超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流量補(bǔ)償特性研究-畢業(yè)論文

分類號(hào)：學(xué)校代碼：密級(jí)：XXXX大學(xué)碩士學(xué)位論文題目：超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流量補(bǔ)償特性研究英文題目：CharacteristicsStudyforUltra-supercriticalBoilerswithVerticalRifledTubePlatenWaterWallonFlowCompensation研究生姓名：專業(yè)：研究方向：熱力設(shè)備及大型回轉(zhuǎn)機(jī)械的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與延壽技術(shù)導(dǎo)師姓名：職稱：20XX年XX月XX日聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文《超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流量補(bǔ)償特性研究》，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名： 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；③學(xué)校可允許學(xué)位論文被查閱或借閱；④學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的,復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；⑤同意學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。(涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定)作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 日期： 摘要對超超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行時(shí)的流量補(bǔ)償特性進(jìn)行了理論分析。以1000MW超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，編制了流量補(bǔ)償特性計(jì)算程序，對該鍋爐水冷壁在不同熱負(fù)荷和熱偏差條件下，不同質(zhì)量流速下的流量補(bǔ)償特性進(jìn)行了分析研究。驗(yàn)證了直流鍋爐水冷壁系統(tǒng)在高負(fù)荷區(qū)高質(zhì)量流速條件下具有強(qiáng)制流動(dòng)特性，在低負(fù)荷區(qū)低質(zhì)量流速條件下具有自然循環(huán)的自補(bǔ)償特性，這種特性對實(shí)現(xiàn)直流鍋爐變壓運(yùn)行具有重要作用,但增加了由自補(bǔ)償特性向強(qiáng)制流動(dòng)特性轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性。論文計(jì)算并分析了鍋爐水動(dòng)力特性，驗(yàn)證了水動(dòng)力單值性。分析了熱負(fù)荷、管子內(nèi)徑、管子根數(shù)對壓降的影響。研究結(jié)論可供UP型超臨界直流鍋爐運(yùn)行和設(shè)計(jì)參考。關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐；熱偏差；流量補(bǔ)償；垂直管屏；下輻射區(qū)水冷壁ABSTRACTThevariablepressureoperationcharacteristicofultra-supercriticalboilerwithverticalrifledtubeplatenwaterwallisanalyzedinthispaper.Basedonthedesigneddataofverticaltubewaterwallina1000MWsupercriticalboilerandregardingtothehydrodynamiccalculationmethod,acalculationprocedureofflowcompensationcharacteristicsisestablished.Theflowcompensationcharacteristicsintheconditionofdifferentloadsandmassflowratesareanalyzedandstudied,thereforeitvalidatesthatdirectcurrentboilerhasnotonlydirectcurrentcharacteristicsbutalsonaturalcirclecharacteristicslikedrumboiler’swhichplaytheimportantroleinthevariablepressureoperation.Hydrodynamiccharacteristicofboilersiscalculatedandanalyzedanduniquenessofhydrodynamicisvalidated.Alsotheeffectsbetweenheatloadanddrop,tube’sinnerdiameteranddrop,tube’snumberanddropareanalyzed.WangXue-tao(ThermalPowerEngineering)Directedbyprof.FanQuan-guiKEYWORDS:ultra-supercriticalboiler，heatdeviation，flowcompensation，verticaltubeplaten，waterwall’slowerradiation第一章引言1.1課題研究的背景及意義能源是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，環(huán)境是人類維護(hù)自身生存和發(fā)展的前提。在能源日趨緊張，環(huán)境日益惡化的情況下為節(jié)約能源和減輕環(huán)境污染，必須發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)[1]，即：循環(huán)流化床(CFBC)、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC—CC)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)以及超臨界(SC)與超超臨界技術(shù)(USC)。超臨界機(jī)組是指發(fā)電機(jī)組的蒸汽參數(shù)達(dá)到臨界壓力以上的機(jī)組。目前，世界上超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)以24MPa、540℃/540℃為基礎(chǔ)。超超臨界機(jī)組并沒有嚴(yán)格的定義，國際上通常把主蒸汽壓力在27MPa以上或主汽、再熱汽溫在580℃以上的機(jī)組定義為超超臨界（USC）機(jī)組[2]。超超臨界機(jī)組正是由于提高了鍋爐蒸汽的初參數(shù)，使得機(jī)組效率大大提高，達(dá)到45%～48%，比亞臨界機(jī)組提高6%～9%，比超臨界機(jī)組高3%～4%。盡管在同等蒸汽參數(shù)情況下，聯(lián)合循環(huán)的效率比蒸汽循環(huán)的效率高10%左右，但是，由于PFBC和IGCC尚處于試驗(yàn)或示范階段，在技術(shù)上還存在許多不完善之處，而超臨界技術(shù)已十分成熟，超臨界機(jī)組也已批量投運(yùn)，且積累了良好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，國外已有一套完整而成熟的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。因此，技術(shù)成熟的大容量超臨界和超超臨界機(jī)組將是我國潔凈煤發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向，也是解決電力短缺、能源利用率低和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題的最現(xiàn)實(shí)和最有效的途徑?？梢灶A(yù)見，在不久的將來超臨界鍋爐將成為我國電廠鍋爐的主力鍋爐，因此對超臨界鍋爐的研究更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)大于臨界壓力，蒸汽和水的密度基本相同，首先受影響的是鍋爐的水冷壁。超臨界鍋爐水冷壁不能采用自然循環(huán)方式，必須采用強(qiáng)制流動(dòng)方式，即以直流鍋爐為主，也可采用復(fù)合循環(huán)方式。超臨界鍋爐的水冷壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要出現(xiàn)了兩種形式：一種是采用螺旋管圈的水冷壁，另一種采用垂直管屏水冷壁。兩種水冷壁各有利弊，需要結(jié)合實(shí)際情況選用。一般認(rèn)為，采用垂直管屏水冷壁的直流鍋爐不適合變壓運(yùn)行，但是采用一些新技術(shù)的垂直管屏水冷壁的直流鍋爐實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行也是可能的。例如內(nèi)螺紋管垂直管屏變壓運(yùn)行技術(shù)已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用的例子。超臨界壓力變壓運(yùn)行帶中間負(fù)荷機(jī)組要求鍋爐能變壓運(yùn)行，負(fù)荷變化快，并能快速啟停。這使鍋爐的工作條件更為復(fù)雜，特別是鍋爐的爐膛水冷壁，當(dāng)機(jī)組從額定負(fù)荷到低負(fù)荷時(shí)，爐膛水冷壁管圈的運(yùn)行壓力將從超臨界壓力降至亞臨界壓力，水冷壁管圈內(nèi)工質(zhì)將有兩種工作狀態(tài)，即單相流動(dòng)和雙相流動(dòng)。分析超臨界壓力變壓運(yùn)行直流鍋爐爐膛水冷壁流量補(bǔ)償特性對水冷壁的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。在這個(gè)背景下開展我的課題，希望能夠?qū)ΤR界及超超臨界鍋爐在實(shí)際設(shè)計(jì)與運(yùn)行中有所裨益。1.2國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)1927年西門子公司生產(chǎn)的第一臺(tái)本生鍋爐采用螺旋管圈水冷壁。為了降低造價(jià)1930年開始，開發(fā)了垂直管圈水冷壁，不過當(dāng)時(shí)還只是上升—下降管系統(tǒng)，采用磚砌爐墻。直至60年代中期，為了適應(yīng)西歐電網(wǎng)調(diào)峰的需要又重新采用螺旋管圈膜式水冷壁。50年代美國開發(fā)了幾種不同的垂直管圈膜式水冷壁系統(tǒng)，為保證大量水冷壁管在全部負(fù)荷范圍的可靠冷卻，出現(xiàn)了帶中間集箱的管屏串聯(lián)系統(tǒng)或疊加—再循環(huán)系統(tǒng)。但是，為避免中間集箱汽水混合物分離或?yàn)楸ＷC再循環(huán)泵無故障運(yùn)行，這些水冷壁系統(tǒng)必須始終(包括啟停)保持超臨界壓力運(yùn)行。