的基础是计算锅炉水动力特性及管内流动阻力。所以要对锅炉水动力计算方法作详细的研究探讨。

(2)锅炉水动力计算的核心是计算管内工质压降，而管内工质在变工况条件下状态比较复杂，既有单相流也有两相流，而两相流的研究比较复杂，所以重点介绍了两相流的研究方法。

(3)该课题主要探讨的是锅炉下辐射区水冷壁的流量补偿特性，在符合计算精度与实际意义的前提下针对具体的条件参数对部分水动力计算公式进行简化，以便于编程计算。

(4)最后研究了相变点确定模型，其中管子热负荷随管长分布均匀的假设简化了该问题的计算。

第四章 流量补偿特性的计算与分析

在前面的章节中，已经在理论上分析了内螺纹管垂直管屏实现变压运行的可行性，并且介绍了管子压降的计算方法。在这章，主要建立流量补偿特性的模型和程序流程图以进行编程计算，并对计算结果进行分析研究。下面，首先具体介绍一下研究的物理对象：1000MW锅炉水冷壁，主要是下辐射区水冷壁和冷灰斗。

4.1 1000MW超超临界锅炉水冷壁简介

哈尔滨锅炉有限公司与三菱公司合作生产的1000MW超超临界机组锅炉在国内的首次用户为浙江玉环电厂。该锅炉采用∏型布置，单炉膛反向双切圆燃烧方式，PM型燃烧器+MACT配风技术，炉膛断面尺寸为。采用烟气挡板作为调节再热汽温的主要手段，摆动式燃烧器辅助调节，并配合喷水调节。锅炉配置带有循环泵和扩容器的启动系统。制粉系统为配6台中速磨煤机的直吹式系统。

该锅炉采用内螺纹管一次垂直上升管屏，水冷壁管共有2144根，其中前后墙各有700根，侧墙各有352根，管子外径为28.6mm，壁厚为5.8mm，四头内螺纹结构，管材为SA213-T12，节距为44.5mm，采用焊接膜式壁结构。管子间加焊的扁钢宽为15.9mm，厚度为6mm，材质为SA387-12-1。

水冷壁系统分为四部分，第一部分是冷灰斗水冷壁，从标高为6300mm的水冷壁下集箱至标高为17500mm的冷灰斗上沿，长度为11200mm，采用光管；第二部分是下辐射区水冷壁，从标高为17500mm的冷灰斗上沿至标高为49000mm的折焰角部位，长度为31500mm，采用内螺纹管；第三部分是折焰角上部至炉顶的水冷壁，采用光管；第四部分是炉顶和水平烟道以及尾部低温烟道水冷壁，采用光管。

在炉膛折焰角部位下方装设了一圈中间混合联箱，下辐射区垂直管屏水冷壁出口工质进入出口联箱，再经过一级分配器和二级分配器进入上辐射区垂直管屏水冷壁，以消除炉膛下部水冷壁工质吸热与温度的偏差。水冷壁下集箱采用的小直径集箱，并将节流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用的较粗管子，在其嵌焊入节流孔圈，再通过二次三叉管过渡的方法，与的水冷壁管相接，这样节流孔圈的孔径允许采用较大的节流范围，保证孔圈有足够的节流能力，按照水平方向各墙的热负荷分配和结构特点，调节各回路水冷壁管中的流量，保证水冷壁出口工质温度的均匀性，防止个别受热强烈和结构复杂的回路与管段产生DNB和出现壁温不可控制的干涸(DRO)现象。在任何工况下(尤其是低负荷及启动工况)，保证在水冷壁内有足够质量流速，以保持水冷壁水动力稳定和传热不发生恶化，特别是在亚临界压力下不发生膜态沸腾和超临界压力下不发生类膜态沸腾现象。该超超临界锅炉最大质量流速设计值为1848，最小质量流速设计值为464。

分离器和贮水箱由低铬钢SA387-11制成，配两台汽水分离器和一只分离器贮水箱。由分离器贮水箱底部引出的三根疏水总管通往凝汽器，通过调节阀和节流孔板控制流量调节贮水箱水位。在启动初期、汽水膨胀和热态清洗期间只要水质合格，就将这些疏水减压后全部送往凝汽器回收。若水质不合格，则通过另外三根疏水支管上的分离器疏水调节阀将工质全部送往大气式疏水扩容器。在启动过程中再循环泵的最大实际流量为20%BMCR。给水泵的最小流量为5%BMCR，启动过程中水冷壁系统始终保持25%BMCR的流量。由于装设了大直径疏水调节阀和一只大气式疏水扩容器，当再循环泵事故解列时，锅炉也能完成启动。

如图所示，标注的是水冷壁下辐射区和冷灰斗。

图1下辐射区和冷灰斗

该区域水冷壁是一次垂直上升膜式水冷壁，分为冷灰斗光管水冷壁和下辐射区内螺纹管水冷壁。冷灰斗水冷壁入口处为下联箱，联箱出口的水冷壁管内装有节流圈，因为联箱出口的管子直径较粗，采用两个分叉管过渡到小直径的水冷壁管。下辐射区上端为中间集箱，带有混合器和分配器，有利于把水冷壁吸热偏差减小。水冷壁管子总共2144根，其中前后墙各700根，侧墙各352根，在本文中只选取侧墙的352根管子作为研究对象。下面给出下辐射区和冷灰斗水冷壁的一些原始数据。

管子内径：0.017m

光管段长度：11.2m

内螺纹管段长度：31.5m

管子根数：352

入口质量含汽率：0

光管每米摩擦系数：0.27

管子壁厚：0.0065m

管距：0.0445m

节流圈阻力系数：100

分叉管阻力系数：0.65

下联箱阻力系数：0.8

中间联箱阻力系数：1.2

水冷壁热有效系数：0.4

满负荷时平均面积热流量：400

内螺纹管结构：四头

4.2 流量补偿模型的建立

该模型的建立就是要找到压降与热偏差的关系，对于每一种工况，可以输入一系列热流密度，例如热偏差为-10%、-20%、-30%、10%、20%、30%等，分别计算在该热流密度的条件下管内工质的压降，得到压降数据与热偏差关系的曲线。分析管内工质压降随热流密度变化的趋势，就可以分析该工况下，流量补偿特性是自然循环特性还是直流特性。

