【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 集箱中的動(dòng)壓頭和最大靜壓差和較大。因此，再熱器管組非常容易產(chǎn)生由集箱靜壓變化所造成的流量偏差。第3章 過熱器熱偏差基本計(jì)算方法第3章 過熱器熱偏差基本計(jì)算方法鑒于過熱系統(tǒng)熱偏差問題的嚴(yán)重性，如何保證過熱系統(tǒng)受熱面的可靠運(yùn)行，是鍋爐設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中的關(guān)鍵問題。因此，準(zhǔn)確計(jì)算過熱器受熱面熱偏差大小及管子壁溫就尤為重要?，F(xiàn)代大型鍋爐因其顯著的幾個(gè)特點(diǎn)使蘇聯(lián)熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于熱偏差及壁溫計(jì)算的方法已不再適應(yīng)。原有壁溫計(jì)算方法的不足有以下幾點(diǎn)[18]：（1）原方法認(rèn)為蒸汽流量最小的管子正好熱負(fù)荷最大，而實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐證明，情況并非如此；（2）在計(jì)算校核點(diǎn)的平均汽溫時(shí)，沒有考慮到各管段吸熱能力的不同，即取傳熱系數(shù)為定值；（3）在確定計(jì)算點(diǎn)周向平均熱負(fù)荷時(shí)，沒有考慮到管束前煙氣空間的影響。因此，改進(jìn)原有計(jì)算方法中的不足之處，采用比較合理的計(jì)算方法準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際危險(xiǎn)點(diǎn)的管壁溫度，便成為當(dāng)前鍋爐設(shè)計(jì)和超溫爆管事故改造過程中亟待解決的突出問題。國(guó)內(nèi)人員對(duì)熱偏差和壁溫計(jì)算方法進(jìn)行了不斷的研究和改進(jìn)，并取得了一定的成效。近年來，數(shù)值模擬方法逐漸用于爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的研究，并嘗試應(yīng)用于爐膛溫度場(chǎng)的計(jì)算，希望通過考慮火焰輻射傳熱計(jì)算關(guān)系，給出爐膛內(nèi)部及出口煙氣溫度分布，以二維煙溫分布計(jì)算壁溫，使壁溫計(jì)算更具針對(duì)性，反映鍋爐結(jié)構(gòu)、燃燒特點(diǎn)對(duì)壁溫分布的影響。這些理論的可行性有待進(jìn)一步研究和論證。本章的重點(diǎn)就是建立合理的熱偏差計(jì)算模型，采用適于工程應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行計(jì)算應(yīng)用和分析[19]。 熱負(fù)荷不均系數(shù)計(jì)算由熱偏差的成因知，受熱面管組及并聯(lián)管子接受的熱負(fù)荷分布不均是產(chǎn)生屏間及同屏熱偏差的一個(gè)主要因素。比較準(zhǔn)確地計(jì)算管段的吸熱量和管段計(jì)算點(diǎn)處的最大熱負(fù)荷強(qiáng)度，是熱偏差計(jì)算中的重要環(huán)節(jié)。在吸熱不均系數(shù)計(jì)算中，就幾個(gè)比較重要的方面進(jìn)行分析。 沿爐膛寬度熱負(fù)荷不均勻系數(shù)布置于爐膛上部出口區(qū)域的屏式過熱器沿寬度方向的熱負(fù)荷不均系數(shù)可以由圖 31 中的曲線[29]查取，也可以通過差值方法把曲線擬合成公式的形式，便于程序計(jì)算。