01蒸发设备及水冷壁

超临界锅炉受热面布置及特性直流锅炉的蒸发受热面的结构型式现代直流锅炉蒸发受热面的主要型式(1)一次垂直上升管屏(2)炉膛下部多次上升炉膛上部一次上升管屏(3)螺旋围绕上升管屏1一次垂直上升管屏美国拔柏葛公司在本生锅炉的基础上进行改进的一种炉型它的商业名称为“通用压力锅炉(UniversalPressureBoiler)”或“UP锅炉”是指锅炉的压力既适用于亚临界又适合于超临界(a)一次上升型适用于大容量亚临界压力及超临界压力锅炉(b)上升-上升型适用于较小容量的超临界锅炉(c)双回路上升型适合于较小容量亚临界压力锅炉一次上升型垂直管屏有以下特点由于一次上升各管之间壁温差较小适宜于采用膜式水冷壁为了减少热偏差在结构计算中考虑有一次或多次中间混合每个管带入口有调节阀w一般为2000-3400kg/(m2·s)由于有中间联箱不适合作滑压运行特别适合大于600MW带基本负荷大容量锅炉中间联箱!压力降低时将引起汽水分配不均管系简单流程总长度短汽水系统水阻力小可采用全悬吊结构安装支吊非常方便是一种理想的管屏炉膛下部多次上升上部一次上升管屏(FW型)这种锅炉是美国福斯特·惠勒(FW)公司购买本生专利加以发展的一种型式在热负荷较高的下部采用2~3次垂直上升管屏使每个流程的焓增量减少各流程出口经过充分的混合可以做到任何两管间温差小于22上部由于热负荷低工质比容大可采用一次上升管屏由于采用中间混合所以不适宜滑压运行1950t/hFW型超临界压力直流锅炉炉膛受热面布置3螺旋式水冷壁管屏是西德瑞士和日本等国为适应变负荷运行的需要而发展起来的水冷壁四面倾斜上升由于水平管屏吸热比较均匀因此可以在生成蒸汽途中没有混合联箱在滑参数运行时也就没有汽水混合物分配不均的问题了因而特别适合于滑压运行由于水平管圈承受荷重的能力差因此有的锅炉在上部使用垂直上升管屏也就可以采用全悬吊结构265MW机组的苏尔寿螺旋式水冷壁直流锅炉哈锅水冷壁水冷壁采用全焊接的膜式水冷壁保证燃烧室的严密性鳍片宽度能适应变压运行的工况并确保在任何工况下鳍端温度低于材料的最高允许温度在任何工况下尤其是低负荷及启动工况应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防止发生在亚临界压力下的偏离核态沸腾和超临界压力下的类膜态沸腾现象在设计中应采用防止膜态沸腾的措施水冷壁的设计要考虑起动时汽水膨胀现象水冷壁管进行水动力不稳定性和水冷壁管内沸腾传热计算确定不发生脉动的界限质量流速和管子最大壁温及管子上下壁温差还应进行水冷壁管管壁温度工况的校核判断管子的温度和应力是否在许用范围内对螺旋管水冷壁螺旋管倾角的选择应充分考虑汽水分层传热恶化的影响水冷壁的水量和热量分配应均匀以保证沿炉膛宽度方向和四周方向吸热均匀水冷壁应有足够的动力水头以防止水循环中出现停滞倒流不稳定的水动力等等水冷壁的设计应保证螺旋管出口相邻两根管子之间的温度偏差不高于80oC最低直流负荷应不大于30%B-MCR1螺旋管圈水冷壁的优势从理论上分析螺旋管圈水冷壁具有下述优势(1)工作在下辐射区的水冷壁同步经过受热最强的区域和受热最弱的区域(2)工质在下辐射区一次性沿着螺旋管圈上升没有中间联箱在工质比容变化最大的阶段避免了再分配(3)不受炉膛周界的限制可灵活选择并列工作的水冷壁管子根数和管径保证较大的质量流速螺旋管圈水冷壁的水动力特性螺旋管圈水冷壁的这些优点使得水冷壁能够工作在热偏差最小和流量偏差最小的良好状态因此其水动力稳定性较高不会产生停滞和倒流可以不装节流圈最适合变压运行2螺旋管圈水冷壁结构及主要参数石洞口第二发电厂的600MW超临界参数锅炉即采用螺旋管圈水冷壁管子规格为38×5.6mm材料为13CrMo44由316根管盘旋至炉膛折焰角下部盘旋圈数为1.74圈螺旋管倾角为13.95l00%MCR工况时的质量流速为2800kg/(m2·s)螺旋管出口处的工质温度控制在413水冷壁出口处的工质温度控制在433直流运行工况的最小质量流速为980kg/(m2·s)显而易见