超超臨界鍋爐水冷壁流動網絡的構建

超超臨界鍋爐水冷壁流動網絡的構建

0水冷壁水動力特性計算成熟的超級通信技術已經成為當前發(fā)電機主要發(fā)展的方向，這是中國能源可持續(xù)發(fā)展的重要清潔能源發(fā)電技術。超(超)臨界鍋爐水動力特性計算與性能分析是超(超)臨界鍋爐的關鍵技術之一，與水冷壁的形式及爐膛燃燒方式具有密切關系。水動力技術的研究目的主要是保證水冷壁受熱面可靠的溫度工況及確定整個汽水系統(tǒng)的壓力損失以選擇給水泵的工作壓頭。在“十五”863課題研究中，西安交通大學多相流國家重點實驗室對玉環(huán)電廠超超臨界鍋爐水冷壁流動傳熱進行了系統(tǒng)深入的試驗研究，并對水動力特性采用傳統(tǒng)的串并聯(lián)回路圖解法進行了初步計算。由于研究時間緊、工作量大，特別是當時玉環(huán)電廠處于緊張的建設時期，沒有實際運行數據。另外，三菱重工(MHI)轉讓的技術資料不全，制造廠和科研單位也缺乏足夠的技術交流。這些因素使得所取得的研究成果缺乏驗證考核，并且圖解法只適用于簡單回路的計算，對玉環(huán)電廠鍋爐復雜的后墻回路布置和節(jié)流孔圈設計，難以取得滿足工程要求的精度和可靠性。國內外學者根據水冷壁內汽水流動特性，建立了不同的數學模型以計算自然循環(huán)鍋爐和直流鍋爐流量分配和壁溫。Tucakovic等人建立了汽包鍋爐水循環(huán)模型，并對內螺紋管水冷壁安全特性進行了計算分析。Adam等人與Kim等人分別建立了基于均相模型的自然循環(huán)鍋爐水動力模型。董凡等人根據流體力學原理和鍋爐水動力計算方法的基本原則,提出了一種可以直接計算自然循環(huán)鍋爐各循環(huán)回路中每根單管水動力特性的自然循環(huán)鍋爐水動力數值計算新方法。趙振寧提出了一種可以把水動力計算中沿程各部件，包括管道、汽包、循環(huán)泵都抽象成一種“抽象管”的計算模型，并以其為單元描述了整個水動力“流量壓力”平衡的結構，形成一套通用的水動力計算模型。這些模型和方法都是基于汽包鍋爐提出的，目前尚未見到有關超(超)臨界鍋爐的類似計算方法。為了進一步提高鍋爐效率、減少污染物排放，發(fā)展具有自主產權的大型高參數600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐是我國電力裝備制造業(yè)的一個重要發(fā)展方向。由于存在磨損問題，這種鍋爐不能采用螺旋管圈，而只能采用垂直管圈技術。由于有可能采用雙褲衩腿的復雜結構和分離器對管子布置方式的影響，以及必需布置附加蒸發(fā)受熱面的特點，都對垂直管圈水冷壁水動力特性計算提出了更高的要求。由此可見，開發(fā)準確可靠并適用于復雜回路結構的超(超)臨界垂直管圈鍋爐水冷壁流量分配和壁溫計算模型與方法，不僅對開發(fā)自主產權超(超)臨界煤粉鍋爐具有一定的意義，而且對我國600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的水冷壁設計也具有重要借鑒價值。針對玉環(huán)電廠超超臨界鍋爐結構特點，將水冷壁流動網絡系統(tǒng)劃分為流量回路和壓力節(jié)點兩類元件，通過對質量守恒、動量守恒和能量守恒方程組成的非線性方程組進行直接求解，得到了35%BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)、50%BMCR和BMCR負荷下各回路流量分配和壁溫分布情況，并對水冷壁運行安全特性進行了分析。計算結果與國外公司計算值進行了比較，結果表明二者符合良好。1下爐硫回路劃分玉環(huán)電廠鍋爐上、下部水冷壁均采用內螺紋垂直管。