【文章內(nèi)容簡介】 流量分配具有雙重影響，最終結果要看誰更占優(yōu)勢[28]。 內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁水動力特性分析由于本文要通過與內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁的比較來說明內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的優(yōu)勢以及不足，所以，我們接下來有必要對螺旋管圈的變壓運行特性做出必要的定性分析。 螺旋管圈水冷壁管間熱偏差小在螺旋管圈水冷壁的盤旋上升過程中，每根管子都經(jīng)過爐膛四周，途經(jīng)寬度、深度方向上熱流密度分布不同的各個區(qū)域，所以每根管子的吸熱都是比較均勻的。因此，螺旋管圈水冷壁平行管組中的各個并聯(lián)管子，從整個長度來講，熱偏差較小，尤其當鍋爐負荷變化、燃燒工況改變時，因熱力不均產(chǎn)生的水冷壁熱偏差將會相對較小。 燃燒干擾能力強螺旋上升的爐膛水冷壁管組，其中每根管子都通過爐膛內(nèi)部不同的熱負荷區(qū)域，即使采用四角切圓的燃燒方式，而且火焰中心發(fā)生較大偏移時，仍能保證不同管子的吸熱偏差保持在較小的范圍內(nèi)，使各管出口溫度差值保持在一定范圍之內(nèi)。這與光管垂直管屏水冷壁相比，在抗燃燒干擾方面的能力要強很多。 水動力穩(wěn)定性高從當前超臨界鍋爐的運行與設計經(jīng)驗來講，螺旋管圈水冷壁可獲得相對較高的質量流量。例如某電廠600MW級超臨界壓力直流鍋爐，采用螺旋管圈與垂直管屏相結合的水冷壁結構，其鍋爐最低負荷工況下的質量流量和最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）比采用純垂直管屏水冷壁的質量流量高約40%。較高的質量流量對降低管子進口欠焓和消除脈動有著明顯的作用，這對于保持水動力的穩(wěn)定十分有利，并可有效地抑制類膜態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰等傳熱惡化現(xiàn)象的發(fā)生。另外，超臨界鍋爐在熱負荷最高的爐膛下輻射區(qū)采用內(nèi)螺紋結構的螺旋管圈水冷壁，使傳熱系數(shù)大大提高，進一步避免了管子超溫的可能，提高了水冷壁運行的安全性[29]。螺旋管圈水冷壁在爐膛中的整體布置形勢如圖31所示：圖31 螺旋管圈水冷壁布置圖其中的下輻射區(qū)螺旋管圈水冷壁向上輻射區(qū)垂直管屏水冷壁的過渡結構形式如圖32所示：圖32 上下輻射區(qū)水冷壁過渡形式布置圖本章首先介紹了超臨界鍋爐水冷壁的兩種基本運行方式，即定壓運行和變壓運行，之后對超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁在水動力特性以及傳熱特性等方面做出了一定的討論，并參照相應的數(shù)學模型公式，對其變壓運行特性從理論上進行了適當?shù)姆治?，得出了?nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁在變壓運行方面的一些特點，并對正負流量補償特性做出了簡單的介紹，最后，本章還對螺旋管圈水冷壁的一些運行特性做出了簡單的定性分析，以利于本論文以后通過與螺旋管圈水冷壁的對比來說明垂直管屏水冷壁特性等內(nèi)容的展開。下面本文將對水動力計算所應用的數(shù)學模型做出必要的介紹。第四章 超臨界鍋爐水動力計算所應用的數(shù)學模型超臨界鍋爐水動力特性研究的基礎是計算鍋爐受熱管壓降隨流量等參數(shù)的變化關系。水動力特性指的是進出口集箱間所連接管子兩端的壓降與流量等參數(shù)的關系，這個壓降包括了重位壓降以及流動阻力壓降，其中的流動阻力計算也就是確定工質在管內(nèi)流動的沿程及局部阻力等，為給水泵揚程的設計提供了必要的參考。因此，本章的主要內(nèi)容是管內(nèi)壓降的計算方法，包括了單相流和兩相流壓降的計算內(nèi)容。另外，我們將通過對部分公式和理論的理想化處理來簡化和方便我們的編程計算。為了順利完成水冷壁中工質壓降的計算任務，下面我們先來介紹一下汽液兩相流的基礎知識[30] [31]。 汽液兩相流的定義與應用兩種存在明顯分界面的物質組成的物體稱之為兩相物體。由兩相物體形成的流動稱為兩相流。汽液兩相流是眾多兩相流中的一種，它又可以分為單組分汽液兩相流和雙組分汽液兩相流。鍋爐水冷壁中的汽液兩相流屬于單組分汽液兩相流。汽液兩相流體的應用十分廣泛，在化工、核能、冶金、石油、動力等工業(yè)中都比較普遍。