于 涛，钱 进*，王一桂，朱道兴，林志恒，罗 芸，赵 威
(1.贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025；
2.中国电建集团贵州工程有限公司，贵州 贵阳 550025)
在“碳达峰，碳中和”双碳目标的大背景下[1]，在电力生产绿色低碳发展的大趋势下，风电、光伏发电等新能源装机容量日益增加[2]，而新能源发电具有间歇性、随机性、反调峰性等特点[3]，增加了系统的负荷峰谷差，对电力系统的接纳能力提出了更高的要求[4]。为维护电网的安全稳定，火电机组必须要承担起调峰的重任[2]。传统电源的弹性运行将是解决未来我国消纳大规模清洁能源的根本途径[5]。循环流化床锅炉(circulating fluidized bed boiler，CFBB)的一个显著优点是负荷调节范围大[6]，在参与电网的调峰中具有明显的优势。王鹏程等[7]分析某350 MW超临界CFBB在深度调峰过程中遇到的锅炉稳燃、水动力安全等问题，提出了相应的控制策略和技术措施。于浩洋等[8]分析某330 MW循环流化床机组深度调峰运行数据，建立深度调峰性能分析评价流程，并计算了深度调峰的经济性。蔡晋等[9]以河坡电厂超临界350 MW机组CFBB为研究对象，分析了循环流化床机组变负荷时的床温、蒸汽参数以及污染物排放的变化。巩李明等[10]分析锅炉深度调峰低负荷稳燃、水动力、壁温等影响因素，针对相应问题提出了技术优化可行措施。张荣[11]对超临界CFBB深度调峰技术难点及控制策略进行了研究。在CFBB负荷不断变化下，膜式水冷壁管温度也不断变化，必然会产生交变热应力，影响锅炉的安全稳定运行[12]。现有的研究大多集中于CFBB的调峰性能评价，对深度调峰时水冷壁管的温度和热应力的研究相对较少。本文以贵州某在建CFBB为研究对象，通过数值模拟的方法得到CFBB膜式水冷壁管温度分布、变形量分布和热应力分布，并分析了深度调峰下水冷壁管的温度、变形量和热应力的变化规律，以期为CFB机组在深度调峰工况下长期良好的运行提供一定的帮助。
某660 MW超超临界CFBB为世界首台高效超超临界直流CFBB，采用双布风板、单炉膛，配6个分离器和6个外置床的整体H型布置，平衡通风、一次中间再热，采用外置床调节炉膛床温和再热蒸汽温度，采用高温冷却式旋风分离器进行气固分离。锅炉整体呈左右对称布置，支吊在锅炉钢架上。锅炉由三个部分组成。第一部分，布置有主循环回路，包括炉膛、高温冷却式旋风分离器、回料器、外置床、冷渣器和二次风系统等；
第二部分，布置有尾部烟道，包括低温过热器、低温再热器和省煤器；
第三部分，单独布置2台四分仓回转式空气预热器。锅炉水冷壁管材料15CrMoG的热物理参数见表1[13]，锅炉的炉膛结构数据见表2。
膜式水冷壁管温度沿高度方向逐渐升高，顶棚拐点附近水冷壁管受到刚性梁和集箱的约束应力会增大，相反，焊接和温度相对较高导致顶棚拐点附近水冷壁管的屈服应力会降低。因此，本文选取膜式水冷壁的1根管和鳍片在水冷壁管顶棚拐点附近的二维截面作为研究对象，其二维几何模型和网格划分如图1所示。
炉膛内燃料燃烧产生的能量传递给膜式水冷壁管向火侧，热量通过膜式水冷壁管向火侧壁面以导热的方式向管内壁和背火侧进行传递，膜式水冷壁管内壁面和管内的微过热蒸汽以强制对流的方式进行换热[14]。背火侧被隔热保温材料包覆，从而减少能量的损失，其边界条件可设为热绝缘。
锅炉负荷为锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)。在BMCR、75% BMCR、60% BMCR、50% BMCR、40% BMCR、20% BMCR时，水冷壁管内的质量流速分别为1 015.39、761.54、609.24、507.7、406.16、304.62 kg/(m2·s)，给水温度分别为303.2、284.3、265.7、261.7、249.9、226.3 ℃，管外的热流密度分别为80、67、51、45、37、21 kW/m2。
基于理论模型和边界条件，通过数值模拟的方法对CFBB负荷为BMCR、75% BMCR、60% BMCR、50% BMCR、40% BMCR、20% BMCR时的膜式水冷壁管进行计算，得到水冷壁管温度分布、变形量分布、热应力分布，分别如图2、图3、图4所示。
