（广东粤电云河发电有限公司 广东云浮 527300）
摘要：介绍了某电厂2×300MW循环流化床锅炉在运行过程中，局部水循环恶化，导致受热面超温爆管，本文重点对水循环缺陷的原因进行分析，进而对局部流场通过流量偏差模型计算后，采用流场涡流模拟手段，设计出锅炉后墙环形集箱水冷壁水循环分配完善方案。
关键词：循环流化床（CFB）、水循环、超温爆管、流量偏差模型、流场涡流模拟
1 引言
广东地区某电厂机组为2×300 MW循环流化床机组，分别于2010年6月、8月份建成投产，锅炉出力为1036 t/h。是上海锅炉厂生产的首台具有自主知识产权的1036 t/h循环流化床锅炉，属于目前国内投运的蒸发量最大的循环流化床锅炉系列。
锅炉水冷壁作为炉膛承压部件，肩负吸收炉内辐射热量，加热管内流动水质使其产生饱和水的任务，其安全运行显得至关重要。通过对水循环的研究，采用水循环流动偏差计算和流场涡流模拟的手段，发现缺陷的爆管真实原因，并提出了水冷壁管道水循环均匀性改进及优化方案，对实现锅炉的安全、稳定、经济运行具有一定的参考价值。
2 水循环缺陷分析
锅炉顶棚水冷壁管泄漏，发生失效的位置是顶棚水冷壁管炉右数第24根，距水冷壁出口联箱距离约为500 mm。经过金相分析失效管子，可确定该管为热疲劳失效，主要原因是管内出现工质流量与热负荷不匹配情况，汽水分离界面提前或间断性在此处出现汽水分离，从而在此处存在温度交变，产生热疲劳，造成管子失效。由图可知，产生热疲劳裂纹的第24#管子刚好从后墙出口环行集箱弯头连接处的第一个管接头引出，而出口则引入水冷壁前墙上集箱引出管管座的角部。
由于第24#管子是靠近弯头的第一根管子，因此受到“弯头效应”的影响最大，同时引入水冷壁前墙出口集箱的位置正处于水冷壁引出管管座的角部，因此工质流场同样受到“角部涡旋”的影响，反应到静压差上便是产生压差的波动，从而使管内工质的流量以及流场发生波动。另外，管内汽水混合物的含汽率随着流动方向逐渐变大，因此管子出口段受周期性流量及流场波动的影响更大，这是造成管子内壁间断性汽水分离的最主要原因。
在锅炉水循环计算中，主要依据锅筒与水冷壁下联箱之间上升系统的压降等于下降系统的压降原理进行计算，即公式1：
根据机组热负荷、管子尺寸、管子回路数量、管子弯头数量及弯头角度，可算出回路中上升系统的压差及下降系统压差，并将局部阻力、沿程阻力经验公式代入上公式中，便可推算出各个回路的平均流速，从而计算出回路中的循环倍率，含汽率等。
经过对锅炉的水循环计算，该区域的循环倍率为2.6左右，未开孔区包复耐磨材料部分为3.11，未开孔区光管部分为3.25，前墙为3.3，左右侧墙为3.67，水冷屏为3.48。
由于第24根（从右至左数）管子刚好位于后墙开孔的第一根管子，在整台锅炉中采取相同安装布置的管子共有6处，再考虑到后墙出口区域的炉顶管排的流场及降压差变化情况，还需对环型集箱的流动偏差进行分析，选取具有代表性的第24根构建流动偏差模型。
环形集箱为Φ237×50的集箱，管子为Φ60×7.5，引出管为Φ168*18的管子,根据环形集箱的流动偏差计算公式η=g/g0，（g为偏差管流量，g0为平均流量管流量）。经水循环计算出联箱处各水冷壁流量后，代入流动偏差公式，可知该结构的24号水冷壁管流量偏差约为2%。综合考虑水循环计算和流动偏差计算后，后墙第24号水冷壁管组成的水循环回路循环倍率为2.5左右，其在后墙环形集箱进、出口角部位置，由于压力波动导致流量的波动，该位置的汽化率会更高，后面回路中的顶棚水冷壁管则在更差的工况下运行。根据核算，24号顶棚水冷壁管因其回路循环倍率低于2.5，且在热负荷交变，汽化率更高的情况下，最终会因热疲劳而失效。根本原因是24号管子在进出锅炉后墙环形集箱处结构的设计存在缺陷。
3 流场涡流模拟研究
通过流量偏差模型计算后，采用流场涡流模拟手段，设计出锅炉后墙环形集箱水冷壁水循环分配完善方案。
对于原结构24号水冷壁管进入环形集箱的情况，在水冷壁管进出后墙环形集箱角部位置出现较多涡流情况，在顶棚水冷壁进入水冷壁出口集箱也存在涡流情况，导致这些位置的压力波动变化较大。
通过分析24号管在不同热负荷下这些位置的涡流特性，并据此计算出回路中循环倍率、循环流速等，结果如表1所示：
