超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流动特性研究硕士毕业论文

1、超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流动特性研究 研究方向:电站热力设备状态监测与控制。 摘要本文编制了超临界锅炉垂直管屏水冷壁和螺旋管圈水冷壁水动力特性的各种计算程序，对比分析了两种类型锅炉水冷壁在不同热负荷、热偏差、入口焓和不同质量流量下的水动力特性。结果验证了垂直管屏水冷壁在高质量流量下的强制流动特性和低质量流量下的自然循环补偿特性，以及上述参数对其的具体影响，而螺旋盘管水冷壁由于其特殊的结构，在满负荷附近具有较大的摩擦压降，水动力特性不是很理想。此外，还分析了热负荷、质量流量和入口焓三个因素对水动力多值的具体影响。关键词:超超临界锅炉，流动特性，垂直管屏，螺旋盘管，下辐射区水冷壁。 目录中文摘要

2、英文摘要TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543815 第一章引言1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543816 1.1 课题研究的背景与意义1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543817 1.2 超临界锅炉的发展动态与研究成果1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543818 1.3本论文的主要研究容2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543819 1.3.1 水冷壁水动力特性的计算研究方案2 HYPERLINK l _R

3、efHeading_Toc248543820 1.3.2 螺纹管水冷壁的水动力特性的影响因素3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543821 1.3.3 水动力多值性方面的理论研究3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543822 1.4 小结3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543823 第二章超临界锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁简介4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543824 2.1 超超临界锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁与其特点4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc

4、248543825 2.2 螺纹管的工作原理与传热特性7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543826 2.3 小结8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543827 第三章超临界直流锅炉水冷壁运行方式与其特性分析9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543828 3.1 超临界机组水冷壁水动力特性的定性分析9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543829 3.1.1 螺纹管垂直管屏水冷壁水动力特性分析10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543830 3.1

5、.2 螺纹管螺旋管圈水冷壁水动力特性分析12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543831 3.2小结13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543832 第四章超临界锅炉水动力计算所应用的数学模型14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543833 4.1汽液两相流简介14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543834 4.1.1 汽液两相流的定义与应用14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543835 4.1.2 汽液两相流的研究模型14 HYPERLIN

6、K l _RefHeading_Toc248543836 4.2 单相流体各种压降的计算方法15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543837 4.2.1 单相流体的加速压降计算方法15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543838 4.2.2 单相流体的摩阻压降计算方法16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543839 4.2.3 单相流体的重位压降计算方法18 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543840 4.3 两相流体压降的计算方法18 HYPERLINK l _RefHea

7、ding_Toc248543841 4.3.1 两相流体的加速压19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543842 4.3.2 两相流体的摩阻压降计算方法19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543843 4.3.3 两相流体的重位压降计算方法20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543844 4.4 亚临界压力下工质状态转变点位置确定的重要性21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543845 4.5 小结21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543846

8、 第五章超超临界锅炉水冷壁水动力特性的定量计算与对比分析23 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543847 5.1 水动力特性计算模型的建立23 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543848 5.2 各种类型水冷壁计算结果与分析27 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543849 5.2.1 玉环电厂超临界锅炉垂直管屏水冷壁的水动力特性分析27 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543850 5.2.2 邹县电厂超临界锅炉螺旋管圈水冷壁的水动力特性分析35 HYPERLINK l _Re

9、fHeading_Toc248543851 5.3 超临界锅炉水冷壁水动力多值性的几个影响因素分析42 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543852 5.3.1 热负荷对多值性的影响42 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543853 5.3.2 入口欠焓对多值性的影响43 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543854 5.3.3 质量流速对多值性的影响44 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543855 5.4 小结45 HYPERLINK l _RefHeading_Toc24854

10、3856 第六章结论与展望46 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543857 6.1 结论46 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543858 6.1.1 玉环电厂在不同工况下的水冷壁水动力特性46 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543859 6.1.2 与邹县电厂水冷壁在水动力特性方面的对比47 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543860 6.1.3 锅炉水冷壁水动力多值性的计算48 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543861 6.1.4 工质大比热

11、特性对水动力的影响48 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543862 6.2 展望49 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543863 参考文献50 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543864 致53 HYPERLINK l _RefHeading_Toc248543865 在学期间发表的学术论文和参加科研情况54第一章导言能源是人类生产和生存的重要物质基础。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，对能源的需求也在不断增加。因此，合理开发能源，提高能源利用的综合效益越来越重要。因此，为了节约能源消耗和减少环

12、境污染，我们应该大力发展洁净煤技术，而这种技术的一个主要特点就是超临界和超超临界技术。超临界机组的主要设备是锅炉和汽轮机，是一种节能、高效、大型的火力发电机组12。其主要特点是煤耗低、效率高、变压运行等。可见它符合我国能源高效利用的要求，应该引起我们的重视。1.1研究的背景和意义超临界是一个热力学概念，超临界机组是指蒸汽压力达到超临界状态的发电机组。超临界和超超临界机组最大的优点是可以大大提高循环热效率，降低发电煤耗。但也需要提高金属材料的档次和金属零件的焊接技术水平。世界主要工业国家都非常重视超临界和超超临界技术的发展，原超临界机组的数量和总容量均居世界首位。美国、德国、日本等国家也有相当数

