张彦军６００ＭＷ超临界循环流化床锅炉水冷壁的选型及水动力研究
杨冬２，于辉２，陈听宽２，高翔
（１．浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州３１００２７；
２．西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安７１００４９）
骆仲泱
摘要：在超临界及亚临界压力范围内对不同尺寸的内螺纹管和光管的流动传热特性进行了实验研究，得到了偏离核态沸腾（ＤＮＢ）和蒸干（ＤＲＹ（）ＵＴ）的发生规律、管子流动和传热的特性，建立了计算复杂流动网络系统回路流量及节点压力的数学模型，对非线性方程组采用迭代方法进行了求解，并对１台６００ＭＷ超临界循环流化床锅炉的水冷壁流量分配及壁温分布进行了计算．结果表明：在ＢＭＣＲ和在７５％ＢＭＣＲ负荷下锅炉运行是安全可靠的．另外，笔者还研究了吸热偏差对流量分配及壁温分布的影响，结果表明流量与吸热量呈正响应特性．
关键词：能源与动力工程；超临界压力；循环流化床锅炉；水动力；吸热偏差
中图分类号：ＴＫ２２３．３１文献标识码：Ａ
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＷａｔｅｒＷａｌｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ＣｈａｒａＣｔｅｒｉＳｔｉｃＳｏｆａ６００ＭＷＳｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＰｒｅｓｓｕｒｅＣＦＢＢｏｉｌｅｒ
ＺＨＡＮＧＹａｎｑｕｎｌ。ＹＡＮＧＤｏｎ９２ＣＨＥＮＴｉｎｇ—ｋｕａｎ２，ＧＡＯＸｉａｎ９１，ⅢＨ“ｉ２，
ＬＵＯＺｈｏｎｇ—ｙａｎｇ
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｆＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ。ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００２７，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｆＭｕｌｔｉｐｈａｓｅＦｌｏｗｉｎＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｘｉ’ａｎ７１００４９．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｒｉｂｂｅｄａｎｄｓｍｏｏｔｈｔｕｂｅｓｗｅｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｓｕｂ－ａｎｄｓｕｐｅｒ－ｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＴｈｅＤＮＢａｎｄＤｒｙｏｕｔｂｏｕｎｄａｒｙａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｌｏｏｐｆｌｏｗａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅａｔｊｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎａｃｏｍｐｌｅｘｆｌｏｗｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄａｎｉｔｅｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｗａｔｅｒｗａｌｌｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄ
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ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ＣＦＢｂｏｉｌｅｒｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｙ，ａｎｄｔｈｅ