对于24号水冷壁管不进入环形集箱，而采用让管方式绕过集箱的情况，在24号水冷壁管弯头内，工质流场并没有形成较多涡流，在顶棚水冷壁进入水冷壁出口集箱处涡流情况也得到明显的改善。后墙环形集箱区域炉顶管进出口压差分布图中也显示出压力波动情况得到抑制。
利用通用的方法分析24号让管回路在不同热负荷下这些位置的涡流特性，计算出回路中循环倍率、循环流速等，结果如表2所示。
根据流场涡流模拟结果，24号水冷壁不经环形集箱而直接采用让管方式绕过集箱后接入顶棚水冷壁管，可有效消除工质在进入环形集箱而产生的角部涡流效应。只要让管弯头数量、弯头角度、让管长度在合适范围内选取，就可确保第24号管子回路循环倍率在2.8以上，经过核算，该回路管子循环倍率在2.8以上时，管子水循环是安全的。
4 水循环均匀性改进设计
1)为解决24号管子在进、出锅炉后墙环形集箱处结构的设计缺陷，需对后墙环形集箱的24号管子进行重新设计。根据上述的水循环分析及软件模拟，得出改进设计思路：24号水冷壁管不经环形集箱而直接采用让管方式绕过集箱后接入顶棚水冷壁管。这种改进方案可避免在24号水冷壁管内进出集箱位置产生角部涡流，提高该管子水循环循环倍率，确保管子在各种机组负荷下安全运行。
2)由于5、6号锅炉后墙设计有三个出口环形集箱，因此由于结构的对称型，后墙共有6根水冷壁需要进行管道水循环均匀性改进。分别是锅炉后墙水冷壁左侧24、80、129号管和右侧24、80、146号管。
根据设计思路，并考虑现场实际情况，设计结果如下所示：
3)割除后墙水冷壁左侧24、80、129号管和右侧24、80、146号管进出口环形集箱部分，上下端各割除距离集箱400 mm；
4)采用锻造封头将环形集箱处的割口封堵，并焊接牢固。采用8700mm长度的让管（其包含4个45°弯头），将24号管上下端连接起来，焊接牢固，使蒸汽不再进入环形集箱，直接通过让管内部后进入顶棚水冷壁管。
5)采用同样方案对后墙水冷壁左侧24、80、129号管和右侧24、80、146号管进行改造实施。
经过现场对后墙水冷壁左侧24、80、129号管和右侧24、80、146号管进行让管改造后，六根水冷壁管在机组负荷下，均能满足各项性能指标。经过计算，后墙水冷壁左侧24、80、129号管和右侧24、80、146号管实际的循环倍率为K=3.2。对应的顶棚水冷壁未出现汽水分层情况，管子运行安全性能得到了大大提高。
5 小结
首先分析了该锅炉水循环设计缺陷，锅炉顶棚水冷壁出口靠近炉前右侧位置向火侧发生了泄漏事故，造成两台锅炉爆管，均造成多处吹损，机组被迫停运。经分析，事故原因是由于炉膛出口环形集箱水冷壁存在结构设计缺陷，水循环分配不均导致。其后通过流场涡流模拟，提出水冷壁管道水循环均匀性改进及优化方案，对提高大型循环流化床锅炉的安全运行具有极大的现实意义。主要结论如下：
锅炉炉膛出口环形集箱共六根水冷壁管道水循环均匀性改进后，管内水循环循环倍率应与旁边未开孔区包复耐磨材料水冷壁管循环倍率相当，即K=3.11。而改进后六根水冷壁管实际的循环倍率为K=3.2。按照循环流化床锅炉的最大热负荷和循环倍率3.2来分析，改进后六根水冷壁管水循环和水冷壁的壁温都是安全的。
锅炉炉膛出口环形集箱六根水冷壁管道水循环均匀性改进后，其管内进出口压差均应控制在合理范围内，保证六根水冷壁管与后墙其余水冷壁管的流量偏差在最大热负荷下仍小于2%。
改进后的六根水冷壁管，由于采用让管方式不再经过后墙环形集箱，因此可彻底消除工质流场受到集箱“角部涡旋”的影响，消除该管段的压差波动，保证顶棚管内不发生间断性的汽水分离界面的情况。
改进后循环流化床锅炉可靠性大幅度提高，不发生水冷壁管因水循环分配不均造成热疲劳爆漏。
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作业简介
王立法（1985），男，贵州兴义人。工程师，集控技师，工程硕士，主要从事电站锅炉、脱硫、脱硝的技改、研究、策划等管理工作。
论文作者:王立法,江平,林锦平
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/25
标签：水冷论文; 水循环论文; 锅炉论文; 环形论文; 涡流论文; 流化床论文; 顶棚论文; 《电力设备》2016年第10期论文;