根据变压运行的超超临界锅炉水冷壁运行的特点，我们知道，无论何种管圈型式的超超临界锅炉水冷壁，从点火开始到满负荷均要经历三个运行阶段即启动低负荷阶段、亚临界直流运行阶段和超临界直流运行阶段。以玉环电厂1000MW超超临界锅炉为例，在启动阶段水冷壁按强制循环也即再循环模式运行，因汽轮机变压运行的最高点为额定负荷(TRL)的79%相当于锅炉最大连续负荷(BMCR)的75%左右，水冷壁则在71%负荷通过临界点。锅炉的最低直流负荷选定为25% BMCR，则由图4-2可看出，锅炉水冷壁在0~25% BMCR为强制循环，在25~71% BMCR负荷范围内为亚临界直流运行，而在71%~100% BMCR负荷间为超临界直流运行。

图4-2水冷壁出口压力与负荷的关系

下面给出各负荷计算的工作压力。

表4-1水冷壁计算工作压力

如上表中数据，将锅炉运行工况分为6种，30%BMCR、50%BMCR、70%BMCR、80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR。由以上对该锅炉变压运行特点的分析我们得知：30%BMCR、50%BMCR、70%BMCR处于亚临界直流运行工况；80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR处于超临界直流运行工况。分别对两种工况所得到的数据进行对比，就可以分析在亚临界工况和超临界工况下管内工质的流量补偿特性。

在编制程序之前先对计算模型进行一些合理化假设，以使程序计算在保证准确的前提下更加简洁，具体如下：

(1) 虽然由于不同温度下，工质的密度、流动阻力不同，而且在临界压力附近还容易产生水动力不稳定性，但为了计算方便，假设工质的压力是随工质流程线性分布的。各未知压力可由该点两端最近的已知压力进行线性内插得到。

(2) 为使程序计算数据与设计数据拟合良好，取水冷壁污染系数为0.44，而不是参考值0.45。

(3) 为了简化吸热量计算和相变点的计算，假设在一定负荷下，管段沿管长吸热量均匀一致。

(4)在单相工质重位压降的计算中，因为一般单相工质管段长度比较短，忽略其密度的变化。

(5)在超临界直流工况的计算中认为冷灰斗与下辐射区水冷壁内工质是密度等物性不断变化的单相流体，可以按照单相流体压降公式计算。

(6)在亚临界直流工况的计算中，不计算节流管圈的阻力系数，因为阻力系数比较复杂，且对流量补偿特性影响不大。

由前面的原始数据与假定的初始数据以及对于模型的合理化假设，可以将计算程序分为两个模块，亚临界直流工况模块和超临界直流工况模块。如计算流程图图。其中30%BMCR、50%BMCR、70%BMCR三种工况应用亚临界直流工况模块，80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR三种工况应用超临界直流工况模块。亚临界直流工况的计算，因为涉及到两相流，所以比较复杂；而超临界直流工况的计算，认为工质是单相的，所以比较简单。

整个程序的设计计算主要参考文献[12]。编程使用的语言是Fortran6.0，该语言是三大科学计算软件之一。Fortran其实是Formula Translate的缩写，主要用途就是做科学计算。Fortran6.0具有很多其它语言无法取代的优点：它是一种编译语言，运行速度快；具有高级语言易读，易写的优点；具有固定和自由两种格式，方便用户选择；该语言历史悠久，许多经典的程序都是由它编成的，方便学习者借鉴。所以，Fortran6.0非常满足该程序的计算。

下面给出流量补偿计算的流程图，首先给出图4-4中符号代表的意义。

——分别代表光管单位质量工质焓增、饱和水焓、饱和蒸汽焓、水冷壁出口焓；

——分别代表光管单相水工质段长度、光管两相工质段长度、内螺纹管单相水工质段长度、内螺纹管两相工质段长度和内螺纹管单相蒸汽段长度；

图4-3 亚临界直流工况程序流程图

图4-4 亚临界直流工况子程序

图4-5 超临界直流工况流程图

4.3 计算结果与分析

该锅炉水冷壁前后墙各有700根管子，侧墙各有352根管子，在该计算中只计算侧墙的一半，也即352根管子。整个计算的水冷壁段，分为冷灰斗光管段和下辐射区内螺纹段，因为两段水冷壁分别为光管和内螺纹管，虽然孔径一样，可是内螺纹管的阻力系数要比光管要大，所以要分别计算它们的各项压降，再计算总压降。

4.3.1 亚临界直流工况流量补偿特性

4.3.1.1已知参数

亚临界直流工况具体参数详见表4-2

表4-2亚临界直流工况计算参数

4.3.1.2计算数据

利用上节中的流程图，通过程序计算，得到亚临界直流工况三种不同热负荷的压降—热偏差对应值，见表4-3~表4-5

表4-3  30%BMCR工况压降-热偏差对应值

表4-4  50%BMCR工况压降-热偏差对应值

表4-5  70%BMCR工况压降-热偏差对应值

4.3.1.3绘制压降—热偏差曲线

根据以上各表数据，绘制出亚临界直流工况三种不同热负荷的压降—热偏差曲线，如图4-6~图4-8

图4-6  30%BMCR工况压降-热偏差曲线

图4-7  50%BMCR工况压降-热偏差曲线

图4-8  70%BMCR工况压降-热偏差曲线

4.3.1.4计算结果分析

分析图4-6~图4-8，我们可以得到以下结论：

(1)在三种热负荷条件下，随着吸热量的增加，总压降都是下降的。因为两端为集箱或联箱的并列垂直管组，两端压差相等，如果偏差管吸热量有变化，例如吸热量增加，将会导致管内工质比容增大，流速变快，从而管内重位压降会降低，而流动阻力会增大。在低质量流速的条件下，流动阻力是远小于重位压降的，此时受热偏高的管子，重位压降减小的量大于流动阻力增加的量，所以总压降是减小的，管子会流过更大的流量。这说明在这三种热负荷条件下，水冷壁内工质呈现正的流量补偿作用，也即类似与汽包炉的自然循环作用。

(2)比较三图中总压降的斜率，发现图4-8总压降的斜率最小，说明单位吸热量的增加导致的总压降减小幅度变小，也就是吸热量已经不容易使总压降变小。这是因为，随着热负荷的增大，给水量也会增大，管内工质质量流速增大，流动阻力一般也会增大，那么管内总压降中流动阻力的份额会有所提高，重位压降对流量偏差的决定性影响作用就会降低，从而造成很大的吸热量只会导致很小的总压降的降低的效果，这种效果其实就是自然循环的作用在降低，也就是正的流量补偿作用在减小补偿。