因此這種水冷壁系統(tǒng)不太適應(yīng)每日啟停，而且部分負(fù)荷運(yùn)行也不經(jīng)濟(jì)。80年代中期Sulzer公司開發(fā)了內(nèi)螺紋管垂直水冷壁。這期間，日本三菱重工業(yè)公司與蘇爾壽和CE公司合作，設(shè)計(jì)制造出內(nèi)螺紋管垂直管圈超臨界壓力鍋爐。第一臺(tái)這種管圈的700MW超臨界燃煤鍋爐于1989年6月在日本松浦電廠投運(yùn)，隨后日本川越電廠又相繼于1989年和1990年投運(yùn)了兩臺(tái)700MW超超臨界燃?xì)忮仩t，這些鍋爐的滿負(fù)荷質(zhì)量流速均為2000左右，并且采取以下兩種措施來防止在如此高的流速下由于熱偏差而引起的水冷壁出口焓偏差：(1)在那些吸熱偏低的水冷壁管進(jìn)口加裝節(jié)流圈(2)布置對流煙道蒸發(fā)器，使水冷壁出口保持濕蒸汽，而把蒸發(fā)終點(diǎn)轉(zhuǎn)移到熱負(fù)荷較低的對流煙道內(nèi)。蘇爾壽等3家公司很重視這種方案并稱之為第二代變壓運(yùn)行直流鍋爐。但是西門子公司認(rèn)為蘇爾壽鍋爐的垂直管圈方案有廣泛的理論和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)，但缺乏基準(zhǔn)。因此，該公司在長期的理論與實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上也推出了內(nèi)螺紋垂直管圈水冷壁的方案：采用滿負(fù)荷低質(zhì)量流速，利用流量分配的自然循環(huán)特性保證全部負(fù)荷下水冷壁的充分冷卻，即在低質(zhì)量流速下，摩擦壓降在總壓降中所占比例變得很小，由重位壓降決定流量分配。正象自然循環(huán)水冷壁一樣，吸熱偏差引起的流量分配取決于靜壓降，受熱偏高的管子將流過較高的流量。內(nèi)螺紋管不僅改善壓降特性，而且也改變了傳熱特性。采用內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行，在低負(fù)荷亞臨界壓力范圍內(nèi)，能夠抵抗水冷壁的膜態(tài)沸騰引起的傳熱惡化，在臨界壓力和高負(fù)荷超臨界壓力范圍內(nèi)，也具有抵抗類膜態(tài)沸騰的作用，即使對于處于大比熱區(qū)的蒸汽也具有增強(qiáng)傳熱，降低壁溫的作用。西門子公司推出的內(nèi)螺紋管垂直管圈爐膛水冷壁的方案，使現(xiàn)代變壓運(yùn)行直流鍋爐技術(shù)更趨完善。其他如俄羅斯、丹麥、韓國、德國等國家也都相繼展開對內(nèi)螺紋管垂直管圈超臨界鍋爐的研究。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)與哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠合作，研究了超臨界鍋爐內(nèi)螺紋水冷壁管的水動(dòng)力特性和傳熱特性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。日本三菱公司與哈爾濱鍋爐廠合作生產(chǎn)的1000MW超超臨界鍋爐就采用了內(nèi)螺紋管垂直管屏變壓運(yùn)行技術(shù)，在國內(nèi)的首次用戶為玉環(huán)電廠。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者做了許多工作。在內(nèi)螺紋管傳熱方面，西安交通大學(xué)的陳聽寬等人以動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托，做了許多超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管傳熱特性的研究，試驗(yàn)得出了在不同參數(shù)條件下的壁溫分布、發(fā)生傳熱惡化的臨界條件、單相及兩相對流放熱系數(shù)、干涸后放熱系數(shù)及內(nèi)螺紋管的摩擦壓降，提出了計(jì)算關(guān)聯(lián)式，比較了單側(cè)加熱與全周加熱的區(qū)別，為超臨界鍋爐設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。在垂直管圈水冷壁研究方面，西安交通大學(xué)的鄭建學(xué)等人分析了600MW超臨界鍋爐垂直管圈水冷壁，并與螺旋管圈水冷壁作了對比，分別得到了兩種水冷壁的優(yōu)劣，對于電站超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁的設(shè)計(jì)有較高的參考價(jià)值。在超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行方面，樊泉桂針對1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行特性進(jìn)行了理論分析。重點(diǎn)分析了低質(zhì)量流速下的水冷壁熱偏差對流量偏差的影響關(guān)系和內(nèi)螺紋管傳熱特性以及直流鍋爐水冷壁強(qiáng)制流動(dòng)特性被自然循環(huán)特性部分抵償?shù)牧鲃?dòng)特性。1.3國內(nèi)內(nèi)螺紋管垂直管屏變壓運(yùn)行鍋爐研究中的問題在國外，西門子公司已經(jīng)對內(nèi)螺紋管傳熱和壓降進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究，得到了一些重要的結(jié)論。另外，他們不僅通過計(jì)算機(jī)模擬了低質(zhì)量流速下內(nèi)螺紋管垂直管屏的流量補(bǔ)償特性，而且還在特定的電廠進(jìn)行了大型試驗(yàn)，驗(yàn)證了在熱偏差情況下流量分配的理論估算，校驗(yàn)了在實(shí)驗(yàn)室測試開發(fā)的壓降計(jì)算程序。但是在國內(nèi)，雖然內(nèi)螺紋管垂直管屏變壓運(yùn)行技術(shù)已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用的例子，但是對于內(nèi)螺紋管的傳熱傳質(zhì)特性和壓降特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究還根本不夠，尤其是對于內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行的理論認(rèn)識(shí)還不夠深入，尚沒有人進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)與大型實(shí)例驗(yàn)證。其中，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)需要開發(fā)壓降計(jì)算程序，涉及到管內(nèi)兩相流的理論，分析研究比較復(fù)雜，具有一定的難度。1.4本論文研究的主要內(nèi)容1.4首先介紹了水冷壁的幾種主要型式，通過探討螺旋管圈水冷壁的流動(dòng)阻力大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)說明內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁有很大發(fā)展趨勢。最后重點(diǎn)介紹了內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的特點(diǎn)及其變壓運(yùn)行的理論分析。1.4主要介紹了管內(nèi)工質(zhì)壓降的計(jì)算方法，包括單相流和兩相流壓降的計(jì)算。因?yàn)樯婕暗骄幊逃?jì)算，對一些公式根據(jù)模型進(jìn)行了簡化。1.4在管內(nèi)工質(zhì)壓降計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立流量補(bǔ)償特性的模型和程序流程圖。流量補(bǔ)償特性模型其實(shí)就是建立壓降-熱偏差的關(guān)系，由于亞臨界與超臨界流量補(bǔ)償特性不同，對兩種工況下的流量補(bǔ)償特性進(jìn)行對比分析。在本文中分析并對比了正的流量補(bǔ)償特性和負(fù)的流量補(bǔ)償特性。其中正的流量補(bǔ)償特性又稱為自然循環(huán)特性，即在亞臨界工況下，內(nèi)螺紋管垂直管屏管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速很低(低于1200)，水冷壁的動(dòng)壓損失(或流動(dòng)摩擦阻力引起的壓降)在壓力總損失(總壓降)中的比例很小，靜壓損失(重位壓降)起決定作用，流量分配為正流量補(bǔ)償特性；負(fù)的流量補(bǔ)償特性又稱為直流特性，即在超臨界工況下，內(nèi)螺紋管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速很高(高于1200)，水冷壁的動(dòng)壓損失(或流動(dòng)摩擦阻力引起的壓降)在壓力總損失(總壓降)中的比例很大，動(dòng)壓損失(重位壓降)起決定作用，流量分配為負(fù)流量補(bǔ)償特性。1.4水動(dòng)力特性指的是進(jìn)出口集箱間所連接管子兩端的壓降與流量的關(guān)系。水動(dòng)力特性主要分析超臨界滿負(fù)荷工況下水動(dòng)力特性的穩(wěn)定性，分析其具有不具有流動(dòng)的多值性。本文還分析了對管內(nèi)壓降影響的其他因素，包括管子內(nèi)徑、管子根數(shù)、管子熱負(fù)荷等。第二章內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁及其變壓運(yùn)行分析目前，世界上正在運(yùn)行的超臨界和超超臨界機(jī)組直流鍋爐水冷壁型式有4種：光管螺旋管圈水冷壁、內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁、光管垂直管屏水冷壁和內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁。水冷壁爐膛布置主要有兩種：第一種是上爐膛采用垂直管屏水冷壁，下爐膛采用螺旋管圈水冷壁；第二種是一次垂直上升水冷壁。如圖2-1是水冷壁爐膛的兩種布置方式。兩種爐膛布置的上、下爐膛水冷壁間都有中間混合集箱，用以消除爐膛下部水冷壁工質(zhì)吸熱與溫度偏差。圖2-1兩種水冷壁的爐膛布置1927年，西門子公司生產(chǎn)的第一臺(tái)本生鍋爐采用螺旋管圈水冷壁。到目前為止，全世界已經(jīng)有1000多臺(tái)超臨界鍋爐機(jī)組投入使用，其中大部分仍是采用的這種經(jīng)典的螺旋管圈水冷壁型式。這種型式的水冷壁能夠?qū)崿F(xiàn)真正的滑壓運(yùn)行。另外它還有許多優(yōu)點(diǎn)：主要是它采用較高的質(zhì)量流速，各根管子盤旋上升，受熱均勻，所以管子熱偏差小，保證了管子壁溫不高于許可溫度，有效的防止了亞臨界條件下的膜態(tài)沸騰和超臨界條件下的類膜態(tài)沸騰?？墒锹菪苋λ浔谟性S多無法避免的缺點(diǎn)，主要包括：(1)水冷壁阻力較大。這是由于質(zhì)量流速較高，下爐膛螺旋管圈展開長度幾乎為垂直管屏長度的二倍。以600MW變壓運(yùn)行超臨界燃煤鍋爐為例，水冷壁系統(tǒng)的總阻力約為2MPa左右，幾乎為垂直管屏水冷壁的一倍，增加了給水泵的耗電量；(2)水冷壁支撐和剛性梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因水平管子承受軸向載荷能力差，必須采用張力板，張力板與水冷壁管之間在鍋爐啟停時(shí)有較大溫差，其形狀和尺寸必須經(jīng)仔細(xì)的應(yīng)力分析和運(yùn)行考驗(yàn)；水冷壁的強(qiáng)度也需要考慮x、y、z三方向作用力；剛性梁必須采用框架式結(jié)構(gòu)，從而增加了安裝和焊接工作量。