350 MW超临界锅炉在深度调峰过程中水冷壁超临界与亚临界运行特性的对比研究

《Fuel》：Comparative study of water-cooled wall supercritical and subcritical operation characteristics during deep peaking of 350 MW supercritical boiler

燃煤锅炉深调峰运行中水冷壁耦合计算模型研究。基于MATLAB开发了水冷壁水力与燃烧侧热负荷耦合计算模型，对比分析350MW超临界锅炉75%THA至50%THA工况下流动分布与传热特性，验证模型精度（出口温度相对误差均<10%），揭示螺旋板压降变化导致流动偏差加剧，高温区始终位于上炉膛左侧墙，亚临界工况金属外壁温度达779.7K时存在干烧风险。

　　
该研究针对超临界燃煤电厂在深调峰工况下水冷壁的安全运行问题，提出并验证了燃烧-流体动力学耦合计算模型。研究基于某350MW超临界直流锅炉的工程数据，重点考察75% THA超临界调峰与50% THA亚临界调峰两种工况下的流动与传热特性差异。

研究背景方面，当前新能源发电的波动性导致燃煤机组长期处于深度调峰状态。这种工况下，锅炉水冷壁面临双重挑战：燃烧侧热负荷频繁剧烈波动，以及工质参数（压力、温度）在超/亚临界区间反复切换带来的流动特性变化。传统单侧模型（燃烧或流体）存在显著局限性，特别是在低负荷工况下，工质压力下降至亚临界区间时，原有模型无法准确预测壁面温度场分布，导致局部过热风险被低估。

在建模方法上，研究团队创新性地构建了多物理场耦合体系。首先，基于Fluent平台建立三维燃烧模型，通过湍流燃烧模型与辐射传热模型的耦合，获得精确的炉膛三维热流分布。其次，开发独立于Fluent的MATLAB流体动力学模型，该模型突破传统简化假设，完整保留了水冷壁管系的实际拓扑结构（包括螺旋屏、垂直屏的复杂连接方式）。特别值得注意的是，模型将炉膛热流场与水冷壁流场进行空间耦合：每个流体节点对应热流场中特定控制体空间的平均热流值，这种映射方式既保证了计算效率，又避免了传统降维处理带来的信息损失。

模型验证环节具有工程实践价值。研究选取某电厂实际运行数据作为基准，在75% THA超临界工况下，水冷壁出口温度预测值与DCS实测数据偏差小于10%；当负荷骤降至50%亚临界工况时，模型仍能保持±7%的误差范围。这种跨临界工况的稳定表现，得益于模型中设置的动态热膨胀系数修正模块和相变边界条件处理算法。

关键研究发现显示：在负荷从75%THA向50%THA切换过程中，螺旋屏区域的流量偏差系数由0.12上升至0.18，而垂直屏的压降分布呈现非线性调整特征。虽然亚临界工况下整体压降水平与超临界工况接近（波动幅度±2%），但螺旋屏的流量不均系数增幅达到50%，这直接导致该区域壁温峰值上升14.3%（从736.1K升至779.7K）。值得注意的是，螺旋屏作为典型的二次屏结构，其流量异常集中现象在亚临界工况下尤为显著，这是传统单屏简化模型难以捕捉的工程特征。

温度场分布研究揭示了深调峰工况下的新型危险区域。在两种工况下，高温集中区均位于 upper furnace左壁面，其温度梯度较相邻区域高出18-22%。当负荷降至50%THA时，亚临界压力下工质相变效率降低，导致壁面干烧风险指数上升3.7倍。数值模拟显示，垂直屏在低负荷工况下易形成局部干烧区，这与实际电厂管壁金属温度异常升高事件高度吻合。

工程启示方面，研究提出三项改进措施：1）建立动态相变模型，准确预测低负荷工况下的工质相变位置；2）优化螺旋屏的二次配风策略，将流量偏差系数控制在0.1以下；3）开发基于数字孪生的预警系统，通过实时热流场-流体场耦合计算，提前12-18小时预测危险管段。

该研究对燃煤电厂的调峰运行具有重要指导意义。首先，模型验证表明，在深调峰工况下，传统仅考虑燃烧侧或流体侧的单模型误差可达30%以上，而该耦合模型可将综合误差控制在8%以内。其次，发现亚临界工况下，螺旋屏因二次回流量变化导致的流动分离效应是超临界工况的2.3倍，这为优化螺旋屏结构设计提供了理论依据。最后，研究建立的跨临界工况预测方法，可帮助电厂在负荷切换前调整燃烧参数和工质流动路径，有效降低管壁过热风险。

该成果的工程应用价值体现在两方面：技术层面，为超临界燃煤机组开发专用调峰控制策略提供了理论支撑；管理层面，通过建立全工况下的热流-流量联合分布数据库，可显著提升电厂安全运行水平。研究团队后续计划将模型集成至电厂DCS系统，实现实时温度场预测与保护联锁控制，这将为我国"十四五"期间建设的超临界燃煤机组提供关键技术保障。

研究局限性方面，目前模型主要针对固定燃烧器布置的直流锅炉，未来需拓展至切圆燃烧锅炉的耦合计算。此外，在超低负荷（<40%THA）工况下的工质相变特性仍需深入研究，特别是汽水两相流动中气液界面稳定性对传热效率的影响机制。这些方向的研究将进一步完善深调峰工况下的全耦合模型，为适应更高比例新能源接入的燃煤机组改造提供理论支撑。