【正文】 定系數(shù) [24]。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krmax,? 達(dá)到 ～ ，甚至以上的數(shù)值[23]。 (a) (b) 圖 32 沿?zé)煹缹挾任鼰岵痪禂?shù)分布 第 3 章 過熱器熱偏差基本計(jì)算方法 13 根據(jù)國內(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) krmax,? 的一般在 ～ 范圍內(nèi)。 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。 沿爐膛寬度熱負(fù)荷不均勻系數(shù) kr? 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 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 于程序計(jì)算。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)。 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]。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。 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?，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)。 第 3 章 過熱器熱偏差基本計(jì)算方法 11 第 3 章 過熱器熱偏差基本計(jì)算方法 概述 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。 再熱器受熱面有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一是管組中并聯(lián)管子數(shù)目多，管徑粗，管組的設(shè)計(jì)阻 力 0p? 小 ；二是蒸汽參數(shù)低，蒸汽在集箱中的流速高，分配、匯流集箱中的動(dòng)壓頭和最大靜壓差 fp? 和 hp? 較大。當(dāng)同屏熱偏差很大時(shí)，由蒸汽比體積引起的流量偏差也會(huì)有 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 一定的數(shù)值 [17]。 過熱系統(tǒng)管組易產(chǎn)生流量不均的類型 屏式過熱器同一片屏中的并聯(lián)管排數(shù)目一般不算較多，集箱中的最大蒸汽流速較低，集箱中軸向靜壓變化所引起的屏間流量偏差不是很大。至于管材不同時(shí)，按我國“電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算計(jì)算方法”中的數(shù)據(jù)計(jì)算，在管子內(nèi)徑為 ～ 范圍內(nèi)，奧氏體鋼的每米摩擦阻力系數(shù) o? 值是珠光體鋼 o? 值的 ～ 左右。 由流體力學(xué)的理論可以知道，管子的折算阻力系數(shù) Z 的表達(dá)式： ??? ?? dlZ （ 25） 其中： λ 、 ζ — 分別為管子的摩擦阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)； l、 d — 分別為管子的長度和管子內(nèi)徑。 引起管間流量偏差的原因 大型鍋爐的過熱器、再熱器管束由多列并聯(lián)的管屏組成，每片管屏并聯(lián)的管子根數(shù)一般都在 4 根以上，多的達(dá)到 15 根以上 [2]。 第 2 章 過熱器系統(tǒng)的熱偏差理論分析 9 (a)Z型 (b)U型 圖 26集箱及其靜壓變化 根據(jù)國內(nèi)對(duì)過熱系統(tǒng)帶三通集箱流量分布的冷態(tài)?；囼?yàn)結(jié)果分析知道：在集箱三通區(qū)域氣流急轉(zhuǎn)形成渦流，渦流區(qū)的靜壓急劇降低是造成該區(qū)域管排流量減少進(jìn)而導(dǎo)致受熱面超溫爆管的主要原因 [28]。分配集箱和匯流集箱的引 入和引出方式既非軸向又不是沿徑向均勻分布的。