13、量的超临界机组。目前，日本是世界上超临界机组技术最先进的国家。技术先进的主要表现是变压运行技术成熟，发电煤耗低。目前，日本正在开发更适用于超临界机组的高强度耐热金属材料，并利用螺纹管垂直管屏水冷壁实现了新一代变压运行技术。超临界机组的蒸汽参数大于临界压力，蒸汽和水的密度基本相同，没有明显的边界。锅炉水冷壁首先受到影响。超临界锅炉的水冷壁不能采用传统汽包锅炉的自然循环方式，而必须采用强制流动方式，即以直流运行方式为主，也可以采用部分复合循环方式。超临界锅炉的水冷壁结构设计主要有两种:一种是螺旋盘管水冷壁，另一种是垂直管屏水冷壁34。两种水冷壁各有优缺点，要根据实际情况选择。一般来说，垂直管屏水冷

14、壁的直流锅炉不适合变压运行，但采用一些新技术也有可能实现变压运行。例如，螺纹管垂直管屏变压操作技术已有一些实际应用的例子。在这种背景下，我开展了我的论文，希望能为超临界和超超临界锅炉的实际设计和安全运行提供一些参考。1.2超临界锅炉的发展趋势和研究成果美国是发展超临界技术最早的国家。早在20世纪50年代初，美国就开始了探索性的实验研究。美国第一台超临界机组蒸汽参数高达3lMPa。在技术研发过程中，片面追求高效率，不管工业实力和技术水平如何，都付出了很大的代价。此外，由于美国煤价较低，效率提升的意义并没有想象中那么明显，超临界机组变负荷调峰能力差等因素的综合作用，导致超临界机组的经济效益并不突出

15、。发展超临界机组技术最具决定性的途径是前置机组。经过全面的技术经济比较和理论分析，千联股份明确了发展超临界机组的战略和方向。虽然过程并不顺利，遇到了很多困难，但仍然坚持300MW以上的各型火电机组都采用超临界参数。前联盟研发的超临界机组基本都是基于自己的技术，与世界沟通不足。技术开发更新周期长，说明工艺粗糙，锅炉体积大，金属性能和检验手段有待提高。与其他发达国家相比，在自动控制系统、辅机、阀门、吹灰装置等方面还有较大差距。超临界机组技术在日本起步较晚，但采用引进、模仿、创新相结合的战略思路，取得了良好的发展态势。目前，该机组因其效益好、效率高、煤耗低、技术更新周期短，已成为超临界机组技术发展的

16、领先国家之一。日本发展超临界机组的策略与美国形成了明显的对比。日本的发展模式避免了超临界机组发展过程中的许多必要挫折，借鉴了世界成熟的经验，实现了技术的跨越式发展，为我国超临界技术的发展提供了一定的借鉴5。随着近年来我国超临界锅炉的发展和进步，我国学者做了大量的工作。特别是在螺纹管的传热和流体力学特性研究方面67，交通大学的丁宽教授等人依托动力工程多相流国家重点实验室，对超临界锅炉螺纹管的流动和传热特性做了许多实验研究。实验获得了壁温分布、单相和两相对流放热系数、传热恶化的临界条件、干燥后的放热系数以及与螺纹管的摩擦压降等重要数据。在超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压运行特性的研究方面，樊全贵教授对

17、1000MW超临界机组锅炉垂直管屏水冷壁进行了详细的理论分析。重点分析了低质量流量下热偏差对变压运行水冷壁水动力特性的影响，为我国超临界锅炉水冷壁技术的发展和进步提供了有价值的参考9。1.3本文的主要研究内容1.3.1水冷壁水动力特性计算及研究方案本文主要参考电站锅炉的水动力计算方法，确定了垂直管屏和螺旋盘管水冷壁的工质压降计算方法，包括超临界压力和亚临界压力下单相流和两相流的压降计算方案10。据此计算了玉环电厂垂直管屏水冷壁和邹县电厂螺旋管圈水冷壁压降特性与下辐射区出口工质温度特性的关联能力，并通过计算得出了热负荷和水冷壁类型对水动力特性的具体影响。1.3.2螺纹管水冷壁水动力特性的影响因素

18、本文首先介绍了超临界锅炉水冷壁的几种主要类型。通过编程计算，深入探讨了垂直管屏水冷壁和螺旋管圈水冷壁的热负荷、入口焓、质量流量等水动力特性的影响因素，得出了它们对不同类型水冷壁的不同影响结果，并说明了各自的优缺点。最后，通过比较，重点介绍了螺纹管垂直管屏水冷壁的技术特点及其变压运行的优缺点。1.3.3水动力多值的理论研究流体力学多值11的具体表现是，对于一组平行管，有的管质量流量大，有的管质量流量小。一旦出现这种情况，水冷壁就会在不安全的状态下工作。本文通过对管内工质压降的计算，得出了热负荷、质量流量、入口焓等不同因素对流体动力多值的影响，并绘制了曲线进行必要的分析。所得结论对超临界锅炉水冷壁

19、的安全稳定运行具有一定的实用参考价值。1.4摘要本章简要介绍了本文的研究背景和意义，说明了超临界和超超临界锅炉的发展历史、技术优势和良好前景，然后阐述了近年来国外超临界技术的发展趋势和研究成果。最后，对本文的具体研究内容做了简明的总结，让读者对论文有一个大致的了解。为了对超临界锅炉垂直管屏进行深入的研究，我们有必要对垂直管屏水冷壁的某些特性进行研究。第二章:超临界锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁简介。为了提高发电效率，降低机组成本和发电成本，使新建火电机组向高参数、大容量的超临界机组发展，为了使变压锅炉能以每分钟5%或更快的速度改变负荷，完成频繁启动，同时也能满足煤种变化的要求，目前超临界锅炉的水冷壁

