介紹原蘇聯(lián)800 MW超臨界參數(shù)機組鍋爐的垂直管屏水冷壁系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)。分析超臨界參數(shù)下工質(zhì)的熱物理特性與水冷壁系統(tǒng)運行特性的關(guān)系，以及防止水動力多值性、減小熱偏差、避免類膜態(tài)沸騰的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：超臨界參數(shù)；水冷壁；啟動系統(tǒng)；工質(zhì)熱物理特性
　　超臨界參數(shù)鍋爐的水動力特性主要決定于水冷壁型式、工質(zhì)的熱物理特性、運行方式、水冷壁熱流密度的大小及其分布等因素的影響。其中工質(zhì)的熱物理特性是指超臨界參數(shù)下工質(zhì)在擬臨界溫度左右的一定范圍內(nèi)受到大比熱特性的影響，比容發(fā)生急劇變化的特性。超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性顯著地影響著直流鍋爐水動力的穩(wěn)定性和下輻射區(qū)水冷壁出口工質(zhì)的溫度，進一步影響到自動調(diào)節(jié)性能。引進的500 MW、600 MW、800 MW級超臨界參數(shù)機組相繼投入運行，將為我國發(fā)展和研究超臨界機組的技術(shù)性能、鍋爐水動力特性及傳熱特性提供良好的條件。

1　超臨界壓力800 MW鍋爐的整體布置簡介　　
　　原蘇聯(lián)紅色鍋爐廠設(shè)計制造的800 MW超臨界參數(shù)機組鍋爐為T型布置，全懸吊結(jié)構(gòu)。爐膛斷面為30．986 m×15．472 m，兩側(cè)對流豎井斷面為30．986 m×8．152 m，冷灰斗中心標高為12．55 m，鍋爐頂棚標高為75 m。鍋爐爐膛為膜式水冷壁氣密結(jié)構(gòu)，采用平衡通風(fēng)方式，頂棚及對流豎井也為膜式壁結(jié)構(gòu)。在爐膛的兩側(cè)墻上布置四層雙蝸殼旋流式燃燒器，形成對沖燃燒方式，每層燃燒器的數(shù)量為12個。燃燒器中心線標高從22．9 m延伸至35．8 m。相鄰兩層燃燒器中心線距離為4．3 m。采用固態(tài)排渣方式。爐膛斷面熱負荷為4．186 8×106 W／m2，爐膛容積熱負荷為84．90×103 W／m3。每排燃燒器的壁面熱負荷為0．90×106 W／m2，燃用煙煤。
　　位于爐膛出口部位布置的腮管是由水冷壁管拉大間距而形成的。腮管之后是屏式過熱器、對流過熱器、垂直再熱器，兩側(cè)對流豎井布置水平再熱器和省煤器。1臺鍋爐配置3臺空氣預(yù)熱器，其中1臺是一次風(fēng)空氣預(yù)熱器，另外2臺是二次風(fēng)空氣預(yù)熱器。
　　鍋爐的汽水系統(tǒng)分為兩個獨立的流程，汽水分相區(qū)在爐膛內(nèi)。主蒸汽溫度調(diào)節(jié)方式由煤水比和噴水減溫來實現(xiàn)，再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)由汽—汽熱交換器、事故噴水減溫來實現(xiàn)，此外還設(shè)置煙氣再循環(huán)。煙氣再循環(huán)對于本臺鍋爐并不是主要的汽溫調(diào)節(jié)手段，其主要作用是控制輻射受熱面的熱負荷，同時還可以降低爐膛高溫燃燒區(qū)的煙氣溫度，減少氧化氮等污染物的生成量以及防止結(jié)渣。鍋爐設(shè)置2臺再循環(huán)風(fēng)機，再循環(huán)煙氣溫度為390℃。煙氣再循環(huán)量為18％，其中爐膛出口處送入6％，燃燒器區(qū)域送入12％。各受熱面的管子規(guī)格和金屬材料見表1。