典型集箱布置型式如 Z 型和 U 型，集箱中靜壓變化情況如圖 23（ a）和圖 23（ b）所示。現(xiàn)代大型鍋爐由于煙道寬度尺寸相對(duì)鍋爐容量的增加而增長較慢以及為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的充分混合，多采用大口徑連接管集中引入引出，集箱 的效應(yīng)在熱偏差計(jì)算中不可忽視 [12]。由于屏間和管間熱負(fù)荷不均的存在而導(dǎo)致各管圈吸熱量的不同，必然加劇各管圈流量分配的不均性。熱效流量偏差是由于各管圈吸熱量差異引起的。根據(jù)研究結(jié)果，引起工質(zhì)流量分配不均的原因可以歸結(jié)為三方面的原因 [11]： （ 1）由集箱效應(yīng)引起的屏（片）間流量分配不均； （ 2）由于各排管子結(jié)構(gòu)差異引起的管間流量不均； 由流體力學(xué)的基本理論： ?221 ZGp?? （ 24） 可知，壓差一定時(shí)，阻力系數(shù) Z 與流量 G 的平方成反比，所以管子結(jié)構(gòu)的差異將引起管子流量分配的不均。 總之，由于影響爐內(nèi)燃燒工況的因素復(fù)雜多變，運(yùn)行調(diào)整工況的優(yōu)劣也影響到煙溫偏差的大小。 (4)煙氣走廊對(duì)流煙道中過熱器和再熱器受熱面下沿與煙道底部壁面之間通常存在比較大的空隙，即所謂的煙氣走廊，由于此區(qū)域的阻力較小，從爐膛出口流出的 部分煙氣流向這里，使該處的煙速煙溫偏差加大。 (3)燃燒假想切圓直徑國內(nèi)外的試驗(yàn)及運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)，切向燃燒爐膛中的實(shí)際切圓直徑遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)值大，且實(shí)際切圓直徑隨假想切圓直徑增大而增大。 第 2 章 過熱器系統(tǒng)的熱偏差理論分析 7 圖 21 爐膛燃燒器處斷面形狀 (2)爐膛燃燒高度煙溫偏差與燃燒器最上層含粉氣流噴口至水平煙道下沿的距離 h 有關(guān)， h 越大，爐膛水冷壁受熱面的冷卻能力越強(qiáng)，氣流旋轉(zhuǎn)衰減的歷程越長，爐膛 出口殘余旋轉(zhuǎn)越小，爐膛出口平均煙溫越低，煙溫偏差就越小。 爐膛結(jié)構(gòu)因素 [9] (1)爐膛斷面形狀燃燒器四角布置切向燃燒的爐膛，若爐膛斷面設(shè)計(jì)成正方形或接近正方形，即爐膛寬深比 a/b 時(shí)，由于燃燒器幾何軸線與相鄰爐墻夾角α和β不等，如圖 22 中所示，所造成的兩側(cè)補(bǔ)氣條件差異不 會(huì)很大。 影響煙溫偏差大小的因素 現(xiàn)代鍋爐向大容量、高參數(shù)發(fā)展，爐膛斷面和煙道 寬度相應(yīng)增大，爐膛火焰中心容易發(fā)生偏斜，爐內(nèi)沿高度及寬度的熱負(fù)荷分布不均，而且隨容量的增加，爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)相應(yīng)增大，致使對(duì)流煙道內(nèi)的煙速煙溫偏差更加嚴(yán)重。屏區(qū)左右兩側(cè)氣流流動(dòng) ,這樣就 造成爐膛出口截面上總體形成右側(cè)煙速大于左側(cè)的分布狀況，而且整個(gè)截面上的速度分布實(shí)質(zhì)上是沿高度和寬度方向上均呈現(xiàn)明顯的不均勻性，也就是在對(duì)流煙道入口截面的下部，右側(cè)煙氣平均速度顯著大于左側(cè)，而在上部則是左側(cè)氣流平均速度大于右側(cè)，最大煙氣流速出現(xiàn)在水平煙道的右下側(cè)。對(duì)于爐內(nèi)左側(cè)氣流，其切向速度方向與對(duì)流煙道煙氣流動(dòng)方向相反，在軸向上升速度的作用下，氣流流向爐前方向，由于前墻的阻擋作用，大部分煙氣經(jīng)屏區(qū)上部轉(zhuǎn)向流入對(duì)流煙道，一部分煙氣則經(jīng)過分割屏與前墻的間隙繞流至屏區(qū)右側(cè)。此外，鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)的非正常工況也會(huì)引起或加劇煙氣側(cè)熱偏差 [7]。對(duì)流煙道煙速煙溫偏差是受熱面沿?zé)煹缹挾任鼰岵痪?、?dǎo)致熱偏差的一個(gè)重要原因。