20、结构设计主要有两种，一种采用螺旋盘管水冷壁；另一种是垂直管屏水冷壁12。下面我们将针对玉环电厂和邹县电厂具体分析比较两种不同结构的水冷壁，从而得出超临界锅炉垂直管屏水冷壁在水动力特性方面的不同特点。2.1超超临界锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁及其特点由于螺纹管的结构特点，其传热性能和流体力学特性明显优于光管。它在锅炉中的应用为直流锅炉水冷壁采用垂直管屏式开辟了一条新的途径。早在本世纪70、80年代，三菱重工等公司针对变压超临界机组的优点和传统螺旋管圈水冷壁在复杂结构上的缺点，在复合循环锅炉长期运行经验的基础上，开始开发研究超临界锅炉的垂直管屏水冷壁，利用螺旋管圈在抑制传热恶化和良好流体力学特性方面的

21、优势。20世纪80年代中期，日本三菱重工在超临界领域取得重大突破，同时开发生产了世界上第一台带一次上升盘管的超临界锅炉变压运行机组，在日本多个电厂投入运行。我国锅炉厂采用三菱重工的技术成功生产了1000MW超超临界立式管屏水冷壁锅炉机组，并在玉环电厂成功投运，至今运行稳定。垂直管屏水冷壁的主要优点1314是:(1)具有结构简单、制造容易、工厂组装率高、安装吊挂方便等优点，许多生产工艺与成熟的亚临界锅炉水冷壁相似；(2)质量流量比螺旋盘管水冷壁小，工质流量比螺旋盘管水冷壁短得多，所以系统阻力小，降低了给水泵的功耗；(3)螺纹管的使用可以提高传热性能，防止亚临界负荷下炉膛高热负荷区的膜状沸腾，防止

22、超临界负荷下的膜状沸腾，变压性能好。(4)降低质量流量，使水动力特性在低负荷下转化为自然循环，有利于维持锅炉的安全运行。(5)在下辐射区，采用垂直于管屏水冷壁的一次上升螺旋管，结合较低的质量流量，克服了传统UP锅炉的主要缺陷。(6)吹灰效果好，结渣倾向小，松散灰易自行脱落，维护检修工作简单。螺纹垂直管屏水冷壁的主要缺点有15:(1)对煤种变化的适应性差，不如螺旋水冷壁。(2)沿炉周垂直管屏的水冷壁出口温度偏差略大于螺旋管环的水冷壁，但这种偏差可以通过增加孔板环控制在合适的范围内。(3)与螺旋盘管水冷壁相比，变压运行特性还存在一些不足。如果垂直管屏的水冷壁所有管子并联，只有在使用更大容量的锅炉时

23、，才能保证水冷壁可靠冷却所需的质量流量。(4)必须安装再循环泵，以保证启动和低负荷时所需的质量流量，从而增加设备投资。(5)原超临界锅炉的垂直水冷壁多采用 32 6光管，CE公司联合循环锅炉的垂直水冷壁也采用 32 6光管，而日本变压超临界锅炉的垂直水冷壁采用 28 4螺纹管，由于管径小，热敏性强，对运行控制要求高；由于本文的重点研究对象是玉环电厂的锅炉，因此有必要对其结构特点和运行特点进行适当的介绍和分析。玉环电厂采用该锅炉与三菱公司生产的1000MW超超临界机组锅炉。锅炉炉膛截面尺寸为32.08m15.67m65.60m，采用形布置、PM燃烧器+MACT配风技术、单炉膛反向双切圆燃烧方式等

24、技术。采用烟气挡板和摆动燃烧器作为调节再热蒸汽温度的主要手段，喷水降温。制粉系统采用磨煤机直吹式制粉系统。锅炉启动系统配有循环泵和闪蒸罐，以达到所需的启动流量并回收工作介质的热量16。玉环电厂超临界锅炉采用螺旋上升管垂直管屏。水冷壁管共2144根，其中侧墙352根，前后墙700根。管子为SA213-T12，节距44.5mm，焊接式膜式壁结构，外径28.6mm，壁厚5.8mm，四根螺纹管。管间焊接的扁钢材质为SA387-12-1，宽15.9mm，厚6mm。水冷壁系统自下而上分为四个部分。第一部分为光管灰斗水冷壁，长11200mm从海拔6300毫米。第二部分为下辐射区螺纹管垂直管屏水冷壁，从上缘到

25、折焰角长度为17500mm，标高为49000mm第三部分是从折角上部到炉顶的光管水冷壁；第四部分是尾部低温烟道的水平烟道和光管水冷壁。图表如下:图2-1玉环锅炉水冷壁布置示意图炉膛火焰角下方安装有中间混合集箱，下辐射区垂直管屏水冷壁出口工质进入出口集箱，再分别通过两级分配器进入上辐射区垂直管屏水冷壁。混合集箱的装配可以消除下辐射区水冷壁热偏差引起的温度偏差。水冷壁下联箱采用216mm联箱，孔板环移至水冷壁联箱外的水冷壁管入口段。短进水管采用 42.7 6大口径管，孔板环嵌入其中，然后通过三通管过渡的方式与上部辐射区28.6mm水冷壁管连接。这种类型的孔板环可以保证足够的节流能力，并根据水平方向

26、上的热负荷分布特性来调节每个壁面。在任何工况下(特别是低负荷和启动工况下)，水冷壁都要保证足够的冷却流量，以保证水冷壁不会发生传热恶化和水动力不稳定，特别是要防止亚临界压力下的膜状沸腾和超临界压力下的膜状沸腾。机组配有两个汽水分离器和一个储水箱，材质均为低铬钢SA387-11。分离器的排水由三根排水总管从储水箱底部引至冷凝器，储水箱的水位由调节阀调节。在启动初期，汽、水的热清洗和膨胀过程中，只要水质合格，这些疏水就会全部送至凝汽器循环使用。如果水质不符合要求，工质将全部通过另外三根疏水管送至常压闪蒸罐，减压后产生的蒸汽在此回收，剩余的疏水排出。再循环泵在启动时可提供的最大流量为20%BMCR。

