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摘要：为满足机组调峰的要求，对俄制“T”型机组进行定压运行变滑压运行改造。重点介绍了锅炉改造方案：仅改造中间集箱下的水冷壁部分，保留原上部水冷壁结构。水冷壁管未存在模态沸腾现象，金属壁温与管子许用温度之差有足够的裕度，水冷壁管内工质的干度变化也使水冷壁结构有效的避开了传热恶化现象。
关键词：俄制机组；水动力计算；应力计算
中图分类号：TK22文献标识码： A
1、项目背景
某电厂锅炉为俄罗斯波多尔斯克奥尔忠尼启泽机器制造厂制造的ПП-1650-25-545KT（П-76）型直流超临界参数锅炉与列宁格勒金属制造厂的K-540-240-4型汽轮机配套，设计燃用山西晋北烟煤。
本锅炉为直流超临界固态排渣锅炉。锅炉为单炉体结构，受热面布置成“T”形，炉膛两侧布置两个对流竖井和锅炉两侧水平烟道相连。原设计的运行方式为定压运行，在實际运行中该锅炉仅能在50%负荷以上运行，且在运行中存在水冷壁鳍片拉裂的问题。锅炉不能调峰的运行方式已经不能满足现在的电厂运行要求，因此急需对现有的锅炉进行改造优化。
2、水冷（炉膛）流程优化方案
2.1、锅炉特点
某电厂锅炉锅炉为单炉体结构，受热面布置成“T”形，炉膛两侧布置两个对流竖井和锅炉两侧水平烟道相连。炉膛为矩形，尺寸为23.08×13.864m。锅炉整体受热面悬挂在标高为86.5m的钢结构上。在受热面膨胀时，受热面可自由向下移动。由规格φ32×6，材料12Cr1MoV鳍片管焊接构成辐射受热面，鳍片管间用带钢或直接焊接。辐射受热面构成了冷灰斗，炉膛四壁，水平烟道壁，炉膛顶部，水平烟道顶部和对流井壁等，炉膛受热面为垂直往复一次上升布置，由上部辐射受热面和下部辐射受热面组成（以标高44.7m分界）。竖向管屏由管组构成，每个管组有48根管子，管子间距离48mm。
2.2、原水冷流程
前后墙冷灰斗到中间集箱（标高44.7ｍ）为水循环第1回路（这里回路指水冷壁按照炉内炉外流程先后顺序进行划分的部分，按顺序号串联的关系）；侧墙冷灰斗到中间集箱（标高44.7ｍ）为水循环第2回路；前后墙中间集箱（标高44.7ｍ）及旁路至炉顶引出为第3回路；侧墙中间集箱（标高44.7ｍ）到折焰角水平烟道、费斯顿2（悬吊管）为第4回路。其后回路（分离器前）同样按照（炉内炉外）流程划分。
2.3、水冷壁改造方案
超临界锅炉的螺旋管圈水冷壁改造方案，仅改造中间集箱下的水冷壁部分，保留原上部水冷壁结构。并对这种结构展开初步的计算，仅改螺旋管圈方案计算如下：水冷壁管未存在模态沸腾现象，金属壁温与管子许用温度之差有足够的裕度。水冷壁管内工质的干度变化也使水冷壁结构有效的避开了传热恶化现象。
2.3.1布置结构设计
按位置划分，中间集箱以上的流程结构不变，仍然为2次串联结构，中间集箱下垂直水冷壁结构全部重新设计。由原来的垂直管布置设计改为螺旋管圈设计，螺旋管圈布置数量与中间集箱上管子根数布置比例为1：4，即上部4根垂直管对应下部1根螺旋管。垂直管与螺旋管的固定结构采用常规多通式布置结构，下部螺旋管圈的引入引出管道、集箱都要重新设计。初步拟定螺旋管节距为54（56）mm，管子根数约384根，管子规格φ32×5.5，材料15CrMoG，集箱采用12Cr1MoVG。
省煤器出口管道引入灰斗渣口的环形集箱，环形集箱联接螺旋管圈入口段引入炉膛灰斗，螺旋向上引入水冷壁中间集箱。燃烧器区域的螺旋管圈将根据原燃烧器结构详细设计水冷套结构，尽量避免燃烧器位置改变，并能做到足够冷却燃烧器，防止过热。
2.3.2水动力计算条件
根据原设计的热力计算汇总，本次计算比较70％额定负荷滑压（临界压力下）运行工况，超临界低负荷运行工况水动力计算不在本次比较方案内。水冷壁吸热根据锅炉结构进行热量分配，炉膛过量空气系数取1.2，温度、流量等参照热力计算汇总。炉膛冷灰斗出口在计算过程中定位0ｍ，其上流程垂直高度为正，其下流程垂直高度为负。
