电站锅炉水动力研究于得坤

电站锅炉水动力研究于得坤

于得坤

（哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：锅炉水动力学是为了专门研究锅炉炉膛区域水冷壁以及集箱内工质流动和传热特性的一门学科，伴随电站装备业的技术迅速发展，我国电站锅炉水动力学科围绕着新产品的开发以及部件结构额设计，产品的性能及改进，调峰与变负荷运行及引进技术的消化吸收等实施了大量额试验，并且相继建立了多个试验台，取得了很多的研究成果，为我国电站锅炉设计技术的掌握和应用，提高我国发电机组的经济性、可靠性及向高大容量电站装备业的发展作出了贡献。

关键字：电站；锅炉；水动力

1锅炉运行原理

锅炉在本质上是一种能量转换装置。当向锅炉系统加入如燃煤、秸秆等燃料时，锅炉系统能将这些不同形式的生物能化学能转化为热能，并以蒸汽、高温水或有机热载体等形式向外输送。锅炉常见于火电站、供热站以及对热能需求较高的行业。锅炉的主要工作原理可以简述为：首先燃料燃烧释放热能，热能将容器内的热工质加热，使工质达到特定的温度与压力，以产生设定的水蒸汽与高温水。锅炉可以分为锅与炉，锅提供热工质的载体，炉提供燃料燃烧的环境。“锅”即为锅筒，是我们研究锅炉水循环系统中的核心部件。首先由进水管道将水注入锅筒，再流经汽水系统中的水冷壁，并吸收水冷壁的热量，使水加热至具有特定温度和压力的热水和水蒸汽，最后当满足要求后便会导出系统进行利用。在炉膛中，通过燃烧燃煤持续不段的释放能量，燃烧产生的高温烟汽将以热辐射、热对流的形式将热量源源不断的传递给锅炉水冷壁，烟气本身温度也将随之降低，最后经由烟囱排出系统。

2自然循环组成

水循环系统一般包括如下部件锅筒、联箱、下降管、水冷壁四大部分。锅筒：锅筒是水管锅炉中用以处理汽水分离和蒸汽净化，组成水循环回路并蓄存锅水的筒形压力容器，又称汽包。

锅筒是本文关注的重点，是锅炉水循环系统的核心所在。在锅筒中存在给水、排水与局部水循环三个环节，也是程序具体设计数学模型时关注的影响因子。与锅筒相关的影响数学模型的影响因子还有锅筒的压力、水位、水温等。

联箱：联箱本质上也是一个压力容器，用于收集上级管道来水。首先由于上级管道内的工质温度存在偏差，为了避免由工质的吸热性差、流动性差与冷却性差造成的锅炉热效率低下的问题，让不同管道的工质在容器中汇合，再分配至下级管道有利于锅炉热效率的提高。另外就是锅炉系统中连接各个部分的管道规格存在差异，布置方式也有所不同，使用联箱可以保证工质的畅通。

水冷壁：敷设在锅炉炉膛内壁，由一排上升管构成的蒸发受热面，主要作用是将炉膛的热量传递给管道内的工质。

下降管：下降管同样有一排管道构成，但管道本身不受热，只是用来输送工质。其主要作用是将锅筒与下联箱联系在一起，借以保证下联箱能够持续供水给水冷壁，最终维持正常的水循环系统运作。

3水动力计算

锅炉水循环系统是锅炉系统中的核心系统，水循环系统负责整个系统的能量交换功能与能量存储功能。水循环系统在锅炉运行中不断的承受着高温高压的冲击与腐蚀性工质的连续性腐蚀。因此水循环系统关系到整个系统的正常运行同时也是锅炉事故关注的重点。

在锅炉运行中，由多根上升管构成的水冷壁将直接与火焰进行辐射换热。上升管中的水由于受热汽化，生成的汽水混合物的密度较之下降管中的水密度小，上升管和下降管由于存在着密度差而产生了流动压头，流动压头推动着上升管内的汽水混合物向上运动。汽水混合物进入锅筒后，会在汽水分离装置中进行进一步的汽水分离，满足要求的热蒸汽将会被引出利用，而不满足要求的工质将会被继续引入下降管中，进行下一步的加热循环，直至满足要求。

