1、第21卷第6期熱能動力工程Vol.21,No.62006年11月JOURNALOFENGINEERINGEORTHERMALENERGYANDPOWERNov.,2006文代編1001-2060(2006)06-0640-05文代編1001-2060(2006)06-0640-05技術交流低質量流速垂直管屏技術的原理與應用分析李燕，趙新木,岳光溪，劉青（清華大學熱能工程系，北京100084）摘要：低質量流速疊直管屏技術的核心為Benson內螺紋to分析了Bensont的基本原理，并對低質量流速疊直管屏技術的應用進行了探討。低質爻流速魚直僮屏能械產生自然循環特性，在滿足較低質量流速的同時保證鍋爐

2、的安會運行因此低質量流速垂直管屏技術有優勢.尤其是在強制循環的煤粉爐和必須采用壘直管的超臨界洌環流化床鍋爐中，Benson管可以減小蒸汽溫度偏差，井降低水冷壁流動阻力，可以保證水冷壁更安全，其性能優于光管和普通內螺紋管。低質量流速魚直管屏技術在我國姚孟電廠1號機組的改造工程和波蘭超臨界徙環流化床中均有應用。關鍵詞：Benson管;低質量流速;垂K管屏;煤粉爐；循環流化床中圖分類號:TX229.6文獻標識碼：B1前言大容鼠鍋爐的水冷壁通常采用多回路管屏或螺旋管圈以保證其具有較低的壁面溫度和較小的工質溫度偏差。而采用這兩種管屏在解決以上問題的同時也帶來了無法克服的缺陷:支吊復雜，管內流動阻力較大，

3、制造和運行成本增加。與之相比較,垂宜管屏結構簡單，管內流動阻力較小，變壓運行適應性好可以有效檸約成本。但是其本身存在的熱敏感性強、水動力穩定性差等問題一直制約著它的發展。Benson低質:fi流速垂直管屏直流技術（低質星流速OTU技術）可以有效解決這個問題。該技術中，采用稱之為Benson管的優化內螺紋管，使采用垂直管屏的直流鍋爐水冷壁中產生自然循環特性，有效降低熱偏差，使得鍋爐在很低的質量流速下依然能夠安全地運行,因此受到了高度重視2Benson管原理與特點管內工質的阻力特性決定了受熱面的水力流動情況,進而影響了管子布置的可行性與安全性。一般的,管內阻力由重位壓降勻八摩擦壓降勻政和加速壓力降

4、勻戶組成。在亞臨界壓力范圍內，由于加速壓降少“很小，可以將之忽略。在受熱一定的條件下，摩擦壓降與重位壓降勻中隨質量流速的變化如圖1所示。可以看到，當質量流速小于該負荷下的臨界質量流速Go時,重位壓降勻,的變化率大于流動阻力的變化率，因此重位壓降勻正為管內總阻力的控制部分。在這種情況下，若管子吸熱增加，管內工質平均密度會減小，引起重位壓降減小，流動阻力亦即摩擦壓降勻沈增大。因此受重位壓降勻*的控制，總阻力勻心降低，管內工質流速必須增大以彌補總阻力的降低。當質鼠流速大于C。時,管內總阻力受流動阻力控制，當工質吸熱量增大時，管內含汽率增大，流動阻力迅速增加,從而總阻力增大，引起管內質量流速降低。因此

5、，當質量流速小于G）時，吸熱讖增大，流速也增大，這種流動特性被稱為正流抵響應特性，此時流動具有日補償能力，因此又被稱為自然循環特性;當質星流速大于G）時，吸熱屋增大，流速減小，這種流動特性被稱為負流最響應特性或宜流特性。在超臨界壓力下.各阻力的變化類似于兩相流，因此以上特性在超臨界壓力時也會出現。上述流動特性普遍存在于管內流動中。不同的熱負荷對應的臨界質敏流速有所不同。熱負荷越大,重位壓降隨質鼠流速的變化越緩慢，臨界質量流速降低。則水冷壁內工質質最流速應該小于最大熱負荷下的臨界質量流速才能保證水冷壁在額定熱負荷下也具有自補償特性。在自然循環鍋爐中，通過提商循環倍率可以使得問路在具有自補償能力的

