1000 MW超超临界锅炉水动力特性分析及应对措施.pdf

第5期1 000 MW超超临界锅炉水动力特性分析及应对措施管晓军，雷鸣洋（国家能源集团宁夏电力公司，宁夏 银川750011）摘要：锅炉受热面水动力特性不良易引起水冷壁金属壁温偏差过大，长期的壁温波动使得水冷壁薄弱部位易发生裂纹，导致水冷壁泄漏，严重危害锅炉的安全有效运行。以某1 000 MW超超临界直流锅炉研究为对象，针对垂直管圈水冷壁的横向裂纹问题，重点分析了水动力特性对下炉膛水冷壁在不同工况下的运行特性及壁温差对金属壁温的影响，确定了温度梯度最大位置，为锅炉节流孔圈调整提供依据。通过对节流孔圈改造，避免了由于过大壁温差造成的水冷壁横向裂纹产生，为同类型锅炉节流圈的改造提供经验依据，对提高炉膛水冷壁运行的安全性具有重要意义。关键词：超超临界；垂直管圈；水冷壁；水动力中图分类号：TN925文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）05-050-04作者简介：管晓军（1985），男，硕士，工程师，现任职于国家能源集团宁夏电力公司，主要从事电力锅炉专业设备管理工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：管晓军，雷鸣洋.1 000 MW超超临界锅炉水动力特性分析及应对措施 J.能源科技，2023，21（5）：50-53.0引言某电厂2台1 000 MW超超临界变压运行直流锅炉，采用型布置、单炉膛、一次中间再热、低NOx主燃烧器和高位燃尽风分级燃烧技术、反向双切圆燃烧方式，炉膛为内螺纹管垂直上升膜式水冷壁，带循环泵启动系统。自2019年投运以来，发生多次因水冷壁泄漏事件造成机组非计划停运。截至2022年10月，2 台机组累计发生泄漏26 次，其中1 号锅炉12 次，2 号锅炉14次。除此之外，在启动上水过程中也发生多次泄漏（数据统计共10 次，其中1 号锅炉4 次，2 号锅炉6 次）。1水冷壁存在问题分析1.1水冷壁泄漏分析针对历次水冷壁泄漏，根据泄漏原因进行分析，见表1。由以上数据分析可以看出，管子热疲劳裂纹和鳍片撕裂造成水冷壁泄漏占总泄漏数的53.8%，是锅炉水冷壁泄漏的主要原因，所以找到造成管子热疲劳裂纹原因和鳍片撕裂原因是解决水冷壁泄漏的关键所在。表1历次水冷壁泄漏原因归类泄漏类型对接焊缝横向裂纹管子热疲劳裂纹鳍片撕裂刚性梁焊缝开裂过热爆管其他合计1 号锅炉运行泄漏221027水压泄漏0122052 号锅炉运行泄漏1150018水压泄漏1202016总数468422261.2水冷壁结构分析某电厂2 台1 000 MW等级超超临界水冷壁采用日本三菱公司垂直管圈水冷壁技术。垂直管圈水冷壁充分利用内螺纹管的传热强化作用，可在水冷壁中获得较低质量流速，因此水冷壁阻力较小，对于疏松型结渣来说，吹灰效果较好，渣块的自行脱落性较好，结渣倾向较小。与螺旋管圈相比，由于摩阻较小，因此其自补偿能力优于螺旋管圈。内螺纹管垂直上升水冷壁的主要缺点是：（1）内螺纹管制造精度对水动力特性敏感性较大，需要加设节流孔圈，增加了水冷壁下集箱结构的复杂性。第21卷 第5期Vol.21No.52023年10月Oct.2023第5期（2）由于是全高一次上升，燃烧器区域以及非受热区段等因素增加了水冷壁各回路吸热不均的敏感性，导致热力偏差和水力偏差都较螺旋管圈大1。1.3水冷壁壁温分析选择典型工况点前墙和左侧墙作为研究对象，表2为炉膛水冷壁前墙和左侧墙不同工况下实际运行壁温数据。表2炉膛水冷壁不同工况下实际运行壁温数据工况负荷磨煤机投运主汽温度/再热汽温/壁温最高值前墙中间出口/左墙中间出口/壁温最低值前墙中间出口/左墙中间出口/壁温偏差前墙中间出口/左墙中间出口/T01750 MWABCDE590.8609.4416.1428.4370.8377.845.350.6T02500 MWDEF582608.4387.8363.9350.9350.136.913.8T03500 MWCDF578.7590.1436.3374.6347.4346.788.927.9对水冷壁前墙、左墙、中间出口壁温及中间出口相邻管壁温进行监测分析，如图1图4所示。