螺旋管圈水冷壁尽管在结构上与垂直管屏水冷壁不同在运行方式上也存在差别但它们在超临界压力下的工作参数(压力和温度)几乎一致下辐射区水冷壁出口的工质温度的控制主要取决于超临界压力下工质的热物理特性即在相同的工作压力下无论是垂直管屏水冷壁还是螺旋管圈水冷壁下辐射区水冷壁出口的工质温度都应控制在不高于相应压力的拟临界温度下即将工质吸热能力最强的大比热区避开热负荷最高的燃烧器区域推移到热负荷较低的区域3变压运行时螺旋管圈水冷壁的工作特点(l)超临界参数锅炉变压运行时工作压力随负荷变化在75%MCR负荷以下时水冷壁在亚临界压力区工作管内工质是汽水混合物比容变化较大此时如果管外热流密度过高不仅容易引起膜态沸腾还会引起较大的工质热膨胀(2)超临界压力锅炉在低负荷变压运行时下辐射区出口的压力比较低50%MCR负荷时的中间点压力为13MPa这时饱和汽的比容是水的比容的8.1倍以上汽水的比容差显著增大(3)低负荷运行时螺旋管圈进口工质温度降低工质欠焓增大当部分水冷壁结渣积灰或火焰偏移时将使各水冷壁管的沸腾点不同步地推迟此时尽管水冷壁的总流量不变但是各管内工质流量分配不均或流量时大时小从而出现流动不稳定现象因此应特别注意低负荷下的水动力不稳定性负荷越低压力越低越容易出现水动力不稳定性(4)变压运行的超临界直流锅炉启动时处于无压或低压状态随着燃烧率的增加工质温度和压力不断提高水冷壁管中的汽水膨胀使得水冷壁出口的流量远大于给水量这将影响到分离器的水位变化特性和系统的水动力稳定性75%MCR负荷以上时水冷壁进入临界压力和超临界压力区工作影响水动力稳定性和传热特性的主要因素是工质的大比热特性4热偏差对螺旋管圈水冷壁安全性的影响实际运行经验表明直流锅炉的水动力不稳定性多数是在低负荷且水冷壁热负荷分布不均的情况下形成的水冷壁热负荷分布主要决定于火焰中心位置的偏移以及受热面结渣和积灰等条件即影响水动力稳定性的主要因素是炉内过程引起的热偏差超临界参数600MW锅炉曾经因为四角火焰燃烧调整存在偏差导致低负荷时炉膛火焰充满程度不好火焰向后墙偏斜使得锅炉在50%MCR及以下的负荷范围内运行时后墙水冷壁出现超温现象低负荷时水冷壁超温的原因不仅与热偏差增大有关而且与水冷壁中工质流量减少质量流速降低有关机组负荷高于60%MCR时火焰偏斜程度减弱水冷壁中工质流量逐渐增大超温现象逐渐缓减5燃料投入速度及减温水量对水动力特性的影响在升温升压的过程中随着燃料量的增加尤其是直吹式系统增投磨煤机时一方面炉内燃烧放热量增大引起热敏感性较强的水冷壁吸热量剧烈变化管内汽水比容变化速度加快另一方面为控制汽温还需要增加减温水量如果减温水量较大水冷壁中工质流量就减少得多因此实际运行中总是有多种不利因素同时影响着水动力的稳定性超临界压力锅炉水冷壁系统特性一超临界参数的基本特性二超临界压力螺旋管水冷壁的结构及特点三汽水分离器的作用和构造一超临界参数的基本特性临界点约22MPa374.15超临界压力下不再有汽水两相区加热过热(一)超临界压力水蒸气的比容比热和焓(二)亚临界超临界压力下的水动力特性(三)超临界压力下的传热特性(四)超临界压力下的汽水工况(一)超临界压力水蒸气的比容比热和焓1比容在相变点比容增加的很快与压力的关系2比热大比热特性超临界压力下对应一定的压力工质存在一个大比热区对应比热最大值的温度称为拟临界温度工质温度低于拟临界温度时工质为水工质温度高于拟临界温度时工质为汽工质最大比热对应的拟临界温度点也称为相变点水侧随温度升高而增加汽侧相反一个峰值!