【正文】 降的影響，得到一些對水冷壁設計與安全運行的有用數(shù)據(jù)。 水動力特性計算 水動力特性介紹所謂水動力特性是指受熱面系統(tǒng)內(nèi)當熱負荷一定時，工質的流量與壓降的關系，即函數(shù)式ΔP=f（G）。當工質為單相（水或蒸汽）時，每一工質流量對應于一定的壓降，即所謂流動的單值性。但在蒸發(fā)受熱面中，工質為汽水兩相混合物，在某些條件下，在同一壓降和差不多同樣受熱的條件下，各并列管子中工質的流量會出現(xiàn)很大的差別，同一壓降對應兩個或幾個不同的流量，這種流動就是多值性的。多值性阻力特性的出現(xiàn)，是由于在受熱不變時，增大欠焓水的流量會使加熱過冷水的熱量增多，即熱水段會增長。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流速降低，工質流速的下降直到欠焓水占據(jù)整個蒸發(fā)段。在蒸發(fā)停止后，繼續(xù)增大欠焓水的流量會使整個管子中的流速增加。這樣，當增加欠焓水的流量時，熱水段中的流動阻力將增大，而蒸發(fā)段中的流動阻力將減小。根據(jù)熱水段和蒸發(fā)段流動阻力的不同比例，管路的總流動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荷有關的，隨著壓力的升高，汽、水比容差減少；在相同的條件下，當熱負荷增加時，蒸發(fā)段長度增加，阻力增大，使水動力趨于單值性。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，一個不大的壓降變動可能引起很大的流量波動。因此，壓降流量的特性曲線要有一定的斜度，即工質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，如流經(jīng)管子的工質流量過小，可能因對管子的冷卻不夠而發(fā)生過熱；如工質流量時大時小，管子冷卻情況經(jīng)常變動，管壁溫度的變動會引起金屬疲勞破壞。為了保證受熱面工作的可靠性和布置的合理性，要進行鍋爐機組的水力計算，通過這種計算校核流動的單值性并且確定給水泵的壓頭。 水動力特性計算方法由水動力特性的定義我們知道，水動力特性計算關鍵是找到關系ΔP=f（G），其基礎也是對管子壓降的計算。在前面超超臨界鍋爐水冷壁流量補償計算中，已經(jīng)詳細介紹了管子壓降的計算方法，給出了亞臨界工況和超臨界工況的流程圖。在這里，水動力計算選取30%BMCR和100%BMCR兩種工況計算，具體方法也是和流量補償中亞臨界工況和超臨界工況管子壓降計算方法一致的。下面再簡單介紹下管子壓降計算方法。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，假定每根水冷壁管子經(jīng)過的爐膛熱負荷區(qū)幾乎相同，選取其中一根管子進行計算。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)工質計算時要確定相變點，以相變點為界，分為相變點前、相變點后兩段分別進行水力計算。在計算中不考慮加速壓降的影響。 水動力特性計算結果與分析 30%BMCR工況水動力特性已知參數(shù)同流量補償計算中的一樣，只不過在計算中固定熱流密度、管子內(nèi)徑、管子根數(shù)等值，輸入一系列流量值，分別計算管子壓降。計算結果如下表表51 30%BMCR工況壓降流量對應值流量(kg/h)流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)400450500550600650將得到的壓降—流量數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖51圖51 30%BMCR工況壓降流量曲線 如圖51，是30%BMCR工況下壓降—流量的曲線?？梢钥闯?，在該工況下水動力特性呈現(xiàn)單值性，水動力穩(wěn)定性好。