【正文】 5)在超臨界直流工況的計算中認(rèn)為冷灰斗與下輻射區(qū)水冷壁內(nèi)工質(zhì)是密度等物性不斷變化的單相流體，可以按照單相流體壓降公式計算。由前面的原始數(shù)據(jù)與假定的初始數(shù)據(jù)以及對于模型的合理化假設(shè)，可以將計算程序分為兩個模塊，亞臨界直流工況模塊和超臨界直流工況模塊。其中30%BMCR、50%BMCR、70%BMCR三種工況應(yīng)用亞臨界直流工況模塊，80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR三種工況應(yīng)用超臨界直流工況模塊。整個程序的設(shè)計計算主要參考文獻(xiàn)[12]。Fortran其實(shí)是Formula Translate的縮寫，主要用途就是做科學(xué)計算。所以?！謩e代表光管單位質(zhì)量工質(zhì)焓增、飽和水焓、飽和蒸汽焓、水冷壁出口焓；——分別代表光管單相水工質(zhì)段長度、光管兩相工質(zhì)段長度、內(nèi)螺紋管單相水工質(zhì)段長度、內(nèi)螺紋管兩相工質(zhì)段長度和內(nèi)螺紋管單相蒸汽段長度；開 始輸入熱量等原始數(shù)據(jù)調(diào)用水及水蒸汽參數(shù)計算子程序計算管子各段吸熱量和出口焓調(diào)用計算各工質(zhì)段管長計算子程序調(diào)用阻力系數(shù)計算子程序調(diào)用單相流壓降計算子程序調(diào)用兩相流壓降計算子程序計算各壓降及總壓降保存結(jié)果退出圖43 亞臨界直流工況程序流程圖圖44 亞臨界直流工況子程序圖45 超臨界直流工況流程圖 計算結(jié)果與分析該鍋爐水冷壁前后墻各有700根管子，側(cè)墻各有352根管子，在該計算中只計算側(cè)墻的一半，也即352根管子。 亞臨界直流工況流量補(bǔ)償特性亞臨界直流工況具體參數(shù)詳見表42表42亞臨界直流工況計算參數(shù)30%111300120135267150%17130020035284970%21130028033521048利用上節(jié)中的流程圖，通過程序計算，得到亞臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差對應(yīng)值，見表43~表45表43 30%BMCR工況壓降熱偏差對應(yīng)值流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%20%10%010%20%30%表44 50%BMCR工況壓降熱偏差對應(yīng)值流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%20%10%010%20%30%表45 70%BMCR工況壓降熱偏差對應(yīng)值流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%20%10%010%20%30%—熱偏差曲線根據(jù)以上各表數(shù)據(jù)，繪制出亞臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，如圖46~圖48圖46 30%BMCR工況壓降熱偏差曲線圖47 50%BMCR工況壓降熱偏差曲線圖48 70%BMCR工況壓降熱偏差曲線分析圖46~圖48，我們可以得到以下結(jié)論：(1)在三種熱負(fù)荷條件下，隨著吸熱量的增加，總壓降都是下降的。在低質(zhì)量流速的條件下，流動阻力是遠(yuǎn)小于重位壓降的，此時受熱偏高的管子，重位壓降減小的量大于流動阻力增加的量，所以總壓降是減小的，管子會流過更大的流量。(2)比較三圖中總壓降的斜率，發(fā)現(xiàn)圖48總壓降的斜率最小，說明單位吸熱量的增加導(dǎo)致的總壓降減小幅度變小，也就是吸熱量已經(jīng)不容易使總壓降變小。(3)分析比較三種熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，會發(fā)現(xiàn)隨著熱負(fù)荷的提高(從30%BMCR到70%BMCR)，重位壓降變化不大，而流動阻力是增大的，總壓降也是增大的，而流動阻力在總壓降中所占的比例也在增大。超臨界直流工況具體參數(shù)詳見表46表46 超臨界直流工況計算參數(shù)80%2515003201300352160090%28150036014003521720100%30150040015003521850利用上節(jié)中的流程圖，通過程序計算，得到超臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差對應(yīng)值，見表47~表49表47 80%BMCR工況壓降熱偏差對應(yīng)值流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%20%10%010%20%30%表48 90%BMCR工況壓降熱偏差對應(yīng)值流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%20%10%010%20%30%表49 100%BMCR工況壓降熱偏差對應(yīng)值流動阻力(MPa)重位壓降(MPa)總壓降(MPa)30%20%10%010%20%30%—熱偏差曲線根據(jù)以上各表數(shù)據(jù)，繪制出超臨界直流工況三種不同熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，如圖49~圖411圖49 80%BMCR工況壓降熱偏差曲線圖410 90%BMCR工況壓降熱偏差曲線圖411 100%BMCR工況壓降熱偏差曲線分析圖49~圖411，我們可以得到以下結(jié)論：(1) 在三種熱負(fù)荷條件下，隨著吸熱量的增加，總壓降都是上升的。