[发明专利]一种与非均匀热负荷匹配的超临界二氧化碳锅炉冷却壁

说明书

本申请公开了一种与非均匀热负荷匹配的超临界二氧化碳锅炉冷却壁，包括均匀设于超临界二氧化碳锅炉内墙面上的若干冷却管，所述冷却管为偏心管，所述偏心管的偏心率与所述偏心管的热负荷成正相关。本申请考虑冷却壁周向非均匀热负荷及沿炉膛宽度方向的热负荷分布不均工况，采用偏心冷却壁管强化向火侧的换热，并通过合理布置不同热负荷区域偏心冷却壁管的偏心率使之与各炉膛受热面热负荷分布相匹配，从而提高换热效率，延长冷却壁管寿命，同时最高壁温的减小也有利于保障锅炉的安全高效运行，强化向火侧对流换热效果，有效降低冷却管壁周向温差。采用不同偏心率的偏心管，减小周向应力与超温爆管现象，延长管道有效寿命。

技术领域

本申请涉及超临界二氧化碳锅炉燃煤发电技术领域，具体而言，涉及一种与非均匀热负荷匹配的超临界二氧化碳锅炉冷却壁。

背景技术

二氧化碳作为一种与非均匀热负荷匹配的锅炉冷却壁天然流体，无毒、不可燃、无色无味。CO₂的稳定性较好，对金属的腐蚀性也较小，且CO₂的临界参数较低，更容易达到超临界参数。这些先天优势使其可以成为代替水蒸汽，作为燃煤电厂的新的传热工质。当今中国燃煤发电依旧占据主导地位，煤电作为我国发电的主力电源这一基本事实不变。因此应用于燃煤发电的S-CO₂动力循环得到广泛关注和迅速发展。

超临界二氧化碳循环(S-CO₂循环)是指超临界CO₂连续流经加热器、汽轮机、冷却器、压缩机等部件，将热能转化为机械能的热循环。与传统的水-蒸汽朗肯循环相比，S-CO₂循环优点是效率高、体积小、对外界负荷变化响应快，且循环的工质参数一直维持在超临界压力以上，整个系统的高压运行确保了各部件紧凑的尺寸和低热惯性，减小压缩机和膨胀机成本。化石能源、核能、太阳能和废热等各种热源都可以驱动S-CO₂循环发电。超临界二氧化碳发电具有多重优点，首先纯CO₂工质化学性质不活泼，与金属化学反应微弱，可降低超高蒸汽参数火力发电对材料的要求，与超超临界水蒸汽发电系统相比，具有独特优势。其次，超临界压力下CO₂蒸气密度远大于水蒸汽，实现发电系统小型化，大大降低汽轮发电系统一次投资成本。再者，S-CO₂发电可大量节约水资源，特别适合我国国情。S-CO₂的研究是目前国内外研究的热点前沿领域，是未来能源领域的共性关键技术，在火力发电方面具有明显优势。随着能源结构的不断调整，超临界二氧化碳燃煤发电的研究，对于未来提高循环效率、节约能源、减少排放、超高参数火力发电的应用，具有着重要的实用价值和深远的意义。

在超临界CO₂燃煤发电厂中，以S-CO₂为冷却剂吸收煤燃烧化学能的S-CO₂燃煤锅炉是实现热源与燃煤动力循环耦合的关键部件。目前，传统水机组的超临界锅炉、超超临界锅炉技术十分成熟，商业运行普遍，然而S-CO₂锅炉在现阶段的相关资料设计较少，仍处于基础研究阶段，从工业化广泛应用的角度而言，依然存在关键科学问题没有解决。S-CO₂传热发生在冷却壁、再热器、过热器、冷却器等各种部件中，因此，深入了解S-CO₂传热对电厂安全运行至关重要。

冷却壁是S-CO₂锅炉的主要受热部件，布置在炉膛四周，起到冷却和保护炉墙的作用。冷却壁传热过程是一个复杂的问题，其直接受到炉内火焰和高温烟气的辐射换热，换热强度大，对安全性要求高。冷却壁内的S-CO₂处于高温高压下，远离临界区，且S-CO₂工质换热系数较小，导致冷却壁管的温度不均匀性较大，有可能发生超温爆管情况，影响管子的使用寿命。若部分冷却壁经常处于高温过热状态，受交变应力的作用，容易形成横向裂纹和高温腐蚀，严重影响冷却壁的安全稳定运行，锅炉工作的可靠性在很大程度上决定于这些冷却壁受热面的金属壁温是否超过所采用钢材在所受应力水平下的容许温度及温差产生的应力是否超过许用应力。超温还会迫使电厂降负荷运行或停炉检修，使设备可用率降低，发电成本增高，严重影响电厂的经济效益。