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收稿日期：２００７－０９－０５
基金项目：。十一五”国家科技支撑计划。超临界循环流化床”资助项目（２００６ＢＡＡ０３８０２）
作者简介：张彦军（１９７１一），男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，主要从事电站锅炉及ＣＦＢ锅炉技术研究和设计工作．杨冬（联系人），男，博士，副教授．电话（Ｔｅｌ．）；０２９—８２６６８３９３ＩＥ．ｍａｉｌｌｄｙａ晖＠ｍａｉｌ．ｘｉｔｕ．ｅｄｕ．ｃ玑
万方数据动力工程第２８卷ａｃｈｉｅｖｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｏｗｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ；ＣＦＢｂｏｉｌｅｒ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｈｅａｔａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
为了进一步提高锅炉效率、减少污染物排放，开发具有自主产权的大型、高参数６００ＭＷ超临界循环流化床锅炉是我国电力装备制造业的一个重要发展方向．对于３００ＭｗＣＦＢ锅炉来说，由于其采用亚临界参数设计和自然循环方式，水冷壁具有较好的流量分配特性，而且壁温处于较低水平．为了满足调峰和用电负荷多样性的需求，超临界锅炉一般采用变压运行方式，这使其工作条件变得非常复杂．从额定负荷至最低直流负荷，锅炉运行压力将从超临界压力降为亚临界压力，以后再降为超高压．当低于最低直流负荷时。则锅炉运行又进入类似于控制循环方式的湿态运行方式．
与亚临界ＣＦＢ锅炉相比，超临界ＣＦＢ锅炉运行参数高，运行方式复杂，水冷壁管内工质既可能运行于超临界状态，也可能工作在汽水两相区域，因此必须确保锅炉不发生偏离核态沸腾（ＤＮＢ），并且在蒸干（ＤＲＹＯＵＴ）发生后管子壁温处于安全状态．另外。超临界ＣＦＢ锅炉高度有可能超过５０ｍ，炉膛尺寸放大后炉内热负荷分布和传热规律对水冷壁流量分配的影响也使其水动力特性更为复杂．同时，值得注意的是：由于炉膛高度的，蒸发受热面的布置也变得非常复杂，除了沿炉膛四周布置水冷壁外，还必须布置附加的蒸发受热面才能满足锅炉吸热要求，而这也给超临界ＣＦＢ锅炉的水冷壁设计和运行带来了较大困难．
目前，Ｓｔｅｉｎ，ＡＢ＆ＣＥ、清华大学、西安热工院、浙江大学以及国内三大锅炉厂等国内外企业和科研机构都提出了超临界ＣＦＢ锅炉的概念设计方案¨￣２］．西安交通大学多相流国家重点实验室长期从事超临界和超超临界煤粉锅炉水动力特性的实验和理论研究，对不同结构尺寸、不同布置方式下的内螺纹管和光管在较大的压力范围内进行了系统深入的流动传热实验研究，积累了丰富的实验数据．根据超临界ＣＦＢ锅炉水冷壁流动网络系统所遵循的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程及实验关联式，开发了水动力特性和壁温计算程序．在此基础上，对某一设计方案在ＢＭＣＲ和７５％ＢＭＣＲ负荷下的流量分配特性和壁温分布特性进行了计算，并对水冷壁运行安全特性进行了分析；另外，还对吸热偏差对水动力特性的影响进行了分析．１超临界ＣＦＢ锅炉水冷壁的选型超临界ＣＦＢ锅炉兼备了ＣＦＢ燃烧技术和超临界煤粉炉汽水循环技术的优点．超临界煤粉炉目前有垂直管圈和螺旋管圈２种形式。哈尔滨锅炉厂从英国三井巴布科克引进的超临界锅炉采用螺旋管圈技术，而超超临界锅炉则采用三菱重工的垂直管圈技术．采用螺旋管圈技术可自由选择管子的数量和尺寸∞】，因而能够采用较大的管径和较高的质量流速，其范围一般在２５００ｋｇ／（ｍ２ｓ）左右，由此可以避免ＤＮＢ的发生，并且水冷壁出口汽温偏差较小．垂直管圈具有阻力较小、现场安装方便等特点，但由于炉膛周界的，质量流速选择受到较大的．另外，由于煤粉炉燃烧方式的固有特点，炉膛热负荷沿宽度和深度方向分布具有较大的不均匀性．因此。必须在水冷壁人口处布置流量调节孔圈，以消除热负荷偏差带来的流量偏差，使在各种负荷下水冷壁出口汽温偏差保持在合理的范围内．同时。还需采用内螺纹管以避免ＤＮＢ的发生［Ｉ］，并将ＤＲＹＯＵＴ的发生推迟到热负荷较低的上部炉膛．华能玉环电厂１０００ＭＷ超超临界锅炉为四头内螺纹管膜式水冷壁，１００％ＢＭＣＲ负荷质量流速为１８４０ｋｇ／（ｍ２ｓ）．该机组于２００６年１１月通过１６８ｈ试运行并安全运行至今，整体性能达到了国际先进水平．
