【正文】 本文通過(guò)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(diǎn)，證明內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁可以采用較低的工質(zhì)質(zhì)量流速而不發(fā)生傳熱惡化。(4)研究該鍋爐熱負(fù)荷與壓降的影響關(guān)系。(2)研究該鍋爐水冷壁的管子根數(shù)與壓降的影響關(guān)系，分析得到鍋爐采用現(xiàn)有管子根數(shù)的原因。(2)應(yīng)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?yàn)樵谌紵鳌⑷急M風(fēng)區(qū)段水冷壁的熱負(fù)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(diǎn)下移到燃燒器區(qū)域，即防止工質(zhì)對(duì)應(yīng)壓力下的大比熱區(qū)處于受熱最強(qiáng)的燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)域。(2)大比熱區(qū)工質(zhì)比容的急劇變化必然導(dǎo)致工質(zhì)的膨脹量增大，從而引起水動(dòng)力不穩(wěn)定，并且此時(shí)由于導(dǎo)熱系數(shù)降低，導(dǎo)致管子金屬溫度升高。圖513超臨界壓力下大比熱特性西安交通大學(xué)和哈爾濱鍋爐廠的研究認(rèn)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(duì)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(zhì)量流速，處于大比熱區(qū)的工質(zhì)也有可能發(fā)生水動(dòng)力不穩(wěn)定或類(lèi)膜態(tài)沸騰。(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(zhì)熱物理特性參數(shù)變化(即比熱、比容、溫導(dǎo)系數(shù))逐漸減弱。在大比熱區(qū)內(nèi)，工質(zhì)溫度隨吸熱量變化不大；在大比熱區(qū)外，工質(zhì)溫度隨吸熱量變化很大。不管是螺旋管圈水冷壁還是垂直管屏水冷壁面對(duì)擬臨界工況都具有相同的特性：(1)對(duì)應(yīng)一定壓力，工質(zhì)存在一個(gè)大比熱區(qū)?；蛳嘧儏^(qū)。擬臨界溫度隨壓力的增加而增加，而與其對(duì)應(yīng)的焓值則變化不大。在這一區(qū)域內(nèi)，流體的物性劇烈變化。在超臨界壓力下，也存在比熱容的峰值區(qū)。隨著壓力增加，汽化潛熱逐漸減小，到臨界壓力時(shí)，汽化潛熱為零，即汽化在一瞬間完成。在臨界點(diǎn)上，水與汽的參數(shù)完全相同。如果管子內(nèi)徑很大，管內(nèi)阻力會(huì)下降很多，但也有可能會(huì)造成傳熱惡化，水動(dòng)力不穩(wěn)定。(3)。由于管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量不變，吸熱量基本不變，所以管內(nèi)工質(zhì)物理性質(zhì)基本不變，所以重位壓降基本保持不變。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(dòng)阻力和總壓降顯著降低。管內(nèi)工質(zhì)流量不變，那么在吸熱量不變(變化不大)的情況下，工質(zhì)蒸發(fā)汽化的程度不變也就是質(zhì)量含汽率基本不變，而管內(nèi)工質(zhì)總的質(zhì)量流速在降低，所以流動(dòng)阻力會(huì)降低。管子內(nèi)徑增大會(huì)使管子吸熱量稍有增加，同時(shí)在保持管內(nèi)工質(zhì)流量不變的前提下，管子內(nèi)徑的增大也會(huì)使管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速降低。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(guān)系。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(guān)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(guān)系。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(huì)迅速上升，尤其是在100%BMCR高質(zhì)量流速的條件下，當(dāng)管子根數(shù)減少到250根左右時(shí)，那么整個(gè)水冷壁的總阻力就會(huì)增大很多，增大了水泵壓頭，增加了損耗。重位壓降變化不大，因?yàn)榇藭r(shí)工質(zhì)處于超臨界狀態(tài)，工質(zhì)物理性質(zhì)比較穩(wěn)定，加上此時(shí)管內(nèi)工質(zhì)處于高質(zhì)量流量或高質(zhì)量流速范圍，管子根數(shù)的變化首先導(dǎo)致工質(zhì)流量降低，直接影響到流動(dòng)阻力降低，但工質(zhì)流量仍處于高質(zhì)量流量，可能下輻射區(qū)出口處工質(zhì)會(huì)進(jìn)入工質(zhì)大比熱區(qū)，工質(zhì)物態(tài)會(huì)發(fā)生急劇變化，而其余管段內(nèi)工質(zhì)物態(tài)仍是比較穩(wěn)定，所以重位壓降變化不大。(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(dòng)阻力所占比重比較大。這是由于在保證水冷壁出口工質(zhì)流量的前提下，如果管子根數(shù)增加了，那么單根管子工質(zhì)流量就會(huì)減少，在低負(fù)荷低質(zhì)量流速的條件下，意味著受熱增加，管內(nèi)工質(zhì)密度會(huì)減小，重位壓降就會(huì)降低。分析四種工況的曲線可以得到以下結(jié)論。圖53 壓降與熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)曲線圖54 30MPa工質(zhì)的熱物性 管子根數(shù)與壓降的關(guān)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(guān)系。如圖54代表的是30MPa壓力下工質(zhì)的熱物理性質(zhì)變化。 其他因素對(duì)壓降的影響 熱負(fù)荷與壓降的關(guān)系如圖53，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。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(shuō)明重位壓降有利于上升立置管屏流動(dòng)的穩(wěn)定性。 100%BMCR工況水動(dòng)力特性表52 100%BMCR工況壓降流量對(duì)應(yīng)值流量(kg/h)流動(dòng)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。質(zhì)量流量處于350~650kg/h的范圍，對(duì)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(guò)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。計(jì)算結(jié)果如下表表51 30%BMCR工況壓降流量對(duì)應(yīng)值流量(kg/h)流動(dòng)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。在計(jì)算中不考慮加速壓降的影響。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。下面再簡(jiǎn)單介紹下管子壓降計(jì)算方法。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。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(guò)這種計(jì)算校核流動(dòng)的單值性并且確定給水泵的壓頭。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(duì)變化不超過(guò)壓降相對(duì)變化的三倍。