(3)螺旋管圈水冷壁受加工分段長度的限制，現(xiàn)場對接焊縫的數(shù)量約為垂直管屏的4倍；(4)水冷壁管螺旋傾斜上升，在水冷壁上設(shè)計(jì)開孔很困難；(5)對結(jié)渣性較強(qiáng)的煤種，螺旋管圈結(jié)渣傾向比垂直管屏要大，灰渣自行脫落的能力較差。螺旋管圈水冷壁的維護(hù)和檢修比垂直管屏要復(fù)雜一些。2.1內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的特點(diǎn)2.1.1內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)與傳熱特性內(nèi)螺紋管的傳熱性能明顯優(yōu)于光管，它能夠抵抗膜態(tài)沸騰并且推遲傳熱惡化，主要機(jī)理是：由于工質(zhì)受到內(nèi)螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了管內(nèi)壁面附近流體的擾動(dòng)，使水冷壁管內(nèi)壁面產(chǎn)生的汽泡可以被旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)的液體及時(shí)帶走。在旋轉(zhuǎn)力的作用下，水流緊貼管子內(nèi)壁面流動(dòng)，從而避免了汽泡在管子內(nèi)壁面上的積聚所形成的“汽膜”，保證了管子內(nèi)壁面上有連續(xù)的水流冷卻。內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)可以制成各種型式，如四頭、六頭、八頭等。例如河南沁北電廠600MW超臨界鍋爐采用的螺旋水冷壁管全部采用六頭、上升角60°的內(nèi)螺紋管。西門子公司對于低質(zhì)量流速下的內(nèi)螺紋管和光管進(jìn)行了大量試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)壓力在20MPa以下時(shí)，即使在1000的低質(zhì)量流速下，內(nèi)螺紋管仍然具有良好的傳熱效果，在接近蒸發(fā)終點(diǎn)時(shí)才出現(xiàn)傳熱惡化；在近臨界壓力區(qū)，傳熱惡化提前出現(xiàn)，在x=0.6的位置出現(xiàn)壁溫突然升高的現(xiàn)象；內(nèi)螺紋管不僅改善了傳熱特性，而且也改變了壓降特性。另外三菱公司也對內(nèi)羅管和光管的最低質(zhì)量流速作了深入的研究，結(jié)果表明：內(nèi)螺紋管大大降低了最低質(zhì)量流速，在25%MCR~30MCR時(shí)最低質(zhì)量流速可以降低到500，而光管水冷壁一般控制最低允許質(zhì)量流速為1000。2.1.2內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的優(yōu)缺點(diǎn)內(nèi)螺紋管的傳熱性能明顯優(yōu)于光管，它在鍋爐上應(yīng)用給直流鍋爐水冷壁采用垂直管屏開辟了途徑。早在70年代末、80年代初，CE、Sulzer和三菱重工等公司鑒于國際上變壓運(yùn)行超臨界機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)和傳統(tǒng)的螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，在已有長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合循環(huán)鍋爐的基礎(chǔ)上，吸取內(nèi)螺紋管在強(qiáng)化傳熱、抑制DNB產(chǎn)生等方面的優(yōu)點(diǎn)，著手研究和開發(fā)用于變壓運(yùn)行的超臨界和超超臨界鍋爐的內(nèi)螺紋管一次上升的垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重工同時(shí)開發(fā)并生產(chǎn)出了世界上首次采用一次上升管圈的變壓運(yùn)行超臨界和超超臨界鍋爐機(jī)組，并在日本多家電廠投運(yùn)，至今鍋爐運(yùn)行順利。在國內(nèi)，哈爾濱鍋爐廠采用三菱重工的技術(shù)已經(jīng)生產(chǎn)出1000MW垂直管屏水冷壁超超臨界鍋爐，并在浙江玉環(huán)電廠得到投運(yùn)。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)水冷壁阻力較小，降低了給水泵耗電量。(2)采用內(nèi)螺紋管可提高傳熱性能，在亞臨界負(fù)荷時(shí)防止下爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域發(fā)生膜態(tài)沸騰，在超臨界負(fù)荷時(shí)能夠防止類膜態(tài)沸騰的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行。(3)可降低質(zhì)量流速，使在低負(fù)荷時(shí)流量分配轉(zhuǎn)換為自然循環(huán)特性，有利于鍋爐安全運(yùn)行。(4)下輻射區(qū)采用一次垂直上升管屏和內(nèi)螺紋管，結(jié)合低質(zhì)量流速，克服了傳統(tǒng)UP型鍋爐的主要缺陷。(5)水冷壁本身、支撐結(jié)構(gòu)和剛性梁結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，安裝方便，便于吊掛，不存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)影響運(yùn)行安全性的問題。(6)結(jié)渣傾向較小，吹灰效果較好，疏松型渣塊易于自行脫落，維護(hù)和檢修較易。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要缺點(diǎn)是：(1)水冷壁管徑較細(xì)，內(nèi)螺紋管制造精度和管子價(jià)格較高，而且管子熱敏感性強(qiáng)，對運(yùn)行控制要求高。(2)需裝設(shè)節(jié)流孔圈，增加了水冷壁下集箱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。(3)機(jī)組容量的限制。如果垂直管屏水冷壁所有的管子平行連接，那么只有在大容量鍋爐時(shí)才能保證水冷壁可靠冷卻所需要的工質(zhì)質(zhì)量流速。因?yàn)榇怪惫芷了浔谑艿焦軓降南拗?，對容量較小的機(jī)組，其爐膛周界相對較大，因此無法保證必要的質(zhì)量流速。一般認(rèn)為，對垂直管屏來說，鍋爐機(jī)組的最小容量為500MW~600MW。(4)垂直管屏水冷壁沿爐膛周界和各面墻的水冷壁出口溫度的偏差較螺旋管圈稍大，可通過裝高節(jié)流孔圈將此偏差值控制在允許范圍內(nèi)。(5)啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)為了保持必要的質(zhì)量流速，必須裝設(shè)再循環(huán)泵，增加了設(shè)備投資。(6)對煤種變化的適應(yīng)性較差，沒有螺旋管圈水冷壁強(qiáng)。針對垂直水冷壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題，直流鍋爐垂直管屏水冷壁設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢是采用較低的質(zhì)量流速，呈現(xiàn)出強(qiáng)制-自然循環(huán)特性。即在高負(fù)荷下呈強(qiáng)制循環(huán)特性，低負(fù)荷下呈現(xiàn)一定的自然循環(huán)特性。在以后的章節(jié)中，內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的強(qiáng)制-自然循環(huán)特性將是主要探討的內(nèi)容。2.1.3光管垂直管屏水冷壁討論了內(nèi)螺紋管垂直管屏的優(yōu)缺點(diǎn)，有必要與光管垂直管屏作下比較，分析其不適宜做變壓運(yùn)行的原因。光管垂直管屏水冷壁為了保證爐膛下輻射區(qū)水冷壁管內(nèi)的質(zhì)量流速，下輻射區(qū)水冷壁的流路一般設(shè)計(jì)成2~3次垂直上升。在現(xiàn)代大功率鍋爐機(jī)組上，為了避免產(chǎn)生較大的熱偏差和提高工質(zhì)的質(zhì)量流速，僅采用二次垂直上升的型式，兩個(gè)流路之間用不受熱的下降管相連接。水冷壁有中間聯(lián)箱，工質(zhì)的二次再分配易導(dǎo)致分配不均；以提高質(zhì)量流速防止水冷壁的流動(dòng)不穩(wěn)定性，致使熱偏差和流量偏差相互影響的不良作用擴(kuò)大化，不適合變壓運(yùn)行；一般超臨界鍋爐光管水冷壁的設(shè)計(jì)質(zhì)量流速高達(dá)2800~3000，流量分配為負(fù)流量補(bǔ)償特性，受熱偏高的管子流量反而會(huì)變少，容易發(fā)生管子壁溫升高，不利于鍋爐安全運(yùn)行?？傊啾葍?nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁，光管垂直管屏水冷壁對變壓運(yùn)行的適應(yīng)性較差，不適宜大范圍推廣。2.2內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的變壓運(yùn)行2.2.1變壓運(yùn)行單元機(jī)組的運(yùn)行目前有兩種基本形式，即定壓運(yùn)行(或稱等壓運(yùn)行)和變壓運(yùn)行(或滑壓運(yùn)行)。定壓運(yùn)行是指汽輪機(jī)在不同工況運(yùn)行時(shí)，依靠調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門的開度來改變機(jī)組的功率，而汽輪機(jī)前的新汽壓力維持不變。采用此方法跟蹤負(fù)荷調(diào)峰時(shí)，在汽輪機(jī)內(nèi)將產(chǎn)生較大的溫度變化，且低負(fù)荷時(shí)主蒸汽的節(jié)流損失很大，機(jī)組的熱效率下降。因此國內(nèi)、外新裝大機(jī)組一般不采用此方法調(diào)峰，而是采用變壓運(yùn)行方式。所謂變壓運(yùn)行，是指汽輪機(jī)在不同工況運(yùn)行時(shí)，不僅主汽門是全開的，而且調(diào)節(jié)汽門也是全開的(或部分全開)，機(jī)組功率的變動(dòng)是靠汽輪機(jī)前主蒸汽壓力的改變來實(shí)現(xiàn)的，但主蒸汽溫度維持額定值不變。處在變壓運(yùn)行中的單元機(jī)組，當(dāng)外界負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，在汽輪機(jī)跟隨的控制方式中，負(fù)荷變動(dòng)指令直接下達(dá)給鍋爐的燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)和給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鍋爐就按指令要求改變?nèi)紵r和給水量，使出口主蒸汽的壓力和流量適應(yīng)外界負(fù)荷變動(dòng)后的需要。而在定壓運(yùn)行時(shí)，該負(fù)荷指令是送給汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變調(diào)節(jié)汽門的開度。