直流锅炉水冷壁热敏感特性分析

直流锅炉水冷壁热敏感特性分析

锅炉过热器、反热器、水冷壁和省煤气器（以下简称“四管”）爆炸管泄漏事件（bft）是中国火力发电厂最常见的事故，对构建进程的安全和经济效率有重大影响。调查防止“四管”爆炸是提高火力发动安全运行和经济效益的关键。水冷壁管爆炸、泄漏和故败的原因相当复杂。其中一个主要原因是，水的动态和热负荷不适应，水冷壁管的外交变热负荷和水冷壁管道的水动力不稳定。如果水流中心在炉内的旋转过程中发生变化，则水冷壁各级输出的偏差和温度波动是敏感性的。直流炉的蓄热能力仅为包炉的1.2.1.4，这显然比包炉的热敏感更大。作者通过理论推理推理了直流炉水冷壁的热敏感系数，建立了计算参数，基于c.-邻居分析过程，研究了直流炉的水冷壁和热敏感规律。1锅炉水冷壁的热敏感性分析目前,有关锅炉水冷壁热敏感性的研究较少,且大多集中在定性讨论.通常,通过分析进出口压力降、出口流量,出口焓值等来判断,锅炉蒸发管工况是否正常,并且主要通过对应的进出口压力降、出口流量和出口焓偏离设计值敏感程度的规律来研究水冷壁的热敏感性特点.笔者以热敏感性系数来研究热敏感特性,并建立了流量、压降及出口焓值敏感性系数的定量表达式,以分析锅炉水冷壁的热敏感性规律.1.1两组敏感性系数值水冷壁的热敏感性是指当炉内火焰中心发生偏斜或炉内过程出现波动时,水冷壁各级出口焓值和温度偏离设计值的敏感程度.热敏感性系数定义如下.流量敏感性系数:ΚDQ=QD∂D∂Q|Δp(压降Δp不变)(1)流量敏感性系数反映了在并联管组中,当压降相同时,由于吸热量的偏差而导致偏差管内流量偏离平均管的程度.压降敏感性系数:ΚΡQ=QΔp∂Δp∂Q|D(流量D不变)(2)压降敏感性系数反映了在并联管组中,当流量相同时,由于吸热量的偏差而导致偏差管内压降偏离平均管的程度.出口焓值敏感性系数:ΚΙQ=D∂h∂Q|Δp(压降Δp不变)(3)出口焓值敏感性系数反映了在并联管组中,当压降相同时,由于吸热量的偏差而导致偏差管出口焓值偏离平均管的程度.在式(1)～式(3)中:D为工质流量,kg/s;Q为工质吸热量,kW/m2;Δp为管段压降,MPa;h为工质焓,kJ/kg.1.2流量敏感性分析在并联管组中,管组两端压降特性决定流量、焓值等特征量的偏离,因此两相流摩擦压降和重位压降的准确模拟是水冷壁热敏感性系数表达式的关键,笔者采用分相流模型计算水冷壁管内的压降.设所研究的并联管组的管段长度为l,平均管段热负荷为q,管段中点焓值为h,质量流速G=ρw,压力降为Δp,工质在管中的吸热量为Q,焓增为Δh;偏差管段热负荷为(q+dq);管段中点焓值为(h+dh);质量流速G+dG=(ρw)p;压力降为Δpp;工质在管中的吸热量为Qp;焓增为Δhp.将流量敏感性系数表达式无因次化,得到:ΚDQ=QD∂D∂Q|Δp=∂ηl∂ηr|Δp(4)式中:ηl=(ρw)P/(ρw),为流量偏差系数;ηr=QP/Q,为吸热偏差系数.ηr=ηl⋅Δhp/Δh(5)平均管段与偏差管段中的压降分别为:Δp=Ζ(ρw)2+l⋅g⋅ˉρ⋅sinβ(6)ΔpΡ=ΖΡ(ρw)2Ρ+l⋅g⋅ˉρΡ⋅sinβ(7)式中:ˉρ为工质平均密度,kg/m3;β为水冷壁倾斜角;Z为包含了摩擦阻力与局部阻力的总阻力系数.假设平均管段与偏差管段中的压降相同,即Δp=ΔpP,且管段高度H=l·sinβ,可得到:ηl=√Ηˉρg-BˉρΡgΖΡ(ρw)2+ΖΖΡ(8)引入B=Η⋅g(ρw)2,将式(8)对焓值求导,得:∂ηl∂h=12η-1l(-BΖΡ∂ˉρΡ∂h+BˉρΡΖ2Ρ∂ΖΡ∂h-ΖΖ2Ρ∂ΖΡ∂h-BˉρΖ2Ρ∂ΖΡ∂h)(9)取dh→0,对式(9)进行简化:∂ηl∂h=12(-BΖΡ∂ˉρΡ∂h-1ΖΡ∂ΖΡ∂h)(10)∂ηr∂h=Δhp∂h∂ηl∂h+2Δhηl(11)得到流量敏感性系数的计算式如下:ΚDQ=∂ηl∂ηr|Δp=∂ηl/∂h∂ηr/∂h=14Δh-1BΖΡ∂ˉρΡ∂h+1ΖΡ∂ΖΡ∂h+1(12)基于同一思想,可分别得到压降敏感性系数和出口焓值敏感性系数的表达式.压降敏感性系数的表达式:ΚpQ=Δh2(Ζ⋅G2+Η⋅ˉρ⋅g)⋅(G2∂ΖΡ∂h+Η⋅g⋅∂ˉρΡ∂h)(13)出口焓值敏感性系数的表达式:ΚΙQ=1-ΚDQΔhDQ(14)2直流锅炉水冷壁热敏感性分析针对所建立的水冷壁敏感性系数计算模型,笔者基于C++Builder分析程序环境,开发了直流锅炉水冷壁热敏感特性研究软件,其可视化界面示于图1.