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(zhǎng)度增加，阻力增大，使水動(dòng)力趨于單值性。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。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。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(guò)冷水的熱量增多，即熱水段會(huì)增長(zhǎng)。當(dāng)工質(zhì)為單相（水或蒸汽）時(shí)，每一工質(zhì)流量對(duì)應(yīng)于一定的壓降，即所謂流動(dòng)的單值性。另外，對(duì)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(duì)壓降的影響，得到一些對(duì)水冷壁設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行的有用數(shù)據(jù)。第五章 水動(dòng)力計(jì)算和其它因素對(duì)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(duì)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。(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。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。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(duì)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。(2) 比較三圖中總壓降的斜率，發(fā)現(xiàn)圖49總壓降的斜率最小，而圖411總壓降的斜率最大。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(guò)工質(zhì)的量會(huì)減少。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。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(duì)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。這說(shuō)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(lèi)似與汽包爐的自然循環(huán)作用。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。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。下面給出流量補(bǔ)償計(jì)算的流程圖，首先給出圖44中符號(hào)代表的意義。：它是一種編譯語(yǔ)言，運(yùn)行速度快；具有高級(jí)語(yǔ)言易讀，易寫(xiě)的優(yōu)點(diǎn)；具有固定和自由兩種格式，方便用戶選擇；該語(yǔ)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。該語(yǔ)言是三大科學(xué)計(jì)算軟件之一。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(jiǎn)單。如計(jì)算流程圖圖。(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(duì)流量補(bǔ)償特性影響不大。(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(zhǎng)度比較短，忽略其密度的變化。(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。在編制程序之前先對(duì)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(jiǎn)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。由以上對(duì)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。圖42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。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(guò)臨界點(diǎn)。分析管內(nèi)工質(zhì)壓降隨熱流密度變化的趨勢(shì)，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。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)。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。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。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)。在啟動(dòng)過(guò)程中再循環(huán)泵的最大實(shí)際流量為20%BMCR。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。分離器和貯水箱由低鉻鋼SA38711制成，配兩臺(tái)汽水分離器和一只分離器貯水箱。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(lèi)膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。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(guò)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。厚度為6mm，材質(zhì)為SA387121。制粉系統(tǒng)為配6臺(tái)中速磨煤機(jī)的直吹式系統(tǒng)。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)。 1000MW超超臨界鍋爐水冷壁簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)的首次用戶為浙江玉環(huán)電廠。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(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究。(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(zhǎng)分布均勻的假設(shè)簡(jiǎn)化了該問(wèn)題的計(jì)算。(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?tīng)顟B(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。 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。因此，要對(duì)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(wèn)題，否則會(huì)使結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際情況。 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。 兩相流體的流動(dòng)阻力(1)兩相流體的摩擦阻力 (316) (317) (318)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) (319)3)當(dāng)時(shí) (320)(2)兩相流體的局部阻力 (321)——兩相流體的局部阻力系數(shù)，目