关键字：热负荷、垂直水冷壁、第二类传热恶化
1锅炉简介
某发电厂锅炉为北京B&W公司制造的超超临界参数、螺旋炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、紧身封闭的Π型锅炉。整个炉膛由下部螺旋水冷壁和上部垂直水冷壁构成，水系统采用集中供水，分散引入、引出方式。
螺旋水冷壁和垂直水冷壁均采用膜式全焊接结构，螺旋水冷壁为内螺纹管，垂直水冷壁为光管。
2 水冷壁超温危害
水冷壁长期超温，会使钢材金相组织变化，持久强度降低；还会使钢材产生氧化腐蚀，导致管壁减薄，严重影响锅炉的使用寿命。
3 第二类传热恶化对直流锅炉的影响
3.1 水冷壁管中汽水两相流的流动结构
在水冷壁管内两相流中，汽和水不是均匀分布的，它们的流速也不一样。由于管径、混合物中质量含汽率和流速不一样，流动结构不同，流体阻力和传热也不相同。
图1 垂直水冷壁上升段中的两相流
如图1，均匀受热的垂直水冷壁上升段中两相流的情况。欠热水由管子下部进入，完全蒸发后形成的过热蒸汽由管子上部流出。
区域A，单相水的对流传热，此区域水温低于饱和温度，管壁金属温度稍高于水温。
区域B，紧贴壁面的水达到饱和温度并产生汽泡，管子中心部位处于欠热状态，生成的汽泡脱离壁面与未饱和的水混合，重新凝结并将水加热。
区域C，全部达到饱和温度，此后生成的汽泡不再凝结。质量含汽率X逐渐增大，汽泡分散在水中，这种流动机构称为汽泡状流动。
区域D，小汽泡在管子中心聚合成大汽弹，汽弹与汽弹之间有水层。
区域F，当汽量增多（质量含汽率x增大），汽弹相互连接时，就形成管子内部为汽而周围有一环状水膜，而且流动过程的质量含汽率增大，水膜逐渐变薄，即所谓带液滴的环状流动结构。
区域G，当管壁上的水膜完全被“蒸干”，出现壁温突然升高，进入雾状流动结构。
区域H，变成单相蒸汽。
3.2 第二类传热恶化
第二类传热恶化发生在质量含汽率较高的环状流动区，由于水膜被撕破或“蒸干”，传热系数下降，壁温飞升，传热恶化。
3.3 第二类传热恶化的影响因素
水冷壁管发生传热恶化主要与工质质量流速、压力、质量含汽率和热负荷等因素有关。目前常以临界含汽率Xlj作为判断传热恶化出现的界限（临界含汽率：开始产生第二类传热恶化的质量含汽率称为临界含汽率）。
如果管子出口的质量含汽率x小于临界含汽率Xlj，则不会发生第二类传热恶化。如果管子出口的质量含汽率x大于临界含汽率Xlj时，就有可能产生第二类传热恶化。
直流锅炉直流炉的水动力特性呈多值性，有脉动现象，流量随时间做周期性波动。而且因为没有汽包，工质在直流炉内一次通过，受热面的蒸发和过热没有固定界限。所以第二类传热恶化一定要出现。
3.3.1 压力P的影响
压力P增加，饱和水密度ρ减小，表面张力降低。饱和水密度ρ减小则水冷壁上水膜受扰动的影响大，表面张力降低则保持水膜的能力变差，这两者变化都使水膜的稳定性降低。同时，压力增加时，产生的汽泡小而多，增加了对水膜的扰动，并使水膜与管壁的温度接触面积减小，这也使水膜的稳定性降低。因此，压力增加将使质量含汽率增加，易发生第二类传热恶化。
3.3.2 热负荷q的影响
热负荷q增加，汽泡数量的增多，增加了水膜的扰动，减小了水膜与管壁的接触面积，同时还因大量蒸发使水膜本身的厚度减薄。所以热负荷增加，质量含汽率增加，易发生第二类传热恶化。
3.3.3 质量流速ρω的影响
