基于锅-炉耦合的超超临界锅炉水冷壁流量分配及工质出口温度分布研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.260206

发电技术 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 285-294.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.260206

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基于锅-炉耦合的超超临界锅炉水冷壁流量分配及工质出口温度分布研究

陈智海¹^,², 谭鹏¹^,², 吴凡¹^,², 谢树涛², 张成², 方庆艳², 陈刚²

^1.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北省武汉市 430074
^2.煤燃烧与低碳利用全国重点实验室(华中科技大学)，湖北省武汉市 430074

收稿日期:2025-05-26 修回日期:2025-07-30 出版日期:2026-04-30 发布日期:2026-04-21
作者简介:陈智海(1999)，男，硕士研究生，研究方向为燃煤锅炉的灵活运行，czh07060509@163.com；
谭鹏(1989)，男，博士，副教授，研究方向为融合数据与机理的发电过程智能建模、数据驱动的智能发电控制与运行优化，本文通信作者，tanpeng@hust.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFB4100401)

Study of Water Wall Flow Distribution and Mass Outlet Temperature Distribution in Ultra-Supercritical Boiler Based on Pot-Furnace Coupling

ZhiHai CHEN¹^,², Peng TAN¹^,², Fang WU¹^,², ShuTao XIE², Cheng ZHANG², QingYang FANG², Gang CHEN²

^1.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China
^2.State Key Laboratory of Coal Combustion and Low Carbon Utilization (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China

Received:2025-05-26 Revised:2025-07-30 Published:2026-04-30 Online:2026-04-21
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2022YFB4100401)

摘要/Abstract

摘要：

目的深度调峰下，水冷壁超温爆管是锅炉安全运行面临的关键问题之一，为此，提出了一种锅-炉耦合仿真方法。方法通过燃烧数值模拟获得各工况下水冷壁壁面热流分布，然后基于Modelica建立工质侧计算模型，以便于对某660 MW超超临界锅炉水冷壁流量分配及工质出口温度分布进行研究。结果水冷壁出口工质关键参数误差均在3%以内，验证了模型的可靠性。螺旋水冷壁流量分配在负荷较高时表现负流量特性，在超低负荷时表现正流量特性。垂直水冷壁始终呈负流量特性，在100%汽轮机热耗率验收(turbine heat acceptance，THA)工况下，垂直水冷壁出口工质的最大温差为37.60 ℃，在40%THA和30%THA工况下，最大温差分别增至138.33 ℃和141.27 ℃。(超)低负荷垂直水冷壁前后墙出口工质温度高且温差大，左右侧墙出口工质温度低且温差小。结论研究成果可为锅炉深度调峰下的安全运行提供参考。

关键词: 火力发电, 锅炉安全, 流量分配, 工质温度, 水动力, 锅-炉耦合, 深度调峰

Abstract:

Objectives Water wall over-temperature tube burst under deep peaking is one of the key problems facing the safe operation of boilers. A coupled boiler-furnace simulation method is proposed. Methods The heat flow distribution on the water wall surface under each operating condition is obtained by numerical simulation of combustion. Then, a calculation model of the mass side is established on the basis of Modelica, so as to study the distribution of water wall flow rate and the temperature distribution of the mass outlet of a 660 MW ultra-supercritical boiler. Results The errors of key parameters of water wall outlet mass are all within 3%, which verifies the reliability of the model. The spiral water wall flow distribution shows negative flow characteristics at high loads and positive flow characteristics at ultra-low loads. Vertical water wall always shows negative flow characteristics, and the maximum temperature difference of the vertical water wall outlet mass is 37.60 ℃ at 100% turbine heat acceptance (THA), and increases to 138.33 ℃ and 141.27 ℃ at 40% THA and 30% THA, respectively. The (ultra) low load vertical water wall outlet mass temperature of the front and rear walls is high and the temperature difference is large, while the outlet mass temperature of the left and right side walls is low and the temperature difference is small. Conclusions The research results can provide a reference for the safe operation of the boiler under deep peaking.

Key words: thermal power generation, boiler safety, flow distribution, working fluid temperature, hydrodynamics, boiler-furnace coupling, deep peaking

中图分类号:

TK 17

陈智海, 谭鹏, 吴凡, 谢树涛, 张成, 方庆艳, 陈刚. 基于锅-炉耦合的超超临界锅炉水冷壁流量分配及工质出口温度分布研究[J]. 发电技术, 2026, 47(2): 285-294.

ZhiHai CHEN, Peng TAN, Fang WU, ShuTao XIE, Cheng ZHANG, QingYang FANG, Gang CHEN. Study of Water Wall Flow Distribution and Mass Outlet Temperature Distribution in Ultra-Supercritical Boiler Based on Pot-Furnace Coupling[J]. Power Generation Technology, 2026, 47(2): 285-294.