上下部水冷壁之間設有混合集箱，在由各水冷壁下集箱引出的水冷壁入口管段上，按回路在水平方向的吸熱曲線布置有不同孔徑的節(jié)流孔圈。前墻和兩側墻上集箱出口工質經頂棚管流入頂棚出口集箱。對于回路結構復雜的后墻上部則作單獨處理，后水冷壁上部管經折焰角斜坡至后水出口集箱，然后進入匯集管再用連接管將后水冷壁工質送往水平煙道二側包墻和后水冷壁吊掛管。這3個平行回路出口的工質直接用連接管送往頂棚管出口集箱，降低了頂棚管的阻力。為了詳細求解各個負荷下的水冷壁流量分配情況，下爐膛劃分為78個回路，上爐膛劃分為100個回路?；芈返膭澐衷瓌t是根據沿爐寬、爐深方向熱負荷分布曲線的特點，在熱負荷變化劇烈處回路劃分比較稠密。而在熱負荷變化平緩的地方，回路劃分較為稀疏。這樣，在計算中能充分反映熱負荷分布的不均勻性，使得節(jié)流孔圈布置方案對出口汽溫偏差具有良好的調節(jié)特性。圖1示出了下爐膛回路劃分示意圖。下爐膛各回路中吸熱最強與最弱管子的吸熱偏差的最大值為28%，最小值為2%。2數學模型2.1鍋爐水冷壁系統(tǒng)的非線性方程玉環(huán)電廠鍋爐水冷壁管子根數較多、回路復雜、爐內熱負荷不均勻性較大，采用傳統(tǒng)的圖解法難以獲得滿意的流量分配計算結果。本文通過直接求解回路和節(jié)點守恒方程組的方法求解流量和壓力。圖2為后墻的流動網絡示意圖。圖中節(jié)點1代表下集箱，下爐膛后墻回路編號為40～67，上爐膛后墻為129～162回路，混合集箱為節(jié)點2，上爐膛后墻出口集箱為節(jié)點3，節(jié)點190與195之間的連接管編號為184。節(jié)點3遵守的質量守恒方程為：式中：x(184)為連接管184的流量，kg/s;x(i)為i回路中單根管子流量，kg/s;n(i)為管子根數。下爐膛i回路遵守的動量守恒方程為：式中：p(1)、p(2)分別為節(jié)點1、2的壓力，Pa；?pf、?pg、?pjb分別為i回路摩擦壓降、重位壓降和局部壓降，Pa。管段進、出口工質熱力參數通過爐側熱負荷分布曲線和工質流量確定。連接管184遵守的動量守恒方程為式中：p(190)、p(195)分別為節(jié)點190、195的壓力，Pa。能量方程用于計算水冷壁各劃分管段的出口焓值：式中：h為焓值，J/kg;q為熱負荷，W/m2;s為節(jié)距，m;l為管段長度，m;x為流量，kg/s；上標“o”、“i”分別代表管段出口、進口；下標“i,n”代表第i回路第n管段。鍋爐水冷壁一般由集箱、引入管、回路、引出管、彎頭、節(jié)流孔圈等元件組成，其流動規(guī)律均可歸入節(jié)點質量守恒方程和回路、引入管、引出管動量守恒方程。玉環(huán)電廠鍋爐整個水冷壁系統(tǒng)包括185個動量守恒方程、10個質量守恒方程，共195個非線性方程。對此進行直接求解，即可得到各回路流量分配及節(jié)點壓力。2.2管傳熱數值計算法流量分配已知后，即可根據傳熱學基本理論計算壁溫和鰭片溫度。目前，在計算電站鍋爐壁溫及鰭片溫度時，主要是通過查表確定熱負荷分流系數，然后計算溫度。但超(超)臨界鍋爐，經常會出現(xiàn)超出表格適用范圍的情況，并且這種方法不利于計算機編程。有些作者采用數值計算的方法，對于工程應用則非常不便。水冷壁管傳熱可等效為等截面直肋中的導熱問題。對等截面直肋導熱控制方程進行解析求解，可得鰭端溫度計算公式：式中：Tqg、Tqd分別為鰭根、鰭端溫度，℃；wq為外壁熱負荷，W/m2；η為均流系數；λ為導熱系數，W/(m·K)；δ為鰭片厚度，m;wd為外徑，m。鰭根溫度根據管內工質換熱系數、管外熱負荷分布，由圓管壁穩(wěn)態(tài)導熱方程確定。