对于超临界ＣＦＢ锅炉，由于存在磨损问题不能采用螺旋管圈，而只能采用垂直管圈技术．研究表明，ＣＦＢ锅炉炉膛内热负荷比煤粉炉低，分布也更为均匀［５］．ＣＦＢ锅炉炉内热负荷峰值远低于煤粉炉，所处位置在炉膛下部，随着高度的增加，热负荷峰值逐渐降低并趋于均匀．这种分布方式对超临界ＣＦＢ锅炉水冷壁的安全运行十分有利．首先，热负荷最高处对应的管内工质温度较低，不易发生ＤＮＢ；其次，在工质处于两相区时炉内热负荷较低，也不易发生ＤＮＢ，并同时使ＤＲＹＯＵＴ发生后的壁温处于安全范围内．这些因素使采用中等质量流速光管或低质量流速内螺纹管成为可能．
水冷壁设计的一个重要原则是确保在各种负荷下管子都能得到有效的冷却，并且管子之间温差控制在许可范围内［６］．美国ＦｏｓｔｅｒＷｈｅｅｌｅｒ公司引进西门子公司的ＢＥＮＳＯＮＶｅｒｔｉｃａｌＯＵＴ（Ｏｎｃｅ—
万方数据第３期张彦军，等：６００ＭＷ超临界循环流化床锅炉水冷壁的选型及水动力研究
ｔｈｒｏｕｇｈｕｔｉｌｉｔｙ）汽水循环技术，是西门子公司结合传统的直流系统和ＣＦＢ锅炉特殊的结构和传热方式研制的一套性能独特的直流汽水循环技术｜７】．常规超临界煤粉炉通过采用高质量流速来确保管子得到充分冷却．由于流速较高，摩擦阻力占主要部分．为了维持并联管压降平衡，受热大的管子流量偏小，必须通过布置节流孔圈进行调节．而对于西门子公司开发的优化内螺纹管，由于管径较大、质量流速较低，重位压降占主要地位。因而在并联管中产生类似自然循环锅炉中的正流量特性，即受热大的管子流量较大．在姚孟电厂１号炉改造中，采用了乒２６．９×４．０９（ｍｍ）和声２６．９×３．６４（ｍｍ）的西门子优化内螺纹管，ｉ００％ＢＭＣＲ负荷质量流速为７００ｋｇ／（ｍ２ｓ）．对超临界ＣＦＢ锅炉来说。采用５００～７００ｋｇ／（ｍ２ｓ）的质量流速即可获得良好的流量分配特性．考虑到超临界ＣＦＢ锅炉炉内热负荷较低，且沿宽度和深度方向分布较为均匀，采用国内已成熟使用的普通内螺纹管并配以低质量流速也是一个可取的方案，由此可避免较高的技术转让费用．
另外，针对ＣＦＢ锅炉特点，采用中等质量流速的光管也可保证水冷壁的安全运行，但有可能需要在某些热偏差较大的管子进口处布置流量调节孔圈。进行局部流量调节．这种方案会使锅炉阻力增大，因而造成给水泵功耗的增加．
２内螺纹管与光管传热的实验研究
２．１实验系统与方法
水冷壁管流动传热特性是准确计算水动力的关键前提．在高压汽水两相流实验系统上对忱８．６×５．８（ｍｍ）四头内螺纹管、声２８×．６（ｍｍ）四头内螺纹管、１，３８．１×７．５（ｍｍ）六头内螺纹管、，／，３２×３（ｒａｍ）光管、鲍Ｏ×２（ｍｍ）光管、蛇４×４（ｍｍ）光管的流动传热特性进行了系统的实验研究．实验系统示于图Ｉ．储水箱中的去离子水经回热器和预热段加热后进入实验段．通过在实验段上模拟实际锅炉的热负荷变化情况，可以得到各种工况下管内工质流动传热特性．在实验过程中，首先将实验段流量、压力和热负荷调节到预定工况，然后逐步增加预热段功率，不断提高实验段进口热焓，使实验段管壁发生温度飞升或者蒸汽达到过热，从而获得在不同参数条件下ＤＮＢ及ＤＲＹＯＵＴ发生的临界条件及正常传热过程的流动传热特性．工质流量由孔板和Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ差压变送器测量，实验段壁面温度由布置在不同截面上的如．５ｍｍ的ＮｉＣｒ－ＮｉＳｉ热电偶测量．实验段壁温、压差、流量等测量信号由ＳｏｌａｒｔｏｎＩＭＰ３５９５分散式采集系统自动采集，并且输入工控机内进行处理．
Ｐ一压力测点，Ｔ一测度测点．内一日几．
ｏ一交流电，△ｐ一差压变送器
图１流动传热实验系统示意图
Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｆｌｏｗ８．ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｆａｃｉｌｉｔｙ
预热段与实验段均采用低电压、高电流的交流电直接对管子和管内工质进行加热，电功率通过调压变压器连续调节．实验系统加热总功率为８４０ｋｗ，其中实验段为１８０ｋＷ．实验中主要参数为：压力户＝１１～３０ＭＰａ；质量流速Ｇ＝３００～１２００ｋｇ／（ｍ２·ｓ）；内壁热负荷ｑ＝２００＂－，６５０ｋＷ／ｍ２．