(3)分析比较三种热负荷的压降—热偏差曲线，会发现随着热负荷的提高(从30%BMCR到70%BMCR)，重位压降变化不大，而流动阻力是增大的，总压降也是增大的，而流动阻力在总压降中所占的比例也在增大。这也验证了亚临界直流工况下，随着热负荷的增大，质量流速的提高，垂直管屏水冷壁的正的流量补偿特性也在降低。

4.3.2超临界直流工况流量补偿特性

4.3.2.1已知参数

超临界直流工况具体参数详见表4-6

表4-6 超临界直流工况计算参数

4.3.2.2计算数据

利用上节中的流程图，通过程序计算，得到超临界直流工况三种不同热负荷的压降—热偏差对应值，见表4-7~表4-9

表4-7  80%BMCR工况压降-热偏差对应值

表4-8  90%BMCR工况压降-热偏差对应值

表4-9  100%BMCR工况压降-热偏差对应值

4.3.2.3绘制压降—热偏差曲线

根据以上各表数据，绘制出超临界直流工况三种不同热负荷的压降—热偏差曲线，如图4-9~图4-11

图4-9  80%BMCR工况压降-热偏差曲线

图4-10  90%BMCR工况压降-热偏差曲线

图4-11  100%BMCR工况压降-热偏差曲线

4.3.1.4计算结果分析

分析图4-9~图4-11，我们可以得到以下结论：

(1) 在三种热负荷条件下，随着吸热量的增加，总压降都是上升的。因为在高负荷高质量流速的条件下，流动阻力是大于重位压降的，此时受热偏高的管子，重位压降减小的量小于流动阻力增加的量，所以总压降是增大的，管子流过工质的量会减少。这说明在这三种高热负荷条件下，水冷壁内工质呈现负的流量补偿作用，也即类似与直流锅炉的直流特性。

(2) 比较三图中总压降的斜率，发现图4-9总压降的斜率最小，而图4-11总压降的斜率最大。说明随着热负荷的增大，单位吸热量的增加导致的总压降增大幅度变大，也就是吸热量偏差使总压降变大的能力增大。这是因为，随着热负荷的增大，给水量也会增大，管内工质质量流速增大，流动阻力也会大幅增大，那么管内总压降中流动阻力的份额会大有提高，重位压降对流量偏差的影响作用就会进一步降低，流动阻力的决定性影响作用会进一步提高，从而造成吸热量偏差导致更大的总压降的升高的效果，这种效果其实就是直流特性的作用在增大，也就是负的流量补偿作用在增大。

(3)分析比较三种热负荷的压降—热偏差曲线，会发现随着热负荷的提高(从80%BMCR到100%BMCR)，重位压降变化不大，而流动阻力是增大的，总压降也是增大的，而流动阻力在总压降中所占的比例也在增大。这也验证了超临界直流工况下，随着热负荷的增大，质量流速的提高，垂直管屏水冷壁的负的流量补偿特性也在增大。

4.4 本章小结

(1)对1000MW超超临界锅炉垂直管屏水冷壁作了具体介绍，针对本课题要计算部分下辐射区和冷灰斗的具体参数作了详细探讨。

(2)建立内螺纹管垂直管屏流量补偿特性的模型，并建立了超临界工况与亚临界工况流量补偿特性的流程图。

(3)分别对两种工况下的流量补偿特性进行计算分析，分析在不同负荷条件下热偏差——压降曲线的走势变化，从而分析其流量补偿特性是自然循环作用还是直流作用。

第五章 水动力计算和其它因素对压降的影响

在前面的两章里，已经介绍了锅炉的水动力计算方法，并以此为基础对1000MW超超临界锅炉垂直管屏水冷壁的流量补偿特性进行了研究。在这章，将会对该锅炉的水动力特性进行计算，校核水动力单值性。另外，对流量补偿特性和水动力特性的计算程序进行改进，计算管子根数、管子内径、热负荷等与压降的关系，分析它们对压降的影响，得到一些对水冷壁设计与安全运行的有用数据。

5.1 水动力特性计算

5.1.1 水动力特性介绍

所谓水动力特性是指受热面系统内当热负荷一定时，工质的流量与压降的关系，即函数式ΔP=f（G）。当工质为单相（水或蒸汽）时，每一工质流量对应于一定的压降，即所谓流动的单值性。但在蒸发受热面中，工质为汽水两相混合物，在某些条件下，在同一压降和差不多同样受热的条件下，各并列管子中工质的流量会出现很大的差别，同一压降对应两个或几个不同的流量，这种流动就是多值性的。多值性阻力特性的出现，是由于在受热不变时，增大欠焓水的流量会使加热过冷水的热量增多，即热水段会增长。这意味着用于产生蒸汽的汽化热减少了，因而管于出口的工质流速降低，工质流速的下降直到欠焓水占据整个蒸发段。在蒸发停止后，继续增大欠焓水的流量会使整个管子中的流速增加。这样，当增加欠焓水的流量时，热水段中的流动阻力将增大，而蒸发段中的流动阻力将减小。根据热水段和蒸发段流动阻力的不同比例，管路的总流动阻力可能随流量而增大，或者在一定流量范围内下降，这就造成了产生流动多值性的条件。

直流锅炉蒸发受热面出现不稳定的根本原因是汽和水的比容的差异。而汽、水比容差是与压力和热负荷有关的，随着压力的升高，汽、水比容差减少；在相同的条件下，当热负荷增加时，蒸发段长度增加，阻力增大，使水动力趋于单值性。但是仅仅具有单值性还是不够的，如果压降-流量曲线的斜率过小，一个不大的压降变动可能引起很大的流量波动。因此，压降-流量的特性曲线要有一定的斜度，即工质流量的相对变化不超过压降相对变化的三倍。

在受热一定时，如流经管子的工质流量过小，可能因对管子的冷却不够而发生过热；如工质流量时大时小，管子冷却情况经常变动，管壁温度的变动会引起金属疲劳破坏。为了保证受热面工作的可靠性和布置的合理性，要进行锅炉机组的水力计算，通过这种计算校核流动的单值性并且确定给水泵的压头。

5.1.2 水动力特性计算方法

由水动力特性的定义我们知道，水动力特性计算关键是找到关系ΔP=f（G），其基础也是对管子压降的计算。在前面超超临界锅炉水冷壁流量补偿计算中，已经详细介绍了管子压降的计算方法，给出了亚临界工况和超临界工况的流程图。在这里，水动力计算选取30%BMCR和100%BMCR两种工况计算，具体方法也是和流量补偿中亚临界工况和超临界工况管子压降计算方法一致的。下面再简单介绍下管子压降计算方法。

