第三讲超临界机组水动力与传热特性优秀课件

超临界参数锅炉水动力特性 超临界参数锅炉水动力特性主要决定于水冷壁形式、工质 的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分 布范围等因素。 工质的热物理特性是指超临界参数下，在拟临界温度左右 的一定范围内，工质受到大比热特性的影响，比容、黏度、 导热系数发生急剧变化的特性。 超临界压力下工质的热物理特性显著的影响着直流锅炉水 动力的稳定性和下辐射区水冷壁出口工质的温度，进一步 影响到自动调节性能。
超临界机组螺旋管圈水冷壁
超临界参数锅炉的水动力特性与水冷壁形式有很大关系。 为了适应电网中调峰和滑压运行的要求，先后开发的螺旋 管圈水冷壁结构的超临界锅炉。管子自炉膛低部以一定的 倾角沿着炉膛四周盘旋上升到炉膛出口处(一般1.5-2.0圈)， 上部改为垂直上升管子，以利于管子穿墙及悬吊结构的布 置。只要改变螺旋管圈的倾角，就可以非常容易的减少炉 膛四周的管子数量而不增加管子间的间隙，保证必要的管 内质量流速，同时可选用较粗的管子，增加水冷壁的刚性。
超临界锅炉的水动力特性影响因素
超临界参数锅炉的水动力特性，主要取决于工质的热物理 特性、水冷壁型式、运行方式、水冷壁热流密度的大小及 其分布等因素的影响。
压力对循环特性的影响 运行和实测数据表明，亚临界参数自然循环锅炉的汽包
压力达到20.678 MPa时，自然循环仍然不成问题。压力 由15.0MPa提高到20.0MPa，下降管内工质密度大约减少 20％，上升管内工质密度几乎不变，循环流动压头只有微 小的降低，因而对循环特性的影响不大，由此可见压力不 是影响循环特性的主要因素。由理论分析可以知道，压力 对于循环特性的影响具有双重作用：一方面压力提高使循 环流动压头略有减少；另一方面压力提高使水冷壁管内工 质的汽化潜热减小.
经过长期的发展，超临界锅炉水冷壁管圈主要有螺旋管 圈水冷壁和垂直管圈水冷壁两种型式。
两者不同点：螺旋管圈适用于变压运行，垂直管屏适用于 定压运行。
两者共同点：
A 高负荷运行工况下，水冷壁都是在超临界压力下工作， 管内工质温度随吸热量增加而提高。
B 工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化， 但是工质温度变化不大。
第三讲超临界机组水动 力与传热特性
锅炉水动力特性概述
亚临界参数锅炉水动力特性 锅炉的水动力特性不仅影响着水冷壁的传热特性和安全性， 而且在很大程度上影响着汽温特性、调峰性能和燃烧调节 性能。由于水冷壁的水动力特性主要取决于循环方式，而 循环方式不仅取决于锅炉的容量和参数，而且取决于不同 燃烧方式所需要的炉型结构，所以亚临界参数锅炉出现自 然循环、控制循环和强制流动等多种形式。按照目前的设 计技术，对于600MW亚临界参数机组，当采用四角燃烧 方式时候，由于炉膛周界的限制，适宜采用控制循环方式。 采用对冲燃烧方式时候，炉膛周界比较大并且选择较大的 水冷壁管径，适宜采用自然循环方式。
工质的热物理特性对水动力及传热特性的影响
1）工质大比热特性的影响
超临界参数锅炉的技术关键就是水冷壁。超临界锅炉水冷 壁的循环倍率通常只有1或小于1(当过热器减温水量较大 时)，变压运行的超临界机组低负荷时流量较小，这决定 了水冷壁需要较小的管径和特殊的管圈型式，以确保管内 有足够高的质量流速，保证冷却管壁，使其不超温。
由于在管子内壁面附近的流体黏度、比热、导热系数和比 容等物性参数发生显著变化引起的。 超临界压力下工质热物理特性的急剧变化对管子传热特性 的影响主要有： A由于流体温度不同，管子中心流体黏度大，壁面处黏度小。 黏性梯度引起流体边界层的层流化。 B在边界层中的流体导热系数也随着降低，又使导热性差的 流体与管壁接触，当进口温度较低时，壁面处的流体速度 远小于管中心的流体速度，又促使流动层流化。 C在边界层中密度减小，产生浮力，促使紊流边界层流化。 在管子热负荷较大时可能导致传热恶化。 类膜态沸腾：超临界压力下由于工质热物理特性的变化导 致的传热恶化现象类似于膜锅炉炉型结构首先取决于锅炉燃烧条件，即取决于燃料的 燃烧特性和结渣特性以及燃烧方式；其次取决于锅炉蒸发 量和限制产生膜态沸腾的安全裕度。对于亚临界参数锅炉， 随着锅炉容量增大相对于单位蒸发量的炉膛周界减小，管 内质量含汽率增大，达到0.3-0.4，循环流速达到1.7-2.0 m／s。30％MCR时的循环流速能保持1 m／s的水平。试 验数据表明，循环流速达到0.4m／s，水冷壁管内的工质 流动就不会产生停滞和倒流现象。当水冷壁采用内螺纹管 时，质量含汽率即使达到0.6，也不会出现膜态沸腾导致 的传热恶化现象，因而自然循环具有较大的安全裕度。
C压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热特性逐渐 减弱。
拟临界温度：超临界压力下对应一定压力，工质存在一个 大比热区。对应比热最大值的温度称为拟临界温度。工质 温度低于拟临界温度时候为水，高于时为汽。也称为相变 点。
大比热区内工质比容的急剧变化，必然导致工质的膨胀量 增加，从而引起水动力不稳定或类膜态沸腾。
在大比热区外，工质比热很小，因而温度随吸热变化很大。 根据超临界压力下工质的热物理特性，控制下辐射区水冷 壁吸热量，尤其是将下辐射区水冷壁出口工质温度控制在 对应工质压力的拟临界压力下，使工质的大比热区避开受 热最强的燃烧器区域是超临界锅炉设计和运行的关键。
2）超临界压力下的类膜态沸腾 超临界压力下水冷壁管内可能发生的类膜态沸腾，主要是
3）其它因素的影响 超临界压力下的传热恶化还与水冷壁热负荷、工质的质量
流速和欠焓有关。传热恶化首先发生在工作欠焓最大的管 子入口处，工质欠焓越大，受热面热负荷越大，发生传热 恶化的位置越提前。因此管子入口不应该布置在热负荷最 高的燃烧器区域附近。同时在任何负荷下，都要保证正常 传热所要求的质量流速。 研究认为，在超临界压力下，采用内螺纹管和光管的传热 性能差不多，只要控制适当的热负荷并维持较高的质量流 速，内螺纹管和光管都不会发生传热恶化。
1 螺旋管圈水冷壁的主要优点为：