500.0480.0460.0440.0420.0400.0380.0360.0340.0320.0300.0管子编号（炉左往炉右数）024487296120144168192216240264288312336360384408432456480000504528552576600624648672696720744768温度/2 号500 MW DEF2 号500 MW CDF2 号765 MW ABCDE图1前墙水冷壁中间出口运行壁温曲线50.045.040.035.030.025.020.015.010.05.00.0管子编号（炉左往炉右数）024487296120144168192216240264288312336360384408432456480000504528552576600624648672696720744768温度/2 号500 MW DEF2 号500 MW CDF2 号765 MW ABCDE图2前墙水冷壁中间出口相邻管壁温偏差曲线500.0480.0460.0440.0420.0400.0380.0360.0340.0320.0300.0管子编号（炉左往炉右数）024487296120144168192216240264288312336360384温度/2 号500 MW DEF2 号500 MW CDF2 号765 MW ABCDE图3左墙水冷壁中间出口运行壁温曲线50.045.040.035.030.025.020.015.010.05.00.0管子编号（炉左往炉右数）024487296120144168192216240264288312336360384温度/2 号500 MW DEF2 号500 MW CDF2 号765 MW ABCDE图4左墙水冷壁中间出口相邻管壁温偏差曲线从上述水冷壁实际运行壁温数据及壁温曲线可以看出：（1）前墙水冷壁高负荷（T01 工况）壁温偏差较小，低负荷（T02T03工况）壁温偏差较大；侧墙水冷壁高负荷（T01 工况）壁温偏差较大，低负荷（T02T03工况）壁温偏差较小。（2）前墙水冷壁高负荷工况（T01工况）下，3963号管（回路 2）、87103 号管（回路 4）、663679 号管（回路25）、709725号管（回路27）壁温较高；低负荷工况（T02T03 工况）下，235259 号管（回路 10）、317381 号管（回路13、14）、405433 号管（回路16）壁温较高。（3）左侧墙水冷壁T01T03工况下，壁温水平较为均匀，其中左墙283291号管（回路4）壁温较高。（4）500 MW 负荷下不同工况（T02T03）分析，投运上层磨煤机对水冷壁壁温及汽温均有利，T02工况，分离器温度约390，主汽温度超过582，水冷壁最高壁温值为438。（5）从整面墙壁温偏差来看，前墙壁温偏差较大，左侧墙壁温偏差较小。从相邻管壁温偏差来看，与整面墙壁温偏差趋势一样，前墙相邻管壁温偏差较大，侧墙相邻管壁温偏差较小。1.4解决方案根据壁温数据分析可知，低负荷工况（T02T03工况）下，前后墙壁温较高区域仍位于传统的高热负荷区域（即前墙中间23 号角燃烧器区域，后墙56 号角燃烧器区域和78 号角燃烧器区域），两侧墙整体壁温相对较低且偏差较小。高负荷工况（T01 工况）下，前墙水冷壁高温区转移至靠近两侧墙区域，中间23 号角燃烧器区域壁温反而降低，但整体壁温水平更为均衡。根据以上分析情况可知，以单台锅炉低负荷工况为基准，首先校核管内工质流动是否会发生脉动现象，然后调节节流孔圈，降低下炉膛水冷壁高温区管子的壁温，使得温度分布更加均匀。主要按照以下步管晓军等：1 000 MW超超临界锅炉水动力特性分析及应对措施51第5期骤进行：（1）根据锅炉实际运行情况测量的壁温数据，反推低负荷工况的热偏差，校核管子流动不稳定性。（2）根据壁温的分布情况，调节节流孔圈的布置方案，使得下炉膛水冷壁出口汽温的分布更加均匀。（3）根据锅炉实际运行情况的壁温数据，反推高负荷工况的热偏差，校核调整节流孔圈后高负荷工况下的水动力安全性，确保高负荷时下炉膛出口汽温分布也在合理范围之内。2流动不稳定性分析计算炉膛循环特性的动态不稳定性会在热流密度发生变化时出现。由于热流密度的加强造成局部管内的水加速汽化，导致管内的水/水蒸气的阻力增大，但管子两端的压差是不变的，因此回路中那些受热加强流阻增大的管子进口的流量减小，达到一种新的平衡状态。但是这种新的平衡状态是不稳定的，如果流量过度减小，管内流阻太低，就会使流量向变大的方向变化。