在這些工業(yè)中，具有熱交換設備的還存在兩相流傳熱的問題。以超臨界鍋爐為例，為了分析其安全性和經(jīng)濟性，評定其性能，我們需要計算很多內(nèi)容，它們包括：蒸發(fā)管的摩阻壓降、各個點的含汽率、傳熱惡化的發(fā)生點、相變開始點位置以及水冷壁壁溫等。正是因為兩相流應用的廣泛性，它的發(fā)展受到世界各國研究者的高度重視并取得了許多令人矚目的研究成果[3234]。 汽液兩相流的研究模型以超臨界鍋爐水冷壁為例，一般工況下水冷壁管子吸收爐內(nèi)燃料燃燒放出的熱量后，其內(nèi)部工質會經(jīng)歷數(shù)個過程和狀態(tài)，它們按照變化順序依次包括：單相過冷水、飽和水、汽水混和物、單相微過熱蒸汽等。由于工質狀態(tài)的改變，其流動狀態(tài)和過程變得異常復雜，所以在適當邊界條件下的理論流體力學基本方程等理論都失去了他們本來的意義，無法應用于工程實踐[35][36]。因此，我們?yōu)榱私⒅绷麇仩t水冷壁內(nèi)工質水動力特性的計算模型，全面分析研究其流動特性，一般簡單的將水冷壁蒸發(fā)段管內(nèi)工質的流動狀態(tài)分為單相流動狀態(tài)和汽液雙相流動狀態(tài)，并對其流動過程進行理想的簡化處理，比如在一定范圍內(nèi)，假定受熱管段的熱負荷均勻分布，還有將管道內(nèi)的工質流動看作是一維流動等[37]。目前汽液雙相流的簡化模型[38] [39]主要有以下三種：（1）流動式樣模型：這種模型較復雜，其研究仍處于初級階段。它首先根據(jù)試驗確定幾種典型的流動式樣和應用范圍，再按照它們來確定所研究的兩相流體應該采用哪一套對應的計算模型和數(shù)據(jù)。（2）分相流模型：在這種模型中將汽液兩相想象成兩股流體，一股為汽，一股為液體，而且分別具有自己的平均流速。當汽相的平均流速與液相的相等時，分相模型就轉化成均相模型。分別對兩相進行描述，并考慮兩相之間的相互作用。（3）均相流動模型：所謂均相流動模型，就是把汽液兩相混合物看作一種均勻介質，其流動物理參數(shù)取兩相介質的相應參數(shù)的平均值。在這里采取了兩個假定：液相和汽相的流速相等；兩相介質已達到熱力學平衡。流動式樣模型的結果比較精確，但形式過于復雜，且實際意義不是很大，所以，目前應用最為廣泛的模型是均相流模型和分相流模型。最后，我們就是以上述流動模型為基礎，導出相應的流體壓降計算公式。兩相流體壓降計算的相關參考文獻很多，本文參考《電站鍋爐水動力計算方法》進行編程計算，單位均轉化為國際標準參數(shù)量綱，以便分析。為了對水冷壁管內(nèi)的水動力特性進行編程計算分析，下面我們將對各種不同壓降的計算方法做出一定的介紹。 單相流體各種壓降的計算方法單相流體在管內(nèi)的總壓降可由下式表示： （41）式中——總壓降?！獑蜗嗔黧w的流動阻力，；——單相流體的重位壓降，；——單相流體的加速壓降， 單相流體的加速壓降計算方法 （42）式中——管段局部阻力壓降，；——管段出口處的質量含汽率；——管段入口處的質量含汽率；——對應壓力下的飽和蒸汽比容，；——對應壓力下的飽和水比容。由于水在加熱時比容變化不大，壓力對比容的影響更是可以忽略不計，根據(jù)以上公式，項趨近于0，所以加速壓降可以忽略。對于過熱蒸汽，加熱時流速和比容雖然都有較大的變化，但因加速壓降比流動阻力的絕對值小的多，故也可不計。總之，單相流體的加速壓降可不列入考慮范圍。 單相流體的摩阻壓降計算方法單相流體的總壓降是由摩擦阻力和局部阻力兩部分組成，具體公式如下式所示： （43）式中——流動阻力壓降，；——摩擦阻力壓降，；——局部阻力壓降。（1）單相流體的摩擦阻力計算模型如下所示： （44） （45）式中——每米管子的摩擦阻力系數(shù)；——管子內(nèi)徑，；——計算管長，；——重力加速度，；——工質密度，；——計算管段內(nèi)工質的質量流速，；——工質流速，；——工質平均比容，；——管子絕對粗糙度，珠光體鋼：；奧氏體鋼：。（2）單相流體的局部阻力計算模型如下所示： （46）式中——水冷壁局部阻力系數(shù)。（3）部分公式和理論的簡化在單相流體流動阻力的計算中要涉及到單相水以及單相蒸汽的計算，在程序中應用具體公式進行計算時，我們可以根據(jù)管段受熱的實際工況或工質熱物理性質對所應用公式作一定的簡化。例如，單相水在受熱過程中比體積變化不大，而且管段長度變化較小，所以單相水的摩擦阻力和局部阻力模型公式可以簡化到以下形式 （47） （48）式中——循環(huán)水速流速，；——飽和水重度。