6、范圍內安全運行。而對于直流鍋爐，不得不提高工質質量流速以防止傳熱惡化。此時直流鍋爐已失去了自補償特收稿日期:20）6-02-27;修訂日期：200608-01.作者簡介；李燕（1981-），女.陜西西安人，清華大學博，研究生.641李燕,等:低質最流速垂直管屏技術的原理與應用分析圖1Benson管原理性，運行在負流域響應特性區域。在低質量流速下工作的水冷壁,尤其是使用光滑管的水冷壁，根本無法滿足傳熱的需要。而內螺紋管通過改變管子結構，在考慮傳熱需要的同時，兼顧考慮管內工質具有依可能高的臨界質量流速，具有較好的應用前景:。研究表明,采用內螺紋管町以推遲甚至抑制傳熱惡化，在高干度區域也很難形成膜態

7、沸騰。現在用于鍋爐中的內螺紋管主要分為單頭和多頭內螺紋管。單頭內螺紋管造成的流體紊流效應很大，可以有效推遲或抑制傳熱惡化，但是其摩擦阻力壓力降很大，耗能大，因此成本比較高，造價比較昂貴。普通的多頭內螺紋管摩擦阻力較單頭的小，但是其造成的素流效應沒有單頭的大。Siemens公司通過20多萬個實驗數據在各種內螺紋管中優選一種內螺紋管，稱為Benson內螺紋管(簡稱Benson管)。和以上兩種內螺紋管相比，Benson管具有非常高的冷卻能力，即使在質量流速很低的情況下，傳熱特性仍然良好。Benson管的另一個優勢是在保證壁而附近強烈的紊流的同時，管內摩擦阻力降低。垂直管屏宜流鍋爐具有結構簡單、流動阻

8、力小、成本低等特點，因此在鍋爐逐漸大型化的過程中越來越受到重視，而采用了Benson管的低質量流速技術的出現更加推動了這一技術的進步，其結構如圖2所示。Benson低質量流速垂直管屏直流技術,在滿足低質量流速的同時能夠保證水冷壁不發生傳熱惡化實驗表明，工質質量流速降到1000kg/(m2-s)時,就出現類似于汽包爐的自然循環特性。因此降低了管屏對熱偏差的敏感程度，減少了管屏出口工質的溫度偏差，保證了鍋爐的安全運行。采用Benson管的垂直管屏將有效降低成本。在保證鍋爐的安全運行的前提下能夠簡化鍋爐支吊，降低成本與給水泵能耗.提高發電機組的供電效率。鍋爐啟動負荷低，啟動簡單。對于螺旋管圈，通常在

9、35%左右就需要采用再循環方式，而采用低質量流速的Benson鍋爐,其最小直流負荷降到20%左右仍能安全運行O圖2Benson低質童流速垂直管屏直流鍋爐3低質量流速0TU技術應用分析我國姚孟電廠I號機組的改造成功是Benson低質量流速OTU技術在世界鍋爐技術中的第一次應用。該電J采用了Mitsui-Babcock公訂|提供的鍋爐改造方案。水冷壁采用較大直徑的Benson管進行低質量流速設計。改造前，該鍋爐在100%BMCK負荷時的工質質量流速高于1800kg/(m2-s),流動特性呈現直流特性,當發生吸熱偏差時，吸熱最多的管子流量最小，極易發生傳熱惡化，造成水冷壁管溫度急劇增加。改造后，該鍋

10、爐的工質質量:流速，不到改造前的40%o100%BMCR時,工.質質量流速最高僅為687kg/(m2-S)(810此時水冷壁系統的流動特性呈現自然循環特性，具有自補償能力，吸熱最多的管子中流危最大，極大改善了傳熱條件,降低了管壁溫度以及熱偏是，如圖3所示。實踐證明，雖然改造后的水冷壁管內工質質最流速很低，但是即使在最惡劣的條件下,其流動特性也是非常穩定的，水冷壁得到有效冷卻,能夠保證鍋爐的安全運行。實際上，低質量流速垂宜管屏的矛盾在800MW以下鍋爐中普遍存在。由于可以采用螺旋管圈，以提高質量流速，避免使用或者盡量較少使用具有自然循環特性的內螺紋管；而大于800MW容量:時，-642-熱能動-