这样会在循环回路的入口和出口形成一种流量增减变化的往复循环模式，如果炉膛的阻力特性与这种流量的波动达到某种共振关系，那么流量的波动就不会衰减，而是会始终处于一种稳定的波动状态。它会使蒸发液面和过热蒸汽交界面在管子某个局部区域内有规律地频繁波动2。选取500 MW负荷下受热较强的回路13为计算，计算分析在1.1倍和1.3倍热负荷扰动下的流动不稳定性。图5为施加1.1倍热负荷扰动，1.3倍扰动图与1.1倍试验图形类似。图6为1.1倍热负荷扰动进、出口流量脉动，图7为1.3倍热负荷扰动进、出口流量脉动。图5施加1.1倍热负荷扰动0100200300400500时间/s0.20.150.10.05流量/（kgs-1）进口流量出口流量图61.1倍热负荷扰动进、出口流量脉动0100200300400500时间/s0.250.20.150.10.050流量/（kgs-1）进口流量出口流量图71.3倍热负荷扰动进、出口流量脉动由图5至图7可以看出，施加1.1倍、1.3倍热负荷扰动后，进、出口流量随时间呈反相脉动，即当进口流量增加时，出口流量减小；当进口流量减少时，出口流量增加，且进口流量随时间脉动的振幅大于出口流量随时间脉动的振幅。进口流量脉动的振幅随着时间逐渐减小，出口流量脉动的振幅随着时间变化也逐渐减小，进、出口流量脉动振幅随时间减小直至消失，最终进、出口流量相等，恢复到稳定状态。表明施加1.1倍、1.3倍热负荷扰动时，工况流动是稳定的。随着热负荷扰动倍数的增加，进口流量脉动的振幅逐渐增加，出口流量脉动的振幅也逐渐增加，但进、出口流量脉动的振幅仍随时间逐渐减小直至消失。最终进口流量与出口流量相等，恢复到稳定状态。根据流动不稳定性计算结果表明，现有节流孔圈方案下，锅炉在热负荷扰动下不会发生流动不稳定性。因此可推断，壁温偏差并非是流量脉动导致的，而是在低负荷下，各回路干湿状态不同步导致。受热较强的回路转态较早，出口温度较高；而受热较弱的回路，出口仍处于两相区，出口温度较低。此时，处于过热状态的管子，温度对流量的变化很敏感，所以当流量稍有变化时，其温度就会出现较为严重的波动、产生较大的壁温偏差。3调整方案对于受热较强的回路，适当放大节流孔圈的孔径，增大工质流量，减小出口工质温度，使得各回路出口温度更加均匀，减小温度对流量变化的敏感度，从而降低壁温偏差。另外，从运行上考虑，可以改变煤水比，增加锅炉的质量流量，也能减小温度对流量变化的敏感度3。3.1节流孔圈调整方案节流孔圈调整的主要思路是，以低负荷工况（T03T08）为基准，对于每面墙出口汽温较低的回路，减小其节流孔圈孔径，从而使得质量流速减小，出52第5期口汽温增加；对于每面墙出口汽温较高的回路，增加节流圈孔径，从而使得质量流速增加，出口汽温减小。如此可使每面墙的出口汽温更加均匀，从而降低壁温偏差。然后再采用新的节流孔圈方案，校核高负荷工况下的出口温度分布情况，确保各负荷下的出口温度分布在合理范围内。以上述节流孔圈调整思路调整前墙节流孔圈60个，后墙调整节流孔圈 71 个，左墙调整节流孔圈 5个，右墙调整节流孔圈6 个，共调整节流孔圈142 个。3.2调整后运行效果锅炉水冷壁节流孔圈更换前后水冷壁壁温情况统计，见表3。表3节流孔圈更换前后水冷壁壁温情况统计负荷情况/MW更换前更换后对比壁温变化率相邻管温差/壁温变化率相邻管温差/壁温变化率相邻管温差/95050017.0862.6014.6958.90-2.39-3.705009501667.41542.2-1-25.21 0003.6045.702.1241.40-1.48-4.308204.7444.603.8735.40-0.87-9.205007.5753.804.8049.60-2.77-4.20变负荷工况下，最快壁温变化速率及最高壁温差较节流孔圈更换前均有所改善，最快壁温变化速率较节流孔圈更换前下降1.7/min，最大相邻管温差较节流孔圈更换前下降14.5。稳定负荷高、低负荷工况下，最快壁温变化速率及最高壁温差较节流孔圈更换前均有所改善，最快壁温变化速率较节流孔圈更换前分别下降1.17/min、2.63/min，最大相邻管温差较节流孔圈更换前分别下降约6.75、0.6。综上所述，最快壁温变化速率及最高壁温差有所改善，且相邻管温差较节流孔圈更换前降低明显。4结语根据水冷壁各回路受热特征，通过其节流孔圈的孔径实现合理调配受热较强回路和受热弱回路介质流量，使得各回路出口温度更加均匀，减小温度对流量变化的敏感度，从而降低相邻管壁壁温偏差。