质量流速ρω的影响应从两方面看，当ρω增加时，使水膜的扰动加剧，水膜的稳定性降低，将使质量含汽率增加。另一方面，ρω增加，可以带走贴壁形成的汽泡，并将水挤向水冷壁，因而质量含汽率增大，可以推迟传热恶化的发生。但总趋势中，质量含汽率是减小的，所以ρω增加对传热恶化是有利的。
4 某发电厂#1锅炉垂直水冷壁超温的原因分析
某发电厂锅炉燃烧器和垂直水冷壁的布置如图2、图3。#1锅炉停运单套中、下层制粉系统后，低负荷时，垂直水冷壁温度容易超限，其中A、C制粉系统的停运对壁温的影响尤为严重，后墙#391~#395垂直管屏会出现超温。
图2 螺旋水冷壁区域燃烧器布置图 图3 垂直水冷壁管屏布置图
4.1 中、下层磨煤机停运后火焰中心上移
锅炉燃烧器布置在螺旋水冷壁区域，正常运行时，火焰中心低，螺旋水冷壁充分吸热，且螺旋水冷壁为内螺纹管，可以有效的防止传热恶化。在任一中、下层磨煤机停运后，上层磨煤机会保持运行，此时，炉膛火焰中心上移，螺旋水冷壁区域吸热量减小，垂直水冷壁区域的热负荷会增加，在相同的锅炉负荷下，垂直水冷壁区域的壁温上升，质量含汽率增加，有可能引发第二类传热恶化。
4.2 降负荷过程中的热负荷相对较高
在锅炉降负荷过程中，由于锅炉蓄热量大，温度下降滞后，给水流量迅速下降，相对于于给水流量，炉膛热负荷偏高。此时水膜扰动大，质量含汽率增大，垂直水冷壁内的给水被“蒸干”，易产生第二类传热恶化。
4.3 水动力分布不均匀，部分管屏内的介质质量流速低
因直流炉水动力呈脉动性，水冷壁中水动力分布不均匀，A、C磨煤机停运后，从超温管屏的分布来看，后墙水冷壁中的水动力较小，不能及时带走垂直水冷壁管贴壁形成的汽泡，垂直水冷壁与介质换热变弱，引起壁温升高，易产生第二类传热恶化。
4.4 锅炉降负荷过程中压力相对较高
在机组降负荷过程中，给水流量迅速下降，因锅炉蓄热量大，炉膛热负荷下降滞后，导致锅炉主汽压的下降速度略慢于给水压力。相比于降负荷过程中的给水压力，对应的锅炉压力相对偏高。这将使得水冷壁中的水膜张力变小，水膜稳定性变差，易产生第二类传热恶化。
5、中、下层磨煤机停运过程后，低负荷防止垂直水冷壁超温的措施
5.1 增加给水流量
增加给水流量后，介质质量流速增加，使给水流量与降负荷过程中的实时热负荷相匹配，不仅可以快速带走垂直水冷壁贴壁管的汽泡，还可以降低垂直水冷壁的质量含汽率，减弱第二类传热恶化。
5.2 后墙垂直水冷壁温度高时，减小后墙制粉系统的出力，减弱后墙区域热负荷
因#1锅炉水动力分布不均匀，后墙垂直水冷壁更容易超温。此时，增加前墙磨煤机出力，减小后墙磨煤机出力后，后墙垂直水冷壁区域的热负荷降低，质量含汽率降低，使水膜的稳定性增加，有利于减弱第二类传热恶化。
5.3 增加运行燃烧器的二次风
正常燃烧器的二次风量投入自动，根据给煤量的大小调整。当停运中、下层磨煤机时，手动增加运行燃烧器的二次风量，此时，运行燃烧器出口的氧量增加，与煤粉的混合更加充分，燃烧更完全，火焰中心降低，可以使垂直水冷壁区域的热负荷降低，减弱第二类传热恶化。
5.4 增加备用磨煤机的冷一次风通风量
通过备用磨煤机向炉膛通入冷一次风，可以降低炉膛温度，使炉膛整体热负荷下降，减小垂直水冷壁区域的质量含汽率，防止第二类传热恶化发生。
6 结语
在制粉系统运行方式变化，引起直流锅炉垂直水冷壁壁温超限时，应积极通过给水、燃烧的调整，来预防和控制第二类传热恶化。
论文作者:李小东
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/12
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