超临界锅炉燃烧区膜式水冷壁温度场分析

超临界锅炉燃烧区膜式水冷壁温度场分析

目前，交叉和交叉锅炉在世界上得到了广泛应用。在频繁的运行过程中，锅炉冷壁中工艺质量的流动状态和物理特性发生了很大变化，直接影响着管道的换热，影响着冷壁的温度。如果冷壁的温度和压力集中，管道将产生爆炸管。因此，计算冷壁温度对安全运行冷壁温度具有重要意义。西安交通大学对两相流和单相流在管内的对流换热特性进行了大量的试验研究,文献对管壁危险点的温度进行了监测.笔者在超临界单相流强制换热研究的基础上确定了管内对流换热边界值,并采用分区段热力计算的方法确定了管外壁的热负荷强度.同时,基于有限元法对超临界工况下燃烧器区水冷壁的温度场进行了计算,为超临界锅炉的安全运行提供参考.1计算模型1.1试验模型的建立对某600MW超临界直流锅炉的水冷壁温度场进行了计算.锅炉的主蒸汽参数为25.4MPa、543℃.水冷壁的结构见图1:下部水冷壁及灰斗采用螺旋管屏,上部水冷壁为垂直管屏,螺旋管屏和垂直管屏的过渡点在标高43.859m处.下部水冷壁由直径为38mm、壁厚为6.5mm、材料为SA-213T12、节距为53mm的光管组成的管带围绕成.经过灰斗拐点后,管带以17.893°的螺旋倾角继续盘旋上升.燃烧器采用三井巴布科克开发的低NOx轴流燃烧器,共32只,分4层,前后墙对冲布置,位置见图1中A、B、C、D(虚线所示).为了对炉膛进行分区段计算,将螺旋管圈所在炉膛分为7段,各区段校核面的标高见图1.同时,为了验证本模型的正确性,在螺旋管圈出口处即第7段校核截面的水冷壁背火侧(图2中D点位置)布置了温度测点,其中左、右墙各30个,前后墙各43个,共计146个测点.通过计算值和测量值的比较来判断模型的正确性.1.2金属温度分布求解膜式水冷壁的温度场就是求解在稳定状态下满足边界条件的拉普拉斯方程.选择螺旋管圈区垂直于轴线方向的管壁截面建立二维导热方程,见式(1).其边界条件见式(2)、(3)和(4).{∂2t/∂x2+∂2t/∂y2=0(1)∂t/∂n|AFΗ=-q(x)/λ(2)∂t/∂n|BΟC=-α2(t-tp)/λ(3)∂t/∂n|AB,CD,DEG,GΗ=0(4)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∂2t/∂x2+∂2t/∂y2=0(1)∂t/∂n|AFH=−q(x)/λ(2)∂t/∂n|BOC=−α2(t−tp)/λ(3)∂t/∂n|AB,CD,DEG,GH=0(4)式中,t为金属温度分布;tp为管内工质温度;λ为金属管壁和鳍片的导热系数;α2为管内对流换热系数;q(x)为向火侧管外壁热流密度.计算模型见图2,图中AFH满足边界条件(2),BOC满足边界条件(3),AB、CD、DEG、GH满足绝热条件(4).2单元性质划分用有限元进行热分析计算的基本原理是:将所处理的对象首先划分为有限个单元,然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点的温度值,继而进一步求解出其他相关量.笔者采用双线性四边形单元对模型进行划分(见图3),以获得较好的计算精度.3边境值的确定3.1bmcr工况热负荷计算的基本思路是:从最大放热区段开始,首先应用能量方程式求得最大放热区段出口处的烟气温度,然后沿炉膛高度方向应用能量方程式依次求取其余各区段的进、出口烟温.计算出每一个区段的进、出口烟温之后,就可以求出各个区段的辐射受热面热负荷.分区段计算能够给出沿炉膛高度的烟温、局部热负荷等参数的变化.本锅炉的燃烧器区分4层,既是螺旋管圈通过的区域,也是热负荷最高的区域.通过比较发现热负荷最高区域是第3层燃烧器区域(即炉膛第4区段),并且出现在满负荷运行工况下.不同工况下各区段的热负荷计算结果见表1.