以此消除因大壁温差造成的水冷壁横向裂纹产生，对提高炉膛水冷壁运行的安全性起到了重要保障。参考文献：1周晓韡，陈辉，戴维葆.基于水动力分析的锅炉水冷壁壁温控制研究 J.电站系统工程，2022，38（1）：17-20，24.2滕敏华，胡卿，万李.1000MW宽负荷超超临界机组锅炉水动力特性计算及分析 J.热力发电，2019，48（4）：60-67.3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.管晓军等：1 000 MW超超临界锅炉水动力特性分析及应对措施Analysis of Hydrodynamic Characteristics and Countermeasures for1 000 MW Ultra-supercritical BoilerGUAN Xiaojun,LEI Mingyang(CHN Energy Ningxia Power Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750011)Abstract：Poor hydrodynamic characteristics of the boiler s heated surface can easily lead to excessive metal walltemperature deviation of water-cooled wall,and long-term wall temperature fluctuations can easily cause cracks inthe weak areas of water-cooled wall,resulting in leakage on the water-cooled wall,which seriously affects the safeand effective operation of the boiler.Taking a 1 000 MW ultra-supercritical once-through boiler as the researchtarget,aiming at the transverse cracking problem of vertical tube coil water wall,this paper focuses on analyzing thehydrodynamic characteristics of the lower furnace water-cooled wall under different operating conditions and theimpact of wall temperature difference on the metal wall temperature.The location of the maximum temperaturegradient is determined,providing a basis for adjusting the throttle ring of the boiler.The transverse cracks on thewater-cooled wall caused by the temperature difference can be avoided through the transformation of the throttlering,which provides an empirical basis for the transformation of the throttle ring of the same type of boiler and is ofgreat significance for improving the safety of the water-cooled wall operation of the furnace.Key Words：Ultra Supercritical;Vertical Tube Ring;Water-cooled Wall;Hydrodynamic Force（收稿日期：2022-09-10责任编辑：马小军）53