基于水動力計算的鍋爐出口溫度及熱負荷分布分析

張 吉

（臺州市特種設備監督檢驗中心，浙江臺州318000）

鍋爐爐膛熱負荷受到多種因素的共同影響，包括燃料種類、爐膛結構與燃燒形式等，因此無法對其實際運行期間的熱負荷情況進行準確預測[1-4]?，F階段，主要從設計層面分析爐膛寬度熱負荷分布規律，但很少研究實際工況下的熱負荷分布結果[5]。相關方面的研究吸引了很多的研究學者。沈倩等[6]通過實驗分析了燃料種類、燃燒形式與爐膛外形結構對電站鍋爐運行狀態及其爐膛熱負荷造成的影響，并在此基礎上構建得到了一種計算超臨界燃燒直流鍋爐在爐膛寬度方向上的熱負荷分布規律，深入探討了水冷壁中液體介質流動特點并計算了爐膛各部位的傳熱系數，最終得到水冷壁系統的壓力降、阻力及其流量分布規律。鄒堃等[7]通過在水冷壁區域安裝了眾多溫度測試點的方式獲得超臨界鍋爐螺旋管圈各區域測試點的溫度值，并根據實際測試結果推導得到煙氣區域平均熱負荷。丁小驕等[8]針對各工況條件下的預混與擴散規律進行了分析，結果發現當空氣系數增大后，將使排放廢氣中的NO與CO濃度減小。李東鵬等[9]在研究了當前大型機組結構的基礎上，計算得到了處于海拔2 900 m情況下660 MW機組鍋爐的最佳熱負荷。

本文為了精確掌握電站鍋爐高溫受熱面出口區域的溫度，對超臨界變壓運行直流鍋爐進行了研究，總共包含了1 728根爐膛水冷管，由四面墻組成，各面墻分別為432根。給出了水動力計算流程，測定了管壁溫度分布，并根據原有出口溫度分布狀態計算出爐膛寬度方向上的熱負荷分布。

1 熱負荷分布計算

1.1 爐膛出口溫度及水動力計算

通過安裝溫度測試點的方式測定鍋爐受熱面區域溫度分布情況，其中上爐膛水冷壁管的出口處布設了80個測量點，下爐膛出口處布設了448個測量點，各項數據其實并不太完整。對出口溫度分布數據進行分析時，下爐膛是根據節流圈特點對水冷壁管實施分組，以2根或者4根管子作為一組，共同對應一個溫度測試數據；上爐膛的水冷壁管是根據二級混合器分布特點進行分組，屬于同一組的水冷管對應一個共同的溫度測試數據。鍋爐水動力特性指的是當熱負荷與鍋爐結構保持恒定的情況下，不同管內工質流量下形成的阻力壓降。根據水動力計算結果可以判斷受熱面管中的工質流動狀態及其傳熱過程的安全性。圖1給出了水動力計算的具體流程。

圖1 水動力計算流程

1.2 平均比容的確定

在超臨界壓力下當工質進入比熱容較大的區域時其熱物性將會明顯轉變，并且密度跟焓值之間也不再是完全的線性關系，尤其是下爐膛的工質性質快速變化，會形成二個不同區段，所以必須采用分段方法來處理工質的平均比容，從圖2中可以看到對區段進行分類的具體過程。

圖2 區域劃分

在實際計算的過程中，要考慮很多串聯與并聯的管子。下爐膛的水冷壁通常都是由質量流速較低的垂直管屏組成，因此水的自身重力也是構成阻力的一個重要因素，同時管內的各處工質特性也存在明顯差異[10-12]。所以，需要充分考慮不同管道間的差異性并注意分析重力產生的作用，可以將其表示為系數Ki：

式中：Ki是經折算得到的阻力系數，kg-1·m-1；f是管子的截面積，m2；ρi是工質的平均密度，kg/m3；Zi代表摩擦與阻力系數；vi是工質的平均比容，m3/kg；Gi是工質流量，kg/s；g是重力加速度，N/kg；h代表高度，m。

1.3 熱負荷分布的確定

考慮到實際情況中鍋爐燃燒的復雜性，因此在設定熱負荷分布模型的時候要考慮到上下爐膛溫度分布的差異性。所以，需要進一步根據原有出口溫度分布狀態計算出爐膛寬度方向上的熱負荷特點，從圖3中可以看到計算的具體過程。首先通過鍋爐熱動力計算上下爐膛溫度吸熱量分布情況，然后分別根據熱負荷不均勻系數擬合結果并計算爐膛吸熱量分配系數，最后給出每根管熱量修正系數。

圖3 熱負荷分布計算流程

2 熱負荷分布結果分析

2.1 工 況

對熱負荷的分布狀態進行計算時，需要同時分析計算工況與校核工況，其中前者被用于構建熱負荷模型，后者是對模型進行驗證。從表1中可以看到以上計算工況與校核工況的參數取值，并將其作為建模的初始條件。

2.2 寬度方向熱負荷

圖4給出了爐膛水冷壁沿寬度方向熱負荷不均勻系數分布變化結果。從圖4中可以看到在設定工況條件下爐膛水冷壁寬度上的熱負荷特點?？梢园l現，在爐膛寬度方向上并未形成連續的熱負荷分布現象，通常會在某一點發生突變的情況，這主要是由于計算時受數據處理過程所引起的結果。構建熱負荷模型時需以現場壁溫數據作為參考依據，但考慮到測點數量有限，所以進行實際計算時要充分考慮到熱負荷狀態和爐內燃燒過程緊密關聯。在鍋爐的燃燒過程中，會由于風量或粉量分布不均勻的情況等因素導致熱負荷出現偏差。

表1 工況數據

圖4 爐膛水冷壁沿寬度方向熱負荷不均勻系數分布

2.3 出口溫度

從圖5中可以看到在校核工況下在爐膛水冷壁出口區域形成的爐膛水冷壁出口溫度分布，根據熱力與鍋爐水動力計算數據推斷出下爐膛水冷壁管出口溫度，可以明顯發現實際測量值和計算值基本一致，表現出相同的溫度分布規律。隨著水冷壁管號的增加，爐膛水冷壁出口溫度表現出先迅速增加后降低然后趨于穩定的變化規律，這與所選取的管子的位置有關。

3 結語

（1）為了精確掌握鍋爐高溫受熱面出口區域的溫度，給出了水動力計算流程，并測定了管壁溫度分布，并進一步根據原有出口溫度分布狀態計算出爐膛寬度方向上的熱負荷特點。

圖5 爐膛水冷壁出口溫度分布

（2）在爐膛寬度方向上并未形成連續的熱負荷分布現象，通常會在某一點發生突變。熱負荷分布狀態和爐內燃燒過程緊密關聯，在鍋爐的燃燒過程中，會由于風量或粉量分布不均勻的情況等因素導致熱負荷出現偏差。

（3）根據熱力與鍋爐水動力計算數據推斷出下爐膛水冷壁管出口溫度，發現實際測量值和計算值基本一致，表現出相同的溫度分布規律。