27、给水泵为5%BMCR，启动时水冷壁系统始终保持25%BMCR的最小质量流量。由于大口径疏水调节阀和大气疏水扩容器的存在，即使再循环泵因事故断开，锅炉机组也能顺利启动17-19。1000MW超超临界锅炉水冷壁系统图如图2-2所示:图2-2 1000 MW锅炉水冷壁系统图2.2螺纹管的工作原理和传热特性螺纹管由于其结构特点，传热系数明显高于光管，导致其传热性能较光管有很大提高。可以抵抗膜沸腾，延缓传热恶化。其主要原理是:由于螺纹带动工质旋转，增强了管壁附近流体的旋涡扰动，使水冷壁管靠近管壁产生的气泡能被旋转向上流动的高速液体带走。在旋转力的作用下，使水流靠近管壁，从而避免了气泡在管壁上堆积形成的蒸

28、汽膜，保证了水冷壁管表面持续的水膜冷却。从而降低水冷壁管过热的可能性。国外对螺纹管和光管进行了大量的对比试验。测试结果表明，在压力低于20MPa时，即使在1000kg/(m2s)的低质量流量下，螺纹管水冷壁仍具有良好的传热特性，只有在蒸发末期附近的质量含汽量x=0.9时，传热才会恶化。在近临界压力区，由于压力的升高，工质的热物性发生了较大变化，传热恶化提前出现，在x=0.6的位置壁温突然升高。这说明螺纹管不仅改善了压降特性，而且改变了传热特性，使机组更能适应变压运行工况和机组的频繁启停20。2.3总结本章详细介绍了螺纹管垂直管屏水冷壁的各方面特性，包括垂直管屏水冷壁的结构特性、运行特性、传热特

29、性和水动力特性。其中，重点介绍了螺纹管垂直管屏水冷壁的主要优缺点，为本文今后的研究和分析提供了一定的指导意义。最后，本章还介绍了一种应用于当代垂直管屏水冷壁的新技术穿线技术及其工作原理。由于本文的重点是螺旋管圈垂直管屏水冷壁的水动力特性，而这种水动力特性在变压运行中是很重要的，因此我们将对超临界直流锅炉水冷壁的运行方式作适当的介绍和说明。第三章:超临界直流锅炉水冷壁运行方式及特性分析。目前，机组运行有两种基本形式，即恒压运行(或等压运行)和变压运行(或滑压运行)。恒压运行是指汽轮机在不同工况下运行时，通过调节汽轮机调节阀的开度来改变机组的功率，而汽轮机前的主蒸汽压力保持不变。当采用这种方法跟踪

30、调峰时，汽轮机温度将发生较大变化，低负荷运行时主蒸汽节流损失大，机组热效率下降大。因此，国内外新建超临界机组一般不采用这种方式进行调峰，而是采用变压运行方式。所谓变压运行，是指汽轮机在不同工况下运行时，不仅主汽门全开，而且调节阀也全开(或部分开启)。机组功率的变化是通过汽轮机主汽门前主蒸汽压力的变化来实现的，但主蒸汽温度保持额定值不变。当变压运行的单元机组外部负荷发生变化时，在汽轮机跟随的控制方式下，负荷变化指令直接下达给锅炉的燃烧调节系统和给水调节系统，锅炉将根据指令要求改变燃料供给和给水，使主蒸汽的流量和压力满足外部负荷变化后的需要。机组定压运行时，负荷指令直接送至汽轮机调节系统，改变调节

31、阀21的开度，以满足外界负荷变化的需要。当今大型超临界锅炉一般采用低负荷变压运行，高负荷区一般采用恒压运行，中低负荷区采用变压运行，极低负荷区采用恒压运行。如玉环电厂，90% BMCR 100% BMCR恒压运行，25% BMCR 90% BMCR变压运行，极低负荷区回归恒压运行22。3.1超临界机组水冷壁水动力特性的定性分析对于变压运行的超临界压力直流锅炉，其运行一般分为三个阶段，即初始启动阶段依靠循环泵的启动试运阶段，随后是亚临界直流运行和超临界直流运行阶段。这种变压运行方式使得水冷壁的工况极其复杂。从启动到额定负荷运行，锅炉的运行压力从高压、超高压、亚临界逐渐升高到超临界，水冷壁的工质状

32、态也从单相状态变为两相状态再变为单相状态，工质温度也变化较大。在启动和低负荷运行时，由于压力较低，汽水密度差较大，容易造成流量不稳定和热偏差过大。在超临界压力和高负荷运行下，单相介质的传热系数低于临界两相流体的传热系数，导致流体和水冷壁的温度较高，可能导致超温现象2324。因此，变压运行超临界压力和超超临界压力直流锅炉水冷壁结构的选择和设计，最重要的一点是防止水动力不稳定和传热恶化，保证水循环在正常运行工况和允许的负荷变化下，保持安全可靠的运行状态。国内早期亚临界直流锅炉的水冷壁结构为光管垂直管屏式，由于设计流量大，其水动力特性对热偏差等不利因素较为敏感。近年来，随着锅炉容量的不断增加，600

33、MW和1000MW超临界直流锅炉相继引进了螺旋管圈和螺旋管垂直管屏水冷壁结构，在提高变压运行效率和降低煤耗方面取得了良好的效果。下面，我们将对超临界压力和超超临界压力直流锅炉水冷壁在变压运行下的水动力特性进行理论分析和介绍。3.1.1螺纹管垂直管屏水冷壁水动力特性分析为了使读者更清楚螺纹是如何作用于流体力学和传热特性的，我们将对其工作过程进行详细的讨论和说明:工质因螺纹而旋转，加强了对管壁附近流体的扰动，使水冷壁管壁上产生的气泡能被旋转向上流动的液体带走。在旋转力的作用下，水流紧贴管壁，避免了气泡在管壁上堆积形成的蒸汽膜，保证了即使在低质量流量下，水流也能在管壁上持续冷却。与光管水冷壁相比，采