質量流量處于350~650kg/h的范圍，對應的質量流速也遠低于1200，此時流動阻力在總壓降中的比重占的很小，而且隨著質量流量的增大，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，隨著質量流量的增大其值也在大幅度增大，從而造成總壓降隨質量流量的增大而增大。原因是當欠焓水增加時，熱水段流動阻力會增加，而蒸發(fā)段流動阻力會減小，那么造成熱水段流動阻力增大幅度不大；而在低負荷條件下，質量流量增大，造成熱水段長度增大，蒸發(fā)段長度減小，管內(nèi)工質平均比容增大，所以重位壓降增大幅度很大。 100%BMCR工況水動力特性表52 100%BMCR工況壓降流量對應值流量(kg/h)流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)125013001350140014501500圖52 100%BMCR工況壓降流量曲線如圖52，是100%BMCR工況下壓降—流量的曲線?？梢钥闯觯谠摴r下水動力特性也呈現(xiàn)單值性，水動力穩(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的穩(wěn)定性。質量流量處于1200~1500kg/h的范圍，對應的質量流速也遠高于1200，流動阻力在總壓降中所占的比重已經(jīng)很大，而且隨著質量流量的提高，其值也在不斷增大，造成總壓降也在不斷增大；此時的重位壓降卻隨著質量流量的提高而增大幅度很小，這是因為在超臨界工況下，爐膛下輻射區(qū)管內(nèi)工質處于大比熱區(qū)范圍外，工質物理性質比較穩(wěn)定，比容變化不大，所以質量流量增大對重位壓降影響不大。 其他因素對壓降的影響 熱負荷與壓降的關系如圖53，表示的是壓降與熱負荷的關系，可以看出隨著熱負荷的增大，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，而流動阻力曲線卻變化很大。尤其是在50%BMCR~80%BMCR范圍內(nèi)，流動阻力變化很大，在此范圍，工質處與亞臨界直流工況到超臨界直流工況的過渡階段，工質的熱物理性質要發(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，工質水在達到飽和后可以直接汽化為蒸汽，也就是說管內(nèi)工質在進入超臨界工況后不用經(jīng)過汽化沸騰的過程了，工質尤其是下輻射區(qū)工質出現(xiàn)流動不穩(wěn)定的可能也變的大大降低了。如圖54代表的是30MPa壓力下工質的熱物理性質變化。所以隨著熱負荷的增加，工質質量流量也可以大大增加，以滿足出口工質流量的需求。圖53 壓降與熱負荷對應曲線圖54 30MPa工質的熱物性 管子根數(shù)與壓降的關系如圖55~57分別代表的是30%BMCR、50%BMCR與70%BMCR管子根數(shù)與壓降的關系。圖58代表的是100%BMCR工況下管子根數(shù)與壓降的關系。分析四種工況的曲線可以得到以下結論。圖55 30%BMCR工況壓降管子根數(shù)曲線(1)在亞臨界工況條件下，隨著管子根數(shù)的增加，管內(nèi)各壓降都在降低。這是由于在保證水冷壁出口工質流量的前提下，如果管子根數(shù)增加了，那么單根管子工質流量就會減少，在低負荷低質量流速的條件下，意味著受熱增加，管內(nèi)工質密度會減小，重位壓降就會降低。而流動阻力所占比重較小，工質流量的減小，首先會造成熱水段流動阻力減小，而蒸發(fā)段流動阻力會增大，流動阻力總的壓降變化取決于兩種作用的大小。(2)超臨界工況條件下，重位壓降在總壓降中的比重比較小，流動阻力所占比重比較大。當管子根數(shù)增加時，在管組總質量流量不變的前提下，單根管子的質量流量和質量流速都要下降，從而造成流動阻力的變小。