螺旋管圈水冷壁流量分配及壁温分布的计算

螺旋管圈水冷壁流量分配及壁温分布的计算

螺旋管圈冷壁首先用于超声变压计的冷壁类型。在炉的底部和中部（即炉的高温负荷区域）周围，用螺钉缠绕形成膜式冷壁，并将其放入炉的顶部，然后通过中间混合集箱或垂直管的冷壁中。螺旋管圈水冷壁的主要特点是:可以自由地选择管子的尺寸和数量,因而对管子制造公差所引起的水动力偏差的敏感性较小,运行中不易堵塞;不需要在水冷壁管入口处及水冷壁下集箱的进水管上装设节流孔圈来调节流量;由于水冷壁管圈盘绕炉膛周界上升,管圈中每根管子能同样地绕过炉膛的各个壁面,各根管受热较均匀,能有效消除工质沿各墙的热力和水力偏差,在合理的质量流速下能保证螺旋管圈水冷壁出口沿各墙的工质温度偏差最小.笔者结合具体工程研究了超临界直流锅炉螺旋管圈水冷壁的水动力特性,分析了螺旋管圈的流量分配和壁温特性.1水冷壁结构参数设计华能瑞金电厂2台350MW超临界燃煤机组锅炉为单炉膛、一次再热、超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉,采用前后墙对冲燃烧方式.从炉膛出口至锅炉尾部,烟气依次流经上炉膛的屏式过热器、末级过热器、水平烟道中的高温再热器,然后至尾部烟道.尾部烟气分2路,一路流经前部烟道中的立式和水平低温再热器,另一路流经后部烟道的水平低温过热器和省煤器,最后所有烟气进入下方的2台回转式空气预热器.给水由省煤器流出后,经过下降管及其底部的分配集箱进入水冷壁前、后入口集箱,再流入下炉膛螺旋管圈.随着锅炉螺旋管水冷壁管子的盘旋上升,水进入布置于炉膛中部每面墙的中间混合集箱进行混合,通过压力平衡消除各螺旋管的水力偏差,4个中间混合集箱之间设有平衡管.在每面墙的中间混合集箱上引出垂直水冷壁管,后墙的垂直水冷壁管接入后墙吊挂管入口集箱,然后在该集箱上引出后墙水冷壁吊挂管.此后,四面墙的工质汇集进入折焰角入口汇集集箱,再通过该集箱分配至折焰角入口集箱和2个水平烟道侧墙入口集箱,然后分别流入出口集箱,最后进入分离器.炉膛水冷壁分上、下2部分,下部为螺旋管圈水冷壁,上部为垂直水冷壁,该水冷壁布置方式适用于变压运行即锅炉调峰.炉膛由膜式壁组成,下部(冷灰斗以上至水冷壁中间集箱处)螺旋管圈水冷壁管采用内螺纹管,不仅能防止水循环不稳定现象的发生,还可以降低最低质量流速,减小水冷壁流动阻力,从而得到更低的最低直流负荷.水冷壁的结构参数见表1.2数学模型2.1下炉硫螺旋管圈回路本工程的锅炉炉膛为矩形,前、后墙的尺寸较侧墙大,故将下炉膛前、后墙上的螺旋管圈分别划分为11个回路,左、右侧墙上的螺旋管圈分别划分为9个回路,共40个回路.各回路的管子根数划分原则为:根据热负荷沿炉宽、炉深方向的分布特点,在热负荷变化剧烈处回路划分较为稠密,而在热负荷变化平缓处回路划分较为稀疏.这样,在计算中能充分反映热负荷分布的不均匀性.图1为下炉膛螺旋管圈回路划分示意图.2.2管段进、出口压力和流量计算笔者通过直接求解回路和节点守恒方程组的方法求解流量和压力.图2为流动网络示意图.图中节点151代表分配集箱,节点133和134代表入口集箱,管屏1回路编号为12～20,管屏2回路编号为21～31,管屏3回路编号为32～40,管屏4回路编号为1～11,106、109及110均代表节点间的连接管.第106号连接管遵守的动量守恒方程为:0=pin−x(151)−(Δpf+Δpg+Δpjb)106(1)0=pin-x(151)-(Δpf+Δpg+Δpjb)106(1)式中:pin为省煤器出口压力,Pa;x(151)为151节点的压力,Pa;Δpf、Δpg和Δpjb分别为106管路的摩擦压降、重位压降和局部压降,Pa.管段进、出口工质热力参数通过炉侧热负荷分布曲线和工质流量确定.第133号节点遵守的质量守恒方程为:0=x(110)−∑i=1231n(i)x(i)(2)0=x(110)-∑i=1231n(i)x(i)(2)式中:x(110)为第110号连接管的单管流量,kg/s;x(i)为第i回路的单管流量,kg/s;n(i)为第i回路的管子根数.