超临界锅炉过热器壁温特性研究

杨 美，宁仁杰，周云龙

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

超临界锅炉过热器壁温特性研究

杨 美，宁仁杰，周云龙

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

采用计算流体动力学方法，对600 MW超临界四角切圆锅炉的炉内燃烧、传热以及烟气流动进行数值模拟，得到炉膛的烟温烟速分布。结合上述模拟结果以及热偏差数值计算理论，对该锅炉的过热器管壁温度进行三维计算研究。通过计算得到了过热器管壁温的分布，找出了管壁温度最高点的位置。研究表明：该方法便于在计算机上实现快速准确的管壁温度预测。

屛式过热器；管壁温度；热偏差

过热器是大型电站锅炉设备中重要组成部件之一。由于热偏差的存在，电厂锅炉过热器容易发生管壁超温爆管，影响电厂运行的安全性和经济性[1-4]。张颖利[5]等人对方管内流体与壁温导热耦合，采用Simpler算法进行数值计算；Pawel Ludowski[6]对锅炉内热量交换建立模型，对于一侧边界条件已知而另一侧边界条件未知的问题，采用了正切法进行处理；Ho Young Park[7]对末级过热器超温爆管现象进行研究；吕太[8]采用数值模拟与现场试验相结合的方法对超超临界墙式切圆锅炉的炉内燃料流动和燃烧进行了研究。本文通过炉膛燃烧数值模拟得到炉膛整体温度、速度分布，可以更准确的获取到计算中所需的数据，改善了数值计算方法长期以来依赖经验公式选取参数的不可靠性，结果真实地反映了管壁传热情况。

1 炉膛燃烧数值模拟及结果分析

1.1 研究对象概况

研究对象为某厂SG-1910/25.4-M951型号锅炉，设计煤种为神府煤。该锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式。24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。主要技术参数，如表1所示。

表1 锅炉主要技术参数

表2 神府煤成分分析表

1.2 数学模型

由于在燃烧器区域，烟气和燃料有强对流作用，并且涉及到剧烈的燃烧反应，所以研究中对燃烧器区域网格进行局部加密。模型及网格划分方式，如图1所示；燃烧器区域网格的平面截图，如图2所示。

图1 炉膛模型网格划分图

图2 燃烧器区域网格划分图

本模拟中，气相湍流采用k-ε模型，气固两相流采用颗粒轨道模型，辐射模型采用P-I辐射模型，燃烧选择非预混燃烧模型，挥发分燃烧采用PDF模型，焦炭燃烧采用动力-扩散表面反应速率模型。燃烧煤种采用设计煤种神府煤，该煤成分分析见表2所示。

1.3 数值模拟结果及分析

锅炉燃烧器区域某一横截面的速度和温度的分布图像，如图3、图4所示。燃烧器喷嘴的四股射流，形成假象切圆。切圆中间速度较圆周处低，圆周处四股射流具有较强的刚性，带动了整体烟气场呈螺旋上升形态运动。温度场与速度场有着相类似的分布，切圆中心温度低而圆周温度高，最高值可以达到1 600 ℃。这是由于切圆外围处于焦炭燃烧区域，其燃烧放出了大量热，加热了周围气体。

图3 燃烧器区域截面速度分布

图4 燃烧器区域截面温度分布

锅炉水平烟道截面速度和温度分布图，如图5、图6所示。可见，两幅图的截面图皆由距离炉膛出口0.5 m处截取。随着烟气在水平烟道的流动，烟气速度沿程逐渐递增。这是因为截图位置靠近水平烟道的炉顶部，烟气流从炉膛进入水平烟道时，烟道顶部的烟气因为贴壁效应，会逐渐被下方动能较大的烟气带动，因而会呈现速度沿流动方向逐渐增大的现象。总体上看，水平烟道的左侧烟速要略高于右侧烟速。在烟温方面，炉膛的温度场则呈现出了较大的温度偏差，在过热器后方同一垂直线上温差甚至达到了100 ℃，造成了锅炉管壁温度超温现象。

图5 水平烟道截面速度分布

图6 水平烟道截面温度分布

图7 炉膛纵剖面速度分布

图8 炉膛纵剖面温度分布

锅炉竖直方向纵剖面上的速度和温度分布图，如图7、图8所示。为了下一步的计算方便，两幅图的纵剖面皆由距离炉膛左侧墙壁4.8 m处截取。从速度分布图情况上看，截面速度分布有较大的不均匀性，喷嘴处速度远大于其余的区域。在温度分布上，可以看到炉膛火焰充满度较好，燃烧器区域呈现出了典型的“马鞍”温度分布形态。随着烟气继续向上流动，烟温稳步下降。

2 过热器管壁温度数值计算方法及结果分析

2.1 计算思路及模型建立

传统的壁温计算方法，只能计算出换热器的最高壁温或者平均壁温，并且计算过程中经常把热力、水力不均系数叠加在一起，这也往往是不符合实际情况的做法[9]。为了提高壁温计算的准确性以及获取过热器各管各处壁温的详尽分布，本文通过炉膛燃烧数值模拟得到炉膛的烟温烟速分布，利用该数据来确定壁温计算公式中的重要参数。将过热器的单根管子由工质入口开始进行分段，至出口共分为相连的20个小管段，计算过热器管内工质流量分布不均系数。最后，利用壁温计算公式得出管壁各处的温度[10]。