根据该1000MW超超临界锅炉下辐射区水冷壁和冷灰斗水冷壁特点，假定每根水冷壁管子经过的炉膛热负荷区几乎相同，选取其中一根管子进行计算。管子分为冷灰斗光管段和下辐射区内螺纹管段，摩擦阻力系数不一样。管内工质计算时要确定相变点，以相变点为界，分为相变点前、相变点后两段分别进行水力计算。在计算中不考虑加速压降的影响。

5.1.3 水动力特性计算结果与分析

5.1.3.1 30%BMCR工况水动力特性

已知参数同流量补偿计算中的一样，只不过在计算中固定热流密度、管子内径、管子根数等值，输入一系列流量值，分别计算管子压降。计算结果如下表

表5-1  30%BMCR工况压降-流量对应值

将得到的压降—流量数据绘制成曲线如图5-1

图5-1 30%BMCR工况压降-流量曲线

 如图5-1，是30%BMCR工况下压降—流量的曲线。可以看出，在该工况下水动力特性呈现单值性，水动力稳定性好。质量流量处于350~650kg/h的范围，对应的质量流速也远低于1200，此时流动阻力在总压降中的比重占的很小，而且随着质量流量的增大，其值也在增大，只不过增大幅度不大；而重位压降在总压降中的比重占的很大，随着质量流量的增大其值也在大幅度增大，从而造成总压降随质量流量的增大而增大。原因是当欠焓水增加时，热水段流动阻力会增加，而蒸发段流动阻力会减小，那么造成热水段流动阻力增大幅度不大；而在低负荷条件下，质量流量增大，造成热水段长度增大，蒸发段长度减小，管内工质平均比容增大，所以重位压降增大幅度很大。

5.1.3.2 100%BMCR工况水动力特性

表5-2  100%BMCR工况压降-流量对应值

图5-2 100%BMCR工况压降-流量曲线

如图5-2，是100%BMCR工况下压降—流量的曲线。可以看出，在该工况下水动力特性也呈现单值性，水动力稳定性好。而且重位压降的存在，不仅使压降增大，而且水动力特性的斜率明显增大，说明重位压降有利于上升立置管屏流动的稳定性。质量流量处于1200~1500kg/h的范围，对应的质量流速也远高于1200，流动阻力在总压降中所占的比重已经很大，而且随着质量流量的提高，其值也在不断增大，造成总压降也在不断增大；此时的重位压降却随着质量流量的提高而增大幅度很小，这是因为在超临界工况下，炉膛下辐射区管内工质处于大比热区范围外，工质物理性质比较稳定，比容变化不大，所以质量流量增大对重位压降影响不大。

5.2 其他因素对压降的影响

5.2.1 热负荷与压降的关系

如图5-3，表示的是压降与热负荷的关系，可以看出随着热负荷的增大，各压降都在增大，相比较而言，重位压降曲线比较平坦，变化很小，而流动阻力曲线却变化很大。尤其是在50%BMCR~80%BMCR范围内，流动阻力变化很大，在此范围，工质处与亚临界直流工况到超临界直流工况的过渡阶段，工质的热物理性质要发生很大的变化，例如蒸汽与水的比容趋于一致，汽化潜热也越来越小而最终为零，工质水在达到饱和后可以直接汽化为蒸汽，也就是说管内工质在进入超临界工况后不用经过汽化沸腾的过程了，工质尤其是下辐射区工质出现流动不稳定的可能也变的大大降低了。如图5-4代表的是30MPa压力下工质的热物理性质变化。所以随着热负荷的增加，工质质量流量也可以大大增加，以满足出口工质流量的需求。

图5-3 压降与热负荷对应曲线

图5-4 30MPa工质的热物性

5.2.2 管子根数与压降的关系

如图5-5~5-7分别代表的是30%BMCR、50%BMCR与70%BMCR管子根数与压降的关系。图5-8代表的是100%BMCR工况下管子根数与压降的关系。分析四种工况的曲线可以得到以下结论。

图5-5 30%BMCR工况压降-管子根数曲线

(1)在亚临界工况条件下，随着管子根数的增加，管内各压降都在降低。这是由于在保证水冷壁出口工质流量的前提下，如果管子根数增加了，那么单根管子工质流量就会减少，在低负荷低质量流速的条件下，意味着受热增加，管内工质密度会减小，重位压降就会降低。而流动阻力所占比重较小，工质流量的减小，首先会造成热水段流动阻力减小，而蒸发段流动阻力会增大，流动阻力总的压降变化取决于两种作用的大小。

(2)超临界工况条件下，重位压降在总压降中的比重比较小，流动阻力所占比重比较大。当管子根数增加时，在管组总质量流量不变的前提下，单根管子的质量流量和质量流速都要下降，从而造成流动阻力的变小。重位压降变化不大，因为此时工质处于超临界状态，工质物理性质比较稳定，加上此时管内工质处于高质量流量或高质量流速范围，管子根数的变化首先导致工质流量降低，直接影响到流动阻力降低，但工质流量仍处于高质量流量，可能下辐射区出口处工质会进入工质大比热区，工质物态会发生急剧变化，而其余管段内工质物态仍是比较稳定，所以重位压降变化不大。

图5-6 50%BMCR工况压降-管子根数曲线

图5-7 70%BMCR工况压降-管子根数曲线

(3)该锅炉侧墙选取352根管子，是跟许多因素密切相关的。如果管子根数选用的比较少，那么由亚临界工况和超临界工况管子根数—压降曲线可以看出，管内压降会迅速上升，尤其是在100%BMCR高质量流速的条件下，当管子根数减少到250根左右时，管内压降会上升到1.6MPa，那么整个水冷壁的总阻力就会增大很多，增大了水泵压头，增加了损耗。管子根数如果选用的比较多，首先炉膛空间是有限的，而且在炉膛内热负荷及热流密度不变的条件下，每根管子吸热会发生变化，极有可能导致管组吸热偏差很大，最终导致水动力不稳定。

图5-8 100%BMCR工况压降-管子根数曲线

5.2.3 管子内径与压降的关系

如图5-9~5-12代表的是30%BMCR、50%BMCR与70%BMCR与100%BMCR管子内径与压降的关系。分析管子内径与压降关系的前提是保证管内工质流量不发生变化，管子长度也不变，热流密度不变，那么由四种工况的曲线可以得到以下结论。