34、用螺纹管水冷壁。由于管内流体的旋转效应，当流体的质量流量为1000kg/(m2s)，热负荷为465kW/m2时。传热恶化的蒸汽干度从低蒸汽含量范围内的0.2增加到高蒸汽含量范围内的0.9。当流体的质量流量为400 500kg/(m2s)，热负荷为465kW/m2时，由于质量流量的降低，螺纹管内流体的旋转力急剧下降，传热恶化的干燥度再次下降到0.2左右。传统的光管垂直管屏水冷壁受水动力特性的影响不适合变压运行，但由于螺纹的出现和成熟应用，垂直管屏水冷壁可以实现良好的变压运行。这是因为超临界锅炉的水冷壁在亚临界条件下以相对较低的质量流量运行。在低质量流量下，摩擦压降占总压降的比例较小，流量分配由占

35、优势的重压降决定，流体力学特性保持正流量补偿特性，可保证水冷壁管的充分冷却。这种情况就好比自然循环锅炉的水冷壁，吸热偏差引起的流量变化依赖于较大的压差，导致受热面管道的质量流量较高。这样，由于汽包锅炉中自然循环的存在，这种水冷壁抵抗膜态沸腾传热恶化的能力大大加强，在近临界压力甚至超临界压力下抵抗膜态沸腾也有比较大的重要作用，甚至对于比热面积大的蒸汽也有强化传热和降低壁温的作用25-27。在接下来的章节中，我们将主要讨论螺纹管垂直管屏在亚临界载荷和超临界载荷下的水动力特性，包括正流量补偿特性和负流量补偿特性。下面就螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行的可行性做一个理论分析。对于单相流体，由于水冷壁的加速

36、压降太小，不能忽略，所以有一个压降公式。 （3-1） （3-2）式中为折算阻力系数、局部阻力系数和摩擦阻力系数为管的蒸汽流量、蒸汽比容、蒸汽密度和蒸汽流速为管子的径、流通截面和管子长度为管子进出口之间的高度差对于一组平行工作的管组，阻力偏差、重位压差以与受热偏差都可以引起流量的不均匀分配。假定所有平行工作管子的集箱两端的压差都是相等的，且流动方向向上，则代表平均流动情况和具有流动偏差管子的压降计算公式应分别为： （3-3） （3-4） （3-5）流量偏差系数为： （3-6）从上面公式的分析可以看出，影响流量偏差的因素大致是管组结构的阻力系数分布、吸热和重压降。管道结构阻力系数分布对流量偏差的影

37、响比较容易理解，但吸热分布的影响比较复杂。我们来具体分析一下。(1)对于垂直布置的平行工作管道，在低负荷的亚临界压力范围内，由于吸热偏差，管道之间产生较大的压差，导致流量分配发生变化。具体过程如下:对于吸热性强的管道，工质温度升高，密度降低，管道间的重压差增大，从而增加吸热性强的管道中工质的质量流量。(2)对于垂直布置的平行工作管道，在高负荷超临界压力下，无论工质是否处于比热容较大的区域，加热偏差都会引起流量偏差。对于吸热强的管道，工质温度升高，比容增大，流量增大，导致摩擦力大幅增加，最终导致管道内质量流量下降，形成恶性循环。(3)流量分布的变化取决于重压差和摩擦阻力在总压降中所占的比例。当重

38、压差远小于摩擦阻力时，重压差对流量分配的有利影响(提高高温管流量)无法抵消摩擦压降对流量分配的不利影响(降低高温管流量)，因此高温管内流量降低；当重量压差远大于摩擦阻力时，正好相反，有利于水冷壁的安全运行。这两种流体动力特性分别称为负流量补偿特性和正流量补偿特性。上述理论分析的结果表明，吸热偏差对管组的流量分配有双重影响，最终的结果取决于谁更占优势28。3.1.2螺纹管螺旋盘管水冷壁水动力特性分析本文通过与螺旋管圈水冷壁的对比，说明了螺纹管垂直管屏水冷壁的优缺点，因此我们有必要对螺旋管圈变压运行特性进行必要的定性分析。3.1.2.1螺旋盘管水冷壁管间热偏差小。在螺旋水冷壁上升过程中，每根管子都

39、绕过炉膛，经过宽度和深度方向上热流密度分布不同的各个区域，所以每根管子的吸热比较均匀。因此，从整个长度来看，螺旋盘管水冷壁平行管组中各平行管的热偏差较小，特别是当锅炉负荷变化、燃烧工况变化时，由于热力不均匀引起的水冷壁热偏差会相对较小。3.1.2.2有很强的燃烧干扰能力。在螺旋炉水冷壁管组中，每根管穿过炉内不同的热负荷区。即使采用切角燃烧方式，火焰中心偏差较大，不同管的吸热偏差仍能保持在较小范围内，从而使各管出口温差保持在一定范围内。与光管垂直管屏水冷壁相比，在防燃干扰方面强很多。3.1.2.3具有很高的流体动力学稳定性。从目前超临界锅炉的运行和设计经验来看，螺旋盘管水冷壁可以获得较高的质量流