随压力的变化大比热区大比热区内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或类膜态沸腾控制下辐射区水冷壁的吸热量尤其是将下辐射区水冷壁出口的工质温度控制在对应工质压力的拟临界温度以下使工质的大比热区避开受热最强的燃烧器区域是超临界锅炉机组设计和运行的关键焓值的变化在变相点附近也很大3超临界压力水蒸气的其它特性在变相点#导热系数#动力粘度#普朗特数超临界压力下的传热特性类膜态沸腾在最大比热区即相变点附近超临界压力工质的特性发生显著的变化在一定条件下可能出现传热恶化这种传热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾壁温飞升超临界压力下工质热物理性质的急剧变化对管子传热特性的主要影响表现在以下几方面(1)由于管子壁面处流体的温度与管子中心的流体温度不同管子中心的流体粘度大而壁面处的流体粘度降低例如当工质温度在300~400范围内时管内壁面处的工质粘度约为管中心工质粘度的1/3左右由此产生粘度梯度引起流体边界层的层流化(2)在边界层中的流体密度降低产生浮力促使紊流传热层流化(3)边界层中的流体导热系数也随着降低又使导热性差的流体与管壁接触当进口温度较低时壁面处的流体速度远小于管中心的流体速度这又促使流动层流化显而易见在管子热负荷较大时就可能导致传热恶化超临界压力下由于工质热物理特性变化导致的这种传热恶化现象类似于亚临界参数下的膜态沸腾称为类膜态沸腾(二)亚临界超临界压力下的水动力特性1直流锅炉的水动力多值性水动力不稳定的主要表现是流量和压差的关系不是单值性的而是多值性的即对应一个压差出现两个或两个以上的流量水动力多值性的具体表现对于一根管子流量有时大有时小对于并联工作的一组管子有的管中流量大有的管中流量小使并联工作的各管子出口的工质比容干度温度等状态参数产生不均匀有的管子出口是不饱和的水有的是过热蒸汽有的是汽水混合物对一根管子来说出口工质有时是不饱和的水有时是过热蒸汽有时是汽水混合物的现象这当然是不安全的工况影响直流锅炉水动力多值性的因素水动力多值性的出现从根本上来说是由于热水段和蒸发段的共存且蒸发段中工质比容变化较大引起的(1)工质压力影响起主要作用当压力降低时汽水密度差增大水动力趋于不稳定单从压力看超临界压力下应该是稳定的但仍有其它一些因素2蒸发管进口水欠焓工质欠焓越大越容易出现多值性3质量流速质量流速越小工质流量分配越不均匀越容易发生水动力多值性螺旋管圈水冷壁!管数少!质量流速高4热负荷q热负荷q降低(水冷壁吸热量Q降低)时相当于增大了工质欠焓使水动力趋于不稳定5锅炉负荷直流锅炉在低负荷运行时比高负荷时的水动力稳定性要差得多因为低负荷时压力低质量流速小进口工质欠焓大热负荷降低热偏差增大6重位压头垂直管屏不但可能出现水动力不稳定现象还可能出现停滞和倒流问题因此垂直管屏水动力稳定性条件要求更高7工质大比热特性当工质温度处于大比热区范围内且吸热量同时增大时比容发生剧烈变化引起工质的膨胀量急剧增大容易产生水动力不稳定现象1提高质量流速提高质量流速是提高水动力稳定性的最有效的方法2提高启动压力p采用变压运行的螺旋管圈水冷壁的直流锅炉应避免低负荷时的工作压力过低垂直管屏最好采用全压启动方式3采用节流圈使热水段的流动阻力总是占优势4减小进口工质欠焓i=0时水冷壁进口联箱中分配给每根水冷壁管的流量不均匀性增大但欠焓减小有利于提高水动力的稳定性提高水动力稳定性的方法5减小受热偏差水动力不稳定性主要是由热偏差引起的及时吹灰防止水冷壁结渣积灰防止火焰偏斜6控制下辐射区水冷壁出口温度应将工质的大比热区避开热负荷较高的燃烧器区这就要求控制下辐射区水冷壁出口工质的温度使其低于拟临界温度以下现象!进入蒸发管的水流量和流出蒸发管的蒸汽流量发生周期性的波动全炉脉动屏间脉动管间脉动(1)在并联工作的管子之间某些管子的进口水流量时大时小当一部分管子的水流量增大时另一部分管子的水流量却在减小与此同时管子出口的蒸汽量也在进行周期性的变化(2)当管子进口的水流量G最大时出口的蒸汽流量D最小(3)整个管组的进水量和蒸汽量变化不大2蒸发管的脉动性危害交界面处交替接触不同状态的工质使管壁温度发生周期性变化以至引起金属管子的疲劳破坏汽温不易控制甚至引起管壁超温冲击作用力造成管屏的机械振动引起管屏的机械应力破坏防止脉动的措施(1)提高质量流速(2)采用节流圈(3)提高进口压力运行实践证明p14Mpa时基本不发生脉动现象但变压运行的直流锅炉启动或低负荷运行时应注意脉动的产生(4)降低蒸发点的热负荷和热偏差(5)