11、642-熱能動力工程2006年直管屏的丁質流速已經可以滿足傳熱的需要。因此,一般認為在煤粉鍋爐設計中，可以避免使用包括Benson管在內的內螺紋管。這一認識已經為大量的實踐所驗證。季、榭單fi墨-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4吸熱偏差/%圖3姚孟電廠1號爐改造前后流動特性比較但是,循環流化床鍋爐中,垂直管屏是不可避免的，這是由爐內流動對受熱面的沖刷磨損特點決定的，因此在超臨界條件下，垂直管屏是唯一選擇。與此同時,由于流化速度的限制，水冷壁的周界長度比較大】，在此條件下，對于600MW以下容量，其管內質量流速不可避免地較低。因此，超臨界循環流化床鍋爐要重點考

12、慮的問題之一是水冷壁低質里流率下的傳熱和流動對管子結構的要求。這一問題已經引起人們的高度重視。傳熱對質最流率的要求嚴重依賴F受熱面的熱流及其不均勻性。研究表明”七在煤粉鍋爐中，熱流密度嚴重不均，而在循環流化床鍋爐中熱流密度不僅較低，而旦熱流的不均勻性要小得多(見圖4)。這一分布特點是由循環流化床鍋爐內部的流動、燃燒特點決定的皿。因此，即使在較低的管內質量流速條件下，依然可以得到較小的熱偏差。所以循環流化床內條件并不嚴峻。盡管FW公司也認為在循環流化床中可以不需要采用內螺紋管，但是為了設計的安全性，還是在燃燒室上部采用了內螺紋管。ABB公司提出的24.1MPa/538勾/538幻滑壓運行超臨界循

13、環流化床鍋爐，也是采用普通內螺紋管垂直管屏，以推退或抑制傳熱惡化四。FW公司在波蘭的L岫sza電廠安裝了世界上第一臺46()MW超臨界循環流化床，如圖5所示。鍋爐即采用低質量流速OTU技術。由于采用了Benson垂直管屏技術，全負荷時管胖出門處管壁溫度偏差僅為35勾，管屏入口到分離器入口處壓力降為0.27Mla61o2323456I1-PC爐履出口2-PC爐股平均3-PC燃燒卷區域4-CFB爐履出口區5-CFB爐膛卜.部6-CFB爐履平均-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.2030.40.5相對寬度4循環流化床與煤粉爐水冷壁熱流密度比較圖5460MW超臨界CFB以圖4所示的

14、熱流密度，對稀相區截面尺寸為17430mmx25394mm、布風板距離頂棚為63040mm的爐膛進行計算，計算中水冷壁的外徑為32mm,壁厚為8mm,管節距為44mm,在水冷壁管內工質流速為1460kg/(m2-s)0管子結構選擇光滑643李燕,等:低質噠流速垂直管屏技術的原理與應用分析管、普通內螺紋管和Benson管以單根管的某高度上的微元管段(1m)作為計算單元，進行該單元的水力計算。通過逐段的水動力計算，完成整根管的水動力計算。每一計算單元內,取統一的熱負荷強度，工質參數取平均值。模型中忽略了燃燒過程及傳熱過程對燃燒室煙氣側溫度的影響。在完成單管的水動力計算基礎上,再進行并聯管組的計算。