當(dāng)今的大型超臨界鍋爐一般采用負(fù)荷變壓運(yùn)行，在高負(fù)荷區(qū)采用定壓運(yùn)行，在中低負(fù)荷區(qū)采用變壓運(yùn)行，在極低負(fù)荷區(qū)又恢復(fù)為定壓運(yùn)行。例如浙江玉環(huán)電廠，90%BMCR~100%BMCR是定壓運(yùn)行，25%BMCR～90%BMCR是變壓運(yùn)行，而在極低負(fù)荷區(qū)又是定壓運(yùn)行。2.2.2內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行理論分析超臨界鍋爐水冷壁在亞臨界負(fù)荷時(shí)，采用低質(zhì)量流速，利用流量分配的自然循環(huán)特性保證全部負(fù)荷下水冷壁的充分冷卻，即在低質(zhì)量流速下，摩擦壓降在總壓降中所占比例變得很小，由重位壓降決定流量分配。這一情況正象自然循環(huán)水冷壁一樣，吸熱偏差引起的流量分配取決于靜壓降，受熱偏高的管子將流過較高的流量。這樣在低負(fù)荷亞臨界壓力范圍內(nèi)，由于自然循環(huán)作用的存在，能夠抵抗水冷壁的膜態(tài)沸騰引起的傳熱惡化，在臨界壓力和高負(fù)荷超臨界壓力范圍內(nèi)，也具有抵抗類膜態(tài)沸騰的作用，即使對于處于大比熱區(qū)的蒸汽也具有增強(qiáng)傳熱，降低壁溫的作用，采用內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁能夠?qū)崿F(xiàn)變壓運(yùn)行。在下面的章節(jié)中，將主要探討內(nèi)螺紋管垂直管屏在亞臨界負(fù)荷和超臨界負(fù)荷的流量補(bǔ)償作用，分析自然循環(huán)作用和流量補(bǔ)償?shù)闹绷魈匦?。下面在理論上分析?nèi)螺紋管垂直管屏變壓運(yùn)行的可行性。從強(qiáng)制流動(dòng)特性分析假定流體是單相的，而且加速壓降可以忽略，則有壓降公式(2-1)(2-2)式中——分別為折算阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)；——分別為管內(nèi)的蒸汽流量、比容、密度和流速——分別為管子的內(nèi)徑、流通截面和長度——為管組進(jìn)出口之間的高度差對于一組平行工作的管組，受熱偏差、阻力偏差和重位壓頭都可以引起流量偏差。假定對所有平行工作管子的集箱兩端的壓差是相等的，且流動(dòng)方向向上，則代表平均流動(dòng)情況和具有流動(dòng)偏差的管子的壓差應(yīng)分別為：(2-3)(2-4)(2-5)流量偏差系數(shù)為：(2-6)由式可知，對于強(qiáng)制流動(dòng)，影響流量偏差的因素大致是管組結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)分布、吸熱分布和重位壓降分布。管組結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)分布引起的流量偏差易于理解，而吸熱分布的影響比較復(fù)雜。(1)對于水平或垂直布置的平行工作管子，即使在超臨界壓力下，工質(zhì)無論處于大比熱區(qū)內(nèi)還是處于大比熱區(qū)外，受熱偏差都會(huì)引起流量偏差。吸熱較強(qiáng)的管子，管內(nèi)工質(zhì)溫度上升，比容增大，質(zhì)量流量減小。(2)對于垂直布置的平行工作管子，在亞臨界壓力范圍內(nèi)或超臨界壓力的大比熱區(qū)內(nèi)，由于吸熱偏差引起管子之間出現(xiàn)重位壓差，導(dǎo)致流量偏差發(fā)生變化。吸熱較強(qiáng)的管子，管內(nèi)工質(zhì)溫度上升，密度降低，管子之間的重位壓差增大，從而使吸熱較強(qiáng)的管子中工質(zhì)質(zhì)量流量增加。(3)流量偏差也取決于重位壓差和摩擦阻力的比值大小。當(dāng)重位壓差遠(yuǎn)小于摩擦阻力時(shí)，重位壓差對流量偏差的影響減弱，由于此時(shí)管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速很高，吸熱量較強(qiáng)的管子摩擦阻力的增大值要大于重位壓降的減小值，所以流量減少；重位壓差遠(yuǎn)大于摩擦阻力時(shí)，重位壓差對流量偏差的影響增強(qiáng)。此時(shí)管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速很低，吸熱量較強(qiáng)的管子重位壓降的減小值要大于摩擦阻力的增大值，所以流量增加。這兩種流量補(bǔ)償特性分別叫做直流特性和自然循環(huán)特性，或者叫負(fù)流量補(bǔ)償特性和正流量補(bǔ)償特性。在這里理論分析的結(jié)果和西門子等公司做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的，說明吸熱偏差對管組的流量偏差具有雙重影響。從熱平衡和工質(zhì)熱物理特性分析對于平均吸熱水平的管子和具有吸熱量偏差的管子分別有下面式子成立：(2-7)(2-8)式中——分別為平均管的吸熱量、質(zhì)量流量、定壓比熱和工質(zhì)溫升；——分別為偏差管的吸熱量、質(zhì)量流量、定壓比熱和工質(zhì)溫升。由兩式得到(2-9)式(2-9)不僅十分直觀的說明了吸熱偏差對平行管流量偏差的影響，特別有意義的是直接表達(dá)超臨界壓力下，工質(zhì)定壓比熱和工質(zhì)溫升或工質(zhì)焓增對流量偏差的影響關(guān)系。根據(jù)式(2-9)分析，吸熱量較多的管子中，工質(zhì)流量會(huì)自動(dòng)增加，這正好說明強(qiáng)制流動(dòng)也能具有自然循環(huán)的自補(bǔ)償特性。同時(shí)，工質(zhì)溫升較大和比熱較大或工質(zhì)焓增較大的管子，工質(zhì)流量會(huì)自動(dòng)減少。這也正好說明，在超臨界壓力下，當(dāng)工質(zhì)處于對應(yīng)壓力下的擬臨界溫度時(shí)，由于工質(zhì)處于大比熱區(qū)，較大的工質(zhì)焓增也會(huì)引起工質(zhì)流量減少。結(jié)合超臨界壓力下工質(zhì)熱物理特性變化可知，大比熱區(qū)內(nèi)，工質(zhì)比容和溫導(dǎo)系數(shù)發(fā)生突變且變化幅度很大，當(dāng)管子吸熱偏差增大時(shí)，對于水冷壁流量分配和傳熱影響十分明顯。圖2-3是在采用內(nèi)螺紋垂直管水冷壁的1000MW超臨界鍋爐上測試的數(shù)據(jù)，其顯示了不同的熱負(fù)荷下，質(zhì)量流速和水冷壁出口溫度的變化特點(diǎn)。一個(gè)十分重要的特點(diǎn)是：在質(zhì)量流速為650~1100低質(zhì)量流速下，隨著熱負(fù)荷的增大，管內(nèi)的質(zhì)量流速隨熱負(fù)荷增加而自動(dòng)增大，這種流動(dòng)特性恰好說明了強(qiáng)制流動(dòng)的直流鍋爐流量分配特性可以大部分轉(zhuǎn)換成自然循環(huán)的自補(bǔ)償特性。其原因正是受熱偏高的管內(nèi)摩擦阻力造成的壓降份額變化小于靜壓降份額的變化。采用垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行的本生爐新方案的基本思想正是利用這種流量分配的自然循環(huán)特性。圖2-31000MW鍋爐垂直管水冷壁質(zhì)量流速和出口溫度圖2-3的測試結(jié)果還表明，超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性仍然決定了工質(zhì)溫度隨吸熱量增加的特性并不會(huì)因低流速下出現(xiàn)的自然循環(huán)特性而改變。水冷壁出口工質(zhì)溫度首先決定于工質(zhì)的熱物理特性，但是因?yàn)樽匀谎h(huán)特性的自補(bǔ)償特性的存在使得工質(zhì)出口溫度的增長受到一定程度的抑制。因此，即使在超臨界壓力下，質(zhì)量流速愈低。熱負(fù)荷愈低，自然循環(huán)特性愈明顯．出口工質(zhì)溫度的上升幅度就愈小。根據(jù)超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性可以判斷，在低質(zhì)量流速下，超臨界壓力下工作的垂直管屏水冷壁所產(chǎn)生的自補(bǔ)償性是有限的。例如，蒸汽壓力超過28MPa時(shí)，水冷壁中的壓力將達(dá)到32MPa以上。此時(shí)，由于受熱不同導(dǎo)致的工質(zhì)密度變化，則因?yàn)閴毫μ岣叨鴾p弱，不同受熱強(qiáng)度的管子之間產(chǎn)生的自然循環(huán)特性隨之降低。試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)質(zhì)量流速低于500時(shí)，內(nèi)螺紋管的旋流作用減弱。即水冷壁的最低質(zhì)量流速不能低于500。在此條件下，600MW~1000MW超臨界鍋爐水冷壁最大質(zhì)量流速將達(dá)到1800以上。質(zhì)量流速超過1200，就會(huì)失去正流量補(bǔ)償特性．轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)流量補(bǔ)償特性。2.3本章小結(jié)(1)介紹了超臨界鍋爐水冷壁的型式與爐膛布置方式。通過分析螺旋管圈水冷壁阻力大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)提出了內(nèi)螺紋管垂直管屏應(yīng)用的可行性。(2)分析了內(nèi)螺紋管不僅改善傳熱，而且改變壓降特性的優(yōu)點(diǎn)。(3)分析了內(nèi)螺紋管垂直管屏的優(yōu)缺點(diǎn)。(3)在理論上分析了內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁能夠?qū)崿F(xiàn)變壓運(yùn)行。第三章鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法內(nèi)螺紋管垂直管屏流量補(bǔ)償研究的基礎(chǔ)是計(jì)算鍋爐受熱管內(nèi)的水動(dòng)力特性及流動(dòng)阻力。水動(dòng)力特性指的是進(jìn)出口集箱間所連接管子兩端的壓降與流量的關(guān)系，流動(dòng)阻力的計(jì)算也就是確定工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)的總阻力或總壓降，以便確定泵的揚(yáng)程。所以本章將重點(diǎn)介紹管內(nèi)壓降計(jì)算的具體方法，包括單相流和兩相流壓降的計(jì)算方法。另外，為了方便進(jìn)行編程計(jì)算，我們將對部分公式進(jìn)行理想化處理。首先，有必要介紹一下汽液兩相流的基礎(chǔ)知識(shí)。3.1汽液兩相流動(dòng)和傳熱3.1.1汽液兩相流的定義與應(yīng)用由任意兩種存在分界面的獨(dú)立物質(zhì)組成的物體或系統(tǒng)都稱之為兩相物體或兩相系統(tǒng)。兩相物體的流動(dòng)稱為兩相流。兩相流的分界面是隨流動(dòng)不斷變化的。汽液兩相流是兩相流的一種，又分為單組分汽液兩相流和雙組分汽液兩相流。鍋爐中的汽液兩相流就是單組分汽液兩相流。根據(jù)受熱情況，汽液兩相流又分為絕熱汽液兩相流和有熱交換的汽液兩相流。汽液兩相流體的流動(dòng)工況在動(dòng)力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工業(yè)中經(jīng)常遇到。在這些工業(yè)的具有熱交換的設(shè)備中還存在兩相流體的傳熱問題。