這說明在這三種高熱負(fù)荷條件下，水冷壁內(nèi)工質(zhì)呈現(xiàn)負(fù)的流量補(bǔ)償作用，也即類似與直流鍋爐的直流特性。說明隨著熱負(fù)荷的增大，單位吸熱量的增加導(dǎo)致的總壓降增大幅度變大，也就是吸熱量偏差使總壓降變大的能力增大。(3)分析比較三種熱負(fù)荷的壓降—熱偏差曲線，會發(fā)現(xiàn)隨著熱負(fù)荷的提高(從80%BMCR到100%BMCR)，重位壓降變化不大，而流動阻力是增大的，總壓降也是增大的，而流動阻力在總壓降中所占的比例也在增大。 本章小結(jié)(1)對1000MW超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁作了具體介紹，針對本課題要計算部分下輻射區(qū)和冷灰斗的具體參數(shù)作了詳細(xì)探討。(3)分別對兩種工況下的流量補(bǔ)償特性進(jìn)行計算分析，分析在不同負(fù)荷條件下熱偏差——壓降曲線的走勢變化，從而分析其流量補(bǔ)償特性是自然循環(huán)作用還是直流作用。在這章，將會對該鍋爐的水動力特性進(jìn)行計算，校核水動力單值性。 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(dāng)熱負(fù)荷一定時，工質(zhì)的流量與壓降的關(guān)系，即函數(shù)式ΔP=f（G）。但在蒸發(fā)受熱面中，工質(zhì)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(zhì)的流量會出現(xiàn)很大的差別，同一壓降對應(yīng)兩個或幾個不同的流量，這種流動就是多值性的。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(zhì)流速降低，工質(zhì)流速的下降直到欠焓水占據(jù)整個蒸發(fā)段。這樣，當(dāng)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。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。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。在受熱一定時，如流經(jīng)管子的工質(zhì)流量過小，可能因?qū)茏拥睦鋮s不夠而發(fā)生過熱；如工質(zhì)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。 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(guān)鍵是找到關(guān)系ΔP=f（G），其基礎(chǔ)也是對管子壓降的計算。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(bǔ)償中亞臨界工況和超臨界工況管子壓降計算方法一致的。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(diǎn)，假定每根水冷壁管子經(jīng)過的爐膛熱負(fù)荷區(qū)幾乎相同，選取其中一根管子進(jìn)行計算。管內(nèi)工質(zhì)計算時要確定相變點(diǎn)，以相變點(diǎn)為界，分為相變點(diǎn)前、相變點(diǎn)后兩段分別進(jìn)行水力計算。 水動力特性計算結(jié)果與分析 30%BMCR工況水動力特性已知參數(shù)同流量補(bǔ)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。可以看出，在該工況下水動力特性呈現(xiàn)單值性，水動力穩(wěn)定性好。原因是當(dāng)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(fù)荷條件下，質(zhì)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(zhì)平均比容增大，所以重位壓降增大幅度很大?？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。質(zhì)量流量處于1200~1500kg/h的范圍，對應(yīng)的質(zhì)量流速也遠(yuǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)處于大比熱區(qū)范圍外，工質(zhì)物理性質(zhì)比較穩(wěn)定，比容變化不大，所以質(zhì)量流量增大對重位壓降影響不大。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(zhì)處與亞臨界直流工況到超臨界直流工況的過渡階段，工質(zhì)的熱物理性質(zhì)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(zhì)水在達(dá)到飽和后可以直接汽化為蒸汽，也就是說管內(nèi)工質(zhì)在進(jìn)入超臨界工況后不用經(jīng)過汽化沸騰的過程了，工質(zhì)尤其是下輻射區(qū)工質(zhì)出現(xiàn)流動不穩(wěn)定的可能也變的大大降低了。