當我們利用上述公式計算單相蒸汽時，因為工質比容非常大，而且隨著受熱增加會有一定的變化，所以在理論上應該用到微積分的方法，但是在該壓降的實際計算中，因為爐內(nèi)熱負荷非常高，熱流量很大，導致蒸汽段會非常短，所以單相蒸汽的摩擦阻力壓降和局部阻路阻力的公式可以簡化到以下形式 （49） （410）式中——飽和蒸汽密度。 單相流體的重位壓降計算方法 （411）式中 ——管子重位壓降，；——管子的分段計算高度，；——管中工質平均密度。水冷壁中單相流體的重位壓降分為單相水和單相蒸汽兩種計算，因為兩個單相狀態(tài)工質管段長度都比較短，在我們的VB編程計算中工質平均重度分別采用飽和單相水和飽和單相蒸汽在相應壓力下對應的飽和密度，即和。這樣單相流體的重位壓降公式模型可以簡化為以下形式： （412） （413） 兩相流體壓降的計算方法在亞臨界乃至超臨界壓力工況下，工質在水冷壁管內(nèi)吸熱發(fā)生相變，首先工質比容發(fā)生了巨大的變化，而在蒸發(fā)過程中溫度卻基本保持對應壓力下的飽和溫度不變，這樣的兩相流體就是我們的研究對象。而在超臨界工況下，因為水冷壁管內(nèi)工作壓力非常大，有的甚至可以達到32MPa，在這樣高的壓力下，水與汽的密度基本相同，汽水之間沒有明顯邊界，相變過程消失，工質溫度的是隨著吸熱量和入口溫度的增加而上升的?？傊覀冞@里討論的兩相流是只有在亞臨界工況下才會出現(xiàn)的[40]，其壓降的具體公式如下所示： （414） （415）式中——兩相流體的總壓降，；——兩相流體的局部阻力，；——兩相流體的加速壓降，；——兩相流體的流動阻力，；——兩相流體的重位壓降，；——兩相流體的摩擦阻力。 兩相流體的加速壓在水動力計算中，和單相流體的道理相同，由于加速壓降在總壓降中所占的比例很小，所以一般忽略加速壓降。 兩相流體的摩阻壓降計算方法（1）兩相流體的摩擦阻力壓降計算公式如下所示： （416） （417） （418）式中——兩相流摩擦阻力校正系數(shù)；——質量含汽率；——平均質量含汽率；——汽化潛熱，；——管段出口蒸汽流量，；——管組質量流量，；——對應壓力下的飽和水焓。不同工況下的汽水混合物摩擦壓降校正系數(shù)可按以下公式分別計算得到：1）當時；2）當時 （419）3）當時 （420）（2）兩相流體的局部阻力壓降計算模型如下所示： （421）——水冷壁管中兩相流體的局部阻力系數(shù)，可在電站水動力計算標準方法中查得 兩相流體的重位壓降計算方法 （422） （423） （424） （425） （426）式中 ——水冷壁管中兩相流體的重位壓降，；——水冷壁管內(nèi)汽水混合物的平均重度，；——水冷壁管內(nèi)平均截面含汽率；——水冷壁管內(nèi)平均容積含汽率；——水冷壁管內(nèi)工作壓力，；——滑動比：表示管內(nèi)汽相速度和水相速度之比。 亞臨界壓力下工質狀態(tài)轉變點位置確定的重要性由于在鍋爐水冷壁中單相流和兩相流的壓降，無論是從計算公式還是從最后的計算結果來看都有著很大的差別，而且在直流鍋爐的蒸發(fā)受熱面中，兩相蒸發(fā)區(qū)與前后的單相區(qū)之間并無明顯的分界面，兩相蒸發(fā)段長度會隨工況的變化而變化。因此，要對鍋爐水冷壁進行水動力計算，必須處理好相變開始點的變化問題[41]。為簡化計算，我們將整個爐膛沿高度方向分為幾個區(qū)段，假設在一定負荷下，管段沿管長在一定區(qū)段范圍內(nèi)吸熱量均勻一致，根據(jù)能量守恒定律，可以得出以下關系： （427） （428）式中——單位長度管段單位時間吸熱量，； ——管段入口到相變點管長，；——相變點焓值，；——管段入口焓值，；——管內(nèi)工質質量流量。 小結本章對超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管水冷壁水動力特性的研究基礎做出了比較詳細的說明，對各種壓降的計算模型進行了詳盡的介紹，為超臨界鍋爐水冷壁水動力特性的編程計算和研究打下了堅實的基礎。下面我們將進入本論文的核心內(nèi)容——超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的水動力特性研究，并通過與螺旋管圈水冷壁的對比分析，突出說明垂直管屏水冷壁的各種優(yōu)勢以及不足。第五章 超超臨界鍋爐水冷壁水動力特性的定量計算與對比分析超臨界技術作為循環(huán)流化床（CFB）[42]、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC—CC) [43]等潔凈煤技術中最有前途的一員，對作為它的主要部件之一的內(nèi)螺紋管垂直水冷壁的研究將是我們必不可少的課題，在論文的上述內(nèi)容中，我們在理論上分析了內(nèi)螺紋管螺