以高壓直流鍋爐為例，為了分析其性能，評定其安全性和經(jīng)濟(jì)性，都須要計(jì)算蒸發(fā)管兩相區(qū)的阻力、相的分布、傳熱惡化處的含汽率、壁溫等。正由于兩相流應(yīng)用廣泛，近幾十年來受到世界各國研究者的高度重視并取得了許多成果。這些成果不僅解決了有關(guān)的工程技術(shù)問題，而且為建立和發(fā)展兩相流體動(dòng)力學(xué)和傳熱這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。3.1.2汽液兩相流的研究方法汽液兩相流比單相流復(fù)雜，關(guān)鍵在于它的兩相各種物理參數(shù)不一樣并且兩相之間還相互影響。但是汽液兩相流也適用流體力學(xué)的基本方程，可以先對各相列出各自的守恒方程，再考慮進(jìn)兩相之間的作用。由于汽液兩相流的分界面復(fù)雜多變，所以用適當(dāng)邊界條件求解汽液兩相流的方程非常困難。工程上主要應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)處理方法得到關(guān)系式或曲線，然后再應(yīng)用到與試驗(yàn)條件相類似的實(shí)踐中去，具有很大的局限性。現(xiàn)在，得到很大發(fā)展的一種方法是首先分清兩相流的流型，然后根據(jù)各種流型的特點(diǎn)分析其流動(dòng)特性并建立關(guān)系式。這種方法能更深入的探究兩相流的實(shí)質(zhì)，并具有更普遍的意義。目前汽液雙相流的簡化模型主要有以下三種：(1)均相流動(dòng)模型所謂均相流動(dòng)模型，就是把汽液兩相混合物看作一種均勻介質(zhì)，其流動(dòng)物理參數(shù)取兩相介質(zhì)的相應(yīng)參數(shù)的平均值。在這里采取了兩個(gè)假定：液相和汽相的流速相等；兩相介質(zhì)已達(dá)到熱力學(xué)平衡。(2)分相流模型在這種模型中將氣液兩相想象成兩股流體，一股為氣，一股為液體，而且分別具有自己的平均流速。當(dāng)氣相的平均流速與液相的相等時(shí)，分相模型就轉(zhuǎn)化成均相模型。分別對兩相進(jìn)行描述，并考慮兩相之間的相互作用。(3)流動(dòng)式樣模型這種模型較復(fù)雜，其研究仍處于初級(jí)階段。它首先根據(jù)試驗(yàn)確定幾種典型的流動(dòng)式樣和應(yīng)用范圍，再按照它們來確定所研究的兩相流體應(yīng)該采用哪一套對應(yīng)的計(jì)算模型和數(shù)據(jù)。目前應(yīng)用最為廣泛的模型是均相流模型和分相流模型，而流動(dòng)式樣模型的結(jié)果比較精確，但形式過于復(fù)雜。以直流鍋爐為例，一般工況下水冷壁蒸發(fā)段管子吸收爐內(nèi)輻射熱量后，其內(nèi)部工質(zhì)經(jīng)歷了由單相不飽和水到飽和水再到汽水混和物乃至單相微過熱蒸汽的轉(zhuǎn)變過程。由于相變的存在，使其流動(dòng)過程變得非常復(fù)雜，因此不可能直接應(yīng)用理論流體力學(xué)的數(shù)學(xué)方法解決這些實(shí)際問題。為了建立直流鍋爐水冷壁內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，全面分析研究其水動(dòng)力特性，以指導(dǎo)工程，一般將水冷壁蒸發(fā)段管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)分為單相流動(dòng)和汽液雙相流動(dòng)，并對其流動(dòng)過程進(jìn)行一系列的簡化處理，如將管道內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)看作為一元或一維流動(dòng)；在一定范圍內(nèi)，假定受熱管段的熱負(fù)荷均勻分布等。再以上述流動(dòng)模型為基礎(chǔ)，可以導(dǎo)出相應(yīng)的流體壓降計(jì)算公式。計(jì)算兩相流體壓降的方法很多，本文按照前《電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法》進(jìn)行計(jì)算，單位以國際標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)量綱為準(zhǔn)。3.2單相流體壓降的計(jì)算方法單相流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，總壓降可由下式計(jì)算(3-1)式中——總壓降，;——單相流體的流動(dòng)阻力，；——單相流體的重位壓降，；——單相流體的加速壓降，；3.2.1單相流體的流動(dòng)阻力單相流體的流動(dòng)阻力由沿程摩擦阻力和局部阻力兩部分組成，即(3-2)(1)單相流體的摩擦阻力(3-3)(3-4)式中——每米摩擦阻力系數(shù)；——計(jì)算管長，；——工質(zhì)流速，；——工質(zhì)密度,；——計(jì)算管段內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速，；——工質(zhì)平均比容，；——管子內(nèi)徑，；——管子絕對粗糙度，可查出，。(2)單相流體的局部阻力(3-5)式中——局部阻力系數(shù)(3)部分公式的簡化單相流體的流動(dòng)阻力計(jì)算要涉及到計(jì)算單相水和單相蒸汽，在程序計(jì)算中具體應(yīng)用公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)工質(zhì)物理性質(zhì)或管段受熱實(shí)際情況對公式作一定的簡化處理。例如，單相水在受熱過程中比容變化不大，而且管段長度較短，所以單相水的摩擦阻力和局部阻力公式可以簡化為(3-6)(3-7)式中——循環(huán)水速，；——飽和水密度,。當(dāng)計(jì)算單相蒸汽時(shí)，因?yàn)楣べ|(zhì)比容非常大，而且隨著受熱增加也會(huì)有一定的比容變化，但是在該計(jì)算中，因?yàn)檎羝螘?huì)非常短，所以單相蒸汽的摩擦壓降和局部阻力公式簡化為(3-8)(3-9)式中——飽和蒸汽密度3.2.2單相流體的重位壓降(3-10)式中——管段計(jì)算高度，；——工質(zhì)平均密度，。單相流體的重位壓降計(jì)算要涉及到計(jì)算單相水和單相蒸汽，因?yàn)閮蓚€(gè)單相工質(zhì)管段都比較短，在程序計(jì)算中工質(zhì)平均密度分別采用飽和單相水和飽和單相蒸汽密度，即和。這樣單相流體的重位壓降公式簡化為(3-11)(3-12)3.2.3單相流體的加速壓降(3-13)式中——計(jì)算管段出口處的重量含汽率——計(jì)算管段入口處的重量含汽率——飽和蒸汽比容——飽和水比容對于水，加熱時(shí)比容變化不大，壓力對比容的影響更小，因此加速壓降可忽略不計(jì)。對于過熱蒸汽，加熱時(shí)比容和流速都有較大的變化，但因加速壓降比流動(dòng)阻力小的多，故也可不計(jì)?？傊?，單相流體的加速壓降可不計(jì)算。3.3兩相流體壓降的計(jì)算方法在亞臨界及臨界工況下，工質(zhì)在受熱管內(nèi)吸熱發(fā)生了相變，工質(zhì)比容發(fā)生了很大的變化，而蒸發(fā)過程中溫度卻基本不變，這樣的流體就稱為兩相流。而在超臨界工況下，因?yàn)槭軣峁軆?nèi)工作壓力非常大，水與汽的密度相同，水可以直接轉(zhuǎn)變成水蒸汽，不需要經(jīng)過飽和沸騰過程，所以隨著吸熱量增加，工質(zhì)溫度也是增加的?？傊?，我們這里討論的兩相流指的是在亞臨界工況下。(3-14)(3-15)式中——兩相流體的總壓降，；——兩相流體的流動(dòng)阻力，；——兩相流體的重位壓降，；——兩相流體的加速壓降，；——兩相流體的摩擦阻力，；——兩相流體的局部阻力，。3.3.1兩相流體的流動(dòng)阻力(1)兩相流體的摩擦阻力(3-16)(3-17)(3-18)式中——摩擦阻力校正系數(shù)；——平均質(zhì)量含汽率；——質(zhì)量含汽率；——管段吸熱量，；——質(zhì)量流量，；——鍋爐水欠焓，；——汽化潛熱，；汽水混合物摩擦損失校正系數(shù)按下式計(jì)算1)當(dāng)時(shí)；2)當(dāng)時(shí)(3-19)3)當(dāng)時(shí)(3-20)(2)兩相流體的局部阻力(3-21)——兩相流體的局部阻力系數(shù)，目前水動(dòng)力計(jì)算中所推薦的兩相局部阻力系數(shù)均是一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文需要計(jì)算內(nèi)螺紋管的水動(dòng)力特性，與光管不同，內(nèi)螺紋管的兩相局部阻力系數(shù)為(3-22)式中——內(nèi)螺紋管阻力損失校正系數(shù)，可查??；——摩擦阻力損失校正系數(shù)；3.3.2兩相流體的重位壓降(3-23)(3-24)(3-25)(3-26)(3-27)式中——實(shí)際汽水混合物的平均密度，；——平均截面含汽率；——平均容積含汽率；——滑動(dòng)比，表示蒸汽實(shí)際速度和水的實(shí)際速度之比；——工作壓力，。3.3.3兩相流體的加速壓降在水動(dòng)力計(jì)算中，由于加速壓降在總壓降中所占的份額小，所以一般不計(jì)算加速壓降。3.4相變點(diǎn)的確定直流鍋爐的蒸發(fā)受熱面中，兩相蒸發(fā)區(qū)與前后的單相區(qū)之間并無固定的界限，在工況變化時(shí)，蒸發(fā)段長度會(huì)隨之變化。因此，要對蒸發(fā)受熱面進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，必須處理好兩相區(qū)相變點(diǎn)移動(dòng)的問題，否則會(huì)使結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際情況。為簡化計(jì)算，假設(shè)在一定負(fù)荷下，管段沿管長吸熱量均勻一致，根據(jù)能量守恒定律，有(3-28)(3-29)式中——單位長度管段單位時(shí)間吸熱量，；——管段入口到相變點(diǎn)長度，m；——相變點(diǎn)焓值，；——管段入口焓值，；——管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量，。3.5小結(jié)(1)該超超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁流量補(bǔ)償特性研究的基礎(chǔ)是計(jì)算鍋爐水動(dòng)力特性及管內(nèi)流動(dòng)阻力。所以要對鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法作詳細(xì)的研究探討。(2)鍋爐水動(dòng)力計(jì)算的核心是計(jì)算管內(nèi)工質(zhì)壓降，而管內(nèi)工質(zhì)在變工況條件下狀態(tài)比較復(fù)雜，既有單相流也有兩相流，而兩相流的研究比較復(fù)雜，所以重點(diǎn)介紹了兩相流的研究方法。(3)該課題主要探討的是鍋爐下輻射區(qū)水冷壁的流量補(bǔ)償特性，在符合計(jì)算精度與實(shí)際意義的前提下針對具體的條件參數(shù)對部分水動(dòng)力計(jì)算公式進(jìn)行簡化，以便于編程計(jì)算。(4)最后研究了相變點(diǎn)確定模型，其中管子熱負(fù)荷隨管長分布均勻的假設(shè)簡化了該問題的計(jì)算。