爐膛出口沿寬度方向熱負(fù)荷不均系的計(jì)算公式為[20]： （31）。 沿對(duì)流煙道寬度的吸熱不均勻系數(shù)爐膛出口煙氣在進(jìn)入對(duì)流煙道時(shí)，由于殘余扭轉(zhuǎn)的存在，使沿?zé)煹缹挾确较蛏系臒熕贌煖胤植疾痪?，煙氣?duì)各管屏（片）的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量不同，造成沿?zé)煹缹挾雀鞴芷翢嶝?fù)荷的不均勻。對(duì)流煙道中沿寬度的吸熱不均勻系數(shù)與下列因素有關(guān)[21]： 圖 31 切向燃燒固態(tài)排渣煤粉爐爐膛出口 （1）鍋爐寬度愈寬，沿?zé)煹缹挾鹊臒煖仄钣?，熱?fù)荷最高處的吸熱不均勻系數(shù)值愈大；（2）沿?zé)煔饬鞒虩崃Σ痪鶆蛐灾饾u減小，即隨著煙氣平均溫度的降低，吸熱不均勻系數(shù)的最大值逐漸減??；（3）隨煙氣與介質(zhì)之間的溫壓減小，吸熱不均系數(shù)增大；（4）一般來說，切向燃燒方式沿?zé)煹缹挾鹊奈鼰岵痪鶆蚍植记€比較固定，可能是中間高兩側(cè)低，曲線沿?zé)煹乐行膶?duì)稱分布，如圖 32（a）的曲線 1，或者熱負(fù)荷最高點(diǎn)位置偏向煙道某側(cè),如圖 32（a）中的曲線 2；也可能是呈馬鞍型的如 32（b）曲線[22]。(a) (b)圖32沿?zé)煹缹挾任鼰岵痪禂?shù)分布根據(jù)國(guó)內(nèi)大量的試驗(yàn)結(jié)果分析，容量在 100MW 及以下的切向燃燒鍋爐，爐膛出口及對(duì)流煙道沿寬度的熱力不均勻系數(shù)的一般在 ～ 范圍內(nèi)。隨著鍋爐容量的增加，如 300MW 和 600MW機(jī)組鍋爐，切向燃燒方式的爐膛出口煙速煙溫的偏差加劇，爐膛出口煙溫偏差有的高達(dá) 100℃以上。有的鍋爐其對(duì)流煙煙道中過熱系統(tǒng)受熱面沿?zé)煹缹挾鹊臒崃Σ痪鶆蛳禂?shù)最大值達(dá)到 ～，甚至以上的數(shù)值[23]。令煙道寬度為 a，坐標(biāo)原點(diǎn)定位在煙道左端處，絕對(duì)坐標(biāo) x 的相對(duì)坐標(biāo)為 X=x/a，由第二章的內(nèi)容知道，沿?zé)煹缹挾鹊奈鼰岵痪禂?shù)分布函數(shù)為： （32）若過熱器再熱器沿?zé)煹缹挾葲]有分成幾段，可認(rèn)為集箱長(zhǎng)度 L=a。利用已知的幾個(gè)條件可以求出函數(shù)中的五個(gè)待定系數(shù)[24]。（1）時(shí)，；（2）時(shí)，；（3）時(shí)，；（4）時(shí)，曲線在此處具有極大值，曲線在此處的斜率為零，即；（5）曲線下面積應(yīng)等于1，即積分利用五個(gè)已知條件可得以下方程組 （33）通過解上列線性方程組，可以得到各系數(shù)的值。根據(jù)合理的假設(shè)條件，本節(jié)求出了最大吸熱不均系數(shù)時(shí)，吸熱不均系數(shù)函數(shù)呈對(duì)稱布置和偏向右側(cè)四分之一煙道的函數(shù)表達(dá)式。 沿上升煙道寬度當(dāng)時(shí)；對(duì)稱分布函數(shù)： （34）當(dāng)時(shí)；非對(duì)稱分布函數(shù)： （35） 沿水平煙道寬度 當(dāng)時(shí)；對(duì)稱分布函數(shù)： （36） 當(dāng)時(shí)；非對(duì)稱分布函數(shù)： （37）根據(jù)吸熱不均系數(shù)分布函數(shù)，計(jì)算了330MW自然循環(huán)鍋爐高溫過熱器沿?zé)煹缹挾确较驘崃Σ痪禂?shù)。