重位壓降變化不大，因為此時工質處于超臨界狀態(tài)，工質物理性質比較穩(wěn)定，加上此時管內(nèi)工質處于高質量流量或高質量流速范圍，管子根數(shù)的變化首先導致工質流量降低，直接影響到流動阻力降低，但工質流量仍處于高質量流量，可能下輻射區(qū)出口處工質會進入工質大比熱區(qū)，工質物態(tài)會發(fā)生急劇變化，而其余管段內(nèi)工質物態(tài)仍是比較穩(wěn)定，所以重位壓降變化不大。圖56 50%BMCR工況壓降管子根數(shù)曲線圖57 70%BMCR工況壓降管子根數(shù)曲線(3)該鍋爐側墻選取352根管子，是跟許多因素密切相關的。如果管子根數(shù)選用的比較少，那么由亞臨界工況和超臨界工況管子根數(shù)—壓降曲線可以看出，管內(nèi)壓降會迅速上升，尤其是在100%BMCR高質量流速的條件下，當管子根數(shù)減少到250根左右時，那么整個水冷壁的總阻力就會增大很多，增大了水泵壓頭，增加了損耗。管子根數(shù)如果選用的比較多，首先爐膛空間是有限的，而且在爐膛內(nèi)熱負荷及熱流密度不變的條件下，每根管子吸熱會發(fā)生變化，極有可能導致管組吸熱偏差很大，最終導致水動力不穩(wěn)定。圖58 100%BMCR工況壓降管子根數(shù)曲線 管子內(nèi)徑與壓降的關系如圖59~512代表的是30%BMCR、50%BMCR與70%BMCR與100%BMCR管子內(nèi)徑與壓降的關系。分析管子內(nèi)徑與壓降關系的前提是保證管內(nèi)工質流量不發(fā)生變化，管子長度也不變，熱流密度不變，那么由四種工況的曲線可以得到以下結論。圖59 30%BMCR工況壓降管子內(nèi)徑曲線(1)圖59~圖511代表的是亞臨界工況下管子內(nèi)徑與壓降的關系。由管子內(nèi)徑—壓降曲線可以看到，隨著管子內(nèi)徑的增大，重位壓降基本不變或稍有降低，而流動阻力和總壓降顯著降低。管子內(nèi)徑增大會使管子吸熱量稍有增加，同時在保持管內(nèi)工質流量不變的前提下，管子內(nèi)徑的增大也會使管內(nèi)工質質量流速降低。管子吸熱量增加會使管內(nèi)工質密度減小，從而造成重位壓降的降低。管內(nèi)工質流量不變，那么在吸熱量不變(變化不大)的情況下，工質蒸發(fā)汽化的程度不變也就是質量含汽率基本不變，而管內(nèi)工質總的質量流速在降低，所以流動阻力會降低。圖510 50%BMCR工況壓降管子內(nèi)徑曲線圖511 30%BMCR工況壓降管子內(nèi)徑曲線(2)圖512代表的是超臨界工況條件下管子內(nèi)徑與壓降的關系。由曲線可以看到，隨著管子內(nèi)徑的增大，重位壓降基本不變，而流動阻力和總壓降顯著降低。同樣的管子內(nèi)徑的增大會使管子吸熱量稍有增加，但是管內(nèi)工質的質量流速降低。由于管內(nèi)工質的質量流量不變，吸熱量基本不變，所以管內(nèi)工質物理性質基本不變，所以重位壓降基本保持不變。而在工質物理性質基本不變的情況下，工質的質量流速降低必然會使流動阻力降低，從而造成總壓降降低。(3)。如果管子內(nèi)徑很小，那么會造成管內(nèi)質量流速大大提高，結果流動阻力會上升，尤其是100%BMCR工況下，管內(nèi)工質質量流速會上升到2000以上，從而造成流動阻力大大增大， MPa， MPa，那么水冷壁總阻力會增大很多，會增大水泵壓頭，增加損耗。如果管子內(nèi)徑很大，管內(nèi)阻力會下降很多，但也有可能會造成傳熱惡化，水動力不穩(wěn)定。圖512 100%BMCR工況壓降管子內(nèi)徑曲線，℃。在臨界點上，水與汽的參數(shù)完全相同。在低于臨界壓力時，存在沸騰汽化階段，汽液兩相處于平衡共存狀態(tài)，其主要特點是定溫定壓，在這一階段汽化吸收的熱量稱為汽化潛熱。隨著壓力增加，汽化潛熱逐漸減小，到臨界壓力時，汽化潛熱為零，即汽化在一瞬間完成。在臨界點處，水的比熱容為無窮大。在超臨界壓力下，也存在比熱容的峰值區(qū)。通常稱最大比熱容點的溫度為擬臨界溫度，并將這一點作為相變點。