第四章流量補(bǔ)償特性的計(jì)算與分析在前面的章節(jié)中，已經(jīng)在理論上分析了內(nèi)螺紋管垂直管屏實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行的可行性，并且介紹了管子壓降的計(jì)算方法。在這章，主要建立流量補(bǔ)償特性的模型和程序流程圖以進(jìn)行編程計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究。下面，首先具體介紹一下研究的物理對象：1000MW鍋爐水冷壁，主要是下輻射區(qū)水冷壁和冷灰斗。4.11000MW超超臨界鍋爐水冷壁簡介哈爾濱鍋爐有限公司與三菱公司合作生產(chǎn)的1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐在國內(nèi)的首次用戶為浙江玉環(huán)電廠。該鍋爐采用∏型布置，單爐膛反向雙切圓燃燒方式，PM型燃燒器+MACT配風(fēng)技術(shù)，爐膛斷面尺寸為。采用煙氣擋板作為調(diào)節(jié)再熱汽溫的主要手段，擺動(dòng)式燃燒器輔助調(diào)節(jié)，并配合噴水調(diào)節(jié)。鍋爐配置帶有循環(huán)泵和擴(kuò)容器的啟動(dòng)系統(tǒng)。制粉系統(tǒng)為配6臺(tái)中速磨煤機(jī)的直吹式系統(tǒng)。該鍋爐采用內(nèi)螺紋管一次垂直上升管屏，水冷壁管共有2144根，其中前后墻各有700根，側(cè)墻各有352根，管子外徑為28.6mm，壁厚為5.8mm，四頭內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，管材為SA213-T12，節(jié)距為44.5mm，采用焊接膜式壁結(jié)構(gòu)。管子間加焊的扁鋼寬為15.9mm，厚度為6mm，材質(zhì)為SA387-12-1。水冷壁系統(tǒng)分為四部分，第一部分是冷灰斗水冷壁，從標(biāo)高為6300mm的水冷壁下集箱至標(biāo)高為17500mm的冷灰斗上沿，長度為11200mm，采用光管；第二部分是下輻射區(qū)水冷壁，從標(biāo)高為17500mm的冷灰斗上沿至標(biāo)高為49000mm的折焰角部位，長度為31500mm，采用內(nèi)螺紋管；第三部分是折焰角上部至爐頂?shù)乃浔?，采用光管；第四部分是爐頂和水平煙道以及尾部低溫?zé)煹浪浔?，采用光管。在爐膛折焰角部位下方裝設(shè)了一圈中間混合聯(lián)箱，下輻射區(qū)垂直管屏水冷壁出口工質(zhì)進(jìn)入出口聯(lián)箱，再經(jīng)過一級(jí)分配器和二級(jí)分配器進(jìn)入上輻射區(qū)垂直管屏水冷壁，以消除爐膛下部水冷壁工質(zhì)吸熱與溫度的偏差。水冷壁下集箱采用的小直徑集箱，并將節(jié)流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用的較粗管子，在其嵌焊入節(jié)流孔圈，再通過二次三叉管過渡的方法，與的水冷壁管相接，這樣節(jié)流孔圈的孔徑允許采用較大的節(jié)流范圍，保證孔圈有足夠的節(jié)流能力，按照水平方向各墻的熱負(fù)荷分配和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)節(jié)各回路水冷壁管中的流量，保證水冷壁出口工質(zhì)溫度的均勻性，防止個(gè)別受熱強(qiáng)烈和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的回路與管段產(chǎn)生DNB和出現(xiàn)壁溫不可控制的干涸(DRO)現(xiàn)象。在任何工況下(尤其是低負(fù)荷及啟動(dòng)工況)，保證在水冷壁內(nèi)有足夠質(zhì)量流速，以保持水冷壁水動(dòng)力穩(wěn)定和傳熱不發(fā)生惡化，特別是在亞臨界壓力下不發(fā)生膜態(tài)沸騰和超臨界壓力下不發(fā)生類膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。該超超臨界鍋爐最大質(zhì)量流速設(shè)計(jì)值為1848，最小質(zhì)量流速設(shè)計(jì)值為464。分離器和貯水箱由低鉻鋼SA387-11制成，配兩臺(tái)汽水分離器和一只分離器貯水箱。由分離器貯水箱底部引出的三根疏水總管通往凝汽器，通過調(diào)節(jié)閥和節(jié)流孔板控制流量調(diào)節(jié)貯水箱水位。在啟動(dòng)初期、汽水膨脹和熱態(tài)清洗期間只要水質(zhì)合格，就將這些疏水減壓后全部送往凝汽器回收。若水質(zhì)不合格，則通過另外三根疏水支管上的分離器疏水調(diào)節(jié)閥將工質(zhì)全部送往大氣式疏水?dāng)U容器。在啟動(dòng)過程中再循環(huán)泵的最大實(shí)際流量為20%BMCR。給水泵的最小流量為5%BMCR，啟動(dòng)過程中水冷壁系統(tǒng)始終保持25%BMCR的流量。由于裝設(shè)了大直徑疏水調(diào)節(jié)閥和一只大氣式疏水?dāng)U容器，當(dāng)再循環(huán)泵事故解列時(shí)，鍋爐也能完成啟動(dòng)。如圖所示，標(biāo)注的是水冷壁下輻射區(qū)和冷灰斗。圖1下輻射區(qū)和冷灰斗該區(qū)域水冷壁是一次垂直上升膜式水冷壁，分為冷灰斗光管水冷壁和下輻射區(qū)內(nèi)螺紋管水冷壁。冷灰斗水冷壁入口處為下聯(lián)箱，聯(lián)箱出口的水冷壁管內(nèi)裝有節(jié)流圈，因?yàn)槁?lián)箱出口的管子直徑較粗，采用兩個(gè)分叉管過渡到小直徑的水冷壁管。下輻射區(qū)上端為中間集箱，帶有混合器和分配器，有利于把水冷壁吸熱偏差減小。水冷壁管子總共2144根，其中前后墻各700根，側(cè)墻各352根，在本文中只選取側(cè)墻的352根管子作為研究對象。下面給出下輻射區(qū)和冷灰斗水冷壁的一些原始數(shù)據(jù)。管子內(nèi)徑：0.017m光管段長度：11.2m內(nèi)螺紋管段長度：31.5m管子根數(shù)：352入口質(zhì)量含汽率：0光管每米摩擦系數(shù)：0.27管子壁厚：0.0065m管距：0.0445m節(jié)流圈阻力系數(shù)：100分叉管阻力系數(shù)：0.65下聯(lián)箱阻力系數(shù)：0.8中間聯(lián)箱阻力系數(shù)：1.2水冷壁熱有效系數(shù)：0.4滿負(fù)荷時(shí)平均面積熱流量：400內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)：四頭4.2流量補(bǔ)償模型的建立該模型的建立就是要找到壓降與熱偏差的關(guān)系，對于每一種工況，可以輸入一系列熱流密度，例如熱偏差為-10%、-20%、-30%、10%、20%、30%等，分別計(jì)算在該熱流密度的條件下管內(nèi)工質(zhì)的壓降，得到壓降數(shù)據(jù)與熱偏差關(guān)系的曲線。分析管內(nèi)工質(zhì)壓降隨熱流密度變化的趨勢，就可以分析該工況下，流量補(bǔ)償特性是自然循環(huán)特性還是直流特性。根據(jù)變壓運(yùn)行的超超臨界鍋爐水冷壁運(yùn)行的特點(diǎn)，我們知道，無論何種管圈型式的超超臨界鍋爐水冷壁，從點(diǎn)火開始到滿負(fù)荷均要經(jīng)歷三個(gè)運(yùn)行階段即啟動(dòng)低負(fù)荷階段、亞臨界直流運(yùn)行階段和超臨界直流運(yùn)行階段。以玉環(huán)電廠1000MW超超臨界鍋爐為例，在啟動(dòng)階段水冷壁按強(qiáng)制循環(huán)也即再循環(huán)模式運(yùn)行，因汽輪機(jī)變壓運(yùn)行的最高點(diǎn)為額定負(fù)荷(TRL)的79%相當(dāng)于鍋爐最大連續(xù)負(fù)荷(BMCR)的75%左右，水冷壁則在71%負(fù)荷通過臨界點(diǎn)。鍋爐的最低直流負(fù)荷選定為25%BMCR，則由圖4-2可看出，鍋爐水冷壁在0~25%BMCR為強(qiáng)制循環(huán)，在25~71%BMCR負(fù)荷范圍內(nèi)為亞臨界直流運(yùn)行，而在71%~100%BMCR負(fù)荷間為超臨界直流運(yùn)行。圖4-2水冷壁出口壓力與負(fù)荷的關(guān)系下面給出各負(fù)荷計(jì)算的工作壓力。表4-1水冷壁計(jì)算工作壓力名稱單位BMCR90%80%70%50%30%工作壓力302825211711如上表中數(shù)據(jù)，將鍋爐運(yùn)行工況分為6種，30%BMCR、50%BMCR、70%BMCR、80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR。由以上對該鍋爐變壓運(yùn)行特點(diǎn)的分析我們得知：30%BMCR、50%BMCR、70%BMCR處于亞臨界直流運(yùn)行工況；80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR處于超臨界直流運(yùn)行工況。分別對兩種工況所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，就可以分析在亞臨界工況和超臨界工況下管內(nèi)工質(zhì)的流量補(bǔ)償特性。在編制程序之前先對計(jì)算模型進(jìn)行一些合理化假設(shè)，以使程序計(jì)算在保證準(zhǔn)確的前提下更加簡潔，具體如下：(1)雖然由于不同溫度下，工質(zhì)的密度、流動(dòng)阻力不同，而且在臨界壓力附近還容易產(chǎn)生水動(dòng)力不穩(wěn)定性，但為了計(jì)算方便，假設(shè)工質(zhì)的壓力是隨工質(zhì)流程線性分布的。各未知壓力可由該點(diǎn)兩端最近的已知壓力進(jìn)行線性內(nèi)插得到。(2)為使程序計(jì)算數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)擬合良好，取水冷壁污染系數(shù)為0.44，而不是參考值0.45。(3)為了簡化吸熱量計(jì)算和相變點(diǎn)的計(jì)算，假設(shè)在一定負(fù)荷下，管段沿管長吸熱量均勻一致。(4)在單相工質(zhì)重位壓降的計(jì)算中，因?yàn)橐话銌蜗喙べ|(zhì)管段長度比較短，忽略其密度的變化。(5)在超臨界直流工況的計(jì)算中認(rèn)為冷灰斗與下輻射區(qū)水冷壁內(nèi)工質(zhì)是密度等物性不斷變化的單相流體，可以按照單相流體壓降公式計(jì)算。(6)在亞臨界直流工況的計(jì)算中，不計(jì)算節(jié)流管圈的阻力系數(shù)，因?yàn)樽枇ο禂?shù)比較復(fù)雜，且對流量補(bǔ)償特性影響不大。由前面的原始數(shù)據(jù)與假定的初始數(shù)據(jù)以及對于模型的合理化假設(shè)，可以將計(jì)算程序分為兩個(gè)模塊，亞臨界直流工況模塊和超臨界直流工況模塊。如計(jì)算流程圖圖。其中30%BMCR、50%BMCR、70%BMCR三種工況應(yīng)用亞臨界直流工況模塊，80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR三種工況應(yīng)用超臨界直流工況模塊。亞臨界直流工況的計(jì)算，因?yàn)樯婕暗絻上嗔?，所以比較復(fù)雜；而超臨界直流工況的計(jì)算，認(rèn)為工質(zhì)是單相的，所以比較簡單。整個(gè)程序的設(shè)計(jì)計(jì)算主要參考文獻(xiàn)[12]。編程使用的語言是Fortran6.0，該語言是三大科學(xué)計(jì)算軟件之一。Fortran其實(shí)是FormulaTranslate的縮寫，主要用途就是做科學(xué)計(jì)算。