２．２实验结果与分析
图２示出了质量流速为６００ｋｇ／（ｍ２ｓ）、内壁热负荷为６５０ｋＷ／ｍ２，压力分别为１３ＭＰａ及１６ＭＰａ时内螺纹管内壁温度随管内工质焓值的变化情况，从图可看出：在亚临界压力区，随着压力的升高，内螺纹管发生传热恶化时工质干度略有减小，即发生传热恶化有所提前．另外，发生传热恶化时干度已接近ｌ，说明内螺纹管中不发生ＤＮＢ，而只发生ＤＲＹＯＵＴ．
图２内螺纹管壁温随焙值的变化规律
Ｆｉｇ．２ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｓｉｄｅｒｉｂｂｅｄｔｕｂｅＶＳ．ｆｌｕｉｄｅｎｔｈａｌｐｙ
图３为近临界压力２１．５ＭＰａ、质量流速４００ｋｇ／（ｍ２ｓ）、内壁热负荷３００ｋＷ／ｍｚ时内螺纹管和
万方数据动力工程第２８卷
光管传热特性的比较１８Ｊ．光管发生ＤＮＢ时的干度为．０．０８，恶化后最高壁温达到６４５℃．在这个工况下内螺纹管非常成功地将大部分干度范围内的传热维持在核态沸腾状态，避免了ＤＮＢ的发生，将ＤＲＹ（）ＵＴ发生后的壁温飞升干度推迟到了０．９８，并且蒸干后温度增加幅度不大．
图３亚临界区内螺纹管与光管传热特性比较
Ｆｉｇ。３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂｅｔｗｅｅｎｓｍｏｏｔｈａｎｄｒｉｂｂｅｄｔｕｂｅｓｕｎｄｅｒｓｕｂｃｒｉｔｉｅａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ
图４为超临界压力区内螺纹管和光管传热特性的比较．可以看出，与光管相比，内螺纹管在接近临界压力的工况下，虽然也有轻微的温度飞升，但其升高的趋势远小于光管，最高壁温也比光管要低近１００℃．在压力为２４．０ＭＰａ时，内螺纹管基本不发生飞升现象，温度上升趋势非常光滑，普遍低于相同情况下光管的温度水平．
６５０
６００
５５０
５００
ｐ
莨４５０
４００
３５０
３００
１７００ｌ９００２１００２３００２５００
ｈ／（ｋＪ·ｋｇ＂１）
图４超临界区内螺纹管与光管传热特性比较Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂｅｔｗｅｅｎ
ｓｍｏｏｔｈａｎｄｒｉｂｂｅｄｔｕｂｅｓｕｎｄｅｒｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ
２．３实验关联式
通过对内螺纹管和光管的实验数据进行回归分析，可以得到ＤＮＢ及ＤＲＹＯＵＴ发生的临界条件及传热恶化发生后的传热计算关联式和正常传热工况下的流动传热计算关联式，下面列出部分结果．对内螺纹管，两相区ＤＮＢ发生的临界条件为：口，＝９．４２（２２．１１５一声）ｏ·０５５１Ｇｏ·３０２５（１一ｚ）ｏ·０７２１
（１）
ＤＲＹ（）ＵＴ发生的临界条件为：
丁∥＝０．３６６４ｑ—ｏ－１２８０ＧＯ·１５５２ｅ—ｏ·２９８３‘ｐ７＾ｒ’（２）ＤＲＹ（）ＵＴ发生后传热系数计算公式为：
Ｎｕ＝１．２×１０—２｛＆。［丁＋凤（１一ｚ）／ｐ］｝０’８６·ｎ誊㈨ｑ’９６（Ａ。／Ａ。，）叫·３（ｐ／ｐ，）一０·９８（３）两相区摩擦压降计算公式为：
Ａｐ垆／Ａｐ如一ｌ＋（聊／成一１）［Ｃ（ｚ）＋Ｔ２］（４）式中，Ａｐ巾为两相摩擦压降；Ａｐ。为全液相摩擦压降；Ｃ为实验拟合系数［ｇ］．
３计算算例
任何复杂的水冷壁系统都可以最终归结为管子的串联与并联连接．图５为１个简化的流动网络系统．
Ｇ
图５一个简化的流动网络系统
Ｆｉｇ．５
Ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｆｌｏｗｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍ
对于节点１，应该满足质量守恒方程：
Ｇ＝Ｇｌ＋Ｇ２（５）对于管屏１中的回路靠，动量守恒方程为；
Ｐ“一Ｐ…＝ＡＰ，＋ＡＰ＾＋ＡＰ曲（６）式中，Ｐ州、Ｐ…分别为回路进、出口压力；ＡＰ，、△Ｐ。和△Ｐ曲分别为摩擦、重位及局部压降．
对图５中的所有节点、回路和连接管道列出质量守恒方程和动量守恒方程，得到１个封闭的非线性方程组，采用迭代方法求解即可得到各节点压力，以及各回路和连接管道的流量．
