1、低質量流速技術在鍋爐改造中的應用耿國，馬利民，沈九賓，郭春英.(斗山巴布科克能源技術有限公司，湖北武漢430000)在受熱面過熱、管間流量分配不合理和壁溫差較大til1. 受熱最強的管子2. 平均受熱的管子摘要針對姚盂2號爐水冷系統穩定性差等問題的原因進行了分析研究,并就如何解決這些問題提出了方案。關鍵詞Benson管低質量流速垂直管屏正流量響應特性UP爐1前言姚孟發電有限公司2號爐是上海鍋爐廠二十世紀80年代生產的與300MW機組配套的UP型亞臨界直流鍋爐。投運后發現鍋爐水冷壁系統存在水冷壁管過熱、管間流量分配不合理和壁溫差較大等問題，從而引起水冷壁大面積橫向開裂和爆管事故，而后電廠曾多次對

2、其改造，但改造后的效果不理想。2009年巴布科克能源有限公司采用低質量流速技術成功解決了上述問題。2存在的問題2.1水冷系統存在的問題2號鍋爐從投運開始水動力狀況就一直較差，存的問題，從而引起水冷壁大面積橫向開裂和爆管事故，影響鍋爐的投運。鍋爐的實際負荷調節范圍僅為70-90%,當鍋爐低于230MW(76%)負荷時，爐膛下部出現工質溫度偏高，金屬溫度波動增大，水動力不穩定的現象。2.2水冷系統的主要設計特性鍋爐水冷壁采用一次垂直上升管，單爐體雙爐=1927kg/m2s,雙面水冷壁po)=2050kg/m2so3原因分析3.1采用高質流速的原因由典型的垂直管圈的水動力特性，見圖1。在質量流速(X

3、O處于某一范圍值時,同一差壓值會對應多個質量流速，這就是所謂的水動力多值性。多值性現象勢必會增加水冷壁發生熱偏差、脈動等問題的可能性。為了避免水冷壁出現上述問題,原設計采用較高的質量流速:即選擇的工質流速大于臨界流速(p<D*)o目的是為了避免質量流速PG)小于(*)時可能產生多值性問題。，通常傳統的直流鍋爐設計中均采用較高的直流流速:(1.3L5)pee*，大部分在2000kg/m2s左右;本次鍋爐的原設計質量流速征稅基于這一點,從而采取高的質量流速。膛“IT型布置，爐膛中間用雙面水冷壁將爐膛分成圖1不發生多值性的界限質流速1*1IH.I左右二個相同大小的燃燒室，爐膛斷面積尺寸為寬17

4、m,深8.475m,爐頂標高為45.5m。爐膛周界約為51m,由1448根,節距為35mm的鰭片管組成。原來的設計理念:質量流速越高，流動穩定性越好，傳熱也越好,因此為了獲取更高的質量流速，水冷壁于爐室底部，下部，中部的管屏均采用022x5.5的小管徑內螺紋管,而位于爐室上部的管屏采用4)25x6的管子，相應的質量流速為：100%負荷時，四面墻p(D3.2垂直管屏水動力特性高質流速下的負流量響應正常情況下，垂直管內阻力AP由重位壓降Pzw,流動摩擦阻力降APlz和加速度壓降APjs三部分組成，而計算發現亞臨界時APjs可以忽略不計，故P=APlz+ZiPzw,在熱負荷一定時，壓降與質速的關系見

5、圖2。圖2熱負荷一定時壓降與質流速的關系圖介質比容，因而流量會相應的低。相反，吸熱低的管till從圖2可以看到，當質量流速小于某一值時，重位壓降的變化率大于流動阻力的變化率，此時管內阻力以重位阻力為主,而在流速大于某一點時，阻力值以流動阻力為主，呈現流動阻力的特性。在強制循環的并聯管排中由于管子的進出口壓差相等，因此各管子壓降應為整組管子的平均壓降，不會因為吸熱不同而出現壓降不同的情況。所以，此時當吸熱量發生變化時,管內流量會發生變化,吸熱大于平均值的管子，管內介質的比容要大于吸熱少的管內子質量相應的減少,即流量呈現負響應。簡單的說,吸熱大的管子，管內實際流量小，相反，吸熱量小的管子，管內實際

6、流量大,這就是所謂的盲質量流速負流量反應。從實際計算中也發現上述關系，見圖3。圖3恒溫壓差下改造前管內吸熱變化圖3.3高質流速帶來的問題鍋爐在實際運行中，由于燃燒工況的組織及冷熱角的存在，總會存在受熱不均的情況，而高質量流速卻導致受熱強的管子工質流量小，冷卻能力弱的結果，這樣很容易出現受熱強的管子得不到冷卻會更熱，受熱弱的管子由于冷卻能力強反而壁溫相對更低，往往由于超溫而爆管;同樣受熱強的管屏管壁溫度大于受熱弱的管屏，由于膨脹原因導致管屏間撕裂。而鍋爐在低負荷時，由于工質流速達不到臨界流速,引起負荷調節范圍小,而且低負荷極易出現多值性的問題，引起水冷壁脈動，引發水冷壁疲勞破壞等等。4對策與方案