Fortran6.0具有很多其它語言無法取代的優(yōu)點(diǎn)：它是一種編譯語言，運(yùn)行速度快；具有高級(jí)語言易讀，易寫的優(yōu)點(diǎn)；具有固定和自由兩種格式，方便用戶選擇；該語言歷史悠久，許多經(jīng)典的程序都是由它編成的，方便學(xué)習(xí)者借鑒。所以，F(xiàn)ortran6.0非常滿足該程序的計(jì)算。下面給出流量補(bǔ)償計(jì)算的流程圖，首先給出圖4-4中符號(hào)代表的意義?！謩e代表光管單位質(zhì)量工質(zhì)焓增、飽和水焓、飽和蒸汽焓、水冷壁出口焓；——分別代表光管單相水工質(zhì)段長度、光管兩相工質(zhì)段長度、內(nèi)螺紋管單相水工質(zhì)段長度、內(nèi)螺紋管兩相工質(zhì)段長度和內(nèi)螺紋管單相蒸汽段長度；開始開始輸入熱量等原始數(shù)據(jù)調(diào)用水及水蒸汽參數(shù)計(jì)算子程序計(jì)算管子各段吸熱量和出口焓調(diào)用計(jì)算各工質(zhì)段管長計(jì)算子程序調(diào)用阻力系數(shù)計(jì)算子程序調(diào)用單相流壓降計(jì)算子程序調(diào)用兩相流壓降計(jì)算子程序計(jì)算各壓降及總壓降保存結(jié)果退出圖4-3亞臨界直流工況程序流程圖圖4-4亞臨界直流工況子程序圖4-5超臨界直流工況流程圖4.3計(jì)算結(jié)果與分析該鍋爐水冷壁前后墻各有700根管子，側(cè)墻各有352根管子，在該計(jì)算中只計(jì)算側(cè)墻的一半，也即352根管子。整個(gè)計(jì)算的水冷壁段，分為冷灰斗光管段和下輻射區(qū)內(nèi)螺紋段，因?yàn)閮啥嗡浔诜謩e為光管和內(nèi)螺紋管，雖然孔徑一樣，可是內(nèi)螺紋管的阻力系數(shù)要比光管要大，所以要分別計(jì)算它們的各項(xiàng)壓降，再計(jì)算總壓降。4.3.1亞臨界直流工況流量補(bǔ)償特性已知參數(shù)亞臨界直流工況具體參數(shù)詳見表4-2表4-2亞臨界直流工況計(jì)算參數(shù)30%11130012010.01731.511.235267150%1713002001.50.01731.511.235284970%21130028030.01731.511.2352104計(jì)算數(shù)據(jù)利用上節(jié)中的流程圖，通過程序計(jì)算，得到亞臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差對應(yīng)值，見表4-3~表4-5表4-330%BMCR工況壓降-熱偏差對應(yīng)值流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%0.0268152560.1964440.22325920%0.030857520.1839740.21483110%0.0347976870.1731750.20797300.0386015470.1637290.20233110%0.04224750.1553890.19763620%0.0457212070.1479650.19368630%0.049012780.1413110.190323表4-450%BMCR工況壓降-熱偏差對應(yīng)值流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%0.0263475350.20878590.23513420%0.0298669130.19662420.22649110%0.0336674940.1854530.2191200.0375908690.1753430.21293410%0.0415368830.1662310.20776820%0.0454390380.1580120.20345130%0.0492514260.1505790.19983表4-570%BMCR工況壓降-熱偏差對應(yīng)值流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%0.0438605170.1706960.21455620%0.0458876710.1644430.21033110%0.0490457530.1576360.20668200.0539915080.1510750.20506710%0.0573674850.1460070.20337520%0.0601807940.1417830.20196430%0.0625613030.138210.20077繪制壓降—熱偏差曲線根據(jù)以上各表數(shù)據(jù)，繪制出亞臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，如圖4-6~圖4-8圖4-630%BMCR工況壓降-熱偏差曲線圖4-750%BMCR工況壓降-熱偏差曲線圖4-870%BMCR工況壓降-熱偏差曲線計(jì)算結(jié)果分析分析圖4-6~圖4-8，我們可以得到以下結(jié)論：(1)在三種熱負(fù)荷條件下，隨著吸熱量的增加，總壓降都是下降的。因?yàn)閮啥藶榧浠蚵?lián)箱的并列垂直管組，兩端壓差相等，如果偏差管吸熱量有變化，例如吸熱量增加，將會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)工質(zhì)比容增大，流速變快，從而管內(nèi)重位壓降會(huì)降低，而流動(dòng)阻力會(huì)增大。在低質(zhì)量流速的條件下，流動(dòng)阻力是遠(yuǎn)小于重位壓降的，此時(shí)受熱偏高的管子，重位壓降減小的量大于流動(dòng)阻力增加的量，所以總壓降是減小的，管子會(huì)流過更大的流量。這說明在這三種熱負(fù)荷條件下，水冷壁內(nèi)工質(zhì)呈現(xiàn)正的流量補(bǔ)償作用，也即類似與汽包爐的自然循環(huán)作用。(2)比較三圖中總壓降的斜率，發(fā)現(xiàn)圖4-8總壓降的斜率最小，說明單位吸熱量的增加導(dǎo)致的總壓降減小幅度變小，也就是吸熱量已經(jīng)不容易使總壓降變小。這是因?yàn)椋S著熱負(fù)荷的增大，給水量也會(huì)增大，管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速增大，流動(dòng)阻力一般也會(huì)增大，那么管內(nèi)總壓降中流動(dòng)阻力的份額會(huì)有所提高，重位壓降對流量偏差的決定性影響作用就會(huì)降低，從而造成很大的吸熱量只會(huì)導(dǎo)致很小的總壓降的降低的效果，這種效果其實(shí)就是自然循環(huán)的作用在降低，也就是正的流量補(bǔ)償作用在減小補(bǔ)償。(3)分析比較三種熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著熱負(fù)荷的提高(從30%BMCR到70%BMCR)，重位壓降變化不大，而流動(dòng)阻力是增大的，總壓降也是增大的，而流動(dòng)阻力在總壓降中所占的比例也在增大。這也驗(yàn)證了亞臨界直流工況下，隨著熱負(fù)荷的增大，質(zhì)量流速的提高，垂直管屏水冷壁的正的流量補(bǔ)償特性也在降低。4.3.2超臨界直流工況流量補(bǔ)償特性已知參數(shù)超臨界直流工況具體參數(shù)詳見表4-6表4-6超臨界直流工況計(jì)算參數(shù)80%25150032013000.01731.511.2352160090%28150036014000.01731.511.23521720100%30150040015000.01731.511.23521850計(jì)算數(shù)據(jù)利用上節(jié)中的流程圖，通過程序計(jì)算，得到超臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差對應(yīng)值，見表4-7~表4-9表4-780%BMCR工況壓降-熱偏差對應(yīng)值流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%0.48088320.2288420.709724920%0.52037820.2114730.731851610%0.57405080.1917010.765751800.6242720.1762790.800551210%0.67612060.1627610.838881720%0.73107320.1505270.881630%0.7518640.1463640.8982284表4-890%BMCR工況壓降-熱偏差對應(yīng)值流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%0.56835620.2245550.792911620%0.6123590.2084190.820778410%0.64604180.1975530.843594800.70315190.1815080.884659610%0.76985470.1657810.935635920%0.82596870.1545190.980487230%0.89188560.1430991.034984表4-9100%BMCR工況壓降-熱偏差對應(yīng)值流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%0.64857320.2258980.874470820%0.68113270.2150990.896231910%0.76632710.1911860.957513300.80809491.81E-010.989399310%0.8690230.1685931.03761620%0.95325420.1536961.1069530%1.0340140.1416921.17570繪制壓降—熱偏差曲線根據(jù)以上各表數(shù)據(jù)，繪制出超臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，如圖4-9~圖4-11圖4-980%BMCR工況壓降-熱偏差曲線圖4-1090%BMCR工況壓降-熱偏差曲線圖4-11100%BMCR工況壓降-熱偏差曲線計(jì)算結(jié)果分析分析圖4-9~圖4-11，我們可以得到以下結(jié)論：(1)在三種熱負(fù)荷條件下，隨著吸熱量的增加，總壓降都是上升的。因?yàn)樵诟哓?fù)荷高質(zhì)量流速的條件下，流動(dòng)阻力是大于重位壓降的，此時(shí)受熱偏高的管子，重位壓降減小的量小于流動(dòng)阻力增加的量，所以總壓降是增大的，管子流過工質(zhì)的量會(huì)減少。這說明在這三種高熱負(fù)荷條件下，水冷壁內(nèi)工質(zhì)呈現(xiàn)負(fù)的流量補(bǔ)償作用，也即類似與直流鍋爐的直流特性。(2)比較三圖中總壓降的斜率，發(fā)現(xiàn)圖4-9總壓降的斜率最小，而圖4-11總壓降的斜率最大。說明隨著熱負(fù)荷的增大，單位吸熱量的增加導(dǎo)致的總壓降增大幅度變大，也就是吸熱量偏差使總壓降變大的能力增大。這是因?yàn)?，隨著熱負(fù)荷的增大，給水量也會(huì)增大，管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速增大，流動(dòng)阻力也會(huì)大幅增大，那么管內(nèi)總壓降中流動(dòng)阻力的份額會(huì)大有提高，重位壓降對流量偏差的影響作用就會(huì)進(jìn)一步降低，流動(dòng)阻力的決定性影響作用會(huì)進(jìn)一步提高，從而造成吸熱量偏差導(dǎo)致更大的總壓降的升高的效果，這種效果其實(shí)就是直流特性的作用在增大，也就是負(fù)的流量補(bǔ)償作用在增大。