70％额定滑压负荷按照一次汽出口流量1150t/h，水冷壁流量1080t/h，出口蒸汽温度545℃，出口压力18.1MPa计算。
锅炉内热负荷分布受炉膛过量空气系数等参数变化影响，计算过程中的考虑了这些影响，罗列了两条热负荷分布曲线。
2.3.3计算结果与分析
炉膛热负荷分布曲线仍取原值，整个螺旋管工质温度随高度逐步升高，相邻工质间温差变化小，差值在~20℃以内。整个管屏间温度分布均匀，平缓过渡，克服了原有的温差过大的问题。如图2.3.1，螺旋管圈温度炉高增加升高，管壁温度与管子许用温度温差大。在正常吸热基础考虑不稳定外部条件影响增加了吸热偏差，再次计算螺旋段管子温度分布情况，如图2.3.2所示，计算管壁温度与许用温差>80℃。通过计算低负荷滑压，螺旋管圈之间温差小，并管壁使用温度裕度大，完全能满足滑压运行工况。
2.3.4管间鳍片应力计算
由于炉膛受热面为垂直往复吸热，起始端相邻管子温差很大，同时炉膛内侧是高温烟气，炉膛内外侧温差也较明显。
相邻水冷壁管子间会出现较大的温差应力，可能引起鳍片、焊缝与管子间出现裂缝。鉴于本问题主要由温差造成，所以只对温差应力进行评估。评估过程包括温度场分析和热应力分析。
管子规格Φ32×6，材料12Cr1MoV，，其主要物理参数如下表（ASME）鳍片厚度为6mm，材料12Cr1MoV。
温度 21.1 93.3 204.4 315.56 426.7 537.8 593.3 648.89
线膨胀系数(mm/mm/℃) 1.15E-05 1.21E-05 1.28E-05 1.33E-05 1.40E-05 1.46E-05 1.48E-05 1.49E-05
热传导系数(W/(mm*K)) 0.0477 0.0477 0.0462 0.0432 0.0398 0.03632 0.03442 0.03234
弹性模量取2.0E+5MPa，根据GB/T 9222-2008, 12Cr1MoV在20℃的需用应力为163MPa，在450℃的需用应力128MPa。12Cr1MoV抗氧化温度为580℃。
一、鳍片厚度为6mm的模型
图2.3.4 单元划分
建模利用热单元solid90，结构单元solid95。考虑到极端温差出现于局部位置，取两个节距、高度为倍节距作为计算模型。
（一）温度场计算（稳态）
温度边界：管子内壁温度分别为320℃和390℃，受热面热流密度385KW/，余边界视为绝热。
计算结果如下：
图2.3.5 温度场-1
图2.3.6温度场-2
从结果可知，最大温度在抗氧化温度以下，但温度分布很不均匀，管子间温差很大。
（二）热应力计算
边界：管子上端面、鳍片一侧断面为对称边界条件和温度载荷。
热应力属于二次应力，需满足。
计算结果如下：
图2.3.7 应力场分布（整体）
图 2.3.8 管子应力场分布
图2.3.9中间鳍片应力场分布
应力最大发生于焊缝处，中间鳍片当量应力最大值493MPa>3*（163+128）/2=437MPa，容易产生热疲劳裂纹。其中管子局部热应力也较大。
3、结论
解决了水冷壁滑压低负荷工况（临界压力下运行）的传热恶化问题。螺旋管圈出口温度偏差小，相邻管子之间温差可控制在20℃内，满足锅炉安全运行的控制要求。
利用原启动系统启动，不能解决滑压（临界压力下）运行问题，尤其锅炉启动仍需要超临界压力定压启动。增加外置式启动系统可以解决锅炉滑压启动问题，使锅炉启停、滑压调峰更方便。
保留中间集箱上垂直管段流程，由于两个流程间的温度偏差没有解决，热应力集中问题仍然存在，垂直方向的涨差不同，会给下部的整体螺旋管圈带来新的影响。由于缺乏这方面的数据，目前这种影响很难进行量化评估，还有待进一步研究。
参考文献
[1] 冯俊凯，沈幼庭 锅炉原理及计算 第二版北京 科学出版社，1992.
[2] 黄承懋 .锅炉水动力学及锅内传热.第一版 北京；机械工业出版社，1987.