哈尔滨锅炉厂开发的具有低质量流速水冷壁的超临界ＣＦＢ锅炉，考虑到蒸发吸热量特点，在省煤器出口处布置４根引水管，其中２根分别布置在前墙和后墙处的水冷屏供水，另２跟分别给炉膛四面墙供水．水冷屏和四面墙水冷壁采用膜式水冷壁．根据水冷壁和水冷屏在炉膛内的受热情况，炉膛及水冷屏共划分为１１０个回路，每一回路划分为２９个计算管段．管段划分原则为：确保同一管段长度内管子热负荷沿高度方向变化较小．计算求解１６７个
万方数据第３期张彦军，等：６００Ｍｗ超临界循环流化床锅炉水冷壁的选型及水动力研究
非线性方程，其中动量守恒方程１４２个，流量守恒方程２５个．
图６为在ＢＭＣＲ和在７５％ＢＭＣＲ负荷下各回路单管质量流速的分配情况，可以看出：水冷壁中１＂－－３、４３＂－－４５、５６～５８和９８～１００回路流量较小．水冷屏（４６～５５回路为后部水冷屏管子．１０１～１１０回路为前部水冷屏管子）比水冷壁流量小约１２．５％．由于热负荷沿炉宽方向较为均匀，四面墙水冷壁流量偏差较小．
图６ＢＭＣＲ与７５％ＢＭＣＲ负荷回路流量分配Ｆｉｇ．６ＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＢＭＣＲａｎｄ７５％
ＢＭＣＲｌｏａｄ
图７为在ＢＭＣＲ和在７５％ＢＭＣＲ负荷下各回路出口温度分布情况．水冷屏出口工质温度明显高于水冷壁出口温度，这是由于前者流量分配较低造成的．这也说明在设计中需要仔细平衡水冷壁和水冷屏的流量分配．
图７ＢＭＣＲ与７５％ＢＭＣＲ负荷回路出口温度分配
Ｆｉｇ．７Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｆｉｌｅｉｎｗａｔｅｒｗａｌｌｏｕｔｌｅｔ
ＢＭＣＲａｎｄ７５％ＢＭＣＲｌｏａｄ
图８为在ＢＭＣＲ负荷下水冷壁中流量最小、出口焓值和温度最高的回路３的工质温度及壁温分布图，炉高０点取为开始受热段，可以看出：由０ｍ开始，管子开始受热，工质温度和壁温随着高度的增加而增加．在起始阶段，由于超临界水的比热较小而热负荷较大（１００ｋＷ／ｍ２），因此工质温度随着炉高的增加而增加较快．在大比热区，由于工质比热较大，工质温度增加较为缓慢．当工质进入超临界气相区后，比热降低，工质温度又开始快速增加．壁温和鳍端温度变化趋势与工质相似．
图８ＢＭＣＲ负荷回路３工质温度及壁温沿炉高变化Ｆｉｇ．８Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄａｎｄｍｅｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ３ＢＭＣＲｌｏａｄｖｓ．ｆｕｒｎａｃｅｅｌｅｖａｔｉｏｎ
图９为在７５％ＢＭＣＲ负荷下第３回路的工质温度及壁温分布图，可以看出：由４．８ｍ开始，管子开始受热，工质温度和壁温随着高度的增加而增加．在起始阶段，由于过冷水的比热较小而热负荷较大（８４ｋＷ／ｍ２），因此工质温度随着炉高的增加而增加较快．在两相区工质温度为３７３．１℃时，由于换热系数比单相区大，内壁温度降低．当工质进入气相区后，工质温度又开始快速增加．壁温和鳍端温度变化趋势与工质相似．
图９７５％ＢＭＣＲ负荷回路３工质温度及壁温沿炉高变化
Ｆｉｇ．９Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄａｎｄｍｅｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ３ａｔ７５％ＢＭＣＲｌｏａｄｖ吼ｆｕｒｎａｃｅｅ｜ｅｖｅｔｉｏｎ
计算结果表明，在ＢＭＣＲ及在７５％ＢＭＣＲ负荷下锅炉水冷壁运行是安全可靠的．
４吸热偏差的影响
上述计算是在宽度方向热负荷分布较为均匀的条件下进行的．为了考察炉内热负荷不均匀性对流量分配和壁温分布的影响，笔者对右侧墙第１５－－－２１
万方数据动力工程第２８卷
回路的吸热量进行了人为假设．第１８回路吸热量保持不变，第１７、１６、１５回路吸热量依次按１０％递减，而第１９、２０、２１回路则依次按１０％递增．这一偏差范围足以涵盖热负荷町能有的变化．
图ｌｏ为在７５ＶＯＢＭＣＲ负荷时热负荷偏差对右侧墙第１５＂－－２１回路流量分配和壁温分布的影响，可以看出。流量分配呈现出明显的正流量响应特性．即吸热量最高的回路２ｌ，其质量流速也最高，为６８３ｋｇ／（ｍ２ｓ），该回路总吸热量为２４１ｋＷ；吸热量最低的回路１５，其质量流速为５１７ｋｇ／（ｍ２ｓ），吸热量为１３０ｋＷ，是这７个回路中最低的．这一正响应特性是由于回路质量流速较低，重位压降在总压降中占主要地位引起的．这对超临界ＣＦＢ锅炉水冷壁设计十分有利，有可能避免使用复杂的节流孔圈布置方式．计算结果还表明，第１５～２１回路的壁温也处于允许的安全范围内．