炉膛内第4区段平均热负荷ql达到最高值,作用在管壁及鳍片上的热负荷值通过公式(5)及公式(6)进行计算(式中符号意义见图2),其中管壁角系数φg·rdα及鳍片角系数φgdx的计算方法见文献和,通过计算得到BMCR工况下管壁热负荷q′(α)和鳍片热负荷q′(x)的分布(见图4).q′(α)=φg⋅rdαr⋅dα⋅ql⋅s(5)q′(x)=φgdxdx⋅ql⋅s(6)q′(α)=φg⋅rdαr⋅dα⋅ql⋅s(5)q′(x)=φgdxdx⋅ql⋅s(6)3.2水冷壁内螺旋管圈各段热负荷计算工质温度的确定对水冷壁温度计算非常重要,此前文献中对水冷壁的壁温计算均是在对工质温度值进行假设的基础上进行的.笔者在分区段热力计算基础上,对炉膛内螺旋管圈进行了分段校核计算,在工质入口温度和压力已知的条件下,通过计算工质的焓增,得到被校核截面工质的温度和压力,进而得到该截面的水冷壁温度.具体计算方法如下:首先将螺旋管段按燃烧器所在区域分为7段,然后进行分区段热力计算得到各区段的热负荷值.按照计算热负荷值得到的螺旋管圈出口工质温度和压力与锅炉实际运行值之间存在一定差异,因此,需根据水冷壁入口和螺旋管圈出口的焓值变化计算出螺旋管圈段总的吸热量,然后对各段热负荷进行调整,使吸热量与焓增值相等,再根据各段调整后的热负荷计算各段焓增,进而确定各区段校核截面的工质温度.工质入口温度和压力为Ti、pi,出口温度和压力为To、po,当入口焓值hi和出口焓值ho确定后焓增值即可确定,即ho与hi的差值hd.同时,计算各区段平均热负荷作用在各辐射受热面上引起的工质焓增hs.将各段焓增值之和与hd比较一定存在差值,将该差值平均到各个辐射受热面上,对各区段平均热负荷进行调整,重新计算各段焓增后再与hd进行比较,直到差值为零.根据调整后的各区段热负荷值,计算各区段焓增,通过焓增值确定该段出口的焓值,再根据压力确定该段出口工质的温度.各区段热负荷值、调整值以及各段出口工质温度见表2.3.3传热系数计算公式笔者引用西安交通大学的超临界传热研究成果,对水冷壁管内的换热进行了计算,计算公式见式(7)和式(8).倾斜管上母线的传热系数计算公式如下:Νub=3.72×10-4Re1.121bΡr0.705b(ρwρb)0.674(λwλb)0.039(7)倾斜管沿周向的传热系数计算公式如下:Νub=0.0068Re0.9bΡr0.63b(ρwρb)0.17(λwλb)0.29(8)式中,下标w表示内壁;b表示工质;Nub表示由工质温度确定的努谢尔特数;Re为雷诺数;Pr为普朗特数;ρ为密度;λ为导热系数.通过计算,得到各工况下传热系数随角度的分布.其中,100%BMCR下管内传热系数随角度的分布见图5.4计算结果分析将上述各边界条件计算结果作为载荷加载到模型上,得到本锅炉机组在75%BMCR、80%BMCR、90%BMCR、100%BMCR超临界工况下燃烧器区螺旋管圈水冷壁的温度场分布.将第7区段校核面的计算值与测量值进行了比较(见表3),结果表明计算值与测量值误差很小,充分证明了计算模型的正确性.对计算结果进行比较和分析,发现温度最高值出现在100%BMCR负荷下的第4区段(即C层燃烧器所在区段),且温度最高点出现在鳍片H点、F点和向火侧A点处,温度计算值见表4.水冷壁及鳍片所用钢材SA-213T12在28MPa压力下的最高使用温度为560℃,其设计温度为480℃.按照本模型的边界条件进行计算,没有出现超温.但是,这是在平均热负荷和各管流量均等的基础上得到的计算结果.尽管本锅炉的对冲燃烧方式比较稳定,但热负荷只要有偏差,当热负荷达到450kW/m2时,鳍片的最高温度将达到481℃,超过锅炉设计温度.随着热负荷的增加,鳍片的最高温度会继续增加,超温现象会非常严重.因此,控制锅炉燃烧、避免火焰偏斜对锅炉的安全运行有重要意义.此外,水冷壁内工质温度增加、水冷壁管内流速变化、各管流量不均匀都会引起超温现象,这也是运行过程中影响锅炉安全的重要因素.5超临界工况运行结果(1)在有限元基础上,对600MW超临界锅炉机组的水冷壁用双线性四边形单元进行了划分,提高了计算精度.(2)在超临界单相流强制换热研究的基础上,确定了本锅炉机组在超临界工况下运行时水冷壁