超临界压力锅炉的水动力学分析

蒸发系统的水动力是锅炉安全运行的关键因素之一。水动力计算必须明确目标任务，保证系统汽水工质在各种运行工况下的传热稳定性。研究锅炉各级受热面内工质的稳定流动特性尤为重要。

3.2.4.1　水动力计算任务

水动力计算主要完成以下任务。

（1）确定锅炉炉膛蒸发受热面水冷壁合理的结构布置和工作参数，保证受热面工作的可靠性。计算中要确定相对于不同负荷下工质的安全质量流速，流动稳定性的裕度，安全的水力偏差、热力偏差及受热面管子的温度工况；必要时制订出提高安全可靠性的措施。

（2）确定锅炉整体汽水系统的压力降，选定锅炉给水泵的给水压头，提出对给水泵运行特性的要求。对于采用复合循环方式的锅炉，还要顾及蒸发系统中循环泵的工作特性。

（3）直流锅炉机组的水动力计算在锅炉额定负荷和制造厂保证的最低安全运行负荷及启动工况下进行，以保证在额定工况、最低安全运行负荷和启动工况下锅炉炉膛水冷壁的工作性能安全可靠。

（4）对于滑压变负荷的调峰机组的水动力计算，更要根据锅炉的调峰工况变化的要求，在超临界压力和低于临界压力以下的范围内，对锅炉受热面中间点工质温度改变了的特殊工况，进行不同运行工况的水动力计算，当然也需要锅炉热力计算的配合，以取得原始计算数据。

3.2.4.2　原始数据的确定

直流锅炉水动力计算必须在锅炉热力计算和受热面总体布置完成后，即方案设计完成之后进行。水动力计算前，首先需要确定下列原始数据。

（1）采集水冷壁管件的相关结构数据（仅限于水冷壁受热面），包括管圈管子直径、管长和并联管子数目；回路的流程形式；管屏处在炉膛壁面的方位等几何结构尺寸；水冷壁管组之间管路连接系统的尺寸和资料等。

（2）计算管件的热力参数时可参照前人的经验或设计者实践积累的技术数据，预估受热面可能发生的热负荷分布偏差、管件间最大热偏差，确定管件内工质流量，管件进口工质温度、压力与吸热量等状态参数，工质的吸热量（按管件最大热力偏差计算）。

（3）在进行锅炉最低安全负荷、启动负荷和滑压变负荷工况的水力计算时，应预先计算各工况下的锅炉热力参数，采集确定有关的计算数据。

3.2.4.3　水动力计算内容

1）蒸发系统对水冷壁各参数的影响

①计算炉膛水冷壁各管件、水冷壁系统进口压力降，包括管组流动摩擦阻力、重位压头、局部阻力和工质的加速度压力损失，循环系统连接管道压降，必要时对进口集箱、中间混合集箱内的静压分布、压降以及混合与分配进行计算。②垂直管的水动力计算采用结构尺寸和吸热相等的原则［14］。经计算，可求得各工况下炉膛水冷壁系统的进出口压力降及系统各节点的压力，其数据供给水泵、循环水泵选型用。设计者还需要对水冷壁进行可靠性分析，包括非常情况下可能出现的最低给水焓对系统水动力特性的影响。

根据水力计算结果，绘制各工况下的水动力特性（Δp=f（G））的曲线图。由此分析各工况下水动力的稳定性，是否存在水动力多值性，乃至是否停滞和倒流。在工作区段内的压力降变化要有足够的陡度，流动压降的变化率与负荷变化率的比值不应小于2。如此，该系统所产生的水力偏差程度是可接受的。

2）水冷壁吸热偏差对温度工况的影响

通过计算水冷壁管组的热效流量偏差特性，求得吸热偏差ηr与水力偏差ηρω的相关特性，作ηr=f（ηρω）曲线图，以探明管组的水动力特性对吸热偏差的补偿能力，计算出正常管与偏差管的工质流量、工质温度和管壁温度。其温度工况展示的管壁温度为该负荷下管壁金属的持续工作温度，应在管壁材质所允许的温度值内，否则会对管组工作寿命产生较大的影响，必要时应采取改进措施。