图5-9 30%BMCR工况压降-管子内径曲线

(1)图5-9~图5-11代表的是亚临界工况下管子内径与压降的关系。由管子内径—压降曲线可以看到，随着管子内径的增大，重位压降基本不变或稍有降低，而流动阻力和总压降显著降低。管子内径增大会使管子吸热量稍有增加，同时在保持管内工质流量不变的前提下，管子内径的增大也会使管内工质质量流速降低。管子吸热量增加会使管内工质密度减小，从而造成重位压降的降低。管内工质流量不变，那么在吸热量不变(变化不大)的情况下，工质蒸发汽化的程度不变也就是质量含汽率基本不变，而管内工质总的质量流速在降低，所以流动阻力会降低。

图5-10 50%BMCR工况压降-管子内径曲线

图5-11 30%BMCR工况压降-管子内径曲线

(2)图5-12代表的是超临界工况条件下管子内径与压降的关系。由曲线可以看到，随着管子内径的增大，重位压降基本不变，而流动阻力和总压降显著降低。同样的管子内径的增大会使管子吸热量稍有增加，但是管内工质的质量流速降低。由于管内工质的质量流量不变，吸热量基本不变，所以管内工质物理性质基本不变，所以重位压降基本保持不变。而在工质物理性质基本不变的情况下，工质的质量流速降低必然会使流动阻力降低，从而造成总压降降低。

(3)该锅炉选取0.017mm的管子内径是和很多因素有关的。如果管子内径很小，那么会造成管内质量流速大大提高，结果流动阻力会上升，尤其是100%BMCR工况下，管内工质质量流速会上升到2000以上，从而造成流动阻力大大增大，达到1.4 MPa，总压降上升到1.6 MPa，那么水冷壁总阻力会增大很多，会增大水泵压头，增加损耗。如果管子内径很大，管内阻力会下降很多，但也有可能会造成传热恶化，水动力不稳定。

图5-12 100%BMCR工况压降-管子内径曲线

5.2.4大比热特性对水动力的影响

水的临界压力为22.129MPa，临界温度为374.15℃。在临界点上，水与汽的参数完全相同。在低于临界压力时，存在沸腾汽化阶段，汽液两相处于平衡共存状态，其主要特点是定温定压，在这一阶段汽化吸收的热量称为汽化潜热。随着压力增加，汽化潜热逐渐减小，到临界压力时，汽化潜热为零，即汽化在一瞬间完成。在临界点处，水的比热容为无穷大。在超临界压力下，也存在比热容的峰值区。通常称最大比热容点的温度为拟临界温度，并将这一点作为相变点。在这一区域内，流体的物性剧烈变化。如流体的密度显著减小，比容显著增大，粘度与导热系数也显著减小。拟临界温度随压力的增加而增加，而与其对应的焓值则变化不大。比热容的峰值随压力的增加而显著减小，也即越接近临界压力，物性的变化越剧烈。我们通常将比热容大于8.4的区域称为大比热容区，或相变区。

在超临界压力工作的水冷壁，管内工质温度处于对应压力下的大比热区范围，随着工质吸热量增加，工质温度变化不大，而工质比容急剧增大，温导系数急剧减小，容易引起水动力不稳定或流量分配不均，同时可能引起工质对管壁的传热变差，导致类膜态沸腾。

不管是螺旋管圈水冷壁还是垂直管屏水冷壁面对拟临界工况都具有相同的特性：

(1)对应一定压力，工质存在一个大比热区。对应比热最大的温度点叫拟临界温度。在大比热区内，工质温度随吸热量变化不大；在大比热区外，工质温度随吸热量变化很大。

(2)工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化。

(3)压力越高，拟临界温度向高温区推移，影响水冷壁工作特性的工质热物理特性参数变化(即比热、比容、温导系数)逐渐减弱。图5-13为超临界压力下大比热特性。

图5-13超临界压力下大比热特性

西安交通大学和哈尔滨锅炉厂的研究认为，在超临界压力下，采用内螺纹管和光管的传热性能差不多，所以对于在超临界压力下工作的内螺纹管垂直管屏水冷壁，如果采用低质量流速，处于大比热区的工质也有可能发生水动力不稳定或类膜态沸腾。原因主要有：

(1)管子内壁处流体温度较高，导热系数却降低，使导热性差的流体与管子内壁接触，当工质温度正好处于比热最大的拟临界温度附近时，发生传热恶化的机会就会增加。

(2)大比热区工质比容的急剧变化必然导致工质的膨胀量增大，从而引起水动力不稳定，并且此时由于导热系数降低，导致管子金属温度升高。

所以，虽然内螺纹管传热性能都高于光管，可是在超临界工况下也要采取一定措施防止水动力不稳定或类膜态沸腾的发生，主要有：

(1)在超临界工况下，适当增大工质质量流速，以保证水冷壁管子的足够冷却。

(2)应控制下辐射区水冷壁出口温度不高于拟临界温度，主要是因为在燃烧器、燃尽风区段水冷壁的热负荷最大，控制下辐射区水冷壁出口温度不高于拟临界温度可以防止相变剧烈点下移到燃烧器区域，即防止工质对应压力下的大比热区处于受热最强的燃烧器和燃尽风区域。

图5-14超临界压力下工质的比容

5.3 本章小结

(1)对该锅炉水动力特性，即压降——流量数据及曲线进行分析，得到该锅炉在亚临界与超临界工况下水动力稳定的结论。

(2)研究该锅炉水冷壁的管子根数与压降的影响关系，分析得到锅炉采用现有管子根数的原因。

(3) 研究该锅炉水冷壁的管子内径与压降的影响关系，分析得到锅炉采用现有管子内径的原因。

(4)研究该锅炉热负荷与压降的影响关系。

第六章 结论与展望

垂直管屏水冷壁一般不适合作变压运行，可是采用低质量流速的内螺纹管垂直管屏水冷壁却能够作变压运行，它不仅保持了螺旋管圈锅炉运行上的众多优点，而且还克服了螺旋管圈的一些缺点，具有广泛推广的价值。

本文通过研究探讨内螺纹管在传热特性和压降特性等方面的优点，证明内螺纹管垂直管屏水冷壁可以采用较低的工质质量流速而不发生传热恶化。

本文从理论上证明在强制流动的直流锅炉中也是有类似于自然循环作用的自补偿特性的，而且在低质量流速的条件下，流量分配特性大部分转换成自然循环作用的自补偿特性。这种自补偿特性随着质量流速的提高而逐渐减弱，当到达一定质量流速时，会失去自补偿特性进而转换为直流特性。超临界压力下工作的垂直管屏水冷壁产生的自补偿作用是有限的，而且随着压力的提高减弱。