｜
鼍
Ｅ
＿
芒
嘲
增
嘲
嶝
回路编号
（ａ）流量分配
Ｔ／℃
（ｂ）壁温分布
图１０吸热偏差对流量分配和壁温分布的影响
Ｆｉｇ．１０Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｆｉｌｅ
５结论‘
６００Ｍｗ超临界ＣＦＢ锅炉是洁净煤技术的一个重要方向．与亚临界ＣＦＢ锅炉相比，超临界ＣＦＢ锅炉运行参数高，运行方式复杂．与煤粉炉相比，ＣＦＢ锅炉炉内热负荷较低，且分布均匀．在高压汽水实验台上对不同尺寸的内螺纹管和光管的流动传热特性进行了深入系统的实验研究，得到了在超临界及在亚临界参数条件下ＤＮＢ及ＤＲＹ（）ＵＴ发生的临界条件和发生后的传热特性，以及正常传热过程的流动传热公式．在超临界ＣＦＢ锅炉的工作范围内，内螺纹管不会发生ＤＮＢ，并且在ＤＲＹ（）ＵＴ发生后壁温飞升也在安全范围内．
根据超临界ＣＦＢ锅炉水冷壁流动网络系统所遵循的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程及实验关联式。开发了直接求解非线性水动力特性和壁温的计算程序．并在此基础上，对某一设计方案在ＢＭＣＲ及在７５％ＢＭＣＲ负荷下的流量分配特性和壁温分布特性进行了计算，计算结果表明：水冷壁和鳍片温度处于允许范围内，锅炉运行是安全可靠的．另外。笔者还研究了吸热偏差对流量分配和壁温分布的影响，结果表明水冷壁流量分配与热负荷呈正响应特性，有可能避免采用节流孔圈进行流量调节．
参考文献：
［１］吕俊复，于龙。张彦军。等．６００Ｍｗ超临界循环流化床锅炉［Ｊ］．动力工程。２００７。２７（４）：４９７—５０１．
孙献斌．李光华。蒋敏华．循环流化床锅炉技术领域几
个前沿课题的研究［Ｊ］．热力发电．２００５，３４（１１）：Ｉ一
６．
陈听宽．超临界与超超临界锅炉技术的发展与研究
［Ｊ］．世界科技研究与发展，２００５，２７（６）：４２—４８．
ＲａｇｎａｒＩ。ｕｎｄｑｖｉｓｔ，ＡｎｄｒｅＳｃｈｒｉｅｆ。ＫａｒｉＭｙ６ｈａｎｅｎ。ｅｔ口Ｚ．Ａｍａｊｏｒｓｔｅｐｆｏｒｗａｒｄ－ｔｈｅｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＦＢｂｏｉｌｅｒ
［Ｃ］／／ＰｏｗｅｒＧｅｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．２００３．
ＢａｓｕＰ，ＨａｌｄｅｒＰＫ．Ａｎｅｗｃｏｎｃｅｐｔｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ
ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒｕｓｉｎｇｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｆｌｕｉｄｉｚｅｄ
ｂｅｄｆｉｒｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒＧａｓＴｕｒｂｉｎｅｓ
ａｎｄＰｏｗｅｒ．１９８９：６２６—６３０．
ＳｔａｍａｔｅｌｏｐｏｕｌｄｓＧＮ．ＡｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｉｎＣＦＢｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｅｘｃｅｌｌｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＣＦＢ２００５，１８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＣＦＢ．Ｍａｙ
２２—２５，２００５，Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｃａｎａｄａ．
ＪｏａｃｈｉｍＦ。ＲｕｄｏｆＫ．Ｂｅｎｓｏｎｂｏｉｌｅｒ－ｂｅｓｔｃｈｏｉｃｅ［Ｊ］．
ＳｉｅｍｅｎｓＰｏｗｅｒＪｏｕｒｎａｌＯｎｌｉｎｅ，２００１，１０：１—４．
