600MW锅炉水冷壁温度场计算外边界条件的确定

锅炉水冷壁
600M W 温度场计算外边界条件的确定
周一工
(上海锅炉厂有限公司)
摘 要 以上海石洞口第二发电厂引进的由瑞士
S U L ZER 和美国C E 公司联合设计的 600M W 超 临界变压运行直流锅炉为研究对象, 消化吸收引进技术, 确定了 600M W 超临界压力锅炉水冷壁温
度场计算中的外边界条件, 并与内边界条件研究
( 倾斜管及垂直管管内传热特性研究) 相结合, 找 到了进行 600M W 超临界压力锅炉水冷壁温度场计算的新方法。

关键词 水冷壁 外边界条件 热负荷 角系数
D eterm i na t i on f o r Ca l cula t i on of
O uter Bou n d a r y Con d it i on s of the Tem pera ture F iel d of W a ter W a l l f o r
600MW Bo il er
Z h o u Y ig o ng
A bstra ct T ak in g a s th e o b ject o f study , th e 600M W sup e rcr it ica l p re ssu re slide p re ssu re b o i l e r
th a t w a s jo in t ly de sign ed by Su lze r , S w iss an d A m e r ican Com bu st i o n E n g in ee r i n g an d w a s in t rod u ced by Sh an gh a i Sh ido n gko u N o . 2 Pow e r P lan t , th e in t r o duced tech no l o gy h a s been d ige sted and ab 2 scrbed , th e o u te r b o un da ry co n d it i o n s o f th e te m p e ra t u re f ie ld o f w a te r w a ll fo r 600M W sup e r cr i c i c a l p re ssu re bo ile r a re de te r m in ed , an d com b in ed w ith study o f inn e r bo un da ry co n d it i o n s ( stu d y of th e h ea t t ran sfe r p e rfo r m an ce in side t ilit i n g tube s an d ve r t ica l tube s ). A n e w m e tho d o f ca lcu la t i o n of th e te m p e r a t u r e f i e l d o f 600M W sup e r cr i t i ca l p re s su r e bo ile r .
Keywords w a t e r w a l l , o u t e r bo un da r y co n d i t i o n s , h e a t l o ad , an g l e facto r
省煤器, 空气预热器布置在尾部烟道下方。

立
式汽水分离器布置在炉前, 其进、出口分别与 水冷壁和炉顶过热器相连。

锅炉采用疏水扩 容式启动系统。

燃烧系统采用中速磨直吹
系统, 燃烧器 四角布置, 分上、中、下 3 级, 均可摆。

采用轻 重油三级点火。

锅炉为露天布置, 采用平衡通风系统, 按 带基本负荷设计, 可作复合变压运行。

超临界压力锅炉简介
1 600M W 111 锅炉型式
锅炉为一次中间再热燃煤直流式, 带立 式汽水分离器, П形布置炉膛水冷壁下部采 用螺旋管圈, 上部为一次上升垂直管屏, 两者 间设置中间混合集箱。

炉膛上部有前屏、后屏 过热器。

水平烟道依次布置了高温再热器和 高温过热器, 尾部烟道布置了低温再热器和
收稿日期: 1998—06—02
锅 炉 制 造
总第 171 期
2
112 锅炉主要参数 (见附表) 角为 13. 949 8°。