本文采用Fortran语言对1000MW内螺纹管垂直管屏水冷壁进行流量补偿特性计算，得到亚临界与超临界工况下不同热负荷的压降——热偏差曲线，分析这些曲线得到不同热负荷条件下的流量补偿特性究竟是自然循环作用还是直流特性。这也从数值计算上证明了这种内螺纹管垂直管屏水冷壁采用低质量流速方案，在亚临界条件下可以防止膜态沸腾，在超临界条件下防止类膜态沸腾，可以实现变压运行。

另外，本文对锅炉水动力特性进行了计算，得到在亚临界和超临界工况水动力稳定的结论。本文讨论了管子根数、管子内径、热负荷等对管内工质压降的影响关系，从而验证了采用现有参数的正确性。

最后本文研究了大比热特性对炉膛下辐射区出口工质的影响。

6.1结论

6.1.1亚临界低质量流速的流量补偿特性

通过对30%BMCR、50%BMCR和70%BMCR三种工况下的流量补偿特性进行计算，对得到的压降——热偏差曲线进行分析，可以得到如下结论：

(1) 在亚临界工况低质量流速的条件下，摩擦压降在总压降中所占比例变得很小，由重位压降决定流量分配。这一情况正象自然循环水冷壁一样，吸热偏差引起的流量分配取决于静压降，受热偏高的管子将流过较高的流量。

(2) 随着热负荷的增大，质量流速的提高，垂直管屏水冷壁的自补偿特性也在减弱。

6.1.2超临界高质量流速的流量补偿特性

通过对80%BMCR、90%BMCR和100%BMCR三种工况下的流量补偿特性进行计算，对得到的压降——热偏差曲线进行分析，可以得到如下结论：

(1)在超临界工况高质量流速的条件下，摩擦压降在总压降中所占的比例变的很大，由摩擦压降决定流量分配，吸热偏差引起的流量分配取决于摩擦压降，受热偏高的管子流过的工质流量将减少。

(2)在超临界工况条件下，水冷壁管屏也是有自补偿特性的，只不过这种自补偿作用非常小。

6.1.3水动力特性计算

对亚临界与超临界两种工况不同热负荷进行了锅炉水动力特性计算，得到如下结论：

(1)亚临界工况下，水动力单值性良好，水动力稳定。

(2)超临界工况下，水动力单值性良好。重位压降的存在，不仅使压降增大，而且水动力特性的斜率明显增大，说明重位压降有利于上升立置管屏流动的稳定性。

6.1.4其他因素的影响

(1) 管子根数的影响：如果管子根数选用的比较少，那么由亚临界工况和超临界工况管子根数—压降曲线可以看出，管内压降会迅速上升，尤其是在100%BMCR高质量流速的条件下，当管子根数减少到250根左右时，管内压降会上升到1.6MPa，那么整个水冷壁的总阻力就会增大很多，增大了水泵压头，增加了损耗。管子根数如果选用的比较多，首先炉膛空间是有限的，而且在炉膛内热负荷及热流密度不变的条件下，每根管子吸热会发生变化，极有可能导致管组吸热偏差很大，最终导致水动力不稳定。

(2) 管子内径的影响：如果管子内径很小，那么会造成管内质量流速大大提高，结果流动阻力会上升，尤其是100%BMCR工况下，管内工质质量流速会上升到2000以上，从而造成流动阻力大大增大，达到1.4 MPa，总压降上升到1.6 MPa，那么水冷壁总阻力会增大很多，会增大水泵压头，增加损耗。如果管子内径很大，管内阻力会下降很多，但也有可能会造成传热恶化，水动力不稳定。

6.1.5工质大比热特性对水动力的影响

在大比热区，工质的热物性会发生剧烈变化，如流体的密度显著减小，比容显著增大，这就必然导致工质膨胀量增大，从而可能引起水动力不稳定或类膜态沸腾，所以要尽量使炉膛下辐射区出口工质温度低于拟临界温度，从而避开燃烧器比较集中的区域，避免发生水动力不稳定。

6.2展望

内螺纹管垂直管屏水冷壁采用低质量流速的技术在国内的用户还很少，采用此技术的锅炉运行经验还很匮乏，采用此技术的锅炉设计经验也很少。所以，还需要对该技术进行深入的试验与理论研究。

本文中只针对炉膛下辐射区以及冷灰斗水冷壁管的流量补偿特性进行了计算，今后可对一次垂直上升垂直管屏水冷壁进行流量补偿特性计算分析，这样可以更全面的了解整个内螺纹管垂直管屏水冷壁流量补偿特性特点。本文中只对炉膛侧墙的一半管子进行了计算，其热负荷条件具有特殊性，今后可以对前后墙的管子进行计算分析，以便于分析比较。本文中对于相变点的计算选取，是在热负荷沿管子长度方向分布均匀的前提下进行的，这是在保证计算结果不偏离实际情况的基本原则下的理想化假设。今后可以对需要计算的水冷壁进行分段，分别对其热交换情况进行计算，结果更加接近实际情况。

另外，虽然在计算中都是采用试验验证过的参数和计算公式，但是为方便编程计算对一些公式作了简化，从而造成一定程度的误差。

参 考 文 献

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[]裴跃辉.超临界锅炉煤水比优化控制的数学模型：[硕士学位论文].保定：华北电力大学，2006

[]聂志刚. MBEL600MW超临界机组锅炉特性分析：[工程硕士学位论文].保定：华北电力大学，2006

[]周冬.超临界锅炉水冷壁水动力特性：[工程硕士学位论文].保定：华北电力大学，2006

致    谢

本文是在樊泉桂导师的精心指导下顺利完成的。两年多来，樊老师以他严谨的科研精神，渊博的学识和幽默的谈吐，使我受益匪浅。樊老师关心我论文工作的每一个环节，及时提出建议，使我学到了许多知识，为今后的工作打下了坚实的基础。在此向樊老师表示衷心的感谢！

在学期间发表的学术论文和参加科研情况

[1] 王雪涛. 超临界锅炉水动力计算.广东电力，2008，(10)

[2] 王琼，王雪涛.超临界锅炉水冷壁自然循环特性计算.中国电力教育，2008

华 北 电 力 大 学

硕 士 学 位 论 文 摘 要

论 文 题目：超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流量补偿特性研究

研究生姓名：王雪涛           专业：热能工程

研 究 方向：热力设备及大型回转机械的安全、经济运行与延寿技术

导 师 姓名：樊泉桂           职称：教授

20##年 12月 23日

第二篇：锅炉工原理论文

锅炉结构及工作原理

锅炉结构及工作原理锅：是指锅炉的水汽系统，由汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器和省煤器等设备组成。锅的任务是使水吸热，最后变化成一定参数的过热蒸汽。其过程是：给水由给水泵打入省煤器以后逐渐吸热，温度升高到汽包工作压力的沸点，成为饱和水；饱和水在蒸发设备中继续吸热，在温度不变的情况下蒸发成饱和蒸汽；饱和蒸汽从汽包引入过热器以后逐渐过热到规定温度，成为合格的过热蒸汽，然后到汽轮机做功。