基于理论分析和热敏感性数值计算,笔者对某300MW机组1100t/h变压运行亚临界直流锅炉水冷壁的热敏感性进行了研究,重点分析了热负荷、质量流速、压力和管长对热敏感特性的影响.2.1热负荷对流量敏感性分析锅炉热负荷因边界条件改变而发生变化,导致管壁传热量变化,焓增发生变化,因而压降特性也随之变化,可见热负荷是影响水冷壁热敏感特性的关键因素.图2～图4给出了单位长度的管屏在干度x=0.5,压力p=21.0MPa,质量流速G=1800kg/(m2·s)的情况下,其热敏感性系数随管段外壁热负荷的变化.由图2可知,|KDQ|呈线性增大,随着管外热负荷的升高,流量敏感性也增强.热负荷的增加使固定长度管屏内工质的焓增Δh增加,从流量敏感性系数表达式可知:流量敏感性系数呈负向增大趋势.由图3可知,压降敏感性系数随着热负荷的升高而增大,说明热负荷升高时,热负荷对压降变化的影响逐渐增强,且压降呈正向增大.由图4可知,出口焓值敏感性系数大于零,且随着管外热负荷的升高而逐渐增大,即出口焓值变化受热负荷的影响正向逐渐增强.由图2和图4可知,KIQ与KDQ的变化趋势正好相反.2.2质量流速对出口值敏感性系数的影响质量流速对两相流传热及压降特性均有较大影响,图5～图7给出了当x=0.5、p=21.0MPa、管外壁热负荷q=255.06kW/m2时,单位长度管屏热敏感性系数与质量流速关系.由图5可知,随着质量流速的增大,KDQ逐渐减小,且变化趋于平缓,流量敏感性逐渐减弱.当质量流速增大时,工质焓增Δh减少,KDQ也减小,同时流量的增加又使流量不均匀系数减小,因而增强了流量敏感性,二者综合作用的结果使流量敏感性呈减弱趋势.当流量增加到一定程度时,流量敏感性系数基本保持不变.图6给出了压降敏感性系数随质量流速的变化趋势,随着质量流速的增大,|KpQ|逐渐减小,即随着质量流速的增大,压降变化受热负荷的影响逐渐减弱.图7给出了出口焓值敏感性系数随质量流速的变化趋势,出口焓值敏感性系数的增大是由于流量敏感性系数的减小引起的,二者的变化趋势正好相反.2.3不同压力下各管段长度对敏感性系数的影响压力对锅炉工质的热物性影响较大,尤其在临界压力区,因此压力对锅炉水冷壁热敏感特性的影响较为复杂,笔者对不同压力下,各敏感性系数随管壁热负荷、管长及质量流速的变化规律进行了详细分析.图8～图10分别给出了在不同压力下流量敏感系数、压降敏感性系数随热负荷的变化及出口焓值敏感性系数随管段长度的变化.在热负荷或管长条件相同时,压力升高,各敏感性系数增大;随着压力的升高,热敏感性增强,而且压力越大,热敏感性系数增加的幅度越大.由于压力升高,水的汽化潜热r越小,因而在相同的吸热量变化时,其干度变化不同,则压降的变化就越剧烈,且呈增大趋势,因而压力越高,热敏感特性就越强.在不同压力下,热敏感性系数随质量流速的变化较复杂,见图11～图13.2.4不同管段长度对热敏感性系数的影响在锅炉中,管段长度对热敏感性的影响是管屏流量分配均匀性和管段吸热量综合作用的结果.图14～图16给出了当工质干度x=0.5、工质压力p=21.0MPa、质量流速G=1888kg/(m2·s)、管外壁热负荷q=255.06kW/m2时,热敏感性系数随管屏长度的变化趋势.由图14可知:|KDQ|随着管段长度的增加而增大,当管段长度增加时,一方面流量不均匀系数减小,表明偏差管的流量与平均管段的流量之间的差值越小,即流量偏差越小,因而流量敏感性减弱;另一方面,管内工质焓增Δh变大,因而流量敏感性增强,即中点处同样焓增变化所需的吸热量减少.图15给出了压降敏感性系数随管段长度的变化趋势.由图15可知,随着管段长度的增加压降敏感性系数增大,即随着管段长度的增加,压降变化受热负荷的影响逐渐增强.图16给出了出口焓值敏感性系数随管段长度的变化趋势.由图16可知,出口焓值敏感性系数随着管段长度的增加而增大,即管屏越高,出口焓值的敏感性越强.可见,管子长度越长或者是管屏高度越高,其热敏感性就越强.3锅炉水冷壁热敏感性(1)热负荷、质量流速和流动压降是锅炉水冷壁热敏感特性的关键影响因素.流量敏感系数、压降敏感系数和出口焓值敏感系数等热敏感系数的绝对值大小反映锅炉水冷壁热敏感性的强弱,其正负则反映了热敏感性方向.(2)随着热负荷的升高,锅炉水冷壁热敏感性增强,流量敏感系数负向增大,而压降敏感系数和出口焓值敏感系数则