燃烧器区域的每个角要绕出
3 组燃烧器, 每组有 2 个煤粉喷口。

113 水冷壁
1. 3. 3 混合集箱
锅炉的水冷壁由冷灰斗、炉膛下部螺旋 管圈、混合集箱、炉膛上部垂直管屏组成。

混合集箱在炉膛中部, 规格为 5 273 ×
29mm , 材料为 15N i C u M oN b 5 ( 简称 W B -
36)。

由螺旋管圈来的管子从集箱顶部引入,
从左右两侧引至炉膛上部垂直管屏, 1 根引
入管配 4 根引出管, 并使双相流体分配均匀。

1. 3. 1 冷灰斗
由炉膛下部环形集箱引出了 316 根管子
组成一个管带, 围绕成冷灰斗。

管子为 5 38×
3mm , 材料 15M o 3, 节距 54mm , 螺旋倾角 1. 3. 4 炉膛上部垂直管屏
6. 13. 949 8°。

螺旋冷灰斗要依次围绕 2 片垂直
的侧墙和倾斜的前后墙。

由混合集箱出来的管子组成垂直管屏, 前后墙各为 336 根, 两侧墙各为 296 根。

管子 为 5 33. 7×5. 8mm , 管子材料前墙、
两侧墙为 15M o 3, 后墙为 13C r M o 44。

后墙悬吊管为 5 60. 3 × 10mm , 材 料 为 13C r M o 44, 共 125
根。

由垂直管屏来的管子分别进入 4 个水冷
壁上部集箱, 然后由 4 根导管引至汽水分离 器。

1. 3. 2 炉膛下部螺旋管圈
由冷灰斗来的 316 根管子组成 1 个管
屏, 分别绕过前、后墙和两侧墙。

炉膛宽度为
18 816mm 、深为 16 576mm , 管子为 5 38×5. 6mm , 材料为 13C r M o 44, 节距 54mm , 螺旋倾 附表 锅炉主要参数
锅炉负荷 %
M CR 100 75 50 37 蒸发量 (kg ·s - 1 )
过热蒸汽压力 M P a 过热蒸汽温度 ℃ 再热蒸汽流量 ( kg ·s - 1) 再热蒸汽压力 M P a 再热器进口压力
M P a 再热蒸汽温度 ℃
再热器进口汽温 ℃ 省煤器进口水温 ℃
527. 783 484. 099 348. 726 226. 997 179. 199 25. 4 25. 21 19. 14 12. 77 10. 141 541 541 541 541 541 447. 937
4. 577 4. 77
569 436. 397 4. 232 4. 412
569 304. 616 3. 138 3. 272
569 202. 721 2. 104 2. 195
569 161. 323 1. 626 1. 695
520 301
294 295 301 301 286
280
261
238
225
强烈辐射, 另一面敷设保温材料, 管内有一定
质量、流速的汽水混合物流过。

膜式水冷壁的
正常工作条件以表面温度不超过钢材的最高 许用温度为前提, 因此, 工程设计首先要进行
锅炉水冷壁温度场计算要素
2 炉膛膜式水冷壁外部一面受炉膛火焰的
第
1 期 周一工: 600M W 锅炉水冷壁温度场计算外边界条件的确定 3
膜式水冷壁温度场的计算。

求解膜式水冷壁温度场, 就是求解稳定
状态下满足边界条件的 L ap l ace 方程 2
T =
0 的解。

由于膜式水冷壁形状较复杂, 其解析
解不易求得, 故目前仍采用有限差分或有限 元的数值解, 并有通用程序。

膜式水冷壁温度 场计算的关键是确定其边界条件。

下面着重 从可靠性与经济性角度出发, 膜式水冷 壁温度场通常简化为二维计算模型进行计 算, 不考虑其沿管子长度方向的导热。

膜式水 冷壁由管子、鳍片和焊缝组成, 见图 3。

讨论石洞口第二发电厂 600M W 超临界压力 锅炉膜式水冷壁向火面外边界条件的计算方 法(背火面按绝热面处理)。

锅炉炉膛热负荷分配
3 图 1 是 S U L ZER 公司提供的石洞口第 二发电厂 600M W 超临界压力锅炉沿炉膛高 度方向M CR 、75% 、37% 负荷时热负荷分布 曲线。

图中的炉高为零处, 指冷灰斗出口处。

将 3 根曲线拟合成四次多项式:
图 1 沿炉膛高度方向上的热负荷分布
q γ 2 M CR = 151. 06+ 12. 444z + 0. 627 522z - 0. 064 933z 3 + 0. 001 051 96z 4
q
γ 2
75%
= 114. 862+ 15. 981 1z - 0. 341 4z - 0. 015 496z 3 + 0. 000 356 065z 4
q
γ 2 37%
= 77. 644+ 14. 343 6z - 0. 618 172z 2 - 0. 004 234 54z 3 +
0. 000 287 832z 4
式中 q
γ——某一高度上的平均热负荷, kw /m 2
;
z ——炉高, m 。

