50MW燃煤超临界二氧化碳锅炉模块化冷却壁气动特性研究及其系统优化

【编辑推荐】针对超临界二氧化碳(scCO2)燃煤锅炉面临的大流量、高压降技术难题，研究人员通过模块化冷却壁构型设计和气动特性分析，开发基于回路流量法的计算程序，提出节流环优化方案。研究表明：节流环安装使各回路流量与热负荷匹配度提升，第2回路外壁最高温度降低15oC，整体壁温控制在665oC以内，为50MW级scCO2机组冷却壁设计提供重要指导。

　　

在能源转型的大背景下，超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, scCO₂)发电技术因其高效率、低腐蚀等优势成为研究热点。然而当这项技术遇上传统燃煤锅炉时，却产生了令人头疼的"水土不服"——锅炉内scCO₂工质的质量流量高达同容量蒸汽锅炉的8倍，若沿用传统水冷壁结构，将导致压降剧增、系统效率骤降。更棘手的是，煤粉炉膛内高热负荷与不均匀的热流分布，使得冷却壁的热工水力行为充满变数。

针对这些挑战，中国研究人员以50MW燃煤scCO₂锅炉为研究对象，开展了一项创新性研究。他们创造性地采用"分流减阻"策略，将锅炉冷却壁划分为四个区段，工质在进入锅炉前分流为两股，分别流经不同受热面。为深入探究气动特性，团队基于Fortran平台开发了专用计算程序，并创新性地提出回路入口节流环设计方法。这项发表在《The Journal of Supercritical Fluids》的研究，为scCO₂燃煤锅炉设计提供了重要技术支撑。

关键技术方法包括：1)建立基于回路流量法的气动计算模型；2)采用Chebyshev多项式拟合获取水动力特性曲线；3)开发节流环优化设计算法；4)结合一维流体动力学与热力学计算进行耦合分析。

【scCO₂循环热力系统】
研究构建了50MW一次再热scCO₂ Brayton循环系统，通过T-s图分析揭示了工质在高温回热器(HTR)、低温回热器(LTR)等关键部件中的状态变化规律。

【数学模型】
区别于传统水冷壁单元，scCO₂循环中工质始终维持超临界状态。研究人员建立了考虑变物性参数的气动计算模型，通过动量方程、能量方程等描述回路压降特性，为节流环优化提供理论依据。

【流量分配与出口温度分布】
安装节流环前后对比显示：未安装时各回路流量对称分布但存在偏差，安装后流量分配与热负荷匹配度显著提升。特别值得注意的是，前墙中部回路流量增加13.6%，后墙两侧回路流量降低9.8%，实现了主动流量调控。

【壁温分布特征】
最引人注目的发现是：节流环使第2回路最高外壁温度降低约15^oC，整个冷却壁外壁温度成功控制在665^oC以内。温度场分析表明，优化后的设计有效缓解了局部过热风险。

这项研究通过理论建模与工程实践相结合，解决了scCO₂燃煤锅炉设计中的关键气动难题。所提出的模块化冷却壁构型和节流环优化方法，不仅显著改善了流量分配均匀性，还将关键部位壁温控制在安全范围内。特别值得关注的是，研究团队开发的Fortran计算程序为scCO₂锅炉设计提供了专用工具，其建立的"分流减阻"技术路线，为后续更大容量机组的开发奠定了基础。这些突破性进展，标志着我国在scCO₂燃煤发电技术领域已从跟跑转向并跑，为清洁煤电技术发展提供了新的技术路径。