超临界直流锅炉水冷壁水动力特性研究

摘要

随着化石能源的日益枯竭，节能减排的需求日益增加。相比于亚临界参数机组，超临界参数直流机组效率较高，故逐渐得到普及和应用。然而，在直流锅炉低负荷运行过程中，很容易发生流动不稳定现象，造成水冷壁管内流量分配不均，引起一系列超温事故，对超临界锅炉的安全运行造成严重影响。因此，对超临界机组低负荷启动运行阶段的水动力特性进行计算，掌握各影响因素对水动力稳定性的影响规律，提出解决和预防发生水动力不稳定的技术方案和调整方法，对我国超临界直流锅炉低负荷运行时的水冷壁安全的提高有着重要意义。
　　本文根据水力计算标准方法及水和水蒸气国际性质工业标准IAPWS-IF97，建立了单根受热水冷壁管的压降计算模型，并分别编制了定压运行、变压运行两种不同运行方式下的Matlab水动力计算程序。在此基础上，针对邹县电厂某1000MW超临界直流锅炉水冷壁启动工况水动力特性进行了分析研究。具体研究内容如下:
　　(1)选取21组不同的运行条件，通过定压运行水动力计算程序对水冷壁流量分数（即水冷壁流量与MCR下的流量的比值）在5％-35％范围内时锅炉水冷壁的水动力特性进行计算，并对结果进行分析。结果表明:定压运行时，在本文计算范围内，锅炉压力、入口工质温度和水冷壁平均热流密度的升高均有利于水动力特性的稳定，且其值越高，水动力曲线斜率越大，水动力稳定性越好，文中选取的几组运行条件下水动力特性曲线均单调上升，但在工作压力、给水温度、热流密度分别是8MPa、250℃、17kW/m2，8MPa、270℃、17kW/m2和8MPa、290℃、17kW/m2时，在10％-15％的流量分数段水动力稳定性较低，其对应最小转直流负荷应不低于20％MCR工况。压力过高易导致水冷壁出口温度过高，导致出口超温;入口温度和平均热流密度升高，对锅炉最小启动流量的要求升高;在计算压力和温度范围内，热流密度为57kW/m2时，保证水冷壁受热安全的最小启动流量对应流量分数均超过30％。定压运行时，下部螺旋水冷壁水动力特性曲线有可能出现下降段，而上部垂直水冷壁内水动力特性曲线单调上升，垂直水冷壁压降对水冷壁总体水动力曲线的稳定起到一定的补偿作用。
　　(2)分别选取两组压力条件、三组入口温度条件和四个平均热流密度值对变压运行时锅炉水冷壁的水动力特性进行计算，并分别从压力、温度和热流密度三个角度对水动力特性进行分析。结果表明:变压运行时，提高入口压力有利于提高水动力稳定性，但在文中几种运行条件下，水动力特性曲线出现了负斜率段，水动力稳定性相比定压运行时降低，最小转直流负荷均不小于30％MCR工况;几种工况下，提高入口工质温度对改善水动力特性的效果不明显，变压运行时该锅炉启动流量要求较高;热流密度的增高可以改善水动力稳定性，但是在几种变压运行条件下，只有当锅炉运行在起始压力为5MPa、起始温度为250℃且热流密度为17kW/m2时，计算范围内存在最小转直流负荷30％MCR，其他计算条件下水动力特性曲线均不稳定，5％-35％的流量分数范围内不存在合适的最小转直流负荷;变压运行时，螺旋管圈水冷壁和垂直水冷壁管内均有可能出现水动力多值性，锅炉启动低负荷阶段垂直水冷壁对提高水动力稳定性的作用不明显;变压运行对工质质量流速条件要求非常高，低负荷运行时会发生水动力多值性，不适合作为锅炉启动低负荷阶段的运行方式。
　　(3)根据该锅炉启动工况参数的实际变化情况，通过模拟启动阶段水冷壁入口工质温度和平均热流密度的变化规律，计算该超临界机组的压降随流量的变化曲线，对其水动力稳定性和传热特性进行分析，结果表明:该锅炉实际启动过程中，应保证水冷壁内工质质量流速不低于646.3kg/m2.s，锅炉最小转直流负荷不小于25％MCR，才能确保水动力曲线有足够的倾斜度，维持流动稳定性;垂直水冷壁内压降随流量增加而单调增加，其存在有利于水冷壁总体流动稳定性的提高，而螺旋水冷壁在流量分数小于25％的阶段出现压降随流量增加而降低的现象，出现流动多值性;在两部分水冷壁中，随着锅炉负荷的增加，流动阻力对水动力稳定性起着重要作用，其存在有利于水动力特性稳定。重位压降占总压降的比例逐渐降低，对水动力特性的稳定效果降低。
　　(4)针对该直流锅炉下部螺旋水冷壁，选取三组不同运行条件，对水冷壁最小转直流工况为25％MCR时的脉动特性进行校验，结果表明:当运行压力、入口工质温度、平均热流密度分别为11MPa、290℃、57kW/m2，8MPa、270℃、37kW/m2和9.7MPa、247.5℃、47.75kW/m2时，均不会出现压力降型脉动、密度波型脉动以及热力型脉动。

目录

声明

摘要

符号表

1 绪论

1．1 超临界直流锅炉发展概况

1．1．1 国外发展现状

1．1．2 国内发展现状

1．2 超临界直流锅炉水冷壁形式

1．2．1 下部螺旋管圈、上部垂直管水冷壁

1．2．2 垂直管水冷壁

1．3 超临界直流锅炉水动力特性及启动系统

1．3．1 水动力特性

1．3．2 启动系统

1．4 超临界直流锅炉水冷壁水动力特性研究现状

1．4．1 水动力特性的试验研究现状

1．4．2 水动力特性的算法研究现状

1．5 研究意义及内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究内容

2 研究对象及研究方法

2．1 研究对象

2．2 水和水蒸汽热力性质国际工业标准IAPWS-IF97

2．3 水动力计算模型

2．3．1 单相流体流动阻力数学模型

2．3．2 两相流体流动阻力数学模型

2．3．3 脉动的校验

2．4 水冷壁压降计算程序流程

2．4．1 定压运行程序流程

2．4．2 变压运行程序流程

3 超临界机组启动工况定压运行结果分析

3．1 压力的影响

3．1．1 压力对水冷壁水动力稳定性的影响

3．1．2 压力对水冷壁出口工质温度的影响

3．1．3 压力对相变点位置和过热点位置的影响

3．2 入口温度的影响

3．2．1 入口温度对水动力稳定性的影响

3．2．2 入口温度对水冷壁出口温度的影响

3．2．3 入口温度对相变点位置和过热点位置的影响

3．3 热流密度的影响

3．3．1 热流密度对水动力稳定性的影响

3．3．2 热流密度对出口工质温度的影响

3．3．3 热流密度对相变点位置和过热点位置的影响

3．4 水冷壁内的压降分配

3．5 本章小结

4 超临界机组启动工况变压运行结果分析

4．1 入口压力的影响

4．2 入口温度的影响

4．3 热流密度的影响

4．4 水冷壁内的压降分配

4．5 本章小结

5 1000MW超临界机组启动工况压降分析

5．1 启动工况压降分析

5．2 本章小结

6 1000MW超临界机组最小转直流工况脉动校验

6．1 25％MCR工况螺旋管圈水冷壁脉动特性校验

6．2 本章小结

7 全文总结

附录

附录1 定压运行水冷壁压降数据

附录2 变压运行水冷壁压降数据

参考文献

致谢