图 2 沿炉膛宽度方向上热负荷分布
图 2 是 SU L ZER 公司提供的石洞口第
二发电厂锅炉沿炉膛宽度方向的热负荷分布 图。

将沿高度方向的平均热负荷 q γ 乘以沿宽
度方向的热负荷分配系数 Γ, 可得到炉膛内 任一点的热负荷, 即:
q e = Γq
γ (1)
膜式水冷壁表面热负荷分布 4
图 3 膜式水冷壁结构
注: S —管子节距, r —管子半径, 2∆—鳍片厚度, Η
—焊缝交角, P —焊缝位置参数 的解析解
411 结构参数
锅 炉 制 造
总第 171 期
4
412 辐射边界条件分析
线, 交圆O 1 于M ′, 交圆O 2 于N ′。

此时,
a b 、 a M c 、cd 、dM ′b 构成了封闭系统。

与炉膛宽度相比, 管距的相对长度很小。

故每个管距内的辐射面积热负荷 q e 可认为 是 1 个常数。

在 ab 面(见图 3) 上吸收的辐射 传热量为:
根据角系数定律, ab 对cd (d x ) 的角系数 为: a M ′d - a M c + c N b - dN ′b
(6)
7 gd r =
2 ab
(2)
Q e = q e S
由几何关系可得:
在管子、焊缝和鳍片上任一微元长度 d x 上吸收的热量为:
(7)
(8) ab = S
a M c = r Α
+ r ctg Α= ∆csc Α
′式中 q ′。

ab (3)
a M ′d = r (Α- d Α) + r ctg (Α- ∆csc (Α
- d Α)
c N b = r Β+ r ctg Β
- ′b = r (Β+ d Β) + r ctg (Β
+ d Α
) - (9)
(10) (4)
∆csc Β 则微元长度 d x 上的热负荷为:
7 gd r
q S
) ( + d Β
) (11)
d Β - ∆csc Β ′ q =
e
d x 取第二类边界条件:
将
( 7)、( 8)、( 9)、( 10)、( 11) 式代入 ( 6) 5t ′
式, 用微分定理 f (u + d u ) - f 整理得:
f ′
(u ) d u q = - K
5n 边界
下面侧重讨论 7 gd r 的计算方法。

(u ) = 7 gd r = 1
[ ( r ctg 2 Α- ∆ctg Αcsc Α) d Α+
413 膜式水冷壁表面热负荷分布函数 2S ( r ctg 2 Α- ∆ctg Βcsc Β) d Β]
(12)
4. 3. 1 鳍片上的热负荷分布函数 (见图 4)
由几何条件, x = r csc Α- ∆ctg Α, S - r csc Β
- ∆ctg Β 可解得: x =
2
3
2
si n - 1
(
rx - ∆
x + ∆
- r ) Α= x 2 + ∆2
2 2
2 rx - ∆ x + ∆ - r , 令 A = x 2 + ∆2
进行微分得:
d A r (∆2 - x 2 ) d x = (x 2 + ∆2 ) 2 -
∆x (2 r 2 - x 2 - ∆2
图 4 鳍片热负荷分析
(x 2 + ∆2 ) 2 x 2 + ∆2 - r 2
d Α=x
在鳍片距 O 1 点 x 处取微元长度 d x , 过 C 点分别作圆 O 1、O 2 的切线, 交圆 O 1 于M , 交圆 O 2 于 N ; 过 d 点分别作圆 O 1、O 2 的切
2 2 2 r
(S - x ) - ∆ (S - x ) + ∆ - r - 1 Β= si n [ ] () 2 2
第
1 期 周一工: 600M W 锅炉水冷壁温度场计算外边界条件的确定
5
系数为:
令B
a M ′d - dN ′b
a M c + c N
b - 7 gd r /
c o s Η
= 2 ab
进行微分得:
(13)
由几何关系得: d B = -
r [ ∆ - (S - x ) ] + 2 2 a M c = a M + M c = x ) sec Α
r Α+ r ctg Α- ( r csc Α-
[ (S - x ) 2 + ∆2 ]2
∆(S - x ) 2 r 2 - d x x ) 2 - ∆2 ]
(S - [ (S - x ) 2 + ∆2 ]2 x ) 2 + ∆2 - r
2
a M ′d = a M ′+ M ′d = r (Α- d Α
) + (S - 1 d B
r ctg (Α- d Α
) - r csc (Α- d Α
) - d Β= B 2
d x d x
1- (x + d x ) ] s ec (Α
- d Α)
c N b = c N + N b = r Β+ r ctg Β- ( r csc Α-
x ) tg Α
csc Β 将 Α、Β、d Α、d Β 的表达式代入
( 12) 式, 可 得由 r 、S 、∆ 及 x 和 d x 表达的 7 gd r 的关系式。