40、量。如某电厂600MW超临界直流锅炉，采用螺旋盘管加垂直管屏的水冷壁结构，锅炉在最低负荷工况下的质量流量和末次蒸发率(BMCR)比纯垂直管屏水冷壁高40%左右。较高的质量流量对降低管道入口焓和消除脉动有明显的作用，对保持流体动力的稳定性非常有利，可以有效抑制膜状沸腾、膜状沸腾等传热恶化的发生。此外，超临界锅炉在热负荷最高的炉膛下方辐射区采用螺纹结构的螺旋盘管水冷壁，大大提高了传热系数，进一步避免了管子超温的可能，提高了水冷壁运行的安全性29。炉内螺旋水冷壁的总体布置情况如图3-1所示:图3-1螺旋盘管水冷壁布置图其中，下辐射区螺旋水冷壁到上辐射区垂直水冷壁的过渡结构如图3-2所示:图3-2上下

41、辐射区水冷壁过渡形式布置图3.2摘要本章首先介绍了超临界锅炉水冷壁的两种基本运行方式，即恒压运行和变压运行。然后，讨论了垂直管屏超临界锅炉水冷壁的水动力特性和传热特性。参照相应的数学模型公式，对其变压运行特性进行了理论分析，得出了垂直管屏螺旋管水冷壁变压运行的一些特性。简要介绍了正反向流量补偿特性。最后，本章还对螺旋盘管水冷壁的一些运行特性进行了简单的定性分析，有利于今后通过与螺旋盘管水冷壁的比较来说明垂直管屏水冷壁的等体积膨胀特性。本文将介绍应用于水动力计算的数学模型。第四章:超临界锅炉水动力计算的数学模型超临界锅炉水动力特性的研究是基于锅炉管压降与流量关系的计算。流体动力特性是指连接在入口

42、集管和出口集管之间的管道两端的压降与流量和其他参数之间的关系。这种压降包括重压降和流阻压降，其中流阻计算是为了确定工质在管道中流动的沿程和局部阻力，为给水泵扬程的设计提供必要的参考。因此，本章的主要内容是管道压降的计算方法，包括单相流和两相流压降的计算能力。此外，我们将通过理想化一些公式和理论来简化和方便我们的编程计算。为了顺利完成计算水冷壁工质压降的任务，我们先来介绍一下汽液两相流的基础知识30 31。4.1汽液两相流简介4.1.1汽液两相流的定义和应用由两种具有明显界面的物质组成的物体称为两相物体。两相物体形成的流动称为两相流。汽液两相流是众多两相流中的一种，分为单组分汽液两相流和双组分汽

43、液两相流。锅炉水冷壁内的汽液两相流属于单组分汽液两相流。汽液两相流体广泛应用于化工、核能、冶金、石油、电力等行业。在这些行业中，仍然存在热交换设备的两相传热问题。以超临界锅炉为例，为了分析其安全性和经济性，评价其性能，我们需要计算很多体积，包括:蒸发管的摩擦压降，各点的含汽量，传热恶化的发生点，相变起始点的位置，水冷壁的壁温等。由于其广泛的应用，两相流的发展受到世界各国研究者的高度重视，并取得了许多显著的研究成果32-34。4.1.2汽液两相流研究模型以超临界锅炉水冷壁为例，在正常工况下，水冷壁管吸收炉膛燃料燃烧释放的热量后，其工质会经历几种过程和状态，包括单相过冷水、饱和水、汽水混合物、单相

44、微过热蒸汽等。按照变化的顺序。由于工作流体状态的变化，其流动状态和过程变得极其复杂，因此理论流体力学在适当边界条件下的基本方程失去了原有的意义，无法应用于工程实践3536。因此，为了建立直流锅炉水冷壁制冷剂的水动力特性计算模型，全面分析研究其流动特性，我们一般简单地将水冷壁蒸发段制冷剂的流动状态分为单相流动状态和汽液两相流动状态，并对其流动过程进行理想的简化，如假设受热管段的热负荷均匀分布在某一圆周上，将制冷剂在管道中的流动视为一维流动37。目前，汽液两相流有三种简化模型38 39:(1)流型模型:该模型较为复杂，其研究仍处于初级阶段。它首先根据实验确定几种典型的流型和适用范围，然后根据它们确

45、定所研究的两相流体应该采用哪一套相应的计算模型和数据。(2)分相流动模型:在该模型中，汽-液两相被想象成两种流体，一种是蒸气，一种是液体，各有各的平均速度。当气相的平均速度等于液相的平均速度时，相分离模型转化为均相模型。分别描述这两个阶段，并考虑它们之间的相互作用。(3)均相流模型:所谓均相流模型，是指将汽液两相混合物视为均相介质，其流动物理参数是两相介质相应参数的平均值。这里做了两个假设:液相和气相的流量相等；这两相已经达到热力学平衡。流型模型的结果是准确的，但形式过于复杂，实际意义不是很大。因此，目前应用最广泛的模型是均相流模型和分离流模型。最后，基于上述流动模型，推导出相应的流体压降计算

46、公式。两相流体压降的计算有很多参考文献。本文参考电站锅炉水动力学的计算方法进行编程计算，所有单位均换算成国际标准参数量纲，便于分析。为了编制程序计算水冷壁管的流体力学特性，我们将介绍各种压降的计算方法。4.2单相流体各种压降的计算方法管道中单相流体的总压降可由下式表示: （4-1）式中总压降，;单相流体的流动阻力，；单相流体的重位压降，；单相流体的加速压降，4.2.1 单相流体的加速压降计算方法（4-2）式中管段局部阻力压降，；管段出口处的质量含汽率；管段入口处的质量含汽率；对应压力下的饱和蒸汽比容，；对应压力下的饱和水比容，。由于水在加热时比容变化不大，压力对比容的影响更是可以忽略不计，根据

