700℃超超临界锅炉水冷壁壁温特性研究

作     者：刘旭聃 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张忠孝

授予年度：2014年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：超超临界锅炉 水冷壁 传热特性 壁温特性 数学模型 

摘      要：在未来相当长的时间内，我国对一次能源的消费需求将持续上升，这对能源的高效清洁利用以及环境保护等提出了新的要求。我国的600℃等级超超临界发电技术已经接近成熟，在此基础上发展先进700℃超超临界机发电技术是未来几十年能源领域发展的重要目标以及前进方向。由于长期以来炉内燃烧与锅内水动力耦合研究的缺失，锅炉实际运行中超温爆管现象频繁发生，超超临界锅炉炉内传热特性亟待解决。解决炉内燃烧与锅内水动力耦合机制是700℃先进超超临界燃煤发电的核心，也是保证700℃超超临界发电技术及锅炉长期安全、高效运行的关键。本文在600℃超超临界锅炉计算与实验结果的基础上,研究了在600℃超超临界锅炉结构下，假设蒸汽温度提升至700℃时，建立700℃超超临界锅炉炉内燃烧与水冷壁传热数学模型，得到了壁温分布规律，并编写了1000MW超超临界锅炉水冷壁壁温分区计算程序，主要研究结果如下： 对于炉内燃烧与传热来说：600℃和700℃下炉内烟温和热负荷分布规律基本相同，沿炉膛高度方向上逞先增大后减小的趋势，在炉膛相对高度为0.55处附近，烟温和水冷壁壁面热负荷达到最大值，在最高点之前上升趋势快，之后减弱，而且水冷壁中心区域的热负荷要高于水冷壁两侧分区;对比不同负荷下的烟温和热负荷分布，随着负荷的降低，烟温和热负荷都依次降低;由于水冷壁管子进口工质温度的提高，在相同炉型相同负荷下，700℃的炉内传热能力要弱于600℃，导致炉内烟温和壁面热负荷比600℃高;本文还分析了炉内对流换热的影响，结果表明在燃烧器以上区域，对流换热量所占的比重已经远远超过5%，700℃时在BMCR工况下最大已经达到22.3%，600℃下也有16.8%，这说明对于大容量高参数的超超临界锅炉，在计算炉内换热量时已经不能忽略对流换热的影响;本文还给出了对流与辐射耦合的炉膛放热系数，为大容量超超临界锅炉设计工作提供了依据。对于锅内工质的换热来说：600℃超超临界参数三种工况下的工质都经历了两相区，在两相区内工质温度不变，保持为饱和温度;而700℃超超临界BMCR工况下的水冷壁进口工质温度已经达到该参数下的拟临界温度375℃，工质在水冷壁管内一直都是单相流体，表明在进入水冷壁管子之前已经跨过大比热区，工质在管内升温速率基本相同;75%BMCR和50%BMCR工况下工质依然需要跨过大比热区，但与600℃相比，75%BMCR工况下大比热区不明显。针对水冷壁壁温的求解，本文综合炉内与锅内的分区数值计算模型，建立了炉内气固多相燃烧与锅内汽液多相水动力的耦合换热模型，研究了无偏差以及分别存在热偏差和流量偏差时的水冷壁壁面温度分布规律，结果表明：无热偏差及流量偏差时，BMCR工况下水冷壁周向壁温分布呈中间高两边低的趋势，600℃时水冷壁计算壁温400℃25℃，700℃时计算壁温在534℃19℃。壁温最大值为619℃，建议在5%左右的设计裕度下，水冷壁管子选用许用温度大于650℃的材质以保证运行安全。对比不同标高处水冷壁壁温的分布曲线，34m标高处壁温曲线的曲率要远大于54m标高处的曲率，这主要是因为34m标高处于主燃烧区，而54m标高处于燃尽区，34m标高处的水冷壁接受了强烈的火焰辐射，热负荷对水冷壁中心和两边的偏差更大;本文还分布析了存在热偏差及流量偏差时的壁温分布规律，结果表明，为保证水冷壁管子金属温度不超过材料许用温度的情况下满足锅炉运行的水动力条件，应保证火焰中心偏移最大位置不超过3m;工质流量偏差不超过-30%。