————————————————————
作者简介：董英杰(1972－)，性别：男，职称：工程师，研究方向：电站锅炉运行与维护。
马洪英(1970－)，性别：男，职称：工程师，研究方向：电站锅炉运行与维护。
关键词：俄制机组；水动力计算；应力计算
中图分类号：TK22文献标识码： A
1、项目背景
某电厂锅炉为俄罗斯波多尔斯克奥尔忠尼启泽机器制造厂制造的ПП-1650-25-545KT（П-76）型直流超临界参数锅炉与列宁格勒金属制造厂的K-540-240-4型汽轮机配套，设计燃用山西晋北烟煤。
本锅炉为直流超临界固态排渣锅炉。锅炉为单炉体结构，受热面布置成“T”形，炉膛两侧布置两个对流竖井和锅炉两侧水平烟道相连。原设计的运行方式为定压运行，在實际运行中该锅炉仅能在50%负荷以上运行，且在运行中存在水冷壁鳍片拉裂的问题。锅炉不能调峰的运行方式已经不能满足现在的电厂运行要求，因此急需对现有的锅炉进行改造优化。
2、水冷（炉膛）流程优化方案
2.1、锅炉特点
某电厂锅炉锅炉为单炉体结构，受热面布置成“T”形，炉膛两侧布置两个对流竖井和锅炉两侧水平烟道相连。炉膛为矩形，尺寸为23.08×13.864m。锅炉整体受热面悬挂在标高为86.5m的钢结构上。在受热面膨胀时，受热面可自由向下移动。由规格φ32×6，材料12Cr1MoV鳍片管焊接构成辐射受热面，鳍片管间用带钢或直接焊接。辐射受热面构成了冷灰斗，炉膛四壁，水平烟道壁，炉膛顶部，水平烟道顶部和对流井壁等，炉膛受热面为垂直往复一次上升布置，由上部辐射受热面和下部辐射受热面组成（以标高44.7m分界）。竖向管屏由管组构成，每个管组有48根管子，管子间距离48mm。
2.2、原水冷流程
前后墙冷灰斗到中间集箱（标高44.7ｍ）为水循环第1回路（这里回路指水冷壁按照炉内炉外流程先后顺序进行划分的部分，按顺序号串联的关系）；侧墙冷灰斗到中间集箱（标高44.7ｍ）为水循环第2回路；前后墙中间集箱（标高44.7ｍ）及旁路至炉顶引出为第3回路；侧墙中间集箱（标高44.7ｍ）到折焰角水平烟道、费斯顿2（悬吊管）为第4回路。其后回路（分离器前）同样按照（炉内炉外）流程划分。
2.3、水冷壁改造方案
超临界锅炉的螺旋管圈水冷壁改造方案，仅改造中间集箱下的水冷壁部分，保留原上部水冷壁结构。并对这种结构展开初步的计算，仅改螺旋管圈方案计算如下：水冷壁管未存在模态沸腾现象，金属壁温与管子许用温度之差有足够的裕度。水冷壁管内工质的干度变化也使水冷壁结构有效的避开了传热恶化现象。
2.3.1布置结构设计
按位置划分，中间集箱以上的流程结构不变，仍然为2次串联结构，中间集箱下垂直水冷壁结构全部重新设计。由原来的垂直管布置设计改为螺旋管圈设计，螺旋管圈布置数量与中间集箱上管子根数布置比例为1：4，即上部4根垂直管对应下部1根螺旋管。垂直管与螺旋管的固定结构采用常规多通式布置结构，下部螺旋管圈的引入引出管道、集箱都要重新设计。初步拟定螺旋管节距为54（56）mm，管子根数约384根，管子规格φ32×5.5，材料15CrMoG，集箱采用12Cr1MoVG。
省煤器出口管道引入灰斗渣口的环形集箱，环形集箱联接螺旋管圈入口段引入炉膛灰斗，螺旋向上引入水冷壁中间集箱。燃烧器区域的螺旋管圈将根据原燃烧器结构详细设计水冷套结构，尽量避免燃烧器位置改变，并能做到足够冷却燃烧器，防止过热。
2.3.2水动力计算条件
根据原设计的热力计算汇总，本次计算比较70％额定负荷滑压（临界压力下）运行工况，超临界低负荷运行工况水动力计算不在本次比较方案内。水冷壁吸热根据锅炉结构进行热量分配，炉膛过量空气系数取1.2，温度、流量等参照热力计算汇总。炉膛冷灰斗出口在计算过程中定位0ｍ，其上流程垂直高度为正，其下流程垂直高度为负。
70％额定滑压负荷按照一次汽出口流量1150t/h，水冷壁流量1080t/h，出口蒸汽温度545℃，出口压力18.1MPa计算。