从图2可以看出：在BMCR、75% BMCR、60% BMCR、50% BMCR、40% BMCR、20% BMCR负荷下，CFBB膜式水冷壁管的温度分布规律是一致的，水冷壁管的温度分层分布，向火侧的温度明显高于背火侧的温度。在CFBB深度调峰时，即由BMCR工况至20% BMCR工况时，水冷壁管的温度变化由高到低；
由20% BMCR工况至BMCR工况时，水冷壁管温度变化由低到高。CFBB调峰时负荷不断改变，必然会导致水冷壁管的温度也不断变化，交变的温度变化会引起变形量的大小和热应力的交替变化，水冷壁管的屈服强度会降低。正常深度调峰时不会出现超温的情况，但若出现燃煤比，一、二次风比和给水不能及时匹配所在的负荷，水冷壁管有超温的风险。循环流化床长期运行，向火侧水冷壁管会结垢和被煤粉等颗粒磨损。在深度调峰时，结垢的水冷壁管的温度会更高，会对水冷壁管造成损伤，不利于锅炉安全稳定运行。
从图3可以看出：由20% BMCR工况至BMCR工况时，膜式水冷壁管的最大变形量在逐渐增加。热负荷由BMCR至20% BMCR和由20% BMCR至BMCR不断变化时，水冷壁管变形量也在由大到小和由小到大不断变化，每次的变形量虽未引起塑性变形，但长期积累会使水冷壁管屈服强度降低。水冷壁管向火侧的变形量大，背火侧的变形量较小，这是由于水冷壁管背火侧有保温材料限制水冷壁变形，水冷壁会向炉膛内膨胀变形。一根水冷壁管的变形量很小，可整个CFBB炉膛有2 000多根管子，每根管的变形量叠加在一起是不容忽视的[15]。
由图4可以看出：水冷壁管管壁的热应力分布是不均匀的，背火侧水冷壁管与鳍片接触的区域热应力比较集中，向火侧水冷壁管的热应力相对较小。
膜式水冷壁管最大温度和最大温差随热负荷的变化曲线如图5所示。从图5可以看出：随着热负荷的增大，膜式水冷壁管的最大温度和最大温差也在逐渐增大，水冷壁的最大温度和最大温差与热负荷的变化趋势一致，水冷壁管的最大温度与锅炉热负荷基本呈线性增加。在BMCR、75% BMCR、60% BMCR、50% BMCR、40% BMCR、20% BMCR负荷下，水冷壁管的最大温度分别为431.53、414.43、391.06、375.67、360.42、328.85 ℃。由20% BMCR工况到BMCR工况，水冷壁管的最大温度由328.85 ℃升至431.53 ℃，温度上升102.68 ℃，水冷壁管的最大温差由8.81 ℃升至29.37 ℃。深度调峰时，膜式水冷壁管的最大温度和最大温差均在BMCR工况，分别为431.53 ℃和29.37 ℃，水冷壁管的最高温度和最大温差均在管材所允许的范围。
膜式水冷壁管最大热应力和最大变形量随热负荷的变化曲线如图6所示。从图6可以看出：随着热负荷的增大，膜式水冷壁管的最大热应力和最大变形量不断增加。在BMCR、75% BMCR、60% BMCR、50% BMCR、40% BMCR、20% BMCR负荷下，水冷壁管的最大热应力和最大变形量分别为131、118、114、111、105、100 MPa和0.263、0.254、0.240、0.231、0.216、0.203 mm。在BMCR工况时，水冷壁管的变形量和热应力最大,分别为0.263 mm和131 MPa。深度调峰时，即热负荷由BMCR到20% BMCR时，膜式水冷壁管受到的最大热应力和变形量逐渐降低；
而热负荷由20% BMCR到BMCR时，膜式水冷壁管受到的最大热应力和变形量逐渐升高。深度调峰时，水冷壁所受到的热应力虽然没有超过水冷壁管材料的屈服强度和许用应力，但随着CFBB不断进行深度调峰，即热负荷长期在BMCR至20% BMCR和20% BMCR至BMCR之间变化，水冷壁管会受到交变的热应力，即使未超过屈服强度和许用应力，常年累月的积累也必然会使水冷壁管产生疲劳损伤，严重时水冷壁会爆管，致使水冷壁管失效。
1)CFBB深度调峰过程中，热负荷由BMCR至20% BMCR时，膜式水冷壁管的温度、变形量和热应力都在逐渐减小。BMCR工况时，水冷壁管的温度、变形量和热应力最大,分别为431.53 ℃、0.263 mm、131 MPa，均在水冷壁管材允许的范围内。
2)热负荷由BMCR到20% BMCR和由20% BMCR到BMCR不断调峰的过程中，CFBB膜式水冷壁管的温度、变形量和热应力在交替变化，水冷壁管在交变的温度、变形量和热应力作用下疲劳损伤，不断累积，最终会因疲劳而失效。
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