47、以上公式，项趋近于0，所以加速压降可以忽略。对于过热蒸汽，加热时流速和比容虽然都有较大的变化，但因加速压降比流动阻力的绝对值小的多，故也可不计。总之，单相流体的加速压降可不列入考虑围。4.2.2 单相流体的摩阻压降计算方法单相流体的总压降是由摩擦阻力和局部阻力两部分组成，具体公式如下式所示： （4-3）式中流动阻力压降，；摩擦阻力压降，；局部阻力压降，。（1）单相流体的摩擦阻力计算模型如下所示： （4-4） （4-5）式中每米管子的摩擦阻力系数；管子径，；计算管长，；重力加速度，；工质密度，；计算管段工质的质量流速，；工质流速，；工质平均比容，；管子绝对粗糙度，珠光体钢：0.08；奥氏体钢：0

48、.01，。（2）单相流体的局部阻力计算模型如下所示： （4-6）式中水冷壁局部阻力系数。（3）部分公式和理论的简化在单相流体流动阻力的计算中要涉与到单相水以与单相蒸汽的计算，在程序中应用具体公式进行计算时，我们可以根据管段受热的实际工况或工质热物理性质对所应用公式作一定的简化。例如，单相水在受热过程中比体积变化不大，而且管段长度变化较小，所以单相水的摩擦阻力和局部阻力模型公式可以简化到以下形式（4-7）（4-8）式中循环水速流速，；饱和水重度，。当我们利用上述公式计算单相蒸汽时，因为工质比容非常大，而且随着受热增加会有一定的变化，所以在理论上应该用到微积分的方法，但是在该压降的实际计算中，因为

49、炉热负荷非常高，热流量很大，导致蒸汽段会非常短，所以单相蒸汽的摩擦阻力压降和局部阻路阻力的公式可以简化到以下形式（4-9）（4-10）式中饱和蒸汽密度，。4.2.3 单相流体的重位压降计算方法（4-11）式中管子重位压降，；管子的分段计算高度，；管中工质平均密度，。水冷壁中单相流体的重位压降分为单相水和单相蒸汽两种计算，因为两个单相状态工质管段长度都比较短，在我们的VB编程计算中工质平均重度分别采用饱和单相水和饱和单相蒸汽在相应压力下对应的饱和密度，即和。这样单相流体的重位压降公式模型可以简化为以下形式：（4-12）（4-13）4.3 两相流体压降的计算方法在亚临界乃至超临界压力工况下，工质在

50、水冷壁管吸热发生相变，首先工质比容发生了巨大的变化，而在蒸发过程中温度却基本保持对应压力下的饱和温度不变，这样的两相流体就是我们的研究对象。而在超临界工况下，因为水冷壁管工作压力非常大，有的甚至可以达到32MPa，在这样高的压力下，水与汽的密度基本一样，汽水之间没有明显边界，相变过程消失，工质温度的是随着吸热量和入口温度的增加而上升的。总之，我们这里讨论的两相流是只有在亚临界工况下才会出现的40，其压降的具体公式如下所示：（4-14）（4-15）式中两相流体的总压降，；两相流体的局部阻力，；两相流体的加速压降，；两相流体的流动阻力，；两相流体的重位压降，；两相流体的摩擦阻力，。4.3.1 两相

51、流体的加速压在水动力计算中，和单相流体的道理一样，由于加速压降在总压降中所占的比例很小，所以一般忽略加速压降。4.3.2 两相流体的摩阻压降计算方法（1）两相流体的摩擦阻力压降计算公式如下所示：（4-16）（4-17）（4-18）式中两相流摩擦阻力校正系数；质量含汽率；平均质量含汽率；汽化潜热，；管段出口蒸汽流量，；管组质量流量，；对应压力下的饱和水焓，。不同工况下的汽水混合物摩擦压降校正系数可按以下公式分别计算得到：1）当时；2）当时（4-19）3）当时（4-20）（2）两相流体的局部阻力压降计算模型如下所示：（4-21）水冷壁管中两相流体的局部阻力系数，可在电站水动力计算标准方法中查得4.

52、3.3 两相流体的重位压降计算方法（4-22）（4-23）（4-24）（4-25）（4-26）式中水冷壁管中两相流体的重位压降，；水冷壁管汽水混合物的平均重度，；水冷壁管平均截面含汽率；水冷壁管平均容积含汽率；水冷壁管工作压力，；滑动比：表示管汽相速度和水相速度之比。4.4 亚临界压力下工质状态转变点位置确定的重要性由于在锅炉水冷壁中单相流和两相流的压降，无论是从计算公式还是从最后的计算结果来看都有着很大的差别，而且在直流锅炉的蒸发受热面中，两相蒸发区与前后的单相区之间并无明显的分界面，两相蒸发段长度会随工况的变化而变化。因此，要对锅炉水冷壁进行水动力计算，必须处理好相变开始点的变化问题41。

53、为简化计算，我们将整个炉膛沿高度方向分为几个区段，假设在一定负荷下，管段沿管长在一定区段围吸热量均匀一致，根据能量守恒定律，可以得出以下关系：（4-27）（4-28）式中单位长度管段单位时间吸热量，；管段入口到相变点管长，；相变点焓值，；管段入口焓值，；管工质质量流量，。4.5总结本章详细阐述了超临界锅炉螺纹管水冷壁水动力特性的研究基础，详细介绍了压降的各种计算模型，为超临界锅炉水冷壁水动力特性的编程计算和研究打下了坚实的基础。接下来将进入本文的核心内容超临界锅炉垂直管屏水冷壁水动力特性的研究，通过与螺旋管圈水冷壁的对比分析，突出垂直管屏水冷壁的优缺点。第五章超超临界锅炉水冷壁水动力特性的定量

