超临界机组水动力与传热特性

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1、三、超临界机组水动力与传热特性锅炉水动力特性概述超临界锅炉的水动力特性影响因素超临界机组螺旋管圈水冷壁垂直管圈水冷壁超临界锅炉采用垂直管屏水冷壁的变压运行技术锅炉水动力特性概述亚临界参数锅炉水动力特性锅炉的水动力特性不仅影响着水冷壁的传热特性和安全性，而且在很大程度上影响着汽温特性、调峰性能和燃烧调节性能。由于水冷壁的水动力特性主要取决于循环方式，而循环方式不仅取决于锅炉的容量和参数，而且取决于不同燃烧方式所需要的炉型结构，所以亚临界参数锅炉出现自然循环、控制循环和强制流动等多种形式。按照目前的设计技术，对于600MW亚临界参数机组，当采用四角燃烧方式时候，由于炉膛周界的限制，适宜采用控制循环

2、方式。采用对冲燃烧方式时候，炉膛周界比较大并且选择较大的水冷壁管径，适宜采用自然循环方式。超临界参数锅炉水动力特性超临界参数锅炉水动力特性主要决定于水冷壁形式、工质的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分布范围等因素。工质的热物理特性是指超临界参数下，在拟临界温度左右的一定范围内，工质受到大比热特性的影响，比容、黏度、导热系数发生急剧变化的特性。超临界压力下工质的热物理特性显著的影响着直流锅炉水动力的稳定性和下辐射区水冷壁出口工质的温度，进一步影响到自动调节性能。超临界锅炉的水动力特性影响因素超临界参数锅炉的水动力特性，主要取决于工质的热物理特性、水冷壁型式、运行方式、水冷壁热流密度

3、的大小及其分布等因素的影响。压力对循环特性的影响运行和实测数据表明，亚临界参数自然循环锅炉的汽包压力达到20.678MPa时，自然循环仍然不成问题。压力由15.0MPa提高到20.0MPa，下降管内工质密度大约减少20％，上升管内工质密度几乎不变，循环流动压头只有微小的降低，因而对循环特性的影响不大，由此可见压力不是影响循环特性的主要因素。由理论分析可以知道，压力对于循环特性的影响具有双重作用：一方面压力提高使循环流动的压头略有减少；另一方面压力提高使水冷壁管内工质的汽化潜热减小.炉型结构对循环特性的影响锅炉炉型结构首先取决于锅炉燃烧条件，即取决于燃料的燃烧特性和结渣特性以及燃烧方式；其次取决

4、于锅炉蒸发量和限制产生膜态沸腾的安全裕度。对于亚临界参数锅炉，随着锅炉容量增大相对于单位蒸发量的炉膛周界减小，管内质量含汽率增大，达到0.3-0.4，循环流速达到1.7-2.0m／s。30％MCR时的循环流速能保持1m／s的水平。试验数据表明，循环流速达到0.4m／s，水冷壁管内的工质流动就不会产生停滞和倒流现象。当水冷壁采用内螺纹管时，质量含汽率即使达到0.6，也不会出现膜态沸腾导致的传热恶化现象，因而自然循环具有较大的安全裕度。工质的热物理特性对水动力及传热特性的影响1）工质大比热特性的影响超临界参数锅炉的技术关键就是水冷壁。超临界锅炉水冷壁的循环倍率通常只有1或小于1(当过热器减温水量较

5、大时)，变压运行的超临界机组低负荷时流量较小，这决定了水冷壁需要较小的管径和特殊的管圈型式，以确保管内有足够高的质量流速，保证冷却管壁，使其不超温。经过长期的发展，超临界锅炉水冷壁管圈主要有螺旋管圈水冷壁和垂直管圈水冷壁两种型式。两者不同点：螺旋管圈适用于变压运行，垂直管屏适用于定压运行。两者共同点：A高负荷运行工况下，水冷壁都是在超临界压力下工作，管内工质温度随吸热量增加而提高。B工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化，但是工质温度变化不大。C压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热特性逐渐减弱。拟临界温度：超临界压力下对应一定压力，工质存在一个大比热区。对应比热最大值的温度称为拟

6、临界温度。工质温度低于拟临界温度时候为水，高于时为汽。也称为相变点。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加，从而引起水动力不稳定或类膜态沸腾。在大比热区外，工质比热很小，因而温度随吸热变化很大。根据超临界压力下工质的热物理特性，控制下辐射区水冷壁吸热量，尤其是将下辐射区水冷壁出口工质温度控制在对应工质压力的拟临界压力下，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设计和运行的关键。2）超临界压力下的类膜态沸腾超临界压力下水冷壁管内可能发生的类膜态沸腾，主要是由于在管子内壁面附近的流体黏度、比热、导热系数和比容等物性参数发生显著变化引起的。超临界压力下工质热物理特性的急剧

7、变化对管子传热特性的影响主要有：A由于流体温度不同，管子中心流体黏度大，壁面处黏度小。黏性梯度引起流体边界层的层流化。B在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，又促使流动层流化。C在边界层中密度减小，产生浮力，促使紊流边界层流化。在管子热负荷较大时可能导致传热恶化。类膜态沸腾：超临界压力下由于工质热物理特性的变化导