考虑蒸干传热恶化的超超临界燃煤机组快速负荷循环水冷壁过热与疲劳风险协调控制

《Energy》：Coordinated control of water wall overheating and fatigue risk during rapid load cycling of ultra-supercritical coal-fired units considering dry-out heat transfer deterioration

　　•一个动态框架将干涸、壁面过热、应力和疲劳联系起来。
•干涸区域的壁面温度限制了快速低负荷循环。
•均匀流动运行将安全升负荷率限制在2.0% Pe·min?1。
•6%的流量偏差将安全升负荷率降至1.0% Pe·min?1。
•给水控制使疲劳消耗降低最多26.8%。

引言

在可持续发展和低碳能源目标的推动下，全球能源系统正从以化石燃料为主转向更清洁的能源结构，其中风能和太阳能的占比迅速增加[1]。然而，在许多发展中国家，燃煤发电仍然是电力生产的主要来源[2]、[3]。这些间歇性和随机性可再生能源深度融入电力系统，给电网安全和运行稳定性带来了重大挑战[4]、[5]。因此，作为电力行业关键组成部分的燃煤电厂，日益被迫从传统的基荷运行转变为能够进行深度调峰的高度可调度机组。这要求大幅提升其运行灵活性，包括负荷循环范围和负荷循环速率[6]、[7]。

燃煤机组灵活性的研究主要集中在三条技术路径上：热力系统配置优化、控制策略改进以及外部储能系统的集成[8]、[9]。Zhao等人[10]、[11]比较了多种热力系统配置调整方案，包括高压加热器抽汽节流、高压加热器给水旁路和低压加热器抽汽节流。结果表明，高压加热器抽汽节流在提升最大负荷循环速率方面潜力最大，可达6.31% Pe·min?1。Chen等人[12]利用数据驱动建模开发了一种主动给水调节方案，通过解耦燃料侧和工质侧来抑制关键参数波动，并提高了升负荷速率。Wang等人[13]开发了一个与熔盐热能存储系统集成的动态模型。研究发现，充电过程可帮助机组实现高达5% Pe·min?1的降负荷速率。

提升运行灵活性也会引入显著的安全风险，主要涉及壁面温度超限和热机械疲劳[14]。灵活运行要求工质参数在更宽范围内以更快的速率变化，这使得受热面的热状态更有可能偏离设计条件。在快速负荷循环过程中，工质流量的急剧下降可能引发传热恶化，并导致瞬时管壁过热[15]。同时，承压部件中的高幅值交变热应力会逐渐累积，最终导致低周疲劳开裂[16]。更重要的是，壁面温度超限和疲劳损伤是强耦合的。严重的过热事件可能导致塑性损伤，从而削弱材料对后续疲劳循环的抵抗力。现有研究主要强调增加调峰深度和负荷循环速率，而对局部安全风险的定量评估仍然不足，这些约束也尚未完全纳入控制策略设计中。

在燃煤电厂中，水冷壁管失效是导致锅炉非计划停运的最常见原因，占所有锅炉故障的40%[17]。水冷壁、过热器和再热器是参与非计划停运最频繁的受热面部件。特别是水冷壁失效占非计划停运总时长的15%以上，而裂纹失效是最长停运事件的主导技术原因，占此类事件的25%以上。因此，研究水冷壁的壁面温度分布、水动力特性和热应力响应对于确保机组安全稳定运行至关重要。

现有研究主要集中在热工水动力性能、壁面温度估算和结构应力分析方面。在热工水动力和壁面温度预测方面，Wan等人[18]将蒸发水冷壁表示为由并联和串联流路、集箱和压力节点组成的互连水力网络。确定了各种运行工况下的流量、工质温度和管壁温度分布。使用类似方法，Nie等人[19]评估了蒸发受热面在100%、75%和30% BMCR工况下的热工水动力行为。Liu等人[20]、[21]将CFD模拟与一维水动力程序耦合，研究了负荷和烟气再循环位置对1000 MW双再热锅炉水冷壁水动力特性的影响。结果表明，基于CFD导出的热流密度分布的预测与实测数据更吻合。Wang等人[22]提出了一种基于Gappy Proper Orthogonal Decomposition降阶模型的数字孪生方法，通过融合CFD数值结果和现场实测壁温数据，实现水冷壁温度分布的实时重构。Wang等人[23]构建了水冷壁回路的截面瞬态模型，并分析了在热流密度和质量流量同时阶跃下降10%时，100%和50% BMCR工况下的蒸汽温度响应。Tao等人[24]重点关注了深度调峰条件下水冷壁的流动不稳定性，并建立了一个时域分析模型，揭示降负荷使振荡持续时间延长了41.98%，增加并联管数量、入口压力和质量流量可以有效提高临界热负荷并增强系统稳定性。在结构安全方面，Choudhury等人[25]将循环塑性理论与连续介质损伤力学相结合，预测水冷壁的低周疲劳失效。通过使用单轴疲劳试验校准损伤参数，他们预测无缺陷水冷壁组件的使用寿命约为750个循环，并确定火侧焊根为疲劳裂纹萌生的关键位置。Zhang等人[26]研究了受热面污垢对660 MW锅炉水冷壁蒸汽段热应力和变形的影响，发现污垢引起的传热恶化同时增加了水冷壁温度和热应力。