对于超临界压力锅炉机组，炉膛水冷壁受热面的热效流量偏差特性表明：在受热面工质平均焓增Δi0和吸热偏差系数ηr为定值的情况下，当处在某一极限进水焓值（ij）jx时，特性曲线的相应点上出现极小值，即偏差管的工质流量最小，其出口温度出现极大值。研究得知，此极限进水焓值（ij）jx随着Δi0和ηr值的增大而减小；同时相应的热效流量偏差极小值也下降，出口工质温度跃升更高。通过分析不同Δi0和ηr值组合下的特性曲线得知：对于出现上述极值点的工况，其受热面平均工况管的工质出口焓均接近该压力下的最大比热点。根据这一自然规律，建议在选取水冷壁受热面的工质参数组合（ij，Δi0，ηr）时，应考虑使受热面的平均出口焓值设置在一个安全范围内，使偏差管内工质比容相对于正常管内工质比容的变化不至于过大，从而减小热效流量偏差的影响。

此外，还必须关注一种可能出现的危机工况，就是当某一工质参数组合（ij，Δi0，ηr）稳定的工况下，若ηr稍有增大（扰动），就导致ρL急剧大幅度下降，偏差管出口工质温度也大幅跃升，甚至出现了多值性现象。这时受热面的进水焓ij称为最敏感进水焓。设计时不能有这样的工质参数组合，以免发生这种工况危机。

水冷壁受热面良好的传热环境水力计算的目的是要保证水冷壁管壁温度在允许的波动范围内，确保锅炉安全运行。

在超临界压力下，大比热区（即Cp≥8.4 kJ/（kg·℃）的区域）内，管壁与工质之间的放热规律有许多类似亚临界压力下沸腾时的传热特点，水平受热管内存在上下壁温差。若管壁热负荷与质量流速之比过大，即单位质量流量的吸热量过大，则上下壁温差加大，管壁温度出现峰值。

垂直上升管内，工质在大比热区内的局部放热系数按下式迭代计算：

式中，为按管内壁温度和工质温度查得的普朗特数中的较小者。

水平管因存在上下壁温差，管子上半壁的放热系数比下半壁小很多，故考虑计算上半壁的放热系数。计算时，取垂直管的放热系数乘上因水平管倾角不同的修正系数，又因水平管的放热系数小于垂直管的，故修正系数小于1，管子倾角越小，修正系数越小。当管子倾角大于或等于45°时，修正系数为1，即倾角45°的管子放热系数等同于垂直管。

传热恶化均发生在流动稳定管段，传热恶化程度仅取决于比值的大小。当出现危险工况时，可以采取提高质量流速或降低热负荷的改进措施。为了防止发生传热恶化，建议在锅炉额定负荷下使受热面的比值不大于0.42 kW·s/kg。

在亚临界压力下，若有不良的工况参数组合，即压力p、质量流速ρω、热流密度gf及工质质量含汽率x组合不适宜，工质流动结构会偏离核沸腾或者附壁液膜被蒸干。此刻管壁对工质的放热系数急剧下降，管壁温度跃升，出现峰值，引发传热危机。

当前，因大容量燃煤或燃油锅炉中炉膛水冷壁的热流密度尚未能达到表面沸腾时的临界热流密度，可以认为，水冷壁的传热恶化主要原因与热负荷无关，没有液滴湿润的液膜蒸发现象所引发的第二类传热恶化危机。决定此类危机的主要参数是在受热面管内发生危机截面上的工质含汽率，称之为界限含汽率。对于进口为欠热水（包括进口含汽率xj低于阻力危机含汽率xΔp的汽水混合物）的水冷壁受热面，界限含汽率与热负荷无关而由压力、质量流速和管径决定。随着质量流速增大，界限含汽率下降。而压力对界限含汽率的影响如下：压力低于5 MPa时，压力上升，界限含汽率增大；压力大于5 MPa时，界限含汽率随着压力的上升而减小。管子内径越大，界限含汽率越低。这里所述的内容均为受热的垂直管中的流动工况。

在水平管中，管子上部的液膜要比下部的薄些，传热更差。因此，水平管中的换热恶化区域比垂直管大得多，其界限含汽率更低，而倾斜管介于两者之间。

当达到界限含汽率而发生换热恶化的瞬间，液膜被蒸干，由液膜冲刷的管内壁瞬间被蒸汽冲刷，该蒸汽流速相当高，管壁对工质的放热系数虽然有所下降，但还是较高且稳定，故管壁温度的跃升程度有限，数值大小用管壁温度tbmax与工质温度（饱和温度）tbh之差值Δtmax表示。研究表明，质量流速越大，温差值Δtmax越小，其管壁温度跃升越低；降低受热面热负荷，则管壁温度跃升幅度降低；工作压力增大，管壁温度跃升减小。

