鍋爐新系統提高質量與效率

水冷壁管工質質量流速鍋爐變壓運行時，從額定負荷變化至最低直流負荷，鍋爐運行壓力將從超臨界壓力降至亞臨界、超高壓和高壓。水冷壁內工質由單 相變為雙相，工質的溫度也有很大變化。因此，水冷壁系統設計的關鍵是要防止發生傳熱惡化和出現不穩定的流動。對于變壓運行超臨界直流鍋爐，水冷壁設計必須 考慮不同負荷參數下的傳熱特性：(1)在超臨界壓力下，管內單相介質的傳熱系數比亞臨界雙相介質低，流體溫度高，因此水冷壁壁溫最高。(2)在近臨界區 域，工質的物性變化大，需控制在高熱負荷區不發生蒸干。(3)在亞臨界區域，對下爐膛高熱負荷區水冷壁，要防止膜態沸騰的產生;而在上爐膛垂直管屏，則要 抑制水冷壁蒸干區域壁溫的升高幅度。(4)在啟動和低負荷運行時，壓力降低使得汽水密度差別增大，容易產生較大的熱偏差和不穩定流動。

為保證在各種運行工況下水冷壁運行的安全性，水冷壁管材選用SA-213T12耐熱低合金鋼，使得運行管壁溫度有較大的安全裕度;另一方面選取 較高的質量流速，在任何工況下都要大于相應熱負荷下的最低界限質量流速，保證水冷壁管有足夠的冷卻能力。水冷壁出口過熱度和入口欠焓對于直流鍋爐，蒸發受 熱面與過熱受熱面之間沒有一個固定的分界點，因此水冷壁出口工質過熱度的合理確定是十分重要的。在額定負荷下，水冷壁出口溫度的選取主要取決于內置式汽水 分離器的設計溫度和水冷壁管材的使用溫度。水冷壁出口溫度選取過高，分離器材質就要升級或增加壁厚，對水冷壁管也一樣。

另一方面，水冷壁進口工質的溫度(過冷度)也有一定限制，水冷壁進口水必須有一定的欠焓，絕對不允許工質汽化造成水冷壁傳熱工況惡化。但入口欠 焓又不允許過大，欠焓過大，又會給水冷壁系統水動力的穩定性帶來問題。變壓運行直流鍋爐對水冷壁進口工質欠焓的要求主要在最低直流負荷下，因為此時運行壓 力低，工質容易汽化。特別在啟動工況下，隨著運行壓力提高，分離器水溫度也提高，進入除氧水箱的熱量增加，此時應特別注意防止水冷壁進口工質汽化，一般水 冷壁進口工質過冷度不得少于5℃。避免水動力不穩定的主要措施是水冷壁進口工質的欠焓要小于產生水動力不穩定的界限欠焓，所以在最低直流負荷下水冷壁進口 工質的欠焓要也不宜過大。

進一步減小水冷壁出口溫度偏差的措施實際運行中，由于管間吸熱偏差和結構上的偏差，而引起管間工質溫度、壓力、干度的差別。直流鍋爐具有較強的 強制流動特性，對于熱負荷高的偏差管，管內工質的流量降低，出口工質的溫度升高。一方面流量降低致使爐內管壁溫度升高，甚至產生傳熱惡化;另一方面出口溫 度升高加大了管間的熱應力，致使管屏變形甚至損壞。原則上，螺旋管圈的圈數愈多，水冷壁出口溫度偏差愈小，但水阻力增大，因此需選擇一個合理的圈數。

對于上爐膛垂直管屏，由于螺旋管圈出口汽水混合物的干度已在0.8以上，因此中間混合集箱的汽水分配已不成問題，不會因汽水分配不均而引起垂直 管屏過大的熱偏差。П型布置對沖燃燒的鍋爐后水冷壁結構較復雜，前后墻與兩側墻之間熱負荷偏差也較大，為此通過爐膛水冷壁出口下降管又實現一次工質混合， 而后經折焰角、水平煙道斜坡、對流管速和水平煙道兩側墻引出，避免后墻水冷壁與兩側墻水冷壁之間產生過大的熱應力，保證水冷壁工作的安全性。

螺旋管圈水冷壁水動力不穩定性分析(1)倒流和停滯。超臨界直流鍋爐在最低直流負荷以下采用再循環運行方式，水冷壁仍具有較強的強制流動特性， 故所有上升管屏都不會發生倒流，不必進行倒流校驗。同時，無論是下爐膛螺旋管圈水冷壁還是上爐膛垂直管屏，在最低直流負荷下的工作壓差(平均受熱管的重位 壓差和流動阻力的總和)總大于管圈最大停滯壓差，也不會發生停滯現象。

(2)多值性。它是指管屏的水動力特性呈三次方曲線，故對應于一個壓降有3個流量，從而造成很大流量偏差或不穩定。影響螺旋管圈水冷壁水動力特 性穩定性的主要因素是運行壓力和入口工質的欠焓。提高運行壓力和減少進口欠焓有利于提高穩定性，但運行壓力和進口欠焓是考慮各種困素由設計確定的參數，因 此要求運行操作不能遠離設計工況。對于上爐膛垂直管屏，由于入口工質已是干度較高的汽水混合物，同時重位壓降的影響也使水動力特性趨向穩定，安全裕度更 大，不必再進行校核。對于冷態啟動工況，水冷壁工作壓力為8MPa，水平管單值性極限欠焓為336.35kJ/kg，就是說只要此時保持水冷壁入口的欠焓 少于336.35kJ/kg，相應入口水溫超過220℃，就能避免出現水動力多值性。