2　800 MW超臨界參數(shù)鍋爐水冷壁的工作特點　　
　　位于遼寧省葫蘆島市附近的綏中電廠引進了前蘇聯(lián)800 MW超臨界壓力鍋爐，水冷壁全部采用垂直管屏。鍋爐汽水系統(tǒng)分為2個完全獨立的調(diào)節(jié)流程，每個流程的水冷壁下輻射區(qū)為二次垂直上升。鍋爐給水溫度為277℃，經(jīng)過省煤器及懸吊管加熱后，溫度提高至320℃，進入水冷壁下輻射區(qū)。在下輻射區(qū)水冷壁的一次垂直上升管屏（即　　第一流程）中，工質(zhì)溫升為55℃，下輻射區(qū)水冷壁的二次垂直上升管屏（即第二流程）中，工質(zhì)溫升為25℃，工質(zhì)到達下輻射區(qū)水冷壁出口處時被加熱到400℃。上輻射區(qū)水冷壁也采用二次垂直上升管屏，下輻射區(qū)水冷壁出口的工質(zhì)經(jīng)過混合，進入上輻射區(qū)水冷壁繼續(xù)加熱后，工質(zhì)溫升為26℃。在水冷壁出口處工質(zhì)溫度達到429℃。水冷壁中工質(zhì)溫度大約上升了109℃。鍋爐設(shè)計時為了保證下輻射區(qū)的水冷壁安全工作，控制下輻射區(qū)水冷壁出口工質(zhì)的最高溫度不超過410～430℃，下輻射區(qū)水冷壁出口處的工作壓力為31．5MPa左右，這一壓力下對應(yīng)的定壓比熱最大處的擬臨界溫度約為410℃左右。因此控制極限溫度實際上是為了防止相變點下移到燃燒器區(qū)域。主要目的是避免水冷壁發(fā)生類膜態(tài)沸騰，避免由于工質(zhì)比容急劇變化導(dǎo)致的水動力多值性以及防止過熱器超溫。
　　在超臨界壓力下，水冷壁管中工質(zhì)溫度不像亞臨界壓力下那樣具有相同的沸騰溫度，即各管中的工質(zhì)溫度是不同的，這將導(dǎo)致各管中工質(zhì)的膨脹量不盡相同，工質(zhì)膨脹量過大時，將會產(chǎn)生水動力的多值性。為了保證水動力的穩(wěn)定性，一次垂直上升管屏中工質(zhì)的重量流速在100％MCR時，高達2 339 kg／（m2·s），二次垂直上升管屏中的重量流速仍然保持在2 000 kg／（m2·s）以上。為了避免低負荷運行時的水動力不穩(wěn)定和脈動問題，鍋爐采用全壓啟動方式。
　　800 MW超臨界參數(shù)鍋爐的水冷壁只有在啟動初期起水冷壁的作用，當啟動分離器轉(zhuǎn)入干態(tài)運行后，水冷壁和過熱器的作用基本相近，只不過工質(zhì)溫度低一些。本文給出了水冷壁系統(tǒng)流程圖1、下輻射區(qū)水冷壁流程圖2、過熱器系統(tǒng)的流程圖3。

　　表2給出了鍋爐主要受熱面的工作參數(shù)、工質(zhì)焓增和吸熱量數(shù)值。

　

　
　　分析800 MW超臨界參數(shù)鍋爐的特點，可以知道：
　　（1）在防止水動力多值性和脈動方面，主要采取了以下的措施：
　　·將水冷壁分為2個獨立的流路（即2個汽水系統(tǒng)），獨立控制2個流路的給水流量及溫度。

    ·采用較高的重量流速及全壓啟動方式。
　　·控制下輻射區(qū)水冷壁出口的溫度，使工質(zhì)大比熱區(qū)避開熱負荷較高的燃燒器區(qū)域，以避免工質(zhì)比容劇烈變化引起過大的汽水膨脹量。
（2）在消除熱偏差方面采取以下措施：
　　·采用工質(zhì)旁路，減小下輻射區(qū)水冷壁第一回路和第二回路中工質(zhì)溫度偏差。
        ·減小下輻射區(qū)水冷壁第二回路工質(zhì)溫升。　