但隨著機(jī)組容量的增大，四角切向燃燒鍋爐過熱系統(tǒng)的局部超溫爆管問題比較突出。 由 和 可 以得到： GHqoPopopGGHHqq???? ?? 1 (23) 式子中 op qq /??? ， OpH HH /?? 和 OpG GG /?? 分別稱為熱負(fù)荷不均勻系數(shù)，結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù)和流量不均勻系數(shù) [6]。 0hhp???? （ 21） 式子中角標(biāo) o 和 p 分別表示整個(gè)管組的平均值和所檢測(cè)管子（“偏差管”）的特定值。為了分析各根管子的熱偏差程度大小，為此引入平均管、偏差管及熱偏差系數(shù)的定義。這些因素也會(huì)對(duì)管子金屬壁溫的超溫起到一定的不利作用。其它 4 個(gè)因素與運(yùn)行的關(guān)系不大 , 基本上決定于熱力性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (5) 由前一級(jí)管組出口的溫度偏差攜帶到本級(jí)管組進(jìn)口的溫度偏差。 例如 , 一片管屏的外圈管所吸收的屏前煙氣的輻射熱量就要比平 均管大好幾倍。 如果出口溫度高 , 反過來又會(huì)進(jìn)一步減小蒸汽流量 。 (3) 一片屏中各根管子的蒸汽流量的偏差 ,這是由于各根管子的阻力系數(shù)以及蒸汽溫度不同所引起的 。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 第 2章 過熱器系統(tǒng)的熱偏差理論分析 概述 電站鍋爐在運(yùn)行中的熱偏差由下列 5 個(gè)方面的因素造成 [5]: (1) 一個(gè)管組沿?zé)煹缹挾雀髌恋奈鼰崃科?, 這是由煙氣溫度和流速場(chǎng)的不均勻所引起 的 。 料、數(shù)據(jù)的收集與分析工作，在引起過熱系統(tǒng)熱偏差原因的系統(tǒng)研究基礎(chǔ)之上，建立合理的熱偏差及壁溫計(jì)算模型，制定科學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法，以求能夠獲得比較準(zhǔn)確的管屏壁溫分布，確定過熱系統(tǒng)受熱面的危險(xiǎn)部位，以便采取相應(yīng)的措施減少或防止事故的發(fā)生。 課題研究的方法 論文以熱偏差的綜合理論研究成果為基礎(chǔ)，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，采用適合的數(shù)值計(jì)算方法，以 330MW 亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐為例，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算分析。 、高溫過熱器及高溫再熱器熱 偏差和壁溫?cái)?shù)值計(jì)算方法的分析與研究包括建立受熱面合理的蒸汽流量分配計(jì)算模型、熱偏差計(jì)算模型、壁溫計(jì)算模型以及數(shù)值計(jì)算方法的實(shí)現(xiàn)等。 引起鍋爐過熱器受熱面熱偏差、造成超溫爆管事故的原因復(fù)雜多樣，為系統(tǒng)分析與研究熱偏差的成因和因素的影響規(guī)律，課題布置了以下內(nèi)容： 第 1 章 緒 論 3 課題研究內(nèi)容與方法 課題研究內(nèi)容 引起鍋爐過熱器受熱面熱偏差、造成超溫爆管事故的原因復(fù)雜多樣，為系統(tǒng)分析與研究熱偏差的成因和因素的影響規(guī)律，課題布置了以下 內(nèi)容： （ 1）典型燃燒方式下的煙氣側(cè)熱偏差分析，以四角切向燃燒方式為重點(diǎn)，具體分析造成煙速、煙溫偏差的爐內(nèi)燃燒過程特點(diǎn)，涉及爐膛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸，燃燒器結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置及層數(shù)投停方式和運(yùn)行中燃料、空氣配送均勻性、合理性，燃料特性以及爐內(nèi)氣流動(dòng)力場(chǎng)等燃燒調(diào)整狀況。