值得注意的是，在一定压力下沿汽水混合物流动的管壁温度变化取决于热负荷与质量流速的比值。比值足够小时，跃升后温度立即开始下降；比值增大时，最初跃升后的管壁温度继续增大，然后下降。当低质量流速ρω=500 kg/（m2·s）时，换热恶化区中管壁温度一直上升。

同时，在产生液膜蒸干范围管段内由于管壁附近有小股残留水和靠近管壁的气流做不规则的流动以及蒸干截面周期性地前后移动而造成波动幅度很大的温度脉动，使管壁金属疲劳破坏加剧。为此，建议在换热恶化区中，管壁与工质之间的温差Δtmax不超过80℃。(www.xing528.com)

只有经过严谨的水动力计算，才能确保机组炉膛水冷壁管屏的安全稳定运行。

从图3-13可见，某机组炉膛回路在额定负荷不同流量下的压降、水冷壁压降均随流量的增加而线性增加，水动力特性值保持稳定。较好的正向流动特性可保证各种工况下水动力的稳定性。

图3-13　100%BMCR（锅炉最大出力）下炉膛回路的流量-压降关系曲线

3.2.4.4　直流炉水冷壁管内流动的脉动工况

直流炉水冷壁管内发生流体周期性地脉动现象，有整体脉动和管间脉动两种。

1）整体脉动

所谓整体脉动是指水冷壁受热面管子的进出口工质均出现同相位的周期性变化现象。其主要原因有：①锅炉给水泵选型不合适，其运行特性曲线的陡度和压头不够；②若受热面的进水流量稳定，而出口蒸汽流量、压力和温度发生波动，则其波动周期和振幅变化由炉内燃烧、给水或者外部压力的剧烈扰动所致，当扰动消除后，脉动也会停止。

2）管间脉动

在水冷壁管组中，流体是不允许产生管间脉动的，但往往由于某工况的参数发生扰动变化，导致有些管圈中出现流体的管间脉动。其进水流量和出口蒸汽流量两者的变化曲线相位角正好相反，进水流量的振幅要比出口蒸汽流量的振幅大好多倍，蒸汽流量总是在正值上方波动，而进口水流量的波动呈正负值交替变化。当出口蒸汽流量达到最大值时，进水量最小，甚至会发生倒流现象。

脉动产生原因与消除措施如下。

（1）管组中有些管子受到某些干扰，突然增大，吸热量增大，蒸发点前移，产生一个附加蒸发量dG/dt，蒸发管段的流动阻力增大，导致进口段的压力增加，改变进口工质流量，却增加受热面的蓄热量。前者是外因，后者是内因。由此周期性反复波动，成为产生下一个脉动的能量。

随着管内压力和质量流速的增加，以及受热面热负荷的降低，发生管间脉动的可能性减小。显然，垂直管组中不出现脉动的界限质量流速要比水平管组更高。

（2）超临界压力下，进口工质焓ij＜1 650 kJ/kg、工质焓增Δi0＞1 470 kJ/kg的管组有可能发生管间脉动。

（3）当管组布置结构确定后，校验管中质量流速，当其大于界限质量流速（ρωjx）时是安全的，否则在管子进口加装节流圈，提高阻力比值，抑制脉动。为了控制给水泵的电耗，设计中往往在工质含汽率较低的区段（0.15～0.2）上加装呼吸箱，平衡各蒸发管在开始沸腾区段的压力，以降低蒸发段的阻力，减弱管间脉动。

（4）汽水分层流动的校验。水平管或微倾斜管（倾角小于15°）会发生汽水分层流动，管子下母线处管壁对沸腾水放热系数的影响极大，而管子上母线处则随流动工况的变化而有很大差异，造成管子上下壁温差Δt很大，甚至超出允许值。分析表明，Δt与受热面热负荷、压力质量流速和含汽率等因素有关。在亚临界压力下，上下壁温极大值Δtmax出现在x为0.25～0.35的范围内；当压力接近超临界（p=22 MPa）时，Δtmax移向x=0的附近。由此可见，即使在水欠热区域内也会发生上下壁温差。