锅炉内热负荷分布受炉膛过量空气系数等参数变化影响，计算过程中的考虑了这些影响，罗列了两条热负荷分布曲线。
2.3.3计算结果与分析
炉膛热负荷分布曲线仍取原值，整个螺旋管工质温度随高度逐步升高，相邻工质间温差变化小，差值在~20℃以内。整个管屏间温度分布均匀，平缓过渡，克服了原有的温差过大的问题。如图2.3.1，螺旋管圈温度炉高增加升高，管壁温度与管子许用温度温差大。在正常吸热基础考虑不稳定外部条件影响增加了吸热偏差，再次计算螺旋段管子温度分布情况，如图2.3.2所示，计算管壁温度与许用温差>80℃。通过计算低负荷滑压，螺旋管圈之间温差小，并管壁使用温度裕度大，完全能满足滑压运行工况。
2.3.4管间鳍片应力计算
由于炉膛受热面为垂直往复吸热，起始端相邻管子温差很大，同时炉膛内侧是高温烟气，炉膛内外侧温差也较明显。
相邻水冷壁管子间会出现较大的温差应力，可能引起鳍片、焊缝与管子间出现裂缝。鉴于本问题主要由温差造成，所以只对温差应力进行评估。评估过程包括温度场分析和热应力分析。
管子规格Φ32×6，材料12Cr1MoV，，其主要物理参数如下表（ASME）鳍片厚度为6mm，材料12Cr1MoV。
温度 21.1 93.3 204.4 315.56 426.7 537.8 593.3 648.89
线膨胀系数(mm/mm/℃) 1.15E-05 1.21E-05 1.28E-05 1.33E-05 1.40E-05 1.46E-05 1.48E-05 1.49E-05
热传导系数(W/(mm*K)) 0.0477 0.0477 0.0462 0.0432 0.0398 0.03632 0.03442 0.03234
弹性模量取2.0E+5MPa，根据GB/T 9222-2008, 12Cr1MoV在20℃的需用应力为163MPa，在450℃的需用应力128MPa。12Cr1MoV抗氧化温度为580℃。
一、鳍片厚度为6mm的模型
图2.3.4 单元划分
建模利用热单元solid90，结构单元solid95。考虑到极端温差出现于局部位置，取两个节距、高度为倍节距作为计算模型。
（一）温度场计算（稳态）
温度边界：管子内壁温度分别为320℃和390℃，受热面热流密度385KW/，余边界视为绝热。
计算结果如下：
图2.3.5 温度场-1
图2.3.6温度场-2
从结果可知，最大温度在抗氧化温度以下，但温度分布很不均匀，管子间温差很大。
（二）热应力计算
边界：管子上端面、鳍片一侧断面为对称边界条件和温度载荷。
热应力属于二次应力，需满足。
计算结果如下：
图2.3.7 应力场分布（整体）
图 2.3.8 管子应力场分布
图2.3.9中间鳍片应力场分布
应力最大发生于焊缝处，中间鳍片当量应力最大值493MPa>3*（163+128）/2=437MPa，容易产生热疲劳裂纹。其中管子局部热应力也较大。
3、结论
解决了水冷壁滑压低负荷工况（临界压力下运行）的传热恶化问题。螺旋管圈出口温度偏差小，相邻管子之间温差可控制在20℃内，满足锅炉安全运行的控制要求。
利用原启动系统启动，不能解决滑压（临界压力下）运行问题，尤其锅炉启动仍需要超临界压力定压启动。增加外置式启动系统可以解决锅炉滑压启动问题，使锅炉启停、滑压调峰更方便。
保留中间集箱上垂直管段流程，由于两个流程间的温度偏差没有解决，热应力集中问题仍然存在，垂直方向的涨差不同，会给下部的整体螺旋管圈带来新的影响。由于缺乏这方面的数据，目前这种影响很难进行量化评估，还有待进一步研究。
参考文献
[1] 冯俊凯，沈幼庭 锅炉原理及计算 第二版北京 科学出版社，1992.
[2] 黄承懋 .锅炉水动力学及锅内传热.第一版 北京；机械工业出版社，1987.
————————————————————
作者简介：董英杰(1972－)，性别：男，职称：工程师，研究方向：电站锅炉运行与维护。
马洪英(1970－)，性别：男，职称：工程师，研究方向：电站锅炉运行与维护。