当循环倍率低时，表面产生蒸汽多，而水的含量少，水的含量少容易导致上升管超温并更产生盐垢，高于设计循环倍率时，效率低。

工质的循环流动中，除了需克服重力外，还需克服管道内的阻力，当阻力与压头形成的力均衡时，工质即将停止流动，而停滞就是锅炉水循环故障的最直接原因。当工质在上升管的某一段停止流动，而炉火又不断的对其加热，热量逐步积累。管道内工质进一步膨胀升温，最终可能导致工质温度超出管道的承受极限范围而导致管道破裂。

4水冷壁故障

水冷壁故障在故障表现形式上有停滞、倒流、汽水分层、下降管带汽等。

停滞与倒流问题的原因本质上一样，均为水动力不足，无法推动循环正常进行。

在正常操作下，不考虑锅炉原有结构设计与司炉工误操作，绝大多数的管道故障为管道结渣。管道结渣是管道内壁上形成的一层盐垢，且随着上升管高度加厚，结渣不仅仅增大了流动阻力也减小了流量。同时盐垢的形成减弱了工质与管道内壁的热交换，工质不能顺利的将金属内壁的热量带走，容易导致金属管壁温度的异常以至破裂。

根据统计数据表明91%的锅炉爆管发生在管道的弯管处，弯管由于其结构原因容易积存蒸汽，形成管道内局部的汽水分层现象。首先，虽然在液面以下，由于存在液态水形成水膜，使得管道温度不至于过高，但液面之上，水蒸汽存在液化的现象，液化过程放热，极易导致管道超温破裂。同时由于水、汽两相并不稳定，导致液面高度波动较大，而液面处温差较大，金属管道在剧烈的温度波动中极易产生金属疲劳，降低管道的强度。最后，由于液面处的盐分较高不断腐蚀着金属管道，这又进一步加剧了管道破裂的可能性。

在不考虑锅炉结构设计的前提下，下降管带汽一般为误操作导致，在误操作的情况下，锅筒内的水位异常降低，使得下降管吸入了一部分带汽工质。

5水循环系统中的安全装置

当锅炉启动后，锅炉中的工质开始吸收能量并逐渐汽化，在这过程中炉内温度升高气压加大。高压状态的汽水混合物充满整个锅炉水循环系统，从安全管理的角度而言，此时锅炉己成为第一类危险源。

统计显示锅炉事故80%是由锅炉安全装置如压力表、安全阀、爆破片、水位计等的失效导致容器内压力持续增大，最终压力数值超出容器的极限范围而使得壳体、管道被撕裂。大量释放的汽水混合物由高温高压环境瞬间转移至常温常压环境中，体积瞬间膨胀至成千上万倍以致形成爆炸。

因此在研究锅炉水循环系统的安全装置时将主要研究对象定为安全阀，并同时分析压力表与水位计，计算安全阀在特定压力下的合理口径与泄压速度，设计压力表的合理量程，设计水位计的合理形式。

安全装置是为保证锅炉压力容器能够安全运行而设置的附属装置。锅炉系统在运行时时常会发生锅炉超载的情形，为了避免超载事件进一步恶化造成伤害事故，检测并控制导致超载的因素十分重要，利用锅炉安全装置即可达到这一目的。

总之，随着循环烟气量的增加，水冷壁出口壁温呈整体下降趋势，管间壁温偏差有所下降。从省煤器后抽烟气时，循环烟气温度较高，随着循环烟气量的增加水冷壁壁温变化幅度小于从除尘器后抽烟气的方案。

参考文献：

[1]俞谷颖，朱才广.电站锅炉水动力研究[J].动力工程学报，2011，31（08）：590-597+618.

[2]张莉.电站锅炉小负荷下的水动力循环模拟与可靠性研究[D].大连理工大学，2006.

[3]俞谷颖，张富祥，杨勇，于猛，朱才广.电站锅炉水冷壁管水动力和传热特性的试验研究方法[J].动力工程学报，2012，32（09）：672-677.

[4]谢金芳.基于管网计算理论的通用锅炉水动力计算系统的研究与应用[D].浙江大学，2011.