汽包：汽包俗称锅筒。蒸汽锅炉的汽包内装的是热水和蒸汽。汽包具有一定的水容积，与下降管 ，水冷壁相连接，组成自然水循环系统，同时，汽包又接受省煤器的给水，向过热器输送饱和蒸汽；汽包是加热，蒸发、过热三个过程的分解点。

下降管：作用是把汽包中的水连续不断地送入下联箱，供给水冷壁，使受热面有足够的循环水量，以保证可靠的运行。为了保证水循环的可靠性，下降管自汽包引出后都布置在炉外。

联箱：又称集箱。一般是直径较大，两端封闭的圆管，用来连接管子。起汇集、混合和分配汽水保证各受热面可靠地供水或汇集各受热面的水或汽水混合物的作用。水冷壁下联箱通常都装有定期排污装置。

水冷壁：水冷壁布置在燃烧室内四周或部分布置在燃烧室中间。它由许多上升管组成，以接受辐射传热为主受热面。作用：依靠炉膛的高温火焰和烟气对水冷壁的辐射传热，使水加热蒸发成饱和蒸汽，由于炉墙内表面被水冷壁管遮盖，所以炉墙温度大为降低，使炉墙不致被烧坏。而且又能防止结渣和熔渣对炉墙的侵蚀；筒化了炉墙的结构，减轻炉墙重量。水冷壁的形式：1.光管式2.膜式 过热器：是蒸汽锅炉的辅助受热面，它的作用是在压力不变的情况下，从汽包中引出饱和蒸汽，再经过加热，使饱和蒸汽成为一定温度的过热蒸汽。 省煤器：布置在锅炉尾部烟道内，利用烟气的余热加热锅炉给水的设备，其作用就是提高给水温度，降低排烟温度，减少排烟热损失，提高锅炉的热效率。 减温装置：保证汽温在规定的范围内。汽温调节：1、蒸汽侧调节2、烟气侧调节炉炉就是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、喷燃器及空气预热器等组成。工作原理：送风机将空气送入空气预热器中吸收烟气的热量并送进热风道，然后

分成两股：一股送给制粉系统作为一次风携带煤粉送入喷煤器，另一股作为二次风直接送往喷煤器。煤粉与一、二次风经喷燃器喷入炉膛集箱燃烧放热，并将热量以辐射方式传给炉膛四周的水冷壁等辐射受热面，燃烧产生的高温烟气则沿烟道流经过热器，省煤器和空气预热器等设备，将热量主要以对流方式传给它们，在传热过程中，烟气温度不断降低，最后由吸风机送入烟囱排入大气。

炉膛：炉膛是由一个炉墙包围起来的，供燃料燃烧好传热的主体空间，其四周布满水冷壁。炉膛底部是排灰渣口，固态排渣炉的炉底是由前后水冷壁管弯曲而形成的倾斜的冷灰斗，液态排渣炉的炉底是水平的熔渣池。炉膛上部是悬挂有屏式过热器，炉膛后上方烟气流出炉膛的通道叫炉膛出口。

空气预热器：是利用锅炉排烟的热量来加热空气的热交换设备。它是装在锅炉尾部的垂直烟道中。煤粉在炉膛燃烧产生的热量，先通过辐射传热被水冷壁吸收，水冷壁的水沸腾汽化，产生大量蒸汽进入汽包进行汽水分离（直流炉除外），分离出的饱和蒸汽进入过热器，通过辐射、对流方式继续吸收炉膛顶部和水平烟道、尾部烟道的烟气热量，并使过热蒸汽达到所要求的工作温度。发电用锅炉通常还设置有再热器，是用来加热经过高压缸做功后的蒸汽的，再热器出来的再热蒸汽再去中、低压缸继续做功发电。

锅炉的工作原理基本相同。 锅炉的作用是将燃料的化学能转变为热能，并利用热能加热锅内的水使之成为具有足够数量和一定质量（汽温、汽压）的过热蒸汽，供汽轮机使用。现在火力发电厂的锅炉容量大、参数高、技术复杂、机械化和自动化水平高，所以燃料主要是煤，并且煤在燃烧之前先制成煤粉，然后送入锅炉在炉膛中燃烧放热。

概括地说，锅炉是主要工作过程就燃料的燃烧、热量的传递、水的加热与汽化和蒸汽的过热等。整个锅炉由锅炉本体和辅助设备两部分组成。锅炉本体：锅炉本体是锅炉设备的主要部分，是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”是汽水系统，它主要任务是吸引收燃料放出的热量，使水加热、蒸发并最后变成具有一定参数的过热蒸汽。它由省煤器、汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器和再热器等设备及其连接管道和阀门组成。(1) 省煤器。位于锅炉尾部垂直烟道，利用烟气余热加热锅炉给水，降低排烟温度，提高锅炉效率，节约燃料。(2) 汽包。位于锅炉顶部，是一个圆筒形的承压容器，其下是水，上部是汽，它接受省煤器的来水，同时又与下降管、联箱、水冷壁共同组成水循环回路。水在水冷壁中吸