孙丹，陈听宽，罗毓珊．内螺纹管临界压力区内水的
传热特性研究ＥＪ］．西安交通大学学报，２００１，３５（３）：
２３４—２３８．
孙树翁．１０００ＭＷ超超临界锅炉水冷壁流动传热特
性实验研究［Ｄ］．西安交通大学，２００７．
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万方数据
600MW超临界循环流化床锅炉水冷壁的选型及水动力研究
作者：张彦军， 杨冬， 于辉， 陈听宽， 高翔， 骆仲泱， ZHANG Yan-jun， YANG Dong， YU Hui， CHEN Ting-kuan， GAO Xiang， LUO Zhong-yang
作者单位：张彦军,高翔,骆仲泱,ZHANG Yan-jun,GAO Xiang,LUO Zhong-yang(浙江大学,能源清洁利用国家重点实验室,杭州,310027)， 杨冬,于辉,陈听宽,YANG Dong,YU Hui,CHEN Ting-
kuan(西安交通大学,动力工程多相流国家重点实验室,西安,710049)
刊名：
动力工程
英文刊名：JOURNAL OF POWER ENGINEERING
年，卷(期)：2008，28(3)
被引用次数：1次
1.吕俊复.于龙.张彦军600 MW超临界循环流化床锅炉[期刊论文]-动力工程 2007(04)
2.孙献斌.李光华.蒋敏华循环流化床锅炉技术领域几个前沿课题的研究[期刊论文]-热力发电 2005(11)
3.陈听宽超临界与超超临界锅炉技术的发展与研究[期刊论文]-世界科技研究与发展 2005(06)
4.Ragnar Lundqvist.Andre Schrief.Kari My(o)h(a)en A major step forward-the supercritical CFB boiler 2003
5.Basu P.Halder P K A new concept for operation of a pulverized coal fired boiler using circulating fluidized bed firing 19
6.Stamatelopoulds G N Advancement in CFB technology:A combination of excellent environmental performance and high efficiency 2005
7.Joachim F.Rudof K Benson boiler-best choice 2001
8.孙丹.陈听宽.罗毓珊内螺纹管临界压力区内水的传热特性研究[期刊论文]-西安交通大学学报 2001(03)
9.孙树翁1000 MW超超临界锅炉水冷壁流动传热特性实验研究 2007
1.期刊论文李道林.陈国雄.虞美萍.戴岳.龚波.LI Dao-lin.CHEN Guo-xiong.YU Mei-ping.DAI Yue.GONG Bo
900MW超临界压力锅炉的吹灰优化专家系统-发电设备2008,22(5)
介绍了上海外高桥第二发电有限责任公司900 MW超临界压力锅炉上试用的吹灰优化专家系统,其主要特点是采用了锅炉传热判断系统,可以在线计算受热面的清洁度;并应用了以连续排放检测系统的数据修正入炉燃料成分和低位热值的子系统及计算再热蒸汽实际流量的子系统;还在炉膛不同高度装上红外线高温仪测量烟气温度.对该优化专家系统作了分析论证.
2.期刊论文陈建生.任一峰.CHEN Jian-shen.REN Yi-feng1000MW超超临界压力机组主要辅机的配置-发电设备
2006,20(4)
阐述了我国1000 MW超超临界压力机组主要辅机的选型和配置,并对选型和配置的情况进行了比较.
3.期刊论文刘兴和.夏玉芳.LIU Xing-he.XIA Yu-fang微油点火在600MW超临界压力锅炉上的应用-发电设备
2008,22(5)
阐述了微油点火系统的工作原理、改造方法及运行情况,并重点介绍了微油点火技术在600 MW超临界压力锅炉上的应用,并进行了经济性分析.
4.期刊论文刘正国微油点火在600MW超临界压力锅炉上的应用-科技风2009,""(18)
广东红海湾发电有限公司2台锅炉燃油系统初步设计采用的是传统的轻柴油点火和低负荷投油助燃方式,机纽启动耗油大,而且在这种方式下冷炉启动初期电除尘不能及时投入,造成环境污染.