2.2 过热器壁温计算结果

在研究中，选取过热器左起第8排管屏作为研究对象。该扇屏处于水平烟道距离左墙三分之一处位置，距离左墙4.8 m，正好处在烟温烟速温度最高、变化最剧烈的位置，具有一定的代表性。在上文数值模拟的烟温烟速场结果中，采集出其管壁周围的烟温烟速数值作为计算参数，进行数值计算。选取其屏中最外围管圈(第1根管)壁温、中间管圈(从外数第11根管)壁温以及最内侧管圈(第20根管)壁温作为统计对象得到温度曲线，如图9所示。可以看出，过热器管壁温度沿着工质流动方向，呈现出先增高后降低再增高的趋势。

图9 具有代表性的三根管圈壁温沿长度方向的分布曲线

图10 左起第8片屏最外管圈管壁温度与管内介质温度曲线图

最高点位于管圈中部，也就是管道底部右转角和左转角之间的水平段部分。该段不但温度最高，升温也是最快的，原因是该处受到的下炉膛的高温烟气强烈的热辐射。经过水平段后的竖直管道，管壁温度迅速下降，因为此处管壁受到下炉膛的辐射角系数大幅度减小，管壁吸热也随之大幅度减小。在第16管段之后管壁温度继续上升，因为此处管内工质温度较高，即便烟温不高，但温差较小故热流量较小，管壁放热变小，导致此处壁温较高。由图9中还可以看出，管屏外圈和内圈的温度呈现完全不同的走势。其中，最外管圈有着较大的温度变化幅值，随着管圈位置越来越靠近内部，温度幅值变化越来越小。

左起第8片屏最外管圈与其管内介质温度对比曲线图，如图10所示。管内工质温度稳定上升，全程没有降温的趋势。管内工质温度上升最快处为管外壁温最高部位，即管圈水平段。温度高则工质温度和管壁温度的温差大，热流密度大，热流密度决定了工质的传热，而该处温度梯度较大。

3 结 论

在额定工况下，对600 MW锅炉炉膛的烟温烟速分布形态进行了模拟。同屏管排的不同管圈之间的温度沿长度方向的分布有较大的差异，外圈管和内圈管主要由于受到炉膛的辐射角系数不同，在温度分布上和温度变化趋势上都呈现不同；外圈管承受着最高的温度以及最大的温度变化幅值，管圈水平段部分的壁温较高；以左数第8屏为例进行计算研究得知，该屏最外管圈第11管段(水平段)区域壁温和工质的温差最大，达到90 ℃；温差最小处为出口处，仅有50 ℃。

[1] 初云涛，周怀春，程强，等.电站锅炉过热系统分布式传热模型及其应用[J].中国电机工程学报，2007，27(11)：62-67.

[2] 赵超，张忠孝.塔式锅炉屏式过热器传热特性及壁温研究[J].锅炉技术，2012，43(6)：9-13.

[3] 余艳芝，唐必光，李树雷.高温过热器壁温测试及计算[J].热能与动力工程，2013，18(13)：71-73.

[4] 付磊，唐克伦，李良，等.管壳式换热器流均数值模拟方法研究[J].现代制造工程，2013,15(1)：66-71.

[5] 张颖莉，种道彤，刘继平，等.方管内混合对流与管壁导热耦合换热的数值模拟[J].西安交通大学学报，2012，46(5)：19-25.

[6] Pawe1 Ludowski，Dawid Taler，Jan Taler.Identification of thermal boundary conditions in heat exchangers of fluidized bed boilers[J].Applied Thermal Engineering，2013，58(1)：194-204.

[7] Ho Young Park，Se Hyun Baek，Young Ju Kim，et al.Numerical and experimental investigations on the gas temperature deviationin a large scale，advanced low NOx，tangentially fired pulverized coal boiler[J].Fuel，2013，104(9)：641-646.

[8] 吕太，崔体磊.600MW超超临界墙式切圆锅炉炉内流动与燃烧特性研究[J].东北电力大学学报，2014，34(5)：11-16.

[9] 刘林华，王孟浩，杨宗煊.电站锅炉过热器和再热器管壁温度计算的一种新方法[J].动力工程，1995，15(2)：1-4.

[10] 杨冬，陈听宽，李会雄.锅炉过热器与再热器流量分配的非线性数学模型及壁温计算方法[J].中国电机工程学报，2001，21(5)：38-42.

Study on the Temperature Characteristics of Superheater Tube Wall in Ultra Supercritical Boiler

YANG Mei，NING Ren-jie，ZHOU Yun-long

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Numerical simulation for combustion in furnace，heat transfer and the flue gas flow on a 600MW supercritical tangential boiler was carried out by using the CFD method.Gas temperature and gas velocity distribution were obtained.Combined with the simulation results and the numerical calculation theory，we did the thermal deviation of the boiler superheater tube wall temperature for 3 dimensional computing research.Finally we’ve got the superheater tube wall temperature distribution，and found out the position where the tube wall temperature is highest.Based on the method，temperature can be easily and accurately acquired by computational program.

Superheater；Tube wall temperature；Teat deviation

2016-04-12

杨 美(1988-)，女，贵州省铜仁市人，东北电力大学能源与动力工程学院助教，硕士，主要研究方向：气液两相流流动及传热.

1005-2992(2016)06-0055-05

TK223

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