鳍片上的热负荷分布函数为:
d N ′b = dN ′+ N ′b = r (Β+ d Β) + r ctg (Β+
d Β) - r csc (Α- d Α) - (x + d x ) ]× tg (Α
- d Α) csc (Β+ d Β) 7 gdx q S
q ′
(x ) = e d x
将以上各式代入
(13) 式, 经化简后得: 4. 3. 2 焊缝上的热负荷分布函数 (见图 5)
1
[ ( s ec Α- tg Αcsc Β) d x + 7 gd x /c o s Η
= 2S
在焊缝上取微元 d x 。

建立以O 1 点为原
( r ctg 2 Β- r s ec Αctg Βcsc Β+ x tg Αctg Βcsc Β) d Β+ ( r tg 2
Α
- r tg Αsec Αcsc Β+ x sec 2 Αcsc Β-
x si n Αsec 2
Α
) d Α] 求 Α、Β 与 x 的关系:
(1) Α与 x 的关系
点, O 1O 2 为 X 轴, O 1 a 为 Y 轴的直角坐标
系。

则 c 点 X 轴坐标为 x , d 点为 x + d x , cd = d x /co s Η。

分别过 c 、d 作圆O 1 的切线交圆O 1 于M 、M ′, 作圆 O 2 的切线交圆O 2 于N 、
(14)
ab 、a M c 、cd 、dN ′b 构成了由 4 个非凹表面组
成的封闭系统。

c 点坐标为[ x , (p - x ) tg Η, 圆 O 1 的方 程为 X 2 + Y 2 = r 2
, 令切点M 的坐标为 ( x 1 , y 1) , 则切线 c M 的方程为 Y - ( p - x ) tg Η
= -
x 1 ×(X - x )。

显然,M 点满足条件: y 1
x 2 2 2
1 + y 1 = r
x 1
y 1 - (p - x ) tg Η= -
(x 1 - x ) y 1
求解可得:
B 2
- - B 1 -
1 4A 1C 1 (15)
x 1 =
2A 1
其中
2 (p - 2 tg 2
Η A 1 = x + x ) 图 5 膜式水冷壁焊缝上热负荷分析
B 1 = - 2 r 2
x
C 1 = r 4 - r 2 (p - x ) 2 tg 2
Η
根据角系数定律, ab 对cd (d x /co s Η
) 的
锅 炉 制 造
总第 171 期
6
B 1
B 2 - 1 4A 1
C 1 + B 2 - 1 2A 1C 1
×
d x 1 = (
将
(19)、(20) 式代入 (21)、(22) 式可得 Β 及 d Β 与 x 的关系式。

将解得的 Α、Β、d Α、d Β 代入
(14) 式可得由 r 、S 、p 、Η及 x 和 d x 表达的 7 gd x /c o s Η的显式关
系式。

焊缝上的热负荷分布函数为:
2A
2
B 2
- 1
4A 1C 1
1 B 2
- d A 1
1
4A 1C 1 + B 1 d B
×d x +
d x - B 2
- 2A 1
1 4A 1C 1
×
d C 1
) d x (16)
d x
7 gd x /c o s Η
q S
由几何条件得:
q ′
(x ) = d x /co s Η e Α= a r csi n
x
1
(17) r
4. 3. 3 管壁上的热负荷分布函数
1 (18)
d Α
= d x 1
r 2
- x
2
1
在图 6 圆O 1 上取微元 cd , cd = r d Α, 分别
从 c 、d 作圆O 2 的切线交圆O 2 于 c ′、d ′, 延长 c ′c 交 O 1 Α于M , 交O 2 b 于 P , 过 c 作 ab 的平 行线交O 1 Α于N , 则:
将(15)、
(16) 式代入 ( 17)、( 18) 式可得 Α 及 d x 与 x 的关系式。

(2) Β 与 x 的关系
建立以 O 2 为原点, O 2O 1 为 X ′轴, O 2 b 为
Y ′轴的直角坐标系, 令切点N 的坐标为
(x 2 , y 2 ) , 同理可得:
c M = c N sec Β
= r s i n Αsec Β c ′P = r t g Β B 2
- - B 2 -
4A 2C 2
ac 、cd 、d d ′b 、ab 构成了由 4 个非凹表面
组成的封闭系统。