在這一區(qū)域內(nèi)，流體的物性劇烈變化。如流體的密度顯著減小，比容顯著增大，粘度與導熱系數(shù)也顯著減小。擬臨界溫度隨壓力的增加而增加，而與其對應的焓值則變化不大。比熱容的峰值隨壓力的增加而顯著減小，也即越接近臨界壓力，物性的變化越劇烈。，或相變區(qū)。在超臨界壓力工作的水冷壁，管內(nèi)工質溫度處于對應壓力下的大比熱區(qū)范圍，隨著工質吸熱量增加，工質溫度變化不大，而工質比容急劇增大，溫導系數(shù)急劇減小，容易引起水動力不穩(wěn)定或流量分配不均，同時可能引起工質對管壁的傳熱變差，導致類膜態(tài)沸騰。不管是螺旋管圈水冷壁還是垂直管屏水冷壁面對擬臨界工況都具有相同的特性：(1)對應一定壓力，工質存在一個大比熱區(qū)。對應比熱最大的溫度點叫擬臨界溫度。在大比熱區(qū)內(nèi)，工質溫度隨吸熱量變化不大；在大比熱區(qū)外，工質溫度隨吸熱量變化很大。(2)工質比容在擬臨界溫度附近的大比熱區(qū)內(nèi)發(fā)生急劇變化。(3)壓力越高，擬臨界溫度向高溫區(qū)推移，影響水冷壁工作特性的工質熱物理特性參數(shù)變化(即比熱、比容、溫導系數(shù))逐漸減弱。圖513為超臨界壓力下大比熱特性。圖513超臨界壓力下大比熱特性西安交通大學和哈爾濱鍋爐廠的研究認為，在超臨界壓力下，采用內(nèi)螺紋管和光管的傳熱性能差不多，所以對于在超臨界壓力下工作的內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁，如果采用低質量流速，處于大比熱區(qū)的工質也有可能發(fā)生水動力不穩(wěn)定或類膜態(tài)沸騰。原因主要有：(1)管子內(nèi)壁處流體溫度較高，導熱系數(shù)卻降低，使導熱性差的流體與管子內(nèi)壁接觸，當工質溫度正好處于比熱最大的擬臨界溫度附近時，發(fā)生傳熱惡化的機會就會增加。(2)大比熱區(qū)工質比容的急劇變化必然導致工質的膨脹量增大，從而引起水動力不穩(wěn)定，并且此時由于導熱系數(shù)降低，導致管子金屬溫度升高。所以，雖然內(nèi)螺紋管傳熱性能都高于光管，可是在超臨界工況下也要采取一定措施防止水動力不穩(wěn)定或類膜態(tài)沸騰的發(fā)生，主要有：(1)在超臨界工況下，適當增大工質質量流速，以保證水冷壁管子的足夠冷卻。(2)應控制下輻射區(qū)水冷壁出口溫度不高于擬臨界溫度，主要是因為在燃燒器、燃盡風區(qū)段水冷壁的熱負荷最大，控制下輻射區(qū)水冷壁出口溫度不高于擬臨界溫度可以防止相變劇烈點下移到燃燒器區(qū)域，即防止工質對應壓力下的大比熱區(qū)處于受熱最強的燃燒器和燃盡風區(qū)域。圖514超臨界壓力下工質的比容 本章小結(1)對該鍋爐水動力特性，即壓降——流量數(shù)據(jù)及曲線進行分析，得到該鍋爐在亞臨界與超臨界工況下水動力穩(wěn)定的結論。(2)研究該鍋爐水冷壁的管子根數(shù)與壓降的影響關系，分析得到鍋爐采用現(xiàn)有管子根數(shù)的原因。(3) 研究該鍋爐水冷壁的管子內(nèi)徑與壓降的影響關系，分析得到鍋爐采用現(xiàn)有管子內(nèi)徑的原因。(4)研究該鍋爐熱負荷與壓降的影響關系。第六章 結論與展望垂直管屏水冷壁一般不適合作變壓運行，可是采用低質量流速的內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁卻能夠作變壓運行，它不僅保持了螺旋管圈鍋爐運行上的眾多優(yōu)點，而且還克服了螺旋管圈的一些缺點，具有廣泛推廣的價值。本文通過研究探討內(nèi)螺紋管在傳熱特性和壓降特性等方面的優(yōu)點，證明內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁可以采用較低的工質質量流速而不發(fā)生傳熱惡化。本文從理論上證明在強制流動的直流鍋爐中也是有類似于自然