15、假定工質各管流最和出口壓力,根據在出口集箱處流體的均壓條件，考察全部垂直管的最終出口壓力是否滿足均壓條件，不滿足則修正并聯管的流最，重新進行計算。然后將各何路在同一壓降下流最相加，與設計流量:比較。誤差不滿足許可范圍時,改變假定壓力，直到計算流量值與設計值相差滿足誤差要求為止。計算過程中采用二分法，多次迭代逼近。計算結果表明，即使使用光滑管,管子出口蒸汽溫度的偏差最大為45乞，水冷壁壓降為0.22MPao若采用普通內螺紋管，溫度偏差最大為36水冷壁壓降為0.44MPao若采用Benson管，溫度偏差最大為28水冷壁壓降為0.25MPa(見圖6)。相對寬度圖6不同管子類型水冷壁出口蒸汽溫度可見,

16、采用內螺紋管，尤其是采用低質量流速OW技術，蒸汽溫度的偏差得到相當的改善。一般看來，采用光滑管是可行的，但是在爐膛上部，由于熱流密度的分布趨于不均勾(見圖4),因此在該區域采用內螺紋管，可以TF效改善蒸汽溫度的非均勻程度。因此，低質童流速OTIJ技術是一種全新的設計思路，通過采用優化的內螺紋管，使得水冷壁在較低的工質流量下產生自然循環特性，既降低了整個流動回路的壓降損失，乂保證鍋爐的安全運行,并降低電站成本C低質鼠流速OTU技術是基于煤粉鍋爐發展起來的，然而這種新技術與超臨界循環流化床燃燒技術(SUC-CFB)的結合將使得這種新型鍋爐在市場中更具競爭力。循環流化床鍋爐占地面積小，可以有效降低污

17、染物排放,旦燃料適應性好,能夠滿足日益嚴格的環保要求，有效解決資源緊張問題;而超臨界技術將使得CFB的運行更加靈活、電站效率進一步提高；再加上低質量流速OTU技術，CFB的優勢將會進一步體現，并能有效降低鍋爐成本。采用這些技術的循環流化床憑借其優良的性能將會成為未來鍋爐發展的重要方向之一。4結論低質量流速垂直管屏技術在降低給水泵電耗、流動安全性方面，在直流煤粉鍋爐中有著優勢。在必須采用垂直管和低質量流速的直流循環流化床鍋爐中，也有著良好的應用前景。低質量流速垂直管屏技術的核心為Benson內螺紋管,Benson管充分利用了流動阻力與流動的美系,在低質量流速下，魚苴管屏能夠產生自然循環特性，在滿

18、足較低質量流速的同時保證鍋爐的安全運行。因此低質量流速垂宜管屏技術是有優勢的。對循環流化床鍋爐水冷壁的熱流分布分析表明，由于熱流密度較低而且相對均勻，因此即使在較低的管內質量:流速條件下，采用光滑管也可以得到較小的熱偏差。但是在爐膛上部，由于熱流密度的分布趨于不均勻,因此在該區域采用內螺紋管，可以保證水冷壁更加安全。對稀相區截面尺寸為17430mmx25394mm、布風板距離頂棚為63040mm的爐膛進行計算，其中水冷壁的外徑為32mm,壁厚為8mm,管節距為44mm,水冷壁管內工質流速為1460kg/(m2-s),管子結構選擇光滑管、普通內螺紋管和Benson管。計算表明，使用光滑管，管子出

19、口蒸汽溫度的偏差最大為45T,水冷壁壓降為0.22MP&。若采用普通熱螺紋管，溫度偏差最大為36水冷壁壓降為0.44MPao若采用Benson管，溫度偏差最大為28水冷壁壓降為0.25MPac參考文獻：1 辛建.呂俊SL岳光溪，等.發展超臨界循環流化床的討論J.熱能動力工程，2002,17(5):439441.2 于龍，日俊復，王智微，等.循環流化床燃燒技術的研究展望J.熱能動力工程,203,19(4):336-342.(下轉第647頁)4R.峰，等:水煤漿流化-懸浮燃燒技術在勝利油m的應用已經過4個采曖期的可靠運行，表現出r燃燒效率高、排放特性良好的特性。4水煤漿流化.懸浮燃燉鍋爐的應用前景