導(dǎo)致過熱器局部超溫爆管的原因復(fù)雜多樣，它與燃燒方式、受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各級(jí)受熱面系統(tǒng)布置形式、管壁材料選用及鍋爐運(yùn)行工況等因素都有關(guān)系，如何保證過熱器和再熱器安全運(yùn)行愈 加成為鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的難題。對(duì)于大量采用的異徑三通引起的渦流問題和過熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，沒有進(jìn)行全面的科研攻關(guān)。 就鍋內(nèi)側(cè)因素如因集箱軸向靜壓分布不均造成的管屏間流量偏差和同屏各管阻力不均導(dǎo)致的管間流量偏 差問題，國內(nèi)學(xué)者做了比較深入的研究工作，獲得了較為成熟的理論成果，并運(yùn)用于實(shí)踐，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 多年來，國內(nèi)鍋爐技術(shù)人員對(duì)切向燃燒鍋爐的熱偏差問題進(jìn)行了不斷的探討和研究，取得了不少的成果。 國內(nèi)外研究成果和發(fā)展動(dòng)態(tài) 四角布置切向燃燒鍋爐是我國大型火力發(fā)電廠的主要爐型，這種鍋爐的優(yōu)點(diǎn)是煤粉湍流混合度強(qiáng)、燃燒效率高、煤種適應(yīng)性廣。大量運(yùn)行實(shí)踐表明，采用以往計(jì)算方法設(shè)計(jì)的受熱 面最大允許壁溫往往偏低，而且壁溫變化規(guī)律不合理，甚至同國外先進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果相反?，F(xiàn)代大型機(jī)組的發(fā)展有以下幾大特點(diǎn) [2]： （ 1）由于爐膛受熱面相對(duì)減少，過熱器、再熱器受熱面前移，這些高溫受熱面工作在比以往更高的煙溫區(qū)； （ 2）現(xiàn)代鍋爐普遍采用布置在爐膛上部的屏式過熱器，由于輻射熱分布極不均勻，容易造成較大的同屏熱偏差； （ 3）隨機(jī)組容量增大，爐膛寬度相對(duì)減少，為 防止受熱面結(jié)渣和積灰而必然放大管束的橫向節(jié)距，同時(shí)還要增加同屏管子的套數(shù)，于是增加了同屏熱偏差的幅度； （ 4）由于爐膛相對(duì)寬度減少以及簡(jiǎn)化系統(tǒng)等原因，各級(jí)受熱面之間往往采用大口徑管道連接，從而可能加大沿集箱軸向流量分布的不均勻性； （ 5）由于沿對(duì)流煙道高度方向的尺寸增加，上下部分之間的煙溫偏差對(duì)壁溫的影響不可忽視； （ 6）現(xiàn)代高溫受熱面管子普遍采用變管徑或采用節(jié)流圈來調(diào)整同屏流量偏差 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 以便控制壁溫。我國制造的某些機(jī)組高檔合金鋼的使用量往往大于從國外引進(jìn)的同類機(jī)組，這對(duì)于我國的機(jī)組在國際電力 市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)也是一個(gè)極為不利的因素。經(jīng)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，由此問題引起的非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間占總停 運(yùn)時(shí)間的 20%左右，少發(fā)電量占總發(fā)電量的 25%左右 [1]，這不僅給國民經(jīng)濟(jì)造成了很大損失，而且使我國本已緊張的供電形勢(shì)更加不利，制約了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。過熱器和再熱器作為鍋爐機(jī)組的重要部件，其可靠運(yùn)行對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行無疑有著非常重要的意義。計(jì)算結(jié)果證明本文采用的計(jì)算方法較為合理，能夠反映受熱面的實(shí)際熱偏差狀況，對(duì)于過熱系統(tǒng)