所以隨著熱負(fù)荷的增加，工質(zhì)質(zhì)量流量也可以大大增加，以滿足出口工質(zhì)流量的需求。圖58代表的是100%BMCR工況下管子根數(shù)與壓降的關(guān)系。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。而流動阻力所占比重較小，工質(zhì)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。當(dāng)管子根數(shù)增加時，在管組總質(zhì)量流量不變的前提下，單根管子的質(zhì)量流量和質(zhì)量流速都要下降，從而造成流動阻力的變小。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(cè)墻選取352根管子，是跟許多因素密切相關(guān)的。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(fù)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(dǎo)致管組吸熱偏差很大，最終導(dǎo)致水動力不穩(wěn)定。分析管子內(nèi)徑與壓降關(guān)系的前提是保證管內(nèi)工質(zhì)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(jié)論。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。管子吸熱量增加會使管內(nèi)工質(zhì)密度減小，從而造成重位壓降的降低。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(guān)系。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(zhì)的質(zhì)量流速降低。而在工質(zhì)物理性質(zhì)基本不變的情況下，工質(zhì)的質(zhì)量流速降低必然會使流動阻力降低，從而造成總壓降降低。如果管子內(nèi)徑很小，那么會造成管內(nèi)質(zhì)量流速大大提高，結(jié)果流動阻力會上升，尤其是100%BMCR工況下，管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)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。圖512 100%BMCR工況壓降管子內(nèi)徑曲線，℃。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(diǎn)是定溫定壓，在這一階段汽化吸收的熱量稱為汽化潛熱。在臨界點(diǎn)處，水的比熱容為無窮大。通常稱最大比熱容點(diǎn)的溫度為擬臨界溫度，并將這一點(diǎn)作為相變點(diǎn)。如流體的密度顯著減小，比容顯著增大，粘度與導(dǎo)熱系數(shù)也顯著減小。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。在超臨界壓力工作的水冷壁，管內(nèi)工質(zhì)溫度處于對應(yīng)壓力下的大比熱區(qū)范圍，隨著工質(zhì)吸熱量增加，工質(zhì)溫度變化不大，而工質(zhì)比容急劇增大，溫導(dǎo)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(zhì)對管壁的傳熱變差，導(dǎo)致類膜態(tài)沸騰。對應(yīng)比熱最大的溫度點(diǎn)叫擬臨界溫度。(2)工質(zhì)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。圖513為超臨界壓力下大比熱特性。原因主要有：(1)管子內(nèi)壁處流體溫度較高，導(dǎo)熱系數(shù)卻降低，使導(dǎo)熱性差的流體與管子內(nèi)壁接觸，當(dāng)工質(zhì)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(jī)會就會增加。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(dāng)增大工質(zhì)質(zhì)量流速，以保證水冷壁管子的足夠冷卻。圖514超臨界壓力下工質(zhì)的比容 本章小結(jié)(1)對該鍋爐水動力特性，即壓降——流量數(shù)據(jù)及曲線進(jìn)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(jié)論。(3) 研究該鍋爐水冷壁的管子內(nèi)徑與壓降的影響關(guān)系，分析得到鍋爐采用現(xiàn)有管子內(nèi)徑的原因。第六章 結(jié)論與展望垂直管屏水冷壁一般不適合作變壓運(yùn)行，可是采用低質(zhì)量流速的內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁卻能夠作變壓運(yùn)行，它不僅保持了螺旋管圈鍋爐運(yùn)行上的眾多優(yōu)點(diǎn)，而且還克服了螺旋管圈的一些缺點(diǎn)，具有廣泛推廣的價值。本文從理論上證明在強(qiáng)制流動的直流鍋爐中也是有類似于自然循