20、儀2(X)2年,勝利油II應用水煤漿流化-懸浮燃燒新技術對4座鍋爐房進行改造.至此全油田共計改造和新增鍋爐20臺(個別鍋爐由霧化-懸浮燃燒改為流化-懸浮燃燒)，總容雖達300l/h,單臺最大容量為75t/h,當年燃燒水煤漿6.54x1L共節約費用2400萬元。該技術已經于2004年10月通過了山東省科技廳組織的技術鑒定,結論為“該技術成功解決了水煤漿燃燒存在的諸多技術難題，在中小容蟲鍋爐水煤漿程應用中有技術突破，達到了國際領先水平”。并獲得了山東省2(X)5年技術進步二等獎。水煤漿流化-懸浮燃燒技術實現了水煤漿的低溫、高效潔凈燃燒。不僅具有負荷調節性能好、運行費用低、勞動強度低、對水煤漿的適應

21、性強、輔助配食系統簡潔可辛和設備投資少等優點，而且拓寬r制漿的煤種范圍并降低制漿成本；在燃燒過程中直接脫硫脫氮,不僅燃燒效率高，而旦環保特性好C水煤漿流化-懸浮燃燒新技術在全國丁業鍋爐燃燒水煤漿應用方面積累了寶員的經驗，起到了良好的示范作用，對潔凈煤技術的發展將產生深遠的影響。5結論勝利汕山-直致力于水煤漿的技術開發和推廣_L作,開始采用水煤漿霧化-懸浮燃燒技術，在積累一定的經驗后，又發展了水煤漿流化-懸浮燃燒技術，目前正在推廣應用之中。水煤漿流化-懸浮燃燒技術采用專用的水煤漿粒化器，將水煤漿以顆粒形式噴入燃燒室，省略r用于客化漿槍的復雜霧化系統，因此，系統簡單，可靠性高,而且避免r漿槍的堵塞

22、和磨損等難題的困擾，不僅燃燒效率高，而且抑制了熱力型N().t的生成，由于床料中加入了一定量的石火石，口丁以實現水煤漿燃燒過程中的背接脫硫，具有良好的環保特性。在勝利汕山20余臺鍋爐采用該技術，經過4個采暖期的可野運行,鍋爐運行穩定，操作簡單，已經燃燒水煤漿29.7X仃1,替代石油13.5X1O1,經濟效益相當顯著。水煤漿流化-懸浮技術在工業鍋爐和小容星電站鍋爐上的應用實例表明，其經濟和社會效益良好，進-步的研究方向是鍋爐木體結構的優化、提高燃燒過程的脫硫效率以及控制熱力型NO*的牛成等，有關這方而的研究還需要不斷積累運行經驗，進行深入的理論分析。參考文獻：UJ4玉峰”建強.萬R科.等.水煤漿

23、燃燒技術及兒發展J.潔凈煤技術,2003(3):13-17.12晏秀bi,馬R峰.萬啟料.等.水煤漿流化懸浮商效潔凈燃燒I：藝P.中國弓利:ZI02I09852.2.3 5峰，妥秀心萬舄科.等.水煤漿流化懸浮高效潔冷燃燒裝置P.中國專利:ZID2273489.9.：4馬玉峰.萬申科.種11有嫉通和冷卻功能的水煤漿或泥煤漿鋼爐給漿裝置內，中國專利：20052(X)X5303.4.5姜秀民.孫教.郝志金.等.fHC式島混旋渦分肉器P.中國專利:ZI6I2I228.4.(何靜芳編輯)(上接第643頁)31店人虎，悶志宏,陳聽也等.國產UP直流爐水冷壁改造方案分析J.熱能動力Efi.,2002.17(6):641-643.4j鄭建學，陳聽寬.羅毓冊.等.超臨界ItijjF600MW白流鍋爐水冷里內螺紋管岸擦陽力特性研究1J.熱力發電,2000.2：15-26.5XI孫學.陳聽寬.陳學俊，等.600MW變壓運行直流鋼爐水冷壁內螺紋竹內暇換熱廿fl的研究.中國電機工程學報,1996,16(4):271-275.6RAGNARLUNDQVIST.ANDRESCHRIF.I),PEKmKINNUNE、.etid.Amajo