超(超)臨界鍋爐水冷壁管內換熱系數不僅受到壓力參數(亞臨界、近臨界、超臨界)的影響，而且與工質狀態(tài)(單相水、汽水混合物、過熱蒸汽)和管子結構密切相關。國內外學者對此進行了大量的試驗研究[13,14,15,16,17,18,19,20]，得到了不同的計算模型。3計算與分析3.1bmcr負荷時爐硫氣分配比選圖3示出了計算得到的BMCR負荷時下爐膛前墻流量分布，并與玉環(huán)電廠的計算結果作了比較?？梢钥闯?，二者符合較好，最大相對誤差為5.6%，出現(xiàn)在下爐膛回路14?；芈?～14與回路15～28的流量分配完全對稱，這是因為鍋爐采用雙切圓燃燒方式，熱負荷呈對稱分布形式?；芈?質量流速最高，為2697kg/(m2·s)，其對應的水平方向吸熱偏差系數也較大，為1.19。這從側面說明了垂直管圈水冷壁加裝節(jié)流孔圈進行流量調整的必要性?；芈?2的位置布置有燃燒器，中間有不受熱段，因此吸熱量較低，通過節(jié)流孔圈的作用該回路質量流速也較低，為1956kg/(m2·s)。圖4示出了計算得到的BMCR負荷時下爐膛后墻流量分配。本文計算結果與玉環(huán)電廠計算值最大誤差為5.1%，出現(xiàn)在后墻43回路。后墻流量總體上呈M型分布，回路40質量流速最低，為1577kg/(m2·s)，該回路的吸熱偏差也最小，為0.72。該回路節(jié)流度較大，由此導致較小的質量流速，以達到質量流速與熱負荷相匹配的要求?；芈?2～55處于M型曲線的峰底位置，這些回路處于雙切圓火焰背風面重疊部位，熱負荷較低，吸熱偏差系數為0.98。從而使得這些回路的壁溫處于較低的安全范圍內。圖5示出了50%BMCR負荷時水冷壁下爐膛回路流量分配及其與玉環(huán)電廠計算結果的比較。由于對玉環(huán)電廠的數據只收集到下爐膛前墻回路1～28的流量，因此只對這些回路進行了比較?？梢钥闯觯叻陷^好，最大相對誤差為9.7%，出現(xiàn)在回路14;50%BMCR與BMCR負荷時的流量分配曲線相似，這是因為它們對應的橫向吸熱偏差系數曲線相同，沿爐高方向熱負荷曲線相似。計算結果表明，正確的設計節(jié)流孔圈可以保證在各種負荷下對回路流量進行恰當調整，以滿足垂直管圈鍋爐變壓運行的要求。圖6示出了35%BMCR負荷時水冷壁上爐膛流量分配及其與玉環(huán)電廠計算結果的比較?？梢钥闯觯呲厔莘陷^好，上爐膛回路流量最大相對誤差為-1.4%，出現(xiàn)在回路1。3.2出口汽溫計算值圖7為計算得到的BMCR負荷時水冷壁下爐膛前墻出口汽溫分布與玉環(huán)電廠計算結果的比較?；芈?、12、17、26為通過燃燒器區(qū)域的回路，這些回路通過燃燒器區(qū)域的管段不受熱(玉環(huán)電廠和本文都未考慮管子在燃燒器區(qū)域的彎管和彎頭，而假設管子垂直通過燃燒器)，使得回路單管的總吸熱量較小，因此出口汽溫與其他回路相比較低。這4個回路的計算值和玉環(huán)電廠的結果非常符合，說明所建立的數學模型和所編制的程序是可靠的?；芈?4誤差最大，本文計算值低6℃。下爐膛前墻出口汽溫最高為409.6℃，出現(xiàn)在回路8。最低為387.4℃，出現(xiàn)在回路3，二者相差22.2℃。圖8示出了50%BMCR負荷時上爐膛100個回路出口汽溫的變化情況，及其與玉環(huán)電廠計算結果的比較。由于對玉環(huán)電廠只收集到上爐膛前墻回路1～34的出口數據，因此只對這些回路進行了比較?？梢钥闯?，二者符合較好，最大誤差為3.3℃。后墻回路51～84出口工質處于兩相區(qū)，溫度為347.4℃。這是因為上爐膛后墻出口位置在折焰角斜坡處，受熱面積比前墻和兩個側墻小?