7、4.1Benson內螺紋管低質流速引起水冷壁脈動的最直接原因為高質量流速,因此Benson內螺紋管低質量流速技術正是解決問題的關鍵。從20世紀80年代開始西門子在經過大量的試驗后研發了Benson內螺紋管垂直管屏直流技'術。本技術是利用低質量流速下流量分配的自動補償特性和優化的內螺紋管所具有的良好的傳熱性能，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運行。而且能夠應用于超臨界、亞臨界大型機組鍋爐。2001年斗山巴布科克利用低質量流速技術對姚孟1號鍋爐進行了改造,2009年對姚孟2號鍋爐進行改造,再次驗證低質量流速垂直管屏技術的優勢。4.2低質流速下的正態響應由上面3.2中的

8、分析知:在垂直管屏中，當質量流速小于某一值時，管內重位壓降的變化率大于流動阻力的變化率,此時管內阻力以重位阻力為主,即當質量流速p<o下降時，流動阻力APlz所占比例減少.這時重位壓差APg起主要作用,這與自然循環特性相類似，表現了自然循環的特性:受熱強的管子，流動速度快，見圖4。圖4低質流速下的正態響應可見，當吸熱量增加時，系統壓降不變，管屏（或管子）的動壓頭損失增加而靜壓頭壓降減少。但是由于靜壓頭的所占比例大于動壓頭，而且動壓頭增加的量的絕對值小于靜壓頭減少的絕對值，因而工質在單個管子或管屏內的壓降相應的減少，因為整個系統的壓降是不變的（系統的進出口是各自匯合的），因此當管內吸熱增加

9、時,必然通過增加流量的調整方式來達到新的平衡點。所以，這里設計的基本思路就變成:降低質量流速，從而獲得更低的動壓頭損失，使靜壓頭所占比例增大。靜壓頭可以達到在自然循環鍋爐中的數值，這樣工質的流速（流量）就可以隨著吸熱增加而增加。整個系統在恒定的流量時，當供熱增加，壓降減少，相反，當供熱減少時,壓降增加。這意味著有大量并聯管子的爐膛，進水的分配取決于熱量的分配。這就是所謂的正流量響應特性或自我補償特性。這種特性的好處就是各水冷壁管的質量含汽率偏差很小，因而管間金屬壁溫溫差也很小。4.3改造后的水冷壁特性改造后的爐膛斷面不變,高度不變,取消受熱最惡劣中間墻水冷壁，下爐膛及折焰角區域均采用優化的大口

10、徑內螺紋管，上爐膛采用光管，設置過渡中間聯箱;爐膛四周設計1030根管子，下爐膛管子為33.7x5.2mm,上爐膛管子為28.6x5.8mm,改造后的質量流速約為700kg/m2s,直流Benson負荷為30%BMCR,論理上可以達到20%。圖5為改造前后的某一工況下水冷壁管動態穩定性對比計算。可以看出,改造前的水動力是不收斂的,而改造后的水動力特性僅是在鍋爐啟動時,微微有點波動，隨即很快收斂,并趨于穩定。:.-*.*,，-"A-辰土"1.MM.'amLi-:一sAMJ人AroftAnrAVVVV廠iY一7WMWteX0改造后改造前圖5改造前后某一工況下水冷壁管動態

11、穩定性對比計算斗山巴布科克利用成熟的計算程序對姚孟2號鍋爐水冷壁進行詳盡的計算，確認不存在水動力多值性問題，在擾動工況下能夠在很短時間內消除脈動，改造后已于2009底順利投運近一年的時間，各項性能指標均到的設計要求，鍋爐負荷調節范圍30100%BMCR,鍋爐熱效率達92.53%,比改造前增加了1.53%。5結束語我國上世紀國產300MW鍋爐多采用UP的爐型（UniversalPressureBoiler），普遍存在水冷壁管過熱、管夾流量分配不合理和壁溫差較大等問題。而低質量流速的垂直管屏的技術完全可以解決上述問題。參考文獻1. J.Franke,RCossmann,andH.Huschauer,uBENSONSteamGeneratorwithVertically_TubedFurnace,wVGBKraft-werkstechnik,Vol.75,No.4,19952. 容鑾恩,袁鎮福，劉志敏，田子平.電站