为消除汽水分层，需要对水平管或微倾斜管设定最佳质量流速。

辐射受热面：（ρω）min≥400 kg/（m2·s）；对流受热面：（ρω）min≥300 kg/（m2·s）。

（5）水动力多值性校验。在一定热负荷的水冷壁中，无论进口欠热水、出口高含水率混合物或者过热蒸汽，都有可能出现水动力的多值性。因为系统水动力的特性（ΔP=f（G））曲线是三次方曲线，出现两个极值点。在同一个进出口压差下，蒸发管内工质可能在三个不同流量工况下运行，会造成管子出口很大的热偏差。对于超临界压力下运行的水冷壁管组，入口水焓达到敏感值时也会出现多值性。当p＞17 MPa时，水动力特性稳定，一般不发生多值性，但进口欠热水焓对多值性的影响很大。为此，超临界压力下的水平管组若能满足下式，则水动力特性为单值。

式中，Δigh为管组入口工质欠焓（kJ/kg）；V′、V″为工质饱和水、饱和蒸汽比容（m3/kg）；r为工质汽化潜热（kJ/kg）；∑jL为节流圈阻力系数（按管内流速计算）；z为管子总阻力系数（包括管子总长度及局部阻力）；c为考虑安全裕度、提高特性曲线陡度的修正系数，与压力有关。当p≤10 MPa时，取c=2；当10 MPa＜p＜14 MPa时，取c=（p/4）-0.5；当p≥14 MPa时，取c=3。对于管子进口装节流圈的管组，其节流度越大，进口欠焓越大。

3.2.4.5　水冷壁变压运行设计要点

采用一次上升垂直管屏水冷壁的系统水动力特性，重点研究解决变压运行及特殊工况下水冷壁的传热安全问题。

变压运行的超临界、超超临界压力锅炉，其水冷壁的三个运行阶段如下：第一阶段为自点火到最低直流负荷的强制循环，此阶段中水冷壁的安全性主要是保证水动力稳定性（多值性和脉动）和控制水冷壁管之间的温度偏差；第二阶段为亚临界直流运行阶段，避免水冷壁在低干度区间的工质膜态沸腾（DNB），控制在近临界压力下高干度区间的干涸（DRO）；第三阶段为超临界压力运行阶段，管壁温度控制在选定材料的许可范围内，防止出现“类膜态沸腾”管壁温的骤升。在给定的内螺纹管管径、螺纹的特性参数以及管子内壁热负荷条件下，其安全性均取决于质量流速。对于直径为28.6 mm的垂直内螺纹水冷壁可保证水动力的稳定性，同时可控制管内最大温度偏差。水冷壁的安全性与质量流速的选择［15］见表3-6。

表3-6　水冷壁负荷与管内质量流速

MHI质量流速与蒸汽流量的关系如图3-14所示，内螺纹管中蒸汽干度、质量流量和热负荷关系如图3-15所示。

图3-14　MHI质量流速与蒸汽流量的关系

图3-15　内螺纹管中蒸汽干度、质量流量和热负荷关系

对特大容量锅炉而言，由于炉膛周界的热负荷偏差大，加剧一次上升垂直水冷壁管圈的出口温度偏差。为此，水冷壁上增加二级混合器的集箱。其试验结果表明，与一次上升垂直水冷壁相比，在直流工况运行时水冷壁出口温度偏差减少30%，降到不大于35℃，中间混合集箱的设置可使上炉膛的入口工质无论在温度和流量方面均得到充分的混合和均匀化，同时也增加了系统阻力和结构上的复杂性。

另外，在水冷壁入口加装节流孔板，由下集箱内的Marman夹式卡装结构改成集箱长管出口接头的焊接式结构。通过二次U形三叉管过渡，节流孔圈数减少，而且可装在直径达42.7 mm的较粗管段上，于是可采用较小直径的水冷壁下集箱。

在定压与变压运行系统中配置再循环泵，能适应锅炉启动和极低负荷运行，保证系统内必要的质量流速的需要。国外曾试验，在光管内径为9.4 mm、压力为31 MPa、热负荷为472 kW/m2的条件下，管内质量流速为679 kg/（m2·s）和1 220 kg/（m2·s）时，均未发现“类膜态沸腾”现象，而当质量流速为544 kg/（m2·s）时，管壁温度跃升。

河源电厂2×600 MW锅炉水冷壁上加装二级混合器的集箱后，水冷壁出口温度偏差减少以上，且水冷壁下集箱入口的流量孔板改在出口管接头上，利于调试和更换。再则，增大节流圈的管径，可提高流量调节幅度。

锅炉启动时，经历了启动阶段的再循环模式、亚临界和近临界的直流运行以及超临界直流三个阶段。采用内螺纹管，有利于防止工质在亚临界低干度区间发生膜态沸腾，有利于近临界高干度区间发生干涸时控制管壁温上升的幅度，还可以采用较低的质量流速以降低水冷壁阻力。