能量方程用于计算水冷壁各划分管段的出口焓值:hoi,n=hii,n+qi,nsli,nxi,n(3)hi,no=hi,ni+qi,nsli,nxi,n(3)式中:h为焓值,J/kg;q为热负荷,W/m2;s为节距,m;l为管段长度,m;x为流量,kg/s;上标“o”、“i”分别代表管段出口、进口;下标“i,n”代表第i回路的第n管段.2.3两相流质对流传热系数计算由于螺旋管圈的重力与水流动方向不一致,因此水在螺旋管圈中的对流传热与在垂直管中的情况不同.在倾斜沸腾管中,由于汽水分层流动,沿管子周界水膜的厚度不同(尤其是在管子的上、下母线处水膜的差异最大),水膜沿下母线处逐渐向上母线处减薄,而且在下母线处有个蓄液区.因此,沿管子周界工质的吸热情况及管壁的冷却程度均有所不同.内壁温度沿管截面周向的变化总是在顶点(上母线)处最高,底点(下母线)处最低.传热系数的变化规律与壁温的变化相反,在顶点处最小,底点处最大.故采用螺旋管顶部传热系数来计算管壁整体壁温是安全可行的,下面给出的对流传热系数的计算公式均是倾斜管上母线处的计算公式.亚临界压力区,倾斜上升内螺纹管内单相流体的对流传热系数采用式(4)计算:α=λfdn0.0218Re0.792fPr0.561f(4)α=λfdn0.0218Ref0.792Ρrf0.561(4)亚临界压力区,倾斜上升内螺纹管内两相流体的对流传热系数采用式(5)计算:α=96.8αl[B0+0.00015(1X)0.67]−0.0168⋅q−0.196G−0.534(ρlρg)0.679(5)α=96.8αl[B0+0.00015(1X)0.67]-0.0168⋅q-0.196G-0.534(ρlρg)0.679(5)其中:X=(1−xx)0.9(ρgρl)0.5(μlμg)0.1(6)X=(1-xx)0.9(ρgρl)0.5(μlμg)0.1(6)B0=q/(G·Δαfg)(7)倾斜上升内螺纹管传热恶化后的传热系数按下式计算:α=λgdn0.0498[Reg(x+ρgρl(1−x))]0.0215Pr0.855wq0.883(λgλcr)−1.22(8)α=λgdn0.0498[Reg(x+ρgρl(1-x))]0.0215Ρrw0.855q0.883(λgλcr)-1.22(8)在超临界压力区,倾斜上升内螺纹管顶部内壁与工质之间传热系数为:α=λfdn0.0198Re0.783fPr0.022f(ρwρf)−0.106(λwλf)0.918(9)α=λfdn0.0198Ref0.783Ρrf0.022(ρwρf)-0.106(λwλf)0.918(9)式中:Re为雷诺数;Pr为普朗特数;λ为导热系数,W/(m·K);dn为内径,m;ρ为密度,kg/m3;μ为运动粘度,Pa·s;x为干度;λcr为热力学临界点的导热系数,W/(m·K);q为管子的内壁热负荷,kW/m2;G为流体的质量流速,kg/(m2·s);Δαfg为汽相与液相的对流换热系数之差;下标f、l和g分别表示流体参数、液相参数和汽相参数.内螺纹管内单相水的摩擦压降可采用下式计算:Δpl=λlldρw22(10)Δpl=λlldρw22(10)式中:λl为单相水的摩擦阻力系数;w为工质的流速,m/s.汽水两相流摩擦压降可采用下式表示:Δptp=ϕ2LOΔpLO(11)Δptp=ϕLΟ2ΔpLΟ(11)式中:ΔpLO为按总流量计算的单相水的摩擦压降;ϕ2LO为两相流摩擦压降倍率,其值由试验得出.计算压降时,需要用到管段进、出口工质的热力参数,这些参数通过炉侧热负荷分布曲线和工质流量确定.2.4火炬热负荷计算超临界锅炉水冷壁管内的换热系数受多方面因素的影响,包括压力参数(亚临界、近临界、超临界)、工质状态(单相水、汽水混合物、过热蒸汽)以及管子结构等.国内外学者对此进行了大量的试验研究,得到了不同的计算模型.水冷壁管的传热问题可等效为等截面直肋中的导热问题,对等截面直肋导热控制方程进行求解,可得到鳍根温度计算公式:tqg=tf+qwmaxμ[lg(Rr)R2λ+1α2](12)tqg=tf+qwmaxμ[lg(Rr)R2λ+1α2](12)式中:tqg为鳍根温度,℃;tf为壁温计算点处管内工质温度,℃;qwmax为壁温计算点处局部最大内壁辐射热负荷,W/m2;μ为鳍根处热流密度分流系数;λ为导热系数,W/(m·K);α2为壁温计算点处内壁与工质的换热系数,kW/(m2·℃);r、R分别为管子的内、外半径,m.鳍端温度可根据管子导热系数及管外热负荷分布,由直肋片导热计算公式推导得出.