  　·沿水冷壁流程，工質(zhì)進行了多次混合和左右交叉。
　　·采用較高的重量流速和全壓啟動、定壓運行方式。
　　（3）在防止發(fā)生類膜態(tài)沸騰導(dǎo)致的水冷壁超溫方面，主要采取了以下措施：
　　·控制下輻射區(qū)水冷壁出口的溫度，使工質(zhì)大比熱區(qū)避開熱負荷較高的燃燒器區(qū)域，以避免吸熱最強區(qū)域中工質(zhì)熱物理特性劇烈變化。
        ·采用較高的重量流速和定壓運行方式。

    ·水冷壁采用耐溫能力較高的合金鋼管。　　

    ·采用煙氣再循環(huán)，降低燃燒器區(qū)域水冷壁的熱負荷，使爐內(nèi)煙氣溫度分布趨于均勻。
　　（4）啟動系統(tǒng)簡化，不設(shè)低壓旁路和高壓旁路，只設(shè)置大旁路（快速啟動旁路），使自動控制系統(tǒng)簡化，并簡化啟動操作。因此，原蘇聯(lián)800 MW超臨界參數(shù)直流鍋爐的啟動過程及啟動操作方式與其它型式的直流鍋爐并不相同。

3　垂直管屏水冷壁的優(yōu)點和問題
　　垂直管屏水冷壁以其結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)膜式壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢被廣泛采用。為了保證爐膛下輻射區(qū)水冷壁管內(nèi)的重量流速，下輻射區(qū)水冷壁的流路一般設(shè)計成二次垂直上升。兩個流路之間用不受熱的下降管相連接。由于出現(xiàn)中間聯(lián)箱，使工質(zhì)重新分配且第一流路出口的工質(zhì)溫度升高，比容增大，故進入第二流路的工質(zhì)流量分配就可能不均勻，尤其是在低負荷工況變壓運行時，這種現(xiàn)象更為明顯。這是因為在低負荷變壓運行時，一方面工質(zhì)經(jīng)過亞臨界壓力區(qū)，工質(zhì)比容變化很大，導(dǎo)致流量分配不均；另一方面工質(zhì)流量減少，重量流速降低，使得工質(zhì)流量分配的不均勻程度增大。這些不利因素疊加在一起，有可能導(dǎo)致受熱較強的水冷壁管中流量反而減少，使個別管子處于危險的工作狀態(tài)。因此垂直管屏水冷壁不適合變壓運行的要求。

4　800 MW鍋爐啟動系統(tǒng)的主要特點
　　圖4中ДР1、ДР2、ДР3均為減壓閥，公稱直徑為275 mm，ВЗ為內(nèi)置式閘閥，公稱直徑為325mm，它們的工作參數(shù)均為P＝28．4 MPa，t＝510℃。

　　整臺鍋爐配置4臺內(nèi)置式汽水分離器，分離器規(guī)格為D426×50。
　　溫態(tài)啟動時，內(nèi)置式汽水分離器中的壓力為3．23 MPa。熱態(tài)啟動時，內(nèi)置式汽水分離器中的壓力為4．21 MPa。
　　該啟動系統(tǒng)只設(shè)置一級大旁路系統(tǒng)。高溫再熱器用1Cr18Ni12Ti制造，極限耐溫700℃，只要控制進入再熱器的煙溫不高于700℃，可以干燒，不需要介質(zhì)冷卻。低溫再熱器用12Cr1MoV制造，極限耐溫600℃。因此，該系統(tǒng)的快速啟動旁路的主要功能是實現(xiàn)冷、熱態(tài)啟動和工質(zhì)回收。
　　因為啟動系統(tǒng)的快速旁路系統(tǒng)額定參數(shù)25　　MPa、545℃時的容量1 000 t／h，為額定負荷（2 650 t／h）的38％，而安全門動作（27．5 MPa、545℃）時的最大排汽能力為1 110 t／h，為額定負荷的42％。因此，該啟動旁路系統(tǒng)在機組甩負荷時，不具有代替安全閥以及停機不停爐的作用。　　