(3)分析比較三種熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著熱負(fù)荷的提高(從80%BMCR到100%BMCR)，重位壓降變化不大，而流動(dòng)阻力是增大的，總壓降也是增大的，而流動(dòng)阻力在總壓降中所占的比例也在增大。這也驗(yàn)證了超臨界直流工況下，隨著熱負(fù)荷的增大，質(zhì)量流速的提高，垂直管屏水冷壁的負(fù)的流量補(bǔ)償特性也在增大。4.4本章小結(jié)(1)對1000MW超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁作了具體介紹，針對本課題要計(jì)算部分下輻射區(qū)和冷灰斗的具體參數(shù)作了詳細(xì)探討。(2)建立內(nèi)螺紋管垂直管屏流量補(bǔ)償特性的模型，并建立了超臨界工況與亞臨界工況流量補(bǔ)償特性的流程圖。(3)分別對兩種工況下的流量補(bǔ)償特性進(jìn)行計(jì)算分析，分析在不同負(fù)荷條件下熱偏差——壓降曲線的走勢變化，從而分析其流量補(bǔ)償特性是自然循環(huán)作用還是直流作用。第五章水動(dòng)力計(jì)算和其它因素對壓降的影響在前面的兩章里，已經(jīng)介紹了鍋爐的水動(dòng)力計(jì)算方法，并以此為基礎(chǔ)對1000MW超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁的流量補(bǔ)償特性進(jìn)行了研究。在這章，將會(huì)對該鍋爐的水動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，校核水動(dòng)力單值性。另外，對流量補(bǔ)償特性和水動(dòng)力特性的計(jì)算程序進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算管子根數(shù)、管子內(nèi)徑、熱負(fù)荷等與壓降的關(guān)系，分析它們對壓降的影響，得到一些對水冷壁設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行的有用數(shù)據(jù)。5.1水動(dòng)力特性計(jì)算5.1.1水動(dòng)力特性介紹所謂水動(dòng)力特性是指受熱面系統(tǒng)內(nèi)當(dāng)熱負(fù)荷一定時(shí)，工質(zhì)的流量與壓降的關(guān)系，即函數(shù)式ΔP=f（G）。當(dāng)工質(zhì)為單相（水或蒸汽）時(shí)，每一工質(zhì)流量對應(yīng)于一定的壓降，即所謂流動(dòng)的單值性。但在蒸發(fā)受熱面中，工質(zhì)為汽水兩相混合物，在某些條件下，在同一壓降和差不多同樣受熱的條件下，各并列管子中工質(zhì)的流量會(huì)出現(xiàn)很大的差別，同一壓降對應(yīng)兩個(gè)或幾個(gè)不同的流量，這種流動(dòng)就是多值性的。多值性阻力特性的出現(xiàn)，是由于在受熱不變時(shí)，增大欠焓水的流量會(huì)使加熱過冷水的熱量增多，即熱水段會(huì)增長。這意味著用于產(chǎn)生蒸汽的汽化熱減少了，因而管于出口的工質(zhì)流速降低，工質(zhì)流速的下降直到欠焓水占據(jù)整個(gè)蒸發(fā)段。在蒸發(fā)停止后，繼續(xù)增大欠焓水的流量會(huì)使整個(gè)管子中的流速增加。這樣，當(dāng)增加欠焓水的流量時(shí)，熱水段中的流動(dòng)阻力將增大，而蒸發(fā)段中的流動(dòng)阻力將減小。根據(jù)熱水段和蒸發(fā)段流動(dòng)阻力的不同比例，管路的總流動(dòng)阻力可能隨流量而增大，或者在一定流量范圍內(nèi)下降，這就造成了產(chǎn)生流動(dòng)多值性的條件。直流鍋爐蒸發(fā)受熱面出現(xiàn)不穩(wěn)定的根本原因是汽和水的比容的差異。而汽、水比容差是與壓力和熱負(fù)荷有關(guān)的，隨著壓力的升高，汽、水比容差減少；在相同的條件下，當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)段長度增加，阻力增大，使水動(dòng)力趨于單值性。但是僅僅具有單值性還是不夠的，如果壓降-流量曲線的斜率過小，一個(gè)不大的壓降變動(dòng)可能引起很大的流量波動(dòng)。因此，壓降-流量的特性曲線要有一定的斜度，即工質(zhì)流量的相對變化不超過壓降相對變化的三倍。在受熱一定時(shí)，如流經(jīng)管子的工質(zhì)流量過小，可能因?qū)茏拥睦鋮s不夠而發(fā)生過熱；如工質(zhì)流量時(shí)大時(shí)小，管子冷卻情況經(jīng)常變動(dòng)，管壁溫度的變動(dòng)會(huì)引起金屬疲勞破壞。為了保證受熱面工作的可靠性和布置的合理性，要進(jìn)行鍋爐機(jī)組的水力計(jì)算，通過這種計(jì)算校核流動(dòng)的單值性并且確定給水泵的壓頭。5.1.2水動(dòng)力特性計(jì)算方法由水動(dòng)力特性的定義我們知道，水動(dòng)力特性計(jì)算關(guān)鍵是找到關(guān)系ΔP=f（G），其基礎(chǔ)也是對管子壓降的計(jì)算。在前面超超臨界鍋爐水冷壁流量補(bǔ)償計(jì)算中，已經(jīng)詳細(xì)介紹了管子壓降的計(jì)算方法，給出了亞臨界工況和超臨界工況的流程圖。在這里，水動(dòng)力計(jì)算選取30%BMCR和100%BMCR兩種工況計(jì)算，具體方法也是和流量補(bǔ)償中亞臨界工況和超臨界工況管子壓降計(jì)算方法一致的。下面再簡單介紹下管子壓降計(jì)算方法。根據(jù)該1000MW超超臨界鍋爐下輻射區(qū)水冷壁和冷灰斗水冷壁特點(diǎn)，假定每根水冷壁管子經(jīng)過的爐膛熱負(fù)荷區(qū)幾乎相同，選取其中一根管子進(jìn)行計(jì)算。管子分為冷灰斗光管段和下輻射區(qū)內(nèi)螺紋管段，摩擦阻力系數(shù)不一樣。管內(nèi)工質(zhì)計(jì)算時(shí)要確定相變點(diǎn)，以相變點(diǎn)為界，分為相變點(diǎn)前、相變點(diǎn)后兩段分別進(jìn)行水力計(jì)算。在計(jì)算中不考慮加速壓降的影響。5.1.3水動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果與分析30%BMCR工況水動(dòng)力特性已知參數(shù)同流量補(bǔ)償計(jì)算中的一樣，只不過在計(jì)算中固定熱流密度、管子內(nèi)徑、管子根數(shù)等值，輸入一系列流量值，分別計(jì)算管子壓降。計(jì)算結(jié)果如下表表5-130%BMCR工況壓降-流量對應(yīng)值流量(kg/h)流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)4000.0312022360.1389580.1701614500.0343456040.1479190.1822655000.036737490.1562130.1929515500.0386533590.1639510.2026046000.0402780290.1712130.2114916500.0417404770.1780580.219798將得到的壓降—流量數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖5-1圖5-130%BMCR工況壓降-流量曲線如圖5-1，是30%BMCR工況下壓降—流量的曲線?？梢钥闯?，在該工況下水動(dòng)力特性呈現(xiàn)單值性，水動(dòng)力穩(wěn)定性好。質(zhì)量流量處于350~650kg/h的范圍，對應(yīng)的質(zhì)量流速也遠(yuǎn)低于1200，此時(shí)流動(dòng)阻力在總壓降中的比重占的很小，而且隨著質(zhì)量流量的增大，其值也在增大，只不過增大幅度不大；而重位壓降在總壓降中的比重占的很大，隨著質(zhì)量流量的增大其值也在大幅度增大，從而造成總壓降隨質(zhì)量流量的增大而增大。原因是當(dāng)欠焓水增加時(shí)，熱水段流動(dòng)阻力會(huì)增加，而蒸發(fā)段流動(dòng)阻力會(huì)減小，那么造成熱水段流動(dòng)阻力增大幅度不大；而在低負(fù)荷條件下，質(zhì)量流量增大，造成熱水段長度增大，蒸發(fā)段長度減小，管內(nèi)工質(zhì)平均比容增大，所以重位壓降增大幅度很大。100%BMCR工況水動(dòng)力特性表5-2100%BMCR工況壓降-流量對應(yīng)值流量(kg/h)流動(dòng)阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)12500.6619820.1536960.81567813000.6868010.160230.84703113500.7190820.1650360.88411714000.7364140.1733090.90972414500.7764850.1763160.95280115000.8080950.1813040.989399圖5-2100%BMCR工況壓降-流量曲線如圖5-2，是100%BMCR工況下壓降—流量的曲線?？梢钥闯?，在該工況下水動(dòng)力特性也呈現(xiàn)單值性，水動(dòng)力穩(wěn)定性好。而且重位壓降的存在，不僅使壓降增大，而且水動(dòng)力特性的斜率明顯增大，說明重位壓降有利于上升立置管屏流動(dòng)的穩(wěn)定性。質(zhì)量流量處于1200~1500kg/h的范圍，對應(yīng)的質(zhì)量流速也遠(yuǎn)高于1200，流動(dòng)阻力在總壓降中所占的比重已經(jīng)很大，而且隨著質(zhì)量流量的提高，其值也在不斷增大，造成總壓降也在不斷增大；此時(shí)的重位壓降卻隨著質(zhì)量流量的提高而增大幅度很小，這是因?yàn)樵诔R界工況下，爐膛下輻射區(qū)管內(nèi)工質(zhì)處于大比熱區(qū)范圍外，工質(zhì)物理性質(zhì)比較穩(wěn)定，比容變化不大，所以質(zhì)量流量增大對重位壓降影響不大。5.2其他因素對壓降的影響5.2.1熱負(fù)荷與壓降的關(guān)系如圖5-3，表示的是壓降與熱負(fù)荷的關(guān)系，可以看出隨著熱負(fù)荷的增大，各壓降都在增大，相比較而言，重位壓降曲線比較平坦，變化很小，而流動(dòng)阻力曲線卻變化很大。尤其是在50%BMCR~80%BMCR范圍內(nèi)，流動(dòng)阻力變化很大，在此范圍，工質(zhì)處與亞臨界直流工況到超臨界直流工況的過渡階段，工質(zhì)的熱物理性質(zhì)要發(fā)生很大的變化，例如蒸汽與水的比容趨于一致，汽化潛熱也越來越小而最終為零，工質(zhì)水在達(dá)到飽和后可以直接汽化為蒸汽，也就是說管內(nèi)工質(zhì)在進(jìn)入超臨界工況后不用經(jīng)過汽化沸騰的過程了，工質(zhì)尤其是下輻射區(qū)工質(zhì)出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定的可能也變的大大降低了。如圖5-4代表的是30MPa壓力下工質(zhì)的熱物理性質(zhì)變化。所以隨著熱負(fù)荷的增加，工質(zhì)質(zhì)量流量也可以大大增加，以滿足出口工質(zhì)流量的需求。圖5-3壓降與熱負(fù)荷對應(yīng)曲線圖5-430MPa工質(zhì)的熱物性5.2.2管子根數(shù)與壓降的關(guān)系如圖5-5~5-7分別代表的是30%BMCR、50%BMCR與70%BMCR管子根數(shù)與壓降的關(guān)系。圖5