热而生成的汽水混合物汇集于汽包，经汽水分离后向过热器输送饱和蒸汽。(3) 下降管。是水冷壁的供水管道，其作用是把汽包中的水引入下联箱再分配到各个水冷壁管中。分小直径分散下降管和大直径集中下降管两种。小直径下降管管径小，对水循环不利。(4) 水冷壁下联箱。联箱主要作用是将质汇集起来，或将工质通过联箱通过联箱重新分配到其它管道中。水冷壁下联箱是一根较粗两端封闭的管子，其作用是把下降管与水冷壁连接在一起，以便起到汇集、混合、再分配工质的作用。(5) 水冷壁。位于炉膛四周，其主要任务是吸收炉内的辐射热，使水蒸发，它是现代锅炉的主要受热面，同时还可以保护炉墙。(6) 过热器。其作用是将汽包来的饱和蒸汽加热上成具有一定温度的过热蒸汽。(7) 再热器。其作用是将汽轮机中做过部分功的蒸汽再次进行加热升温，然后再送到汽轮机中继续做功。“炉”是燃烧系统，它的任务是使燃料在炉内良好的燃烧，放出热量。它由炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、烟风道及炉墙、构架等组成。（1） 炉膛。是由炉墙和水冷壁转成的供燃料燃烧的，燃料在该空间内呈悬浮状燃烧，释放出大量的热量。（2）燃烧器。位于炉膛四角或墙壁上，其作用是把燃料和空气以一定速度喷入炉内，使其在炉内能进行良好的混合以保证燃料及时着火和迅速完全地燃烧。分直流燃烧器和旋流燃烧器两种基本类型。（3）空气预热器。位于锅炉尾部烟道，其作用是利用烟气余热加热燃料燃烧所需要的空气，不仅可以进一步降低排烟温度，而且对于强化炉内燃烧、提高燃烧的经济性、干燥和输送煤粉都是有利的。锅炉效率可提高2%左右。分管式和回转式两种。（4）烟风道。是由炉墙、部分受热面管道及包墙管等组成的管道，用以引导烟气的流动，并经各个受热面进行热量交换，分为水平烟道和尾部烟道。辅助设备辅助设备包括通风设备、燃料运输设备、制粉系统、除灰渣及除尘设备、脱硫设备等。三、燃煤锅炉的工作过程由原煤仓落下的原煤经给煤机送入磨煤机磨制成煤粉。在原煤磨制过程中，需要热空气对煤进行加热和干燥，因此外界冷空气通过送风机送入锅炉尾部烟道的空气预热器中，被烟气加热成为热空气进入热风管道。其中一部分热空气经排粉机送入磨煤机中，对煤进行加热和干燥，同时这部分空气也是输送煤粉的介质；另一部分热空气直接经燃烧器进入炉膛参与煤粉的燃烧。从磨煤机排出的煤粉和空气的混合物经燃烧器进入炉膛内燃烧。煤粉在炉膛内迅速燃烧后放出大量的热量，使炉膛火焰中心的温度具有1500度或更高的温度。炉膛四周内壁布置有许多的水冷壁管，炉膛顶部布置着顶棚过热器及炉膛上方布置着屏式

过热器等受热面。水冷壁和顶棚过热器等是炉膛的辐射受热面，其内部的工质在吸引炉膛的辐射热的同时，使火焰温度降低，保护炉墙不致被烧坏。为了防止熔化的灰渣黏结在烟道内的受热面上，烟气向上流动到达炉膛上部出口处时，其温度要低于煤灰的熔点。高温烟气经炉膛上部出口离开炉膛进入水平烟道，与布置在水平烟道的过热器进行热量交换，然后进入尾部烟道，并与再热器、省煤器、和空气预热器等受热面进行热量交换，使烟气不断放出热量而逐渐冷却下来，使得离开空气预热器的烟气温度通常在110-160度之间。低温烟气再经过除尘器除去大量的飞灰，最后只有少量的细微灰粒随烟气由引风机送入烟囱排入大气。煤粉在炉膛中燃烧后所生成的较大灰粒沉降到炉膛底部的冷灰斗中，被冷却凝固落入排渣装置中，形成固定排渣。由给水泵送向锅炉的给水，经过高压加热器加热后进入省煤器，吸收锅炉尾部烟气的热量后进入汽包，并通过下降管引入水冷壁下联箱再分配给各个水冷壁管。水在水冷壁中吸收炉膛高温火焰和烟气的辐射热，使部分水蒸发变成饱和蒸汽，从而在水冷壁内形成了汽水混合物。汽水混合物向上流动并进入汽包，通过汽包中的汽水分离装置进行汽水分离，分离出来的水继续循环。

SCR烟气脱硝工艺简介

09热工一班 姚跃辉 20xx10610118

摘要：氮氧化物是空气污染物的重要组成部分，如何处理工业废气中的的氮氧化物是当前的一大热点话题。当前科技日新月异脱硝技术已日渐成熟，然而选择性催化还原法（SCR）是目前国际上处理火电厂氮氧化物的最主要、也是最先进的处理方法。

关键词：烟气脱硝；SCR；脱硝催化剂；脱硝工艺

随着我国经济的发展, 在能源消费中带来的环境污染也越来越严重。其中，大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人民生存的四大杀手。燃煤烟气所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源。在我国，二氧化硫、氮氧化物等有害物质主要是由燃煤过程产生的。

随着我国经济实力的增强,耗电量也将逐步加大。目前，我国已经开展了大规模的烟气脱硫项目, 但烟气脱硝还未大规模的开展。有研究资料表明，如果继续不加强对烟气中氮氧化物的治理, 氮氧化物的总量和在大气污染物中的比重都将上升, 并有可能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。

我国烟气脱硝项目起步较晚，目前国内运行的烟气脱硝项目所采用的工艺也是引进欧、美、日等发达国家和地区烟气脱硝技术, 为适应国内烟气脱硝市场的需要，我公司于20xx年与德国STEULER公司在烟气脱硝技术方面展开了全方位的合作，主要由德方提供技术支持，我方负责开拓市场、消化有关技术。 1 SCR脱硝技术简介

在众多的脱硝技术中，选择性催化还原法（SCR）是脱硝效率最高，最为成熟的脱硝技术。19xx年在日本Shimoneski电厂建立了第一个SCR系统的示范工程，其后SCR技术在日本得到了广泛应用。在欧洲已有120 多台大型装置的成功应用经验，其NOx的脱除率可达到80%~90%。日本大约有170套装置，接近100GW 容量的电厂安装了这种设备，美国政府也将SCR技术作为主要的电厂控制NOx技术，SCR 方法已成为目前国内外电厂脱硝比较成熟的主流技术。

1.2.1 温度对催化剂反应性能的影响

目前，运用于电厂烟气脱硝中的的SCR催化剂有很多，不同的催化剂,其适宜的反应温度也差别各异。如果反应温度太低,催化剂的活性降低,脱硝效率下降，则达不到脱硝的效果。并且，如果催化剂在低温下持续运行,将导致催化剂的永久性损坏；如果反应温度太高,NH3容易被氧化,生成NOx的量增加,甚至会引起催化剂材料的相变,导致催化剂的活性退化。

采用何种催化剂与SCR反应器的布置方式是密切相关的，一般可以把催化剂的种类分为三类：高温催化剂(345℃～590℃)、中温催化剂(260℃～380℃)和低温催化剂(80℃～300℃)。目前,国内外SCR系统大多采用高温催化剂,反应温度在315℃～400℃。

1.2.2 空速（SV）对催化剂性能的影响

烟气在SCR反应塔中的空塔速度是SCR 的一个关键设计参数, 它是烟气