；芈烽g出口汽溫最大偏差為34℃。計算結果表明，BMCR、50%BMCR和35%BMCR負荷時水冷壁上爐膛與下爐膛出口汽溫偏差小于玉環(huán)電廠規(guī)定的要求，水冷壁運行是安全可靠的。3.3運行結果比較圖9示出了BMCR負荷時下爐膛回路8的外壁溫度wT、內壁溫度nT、管壁中間點溫度mT、工質溫度fT和鰭端溫度Tqd沿爐膛高度方向的變化曲線，以及本文計算值和玉環(huán)電廠數據的比較。在BMCR負荷下，工質一直處于單相區(qū)，因此工質溫度一直隨著爐膛高度的增加而增加，使得壁溫也隨著爐膛高度的增加而升高，在爐高31.5m處達到最大值538.5℃，此時熱負荷也達到最大，為466.3kW/m2。此后，隨著熱負荷的下降，管壁溫度開始下降?？傮w來看，本文計算的下爐膛管子壁溫和鰭片溫度分布與玉環(huán)電廠的計算結果變化趨勢相同，并且符合較好。對外壁溫度來說二者最大誤差為11℃，中間點溫度最大誤差為13℃，鰭端溫度最大誤差為15℃，這些誤差都發(fā)生在下爐膛約10m處，這是因為二者在計算換熱系數的模型上有差別，其他位置誤差均在8℃以內。比較結果說明，本文所建立的流量分配數學模型及其求解方法以及壁溫和鰭片溫度計算模型是準確可靠的。另外還可以看出，玉環(huán)電廠計算的鰭端溫度在某些部位處現(xiàn)了大幅波動，這是由于其定義了長度為0m的管段，這種大幅波動在鍋爐運行時是沒有實際意義的。圖10示出了35%BMCR負荷時下爐膛回路1金屬壁溫沿爐膛高度方向的變化曲線，以及本文計算值和玉環(huán)電廠計算結果的比較。在爐高27m以下，工質處于單相區(qū)，管外熱負荷隨著爐膛高度的增加而增加，壁溫也隨著爐高的增加而升高。爐高達到27m時，工質開始汽化，進入兩相區(qū)，換熱系數比單相區(qū)增加較大，而工質溫度保持為飽和溫度不變，因此使得壁溫明顯下降。在31.5m處爐膛熱負荷達到最大，為287.6kW/m2。此后，熱負荷隨著高度的增加而降低，因此使壁溫也隨高度增加而降低。可以看出，本文計算值與玉環(huán)電廠的計算結果變化趨勢相同，并且符合的較好。爐高低于18m時，本文計算的壁溫和鰭片溫度比玉環(huán)電廠計算值約高5℃。進入兩相區(qū)前本文計算值約高40℃。根據(5)計算可知，該管段進口為單相水，出口為汽水兩相混合物。玉環(huán)電廠的換熱系數是根據管段出口工質狀態(tài)汽水兩相換熱公式計算的，約為120kW/(m2·K)，而本文則按管段進口工質狀態(tài)單相水計算，換熱系數較小，約為7.5kW(m2·K)，由此導致本文計算壁溫偏高。這從一個側面說明準確掌握管內工質傳熱規(guī)律是保證水動力計算可靠性的重要前提。進入兩相區(qū)后二者偏差減小，外壁溫度基本相同，鰭端溫度高3～7℃。計算結果表明，本文計算結果偏于保守，具有較大的安全裕度。4不同負荷時爐稈溫度分布(1）針對超(超)臨界垂直管圈鍋爐結構特點，將水冷壁流動網絡系統(tǒng)劃分為流量回路、壓力節(jié)點和連接管3類元件。根據回路和節(jié)點所遵守的質量守恒、動量守恒和能量守恒方程，建立了流量分配和壁溫計算模型。在此基礎上，對玉環(huán)電廠不同負荷時各回路流量分配和壁溫分布進行了計算，并與玉環(huán)電廠數據進行了比較。(2)BMCR負荷時下爐膛前墻質量流速分布與玉環(huán)電廠的計算結果符合較好，最大相對誤差為5.6%，出現(xiàn)在下爐膛回路14。回路9質量流速最高，為2697kg/(m2·s)，其對應的水平方向吸熱偏差系數也較大，為1.19。50%BMCR負荷時本文的流量計算值與玉環(huán)電廠數據的最大誤差為9.7%，35%BMC