54、计算和对比分析。作为循环流化床(CFB)42和增压流化床联合循环(PFBC-CC) 43等最有前途的洁净煤技术之一，超临界技术将是我们不可或缺的课题。在本文的上述内容中，我们从理论上分析了螺旋管圈和垂直管屏水冷壁实现变压运行的可行性的优缺点，在本章中将主要建立程序流程图，利用压降计算模型进行编程计算，并对计算结果进行分析研究。首先介绍了研究的物理对象:玉环电厂和邹县电厂的1000MW锅炉水冷壁，前者为垂直管屏水冷壁，后者为螺旋管圈水冷壁，研究部分主要是下部辐射区水冷壁。5.1水动力特性计算模型的建立我们已在第2章详细介绍了玉环电厂和邹县电厂水冷壁的具体类型。下面，我们给出两个电厂水冷壁水动力特

55、性计算所需的原始数据，如下表所示44:表5-1玉环电厂下辐射区水冷壁原始数据关子井0.017米下集管阻力系数0.8螺纹段长度31.5米中间集管的阻力系数1.2管道数量2144水冷壁热有效系数0.4入口质量蒸汽含量0满负荷时的热通量(工作介质侧)132千瓦/平方米管道壁厚0.0065米螺纹结构寺头管道间距0.0445米满载时的流量2980吨/小时满载入口压力29.17兆帕满载入口温度325表5-2邹县电厂下辐射区水冷壁原始数据关子井0.0231米下集管阻力系数1.2低辐射区高度35.7米水冷壁型膜壁管道数量七百七十八；吃水冷壁热有效系数0.6入口质量蒸汽含量0满负荷时的热通量(工作介质侧)128

56、千瓦/平方米管道壁厚0.0075米螺纹结构刘头管道间距0.0508米满载时的流量3001吨/小时满载入口压力29.2兆帕满载入口温度331.75建立该模型的目的是寻找压降与流量、压降与热偏差的关系，以及入口焓对出口温度和下辐射区流体力学特性的影响。为了确定它们与各种影响之间的具体关系，本文用VB编写了不同的计算模型进行程序计算，得到了相应热流密度和入口流量条件下管内工质的压降和下辐射区的出口温度，并绘制了它们之间的关系曲线。分析了管内工质压降随热流密度的变化趋势，下辐射区出口温度随负荷和入口焓的变化趋势等。通过对玉环电厂和邹县电厂锅炉水冷壁数据和曲线的对比分析，重点介绍了玉环电厂垂直管屏水冷壁

57、的水动力特性。为了在保证精度的前提下尽可能地简化我们的程序，在编译之前，要对计算模型做一些合理的假设。具体如下45:(1)由于水冷壁污染系数会随着锅炉运行在一定范围内变化，为了使计算数据与设计数据吻合，水冷壁污染系数取0.435，而不是参考值0.45。(2)由于分段管的每一段长度都不大，所以分段管两端的平均比容用线性插值法求得。(3)对于单相工质压降的计算，如果是水，在压力作用下密度的变化影响不大，如果是蒸汽，密度的变化仍然可以忽略，所以密度假定为一个固定值。(5)在超临界直流工况的计算中，由于工质的热物性，认为水冷壁工质是密度等物性不断变化的单相流体，可以用单相流体压降计算模型来确定。(6)

58、为了简化吸热量的计算和相变位置的确定，假设在一定载荷下，各分段管的吸热量沿管长方向是均匀的。为了比较两种锅炉水冷壁的流动特性，我们可以先分别进行计算。基于上表给出的原始数据、假设的初始压降和模型的简化假设，计算程序可分为两部分，即亚临界直流工况计算程序和超临界直流工况计算程序。超临界DC条件的计算很简单，因为我们认为工质是单相的，而亚临界DC条件的计算很复杂，因为它涉及两相流。程序的设计主要参考了电站锅炉的水动力计算方法。编程语言为Visual Basic6.0，是一种面向对象的可视化结构化编程语言。Visual Basic6.0有很多其他语言无法替代的优势:它是编译语言，运行速度快；它具有高

59、级语言易于读写的优点；该语言历史悠久，很多经典程序都是用它编写的，方便学习者借鉴。所以Visual Basic6.0对这个程序的计算非常满意46 47。下面是本文作者利用Visual Basic6.0软件编制的水动力特性计算程序的流程图，如图5-1 5-3所示。图5-1计算单相和两相长度的子程序流程图图5-2亚临界DC工况程序流程图图5-3 超临界直流工况程序流程图图5-1中各个符号的代表意义如下：（1）分别代表光管单位质量工质焓增、饱和水焓、饱和蒸汽焓、水冷壁出口焓；（2）分别代表光管单相水工质段长度、光管两相工质段长度、螺纹管单相水工质段长度、螺纹管两相工质段长度和螺纹管单相蒸汽段长度；接

60、下来进入本文的核心部分根据上述模型，通过VB编程计算两种不同类型的锅炉水冷壁(以下辐射面积为研究对象)的水动力特性，并进行对比分析，重点是垂直管屏水冷壁的水动力特性。5.2各类水冷壁的计算结果及分析5.2.1玉环电厂超临界锅炉垂直管屏水冷壁水动力特性分析5.2.1.1玉环锅炉已知参数玉环电厂超临界直流锅炉水冷壁已知数据及部分计算参数见表5-348:表5-3玉环电厂锅炉水冷壁初始参数质量流量(吨/小时)热负荷(千瓦/m2)入口压力(兆帕)进气温度()入口焓(千焦/千克)管径(毫米)下部辐射区水冷壁长度(m)管道数量298013229.1732514621737.121442235116.727.