图3给出了BMCR负荷下热负荷沿炉膛高度方向的分布.图中“0”点对应于冷灰斗下拐点处(标高为6.3m),炉膛总高度为66.3m.75%和30%BMCR负荷下的热负荷分布曲线与图3类似,但由于逐步减少投运燃烧器的层数,热负荷曲线的峰值有所减小.图3给出了2条高度方向的热负荷曲线,其中一条为水平环带热负荷曲线,它是热负荷沿宽度和深度方向的平均值;另一条为最大局部热负荷曲线,它是在宽度或深度方向可能出现的最大局部热负荷.前者用于流量分配计算,根据各吸热段在炉墙上的投影位置确定各段的热负荷,该热负荷乘以沿宽度或深度方向的吸热不均匀系数即为计算管段的实际热负荷.后者用于壁温计算,计算时不作水平方向的吸热不均匀修正,因此计算偏于保守,所得到的结果是趋于安全的.3结果与分析3.1流量偏差的影响图4～图6分别给出了在BMCR负荷下、75%BMCR负荷下和30%BMCR负荷下,螺旋管圈各回路单管的质量流量分布.螺旋管并联管组由于管长偏长和吸热不同,必然会引起流量偏差.在并联蒸发管组中,受热较强的管子中工质的比容较大,当摩阻起主要作用时,该管内工质的流量必然较小.从图4～图6可以看出:各回路的流量偏差比较小,体现出螺旋管圈在减小各管流量偏差方面的优点.在BMCR负荷下,下炉膛螺旋管圈水冷壁最小流量出现在20回路,偏差为-4.9%,最大流量出现在5回路,偏差为5.9%;在75%BMCR负荷下,下炉膛螺旋管圈水冷壁最小流量出现在20回路,偏差为-4.5%,最大流量出现在5回路,偏差为5.9%;在30%BMCR负荷下,下炉膛螺旋管圈水冷壁最小流量出现在29回路,偏差为-4.5%,最大流量出现在4回路,偏差为5.4%.通常,随着负荷的增加,总流量将增大,流量偏差也呈现增大的趋势,但最大流量偏差仍不超过±6%,说明螺旋管圈的流量分配效果较好.从图4～图6还可以看出:流量最小值基本都出现在最长管20回路,最大值基本都出现在最短管5回路,这说明在螺旋管圈中管长偏差是导致流量偏差的主要原因.3.2bmcr负荷和温度分布图7、图8分别给出了BMCR负荷及75%BMCR负荷时,下炉膛螺旋管圈水冷壁管各回路出口的温度分布.从图7、图8可以看出,这2种负荷下温度分布都比较均匀.在BMCR负荷下,各回路的最大温差为4.5K;在75%BMCR负荷下,最大温差为8.3K;在30%BMCR负荷下,螺旋管圈水冷壁出口工质处于两相区,此时各回路的温度均为饱和温度312°C,温差为0K.这说明螺旋管圈水冷壁各根管受热较均匀,工质沿各墙的热力偏差较小.3.3炉秆高度对壁温的影响图9给出了BMCR负荷时,下炉膛螺旋管圈水冷壁最长管20回路的外壁温度、内壁温度、管壁中间点温度、工质温度和鳍端温度沿炉膛高度方向的分布.在BMCR负荷下,工质一直处于单相区,因此工质温度随着炉膛高度的升高而升高,使得壁温也随之升高,在炉高25.5m处,外壁温度达到最大值518℃,此时热负荷也达到最大值480kW/m2.之后,随着热负荷的下降,管壁温度开始降低.图10给出了在75%BMCR负荷时,下炉膛螺旋管圈水冷壁最长管20回路的外壁温度、内壁温度、管壁中间点温度、工质温度和鳍端温度沿炉膛高度方向的分布.在75%BMCR负荷下,工质一直处于单相区,因此工质温度随着炉膛高度的升高而升高,使得壁温也随之升高.从图10中可以看出:壁温在18～25m之间有较大飞升,在炉高20m处达到最大值532℃.这是由于此时工质处于大比热区,在超临界压力区,流体在大比热区的物性随温度变化而剧烈变化.特别是当管壁温度大于拟临界温度而主流体温度又小于拟临界温度时,工质物性沿管内壁径向变化剧烈,使得管壁与流体之间的温差较之前急剧增大.即便如此,管壁最高温度也小于材质的许用温度.图11给出了在30%BMCR负荷时,下炉膛螺旋管圈水冷壁最长管20回路的外壁温度、内壁温度、管壁中间点温度、工质温度和鳍端温度沿炉膛高度方向的分布.从图11可以看出:在大约17m炉高以下,工质一直处于过冷状态,此时工质温度随着炉膛高度的升高而升高,使得壁温也随之升高.随后,工质开始汽化而进入两相区,工质温度维持在相应压力下的饱和温度,由于换热系数与单相区相比有较大增大,使得管壁温度明显下降.管壁最高温度为405℃,出现在炉高17m处.4超临界燃煤机组各回路流量分配和壁温分析(1)针对超临界螺旋管圈锅炉的结构特点,