这些研究从流动、传热和结构失效的角度为水冷壁安全分析提供了有用的基础。然而，现有关于热工水动力和壁面温度的研究大多基于稳态条件或单个动态扰动。因此，它们仍不足以捕捉快速负荷循环过程中壁面温度的瞬态演化。此外，超超临界直流锅炉水冷壁在低负荷快速循环条件下的整体热机械应力演化仍不清楚。特别是干涸区域迁移、径向温度差瞬态放大、内压引起的机械应力叠加以及疲劳损伤累积之间的耦合机制尚未得到系统阐明。因此，仍然需要一种综合评估方法，用于量化低负荷快速循环条件下水冷壁的瞬态热机械应力和疲劳寿命，并识别高风险区域（如干涸区域）的应力集中机制和寿命安全裕度。

本研究的创新点和贡献如下：（1）建立了一个用于超超临界直流锅炉的动态水冷壁安全评估框架。该框架集成了瞬态热工水动力行为、金属壁面温度演化、热机械应力计算和低周疲劳评估，能够在快速负荷循环期间对壁面温度、应力响应和疲劳寿命消耗进行耦合评估。（2）将干涸区域壁面温度作为升负荷过程的关键安全约束。与主要基于机组层面运行参数的常规评估相比，本研究强调局部水冷壁热安全，并为确定安全约束的负荷循环边界提供了直接依据。（3）阐明了流量偏差对干涸区域迁移和水冷壁安全的影响。流量偏差改变了局部冷却能力和热流密度与质量流速之比，从而影响干涸位置、壁面温度分布、热机械应力集中和疲劳损伤累积。（4）提出了一种由干涸区域壁面温度触发的主动给水控制策略。通过根据目标壁温降低量反向确定所需给水补偿量，并将其与蒸汽温度偏差协调，该策略将局部壁面温度保护与锅炉动态控制联系起来。（5）所提出的方法为协调快速负荷循环能力、干涸区域壁面温度控制、热机械应力抑制和疲劳寿命管理提供了定量框架，为超超临界燃煤电厂在深度调峰期间的安全灵活运行提供了有用参考。

章节片段

研究案例描述

选取一台1100 MW超超临界燃煤机组作为研究案例。该锅炉采用变压直流运行方式，具有单炉膛、双切圆燃烧、一次再热和π型布置。膜式水冷壁由2288根垂直内螺纹管组成，尺寸为Φ28.6 mm×5.8 mm，管材为15CrMoG。垂直管水冷壁因其流动阻力低、结构简单，非常适合变压运行。

原始控制策略下升负荷过程中水冷壁温度演化和疲劳寿命评估

图8和表1展示了在3.0% Pe·min?1的30%–50% THA升负荷瞬态过程中干涸区域的瞬态壁温响应。升负荷指令在50秒时发出。在原始控制策略下，39.0米、40.5米和42.0米处的最大外壁温度分别为599.4 °C、578.9 °C和564.6 °C，均超过了15CrMoG的550 °C限值。最严重的过热发生在39.0米处，壁温超过允许限值49.4 °C。

结论

使用一台1100 MW超超临界机组作为研究案例，开发了一个集成的动态模拟和安全评估框架，用于评估快速低负荷循环期间的局部壁面温度安全、热机械应力响应和疲劳寿命消耗。该框架集成了水冷壁水动力、金属温度演化、基于平面应变的应力计算和基于ASME的低周疲劳评估。

主要结论总结如下：

（1）干涸诱发的

CRediT作者贡献声明

Junjie Yan：监督，项目管理，资金获取。Dengliang Wang：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，软件，方法学，调查，正式分析。Weixiong Chen：监督，项目管理，资金获取。Chaoyang Wang：软件，方法学。Yongliang Zhao：验证，软件，调查。Mengyang Kang：写作 – 初稿，资源，数据管理。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。

5. 致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2022YFB4100400）的支持。

Dengliang Wang | Mengyang Kang | Yongliang Zhao | Chaoyang Wang | Weixiong Chen | Junjie Yan