假設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)取在煙道左端，從左端開始，受熱面每一管屏對(duì)應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)，可以求出每一管屏處的吸熱不均系數(shù)。鍋爐過熱器吸熱不均系數(shù)分布情況如圖 33 的曲線所示[25]。圖 33 高過各管屏對(duì)應(yīng)的吸熱不均系數(shù)根據(jù)吸熱不均分布函數(shù)可以求出每級(jí)受熱面每片管屏對(duì)應(yīng)的吸熱不均勻系數(shù)，便于準(zhǔn)確計(jì)算管段出口汽溫和危險(xiǎn)點(diǎn)的壁溫。 熱偏差計(jì)算相關(guān)參數(shù)的確定 受熱面偏差系數(shù)的確定 設(shè)屏中任一管段 ，其長(zhǎng)度為 ，它接受屏間煙氣輻射的面積為 ,接受爐膛輻射的受熱面積為 。對(duì)每片屏中的中間管而言，每米長(zhǎng)中間管段接受屏間煙氣輻射的面積為，其總輻射受熱面包括左右兩側(cè)，其值為，其中 為屏間煙氣對(duì)管段的角系數(shù)，其計(jì)算式為： （38）式 中：—管子外徑（）； —管子縱向節(jié)距（）； —兩管內(nèi)切線與垂直方向上的直徑的夾角（176。）。令，則有： （） （39）其中稱為中間管的面積折算系數(shù)。那么，管段a的受熱面偏差系數(shù)定義計(jì)算式為： （310） 另外，令，稱為管段a的爐膛輻射因數(shù)。就幾種情況下受熱面偏差系數(shù)的具體計(jì)算方法作一些說明：管間煙氣輻射受熱面偏差系數(shù) 根據(jù)輻射受熱面積差異，屏中各種管段類型一般可分為六種，且對(duì)應(yīng)一定的受熱面偏差系數(shù)計(jì)算公式a. 一般中間管：由受熱面偏差系數(shù)定義，； （311）b. 首排管和末排管：； （312）c. 懸空管：； （313）d. 緊貼管：； （314）e. 兩面相鄰節(jié)距不同的管段： （315）對(duì)流受熱面偏差系數(shù)：； （316）： （317） 管前煙室輻射因數(shù)的確定屏式過熱器或再熱器垂直于煙氣輻射的各管排:第一排管：（318）第 1 排管的值可由計(jì)算式求出，也可以根據(jù)管子的縱向節(jié)距比由圖 34中曲線查取。圖 34 面向輻射的第一排管子 p 值第 2 排管及以后各管： （319）第 2 排及以后各排的可由圖 35 中的曲線[13]查取，圖中代表校驗(yàn)管中心到首排管外側(cè)管線的距離，是管子的橫向節(jié)距。圖 35 示意圖圖 36 垂至于輻射方向第 2 排及以后各排管子的 p 值 對(duì)流管束前后煙室容積各排管子的輻射角系數(shù) （橫行為系數(shù)縱行為管排號(hào)）ABCDEF12345060000布置在倒 U 型爐膛水平煙道中的過熱器和再熱器管組中各排管子接收管組前、后煙氣容積的輻射角系數(shù)一般隨縱向節(jié)距比變化很小，且變化不大。各排管子的輻射角系數(shù)隨變化較大，可以由各排計(jì)算式來求。輻射角系數(shù)計(jì)算公式的通用表達(dá)式可以如下表示： （320）式中 A、 B 、C 、 D 、 E 和 F 表示待定系數(shù)。本節(jié)求出了對(duì)流管束前后煙氣容積對(duì)第 1～6 排管子的輻射角系數(shù) x ，其計(jì)算式子的對(duì)應(yīng)系數(shù)匯總在表 內(nèi)。 并聯(lián)管組流量偏差計(jì)算 屏間流量偏差計(jì)算沿集箱長(zhǎng)度方向上并聯(lián)各管屏流量計(jì)算時(shí)，可以把每一片管屏視為分配及匯流集箱之間的一根當(dāng)量支管，根據(jù)管屏結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及管屏材料特性，計(jì)算出每根當(dāng)量支管的阻力系數(shù)。