5　800 MW鍋爐啟動系統(tǒng)的工作過程
（1）點火啟動時的工作過程
　　鍋爐點火時的啟動流量為額定負荷的30％，約為800 t／h，給水壓力為24．5 MPa。點火初期，關(guān)閉內(nèi)置式閘閥ВЗ，開啟減壓閥ДР1及ДР2，通過節(jié)流閥ДР1保持額定壓力，使給水量與30％額定負荷的點火啟動流量相一致，保證鍋爐內(nèi)置式閘閥前受熱面溫度和汽水流動工況的可靠性。從水冷壁來的水經(jīng)ДР1減壓后，壓力降至1．98～2．94 MPa。此后，水經(jīng)過汽水分離器排至啟動擴容器，使工質(zhì)和熱量得到回收。
　　汽水分離器分離出來的蒸汽量由進入汽水分離器的汽水混合物的濕度來決定。通過燃燒調(diào)節(jié)，可使汽水混合物的濕度穩(wěn)定在所需要的水平上。
（2）切換汽水分離器的工作過程
　　當汽水分離器內(nèi)壓力和溫度分別達到1．98～2．94MPa、t≤300℃時，標志著水冷壁來的工質(zhì)已變?yōu)槠�水混合物，且干度達到了一定程度（0．08～0．1），此時可開啟內(nèi)置式閘閥ВЗ，關(guān)閉ДР1閥，鍋爐進入純直流運行狀態(tài)。
（3）機組甩負荷時的工作過程
　　在機組甩負荷時，鍋爐出口的主蒸汽通過快速旁路排至凝汽器，但是當甩負荷至0時，旁路容量不足，此時，安全門將動作。
　　安全門的額定出力為800 t／h，每臺爐裝2個。快速旁路系統(tǒng)開啟再加上2個安全門的動作，其總流量可達到1 000＋2×800＝2 600 t／h，可滿足排放鍋爐生產(chǎn)的全部蒸汽的需要。安全門的起座壓力高于鍋爐出口額定蒸汽壓力的10％，約為27．5 MPa。安全門具有快速反應(yīng)能力，其壓力從25 MPa升至27．5 MPa，時間約為10 min。鍋爐保護動作時，快速旁路投入，同時安全門動作。
（4）停機時的工作過程
　　正常停機過程最顯著的特點是內(nèi)置式閘閥前鍋爐的通路暫時被切斷，內(nèi)置式閘閥之后的過熱蒸汽管道和中間再熱系統(tǒng)中無蒸汽通過。
　　本文研究的800 MW直流鍋爐正常停爐之前，首先要降負荷，按運行規(guī)程逐漸減小給水流量和燃燒量。在終止向鍋爐給水后，給水閥、內(nèi)置式閘閥ВЗ和分離器出口的ДР3閥以及汽水分離器全部關(guān)閉，同時打開旁路閥，把過熱器管路通過快速旁路與凝汽器連接起來。這樣，過熱器中的凝結(jié)水就可通過快速旁路直接被排放掉，以利下次鍋爐點火。

6　結(jié)束語
　　超臨界參數(shù)鍋爐的技術(shù)關(guān)鍵是水冷壁。根據(jù)超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性，在控制下輻射區(qū)工質(zhì)溫度方面，采用螺旋管圈水冷壁和采用垂直管屏水冷壁基本相同。兩者都需要控制大比熱區(qū)，使其避開熱負荷最高的燃燒器區(qū)域，都需要設(shè)置工質(zhì)溫度變化的前饋點——中間點溫度，作為汽溫調(diào)節(jié)的參考點。采用垂直管屏水冷壁不適合變壓運行。工質(zhì)的流動阻力在最大負荷時可達5．9 MPa左右。采用螺旋管圈水冷壁可變壓運行，工質(zhì)的流動阻力在最大負荷時約為4．3MPa。垂直管屏水冷壁和螺旋管圈水冷壁都具有一定優(yōu)勢，關(guān)鍵是要有統(tǒng)籌規(guī)劃。大功率機組作為主力機組，主要是提高可靠性和簡化控制系統(tǒng)以及簡化啟動操作，不一定要求變壓運行。