2 (19)
x 2 =
2A 2
其中
根据角系数定律, ab 对cd ( r d Α
) 的角系数
A 2 = (S - x ) 2 + (p - x ) 2 tg 2
Η 为: B 2 = - 2 r 2
(S - x ) ′b - d d ′b ad - ac + cc C 2 = r 4 - r 2 (p - x ) 2 tg 2
Η
7 g rd Α=(23)
B 2
B 2 - 2 4A 2
C 2 + B 2 - 2 2A 2C 2 ×
d x 2 = (
2A
2
B 2
- 2
4A 2C 2
2
2 d A B 2 - 4A 2C 2
×d B 2
+ d x d x 1 ×d C 2
) d x
(20) d x B 2
2 - 4A 2C 2 由几何关系得:
Β= a rcsi n
x 2
图 6 膜式水冷壁管壁上热负荷分析
(21) r
1
由几何关系得:
ad - ac = cd = r d Α
d Β=
(22)
d x 2
r 2
- x 2 2
第
1 期 周一工: 600M W 锅炉水冷壁温度场计算外边界条件的确定
7
管壁上的热负荷分布函数为:
cc ′b = M P - c M - c ′P + c ′b =
7
g rd Η r d Αq e S
S sec Β- r s i n Αsec Β- r t g Β
+ d d ′b = S sec (Β+ d Β) - r s i n (Α
+ d Α
) sec (Β+ d Β) - r t g (Β- d Β) + r (Β+ d Β)
r Β q ′
(Α) = (29)
超临界压力锅炉水冷
5 600M W 壁温度场计算
将以上各式代入
(23) 式, 经整理得: 前面解得的膜式水冷壁表面热负荷分布
的解析解均为显式表达式, 可直接计算膜式 水冷壁上各点的热负荷。

将其编成计算程序, 可与温度场计算通用程序相连接, 与内边界 条 件 一 起, 构 成 进 行 石 洞 口 第 二 发 电 厂
600M W 超临界压力锅炉水冷壁温度场计算
的完整的传热边界条件。

内边界条件根据西安交通大学与上海锅 炉厂合作进行的“600M W 超临界变压运行 直流锅炉水冷壁管内传热特性的试验研究” 和西安交通大学与哈尔滨锅炉厂合作进行的 “超临界垂直管圈水冷壁的水动力研究”确 定。

以上述边界条件为基础进行的石洞口第 二发电厂 600M W 超临界压力锅炉水冷壁温 度场计算的结果与 SU L ZER 公司提供的计 算结果基本吻合。

7 g rd Α= 1
[ ( r + r co s Αsec Β) d Α+
2S
( r s i n Αsi n Βsec 2
Β
+ r t g 2 Β- S sec Βtg Β) d Β]
(24)
现求解 Β 与 Α的关系, 同前方法可得:
x 1 =
(25)
其中 A = r 2 + S 2 - 2 r S si n Α
B = 2 ( r s i n Α- S ) (S 2
- 2 r 2S co s 2 Α
r 2 ) -
S r s i n Α- C = (S 2 r 2
- r 2 )
2
r 4 ) co s 2 Α
+ (S 2 - S r s i n Α- B 2 - 4A C - B 2
+ 2A C
B ×
d x 1 =
(
2A 2
B 2
- 4A C
d A ×d B - d Α d Α 1 ×d
C ) d Α (26)
作者简介: 周一工, 男, 1965 年生, 1986 年毕业 于清华大学热能工程系。

现为上海锅炉厂有限公司 科研处工程师、循环流化床锅炉责任设计师, 主要从 事循环流化床锅炉的设计、研究及超临界压力锅炉 锅内特性研究工作。

获《国家科技成果完成者证书》, 共发表论文 20 余篇, 并 3 次入选国际动力工程会 议。

地址: 上海闵行华宁路 250 号 邮编: 200245
d Α
B 2
- 4A C 由几何关系得:
Β= a rcsi n
S x
1
(27)
r
1
(28)
d Β= -
d x 1
r 2
- (S - x 1 ) 2
将 ( 25)、( 26) 式代入
( 27)、( 28) 式可得 Β、d Β 与 x 的关系式。

将解得的 Β、d Β 代入 ( 24) 式, 可得由 r 、S 及 Α和 d Α表达的 7 g rd Η的显式关系式。

编辑: 李康华。