在已知沿分配及匯流集箱軸向靜壓分布規(guī)律和各當(dāng)量支管阻力系數(shù)條件下，根據(jù)流體力學(xué)關(guān)于壓差、阻力系數(shù)及流量之間的基本關(guān)系式，通過流量迭代計(jì)算可以得到每根當(dāng)量支管的蒸汽流量[25]。為方便分析，引入任意一根管子的流量系數(shù) ，即： （321）其中：為該管子內(nèi)工質(zhì)平均比容，在初始計(jì)算時(shí)，可認(rèn)為并聯(lián)各當(dāng)量支管的相同，取管組進(jìn)出口工質(zhì)比容的算術(shù)平均值[23]。設(shè)為并聯(lián)管組中任一根支管的質(zhì)量流量，由管子進(jìn)、出口壓差和流量的關(guān)系得： （322）根據(jù)前面章節(jié)的只是可以得到： （323）： （324）假設(shè)并聯(lián)當(dāng)量支管根數(shù)為n根，： （325）加上流量守恒方程得到n+1個(gè)方程組 （326）由第一根和第（x+1）跟支管的方程簡(jiǎn)整理得到： （327）令，則有： （328）其中、、 都與各管流量無關(guān)，均可從原始數(shù)據(jù)中求得，因此也是已知數(shù)據(jù)。在式 ，只有流量未知，可以通過 n 個(gè)方程預(yù)先假定 3 個(gè)第一根當(dāng)量管的流量、代入下面化簡(jiǎn)后的 n 個(gè)方程，可以算出三個(gè)對(duì)應(yīng)的總流量、利用圖解逐步逼近法可以求得符合條件的第一根支管的流量，把代入方程組，依次可以求出其它各支管的流量?；?jiǎn)后的 n 個(gè)方程為： （329）同樣，可以在式 兩邊同時(shí)除于當(dāng)量支管的平均流量，可以得到關(guān)于流量不均系數(shù)的計(jì)算關(guān)系式： （330）引入管子系數(shù)，其表達(dá)式為： （331）其中：管組結(jié)構(gòu)系數(shù) （332）—管組總截面積（㎡）；—分配集箱截面積（㎡）；—分配集箱進(jìn)口動(dòng)壓，且（）； —分配集箱進(jìn)口流速（m/s）。則式 ： （333）可以假定第一支管的三個(gè)流量不均系數(shù)進(jìn)行與流量相似的計(jì)算，可以計(jì)算各支管的流量不均系數(shù)。在計(jì)算屏間流量不均系數(shù)時(shí)，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，每片管屏之間的結(jié)構(gòu)差異不大，當(dāng)量支管的流量系數(shù)也差別不大，可以近似認(rèn)為 ko/kx≈1，誤差很小，簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。對(duì)于同屏各管流量計(jì)算時(shí)，因并聯(lián)各管阻力系數(shù)差異較大，各流量系數(shù)就不相同[28]。根據(jù)式 計(jì)算330MW自然循環(huán)鍋爐屏過、高過屏間流量不均系數(shù)的分布情況如圖37 中的（a）、（b）。屏式過熱器管屏數(shù)為 18 片，高溫過熱器管屏數(shù)為 30 片，高溫再熱器管屏數(shù)為 60 片。在計(jì)算片間流量偏差時(shí)，取高再當(dāng)量支管數(shù)為 20 根、。高過和高再分配、匯流集箱[2]。圖 37(a) 屏過屏間流量不均勻系數(shù)曲線圖 37(b)