图/表 15

表1 锅炉基本尺寸

Tab. 1 Basic boiler dimensions

参数	数值
炉膛宽度/mm	22 162.4
炉膛深度/mm	15 456.8
炉膛容积/m³	19 722.0
炉膛断面积/m²	342.6
顶棚拐点标高/mm	72 500.0
相邻燃烧器中心线之间的水平距离/mm	3 048.0
顶层燃烧器至屏底的距离/mm	26 353.5
底层燃烧器至冷灰斗折角的距离/mm	2 397.7
燃尽风至燃烧器的距离/mm	5 980.8
水冷壁下集箱标高/mm	7 500.0

图1 全炉膛结构与网格示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the overall furnace structure and mesh

表2 炉内燃烧过程建模采用的主要子模型

Tab. 2 Main sub-models used for combustion modelling in the furnace

模型类型	主要子模型
湍流流动模型	Realizable k-ε模型^[33-34]
颗粒运动模型	P1模型^[35]
煤粉挥发分模型	单速率方程反应模型^[20]
焦炭燃烧模型	动力-扩散模型^[36]
气相燃烧模型	PDF模型^[37]

表3 煤质分析

Tab. 3 Coal quality analysis

参数		数值
工业分析	收到基水分质量分数/%	12.7
	收到基灰分质量分数/%	12.54
	收到基挥发分质量分数/%	20.43
	收到基固定碳质量分数/%	54.33
元素分析	收到基碳元素质量分数/%	80.94
	收到基氢元素质量分数/%	4.84
	收到基氧元素质量分数/%	12.47
	收到基氮元素质量分数/%	0.94
	收到基硫元素质量分数/%	0.82
低位发热量Q_net，ar/(MJ/kg)		22.8

图2 下炉膛螺旋水冷壁划分示意图加粗的数字表示各回路的编号；括号内的数字为该回路内管子的数量。

Fig. 2 Schematic diagram of spiral water-cooled wall division in the lower furnace

图3 上炉膛垂直水冷壁划分示意图加粗的数字表示各回路的编号；括号内的数字为该回路内管子的数量。

Fig. 3 Schematic diagram of vertical water-cooled wall division in the upper furnace

图4 工质侧模型

Fig. 4 Working fluid side model

表4 各负荷水冷壁出口主要参数对比

Tab. 4 Comparison of main parameters of water wall outlet for each load

负荷	参数	设计值/实测值	计算值	相对误差/%
100%THA	流量	498.17 kg/s	504.80 kg/s	1.33
	出口温度	421.00 ℃	422.70 ℃	0.40
	出口压力	29.13 MPa	28.73 MPa	-1.37
40%THA	流量	198.61 kg/s	193.94 kg/s	-2.35
	出口温度	340.00 ℃	332.69 ℃	-2.15
	出口压力	11.77 MPa	11.53 MPa	-2.04
30%THA	流量	160.96 kg/s	162.89 kg/s	1.20
	出口温度	362.09 ℃	367.61 ℃	1.52
	出口压力	10.85 MPa	10.82 MPa	-2.77

图5 30%THA下的壁温测量值和汽温计算值

Fig. 5 Wall temperature measurements and calculated steam temperatures at 30% THA

图6 螺旋水冷壁各回路吸热量及质量流速分布

Fig. 6 Distribution of heat load and mass flow rate in each circuit of the spiral water wall

图7 垂直水冷壁各回路吸热量及质量流速分布

Fig. 7 Distribution of heat absorption and mass flow rate in each circuit of the vertical water wall

图8 螺旋水冷壁出口工质温度分布

Fig. 8 Spiral water wall outlet mass temperature distribution

表5 螺旋水冷壁出口工质温度比较 (℃)

Tab. 5 Spiral water wall outlet mass temperature comparison

负荷	最低温度	最高温度	最大温差
100%THA	396.19	404.45	8.24
40%THA	321.63	332.02	10.39
30%THA	317.04	348.14	31.10

图9 垂直水冷壁出口工质温度分布

Fig. 9 Vertical water wall outlet mass temperature distribution

表6 垂直水冷壁出口工质温度比较 (℃)

Tab. 6 Vertical water wall outlet mass temperature comparison

负荷	最低温度	最高温度	最大温差
100%THA	398.96	436.56	37.60
40%THA	321.63	459.96	138.33
30%THA	316.81	458.09	141.27

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基于锅-炉耦合的超超临界锅炉水冷壁流量分配及工质出口温度分布研究

Study of Water Wall Flow Distribution and Mass Outlet Temperature Distribution in Ultra-Supercritical Boiler Based on Pot-Furnace Coupling

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