5.期刊论文周新雅.ZHOU Xin-ya对超超临界压力锅炉运行的几点建议-发电设备2006,20(3)
能源短缺、环境恶化是今后我国国民经济发展的两大主要问题.因此,发展超临界和超超临界发电机组是解决这两个问题的途径之一.大量超超临界机组的投入运行必将带来一些以前没有或较少遇到的问题,如运行安全性、经济性、调峰灵活性、煤种适应性及异种钢焊接等问题.阐述了一些超临界压力机组运行方面的看法,并提出了一些建议.
6.期刊论文朱军.ZHU Jun600MW超临界汽轮机组冲转情况分析-发电设备2008,22(2)
介绍了广东珠海金湾发电有限公司2台600 MW超临界机组的简要情况,并阐述了超临界直流锅炉启动过程中与汽轮机组冲转过程的参数配合问题,给出了这一过程中锅炉运行参数的控制方法和汽轮机组的冷态启动曲线,阐明了高、中压缸联合启动的要求及控制要点.
7.期刊论文朱玉琴.李迓红.毕勤成.陈听宽.ZHU Yu-qin.LI Ya-hong.BI Qin-cheng.CHEN Ting-kuan超临界直流
锅炉变压运行下水冷壁中间分配集箱的流量分配特性-动力工程2007,27(5)研究了国产600 MW直流锅炉水冷壁中间分配集箱在亚临界压力下的流量分配特性.试验参数为:压力P=12～21 MPa,质量流速G=400～1200
kg/(m2·s),质量含汽率x=0～1.0.试验结果表明:随着分配集箱工作压力和分配集箱进口质量流速的增加,分配集箱并联支管之间流量分配的偏差降低;在入口质量含汽率较小时,并联支管问的流量分配偏差随着质量含汽率的增加而增大;在入口质量含汽率大于0.6时,并联支管间的流量分配偏差随着入口质量含汽率的增加而减小.
8.期刊论文张春本.邓宏武.徐国强.黄文.朱锟.ZHANG Chun-ben.DENG Hong-wu.XU Guo-qiang.HUANG Wen.ZHU Kun
超临界压力下航空煤油RP-3焓值的测量及换热研究-航空动力学报2010,25(2)
基于能量守恒原理提出了一种超临界压力下中国3号喷气燃料RP-3焓值的测量方法,同时对不同超临界压力下RP-3在323～843K内的焓值进行了测量
.结果表明当燃油温度低于其临界温度时,不同超临界压力下燃油的焓值几乎是一样的,当温度高于临界温度后,不同压力下RP-3焓值之间的差异随着压力的升高而缩小.另外,根据焓值曲线计算出的燃油温度及吸热量与先前已做的其他流动与换热实验中的测量数据进行了对比,结果表明该焓值是准确可靠的,满足未来航空发动机内空油换热器的设计要求.最后,研究了热流密度对超临界煤油换热的影响,结果显示当燃油对比温度小于1.179(760K)时,Nu数随着热流密度的增加而增加.
9.期刊论文李春燕.阎维平.梁秀俊.黄景立.LI Chun-yan.YAN Wei-ping.LIANG Xiu-jun.HUANG Jing-li600 MW超
临界锅炉燃烧器区膜式水冷壁温度场的数值计算-动力工程2008,28(5)
基于有限元法对某电厂600 MW机组锅炉在不同超临界工况下燃烧器区膜式水冷壁的温度场进行了分析和计算.采用双线性四边形单元对水冷壁温度场进行剖分,分区段计算了向火侧的热流密度.依据水冷壁入口和出口工质的实际温度和压力,确定了管内工质温度及管内的对流换热系数,计算了超临界压力下不同工况的水冷壁温度分布,并对造成水冷壁超温的原因进行了分析.对计算结果与实测值进行了比较,误差很小.
10.期刊论文俞谷颖.张富祥.陈端雨.朱才广.杨宗煊.YU Gu-ying.ZHANG Fu-qiang.CHEN Duan-yu.ZHU Cai-kuang.
YANG Zong-xuan超临界直流锅炉炉膛水冷壁布置型式的比较-动力工程2008,28(3)
介绍了中国直流锅炉的发展过程和上海发电设备成套设计研究院对超临界压力锅炉炉膛水冷壁系统的试验研究,提出了超临界锅炉理想的水冷壁应具有的特性,同时以实例对垂直管屏水冷壁和螺旋管圈水冷壁的水动力特性进行了计算和对比,并提出了若干建议.
1.杨冬.马彦花.潘杰.张彦军.姜孝国600 MW超临界循环流化床锅炉水冷壁动态特性的研究[期刊论文]-动力工程2009(8)
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