水动力回路分析法在自然循环锅炉水动力计算中的应用

水动力回路分析法在自然循环锅炉水动力计算中的应用

在设计自然循环锅炉时，确定热态的水动力特征非常重要。现在，中国自然循环锅炉的水动力计算通常将热态分为几个管组，根据每个管组的平均吸热量和几何特性，通过图法确定每个管组的水动力工作点。该方法不仅计算过程复杂，而且图法中存在固有的计算误差，无法正确确定每个管的当前流量，也无法正确预测自然循环锅炉热态的水动力特征。因此，本文根据力学原理和锅炉水动力计算方法的基本原则，提出了一种新的方法，该方法直接计算自然循环锅炉各回管的水动力特征，即水动力回路的分析方法。根据该方法，对每个自循环电路的等效波形图和水力进行了计算，并提供了数值解算方法。1发挥好工质流及未知量的回路方法原理图1是简化的锅炉水循环图及其管路等效图.为计算Ga、Gb、Gc、Gd,假想在回路1、2和3中分别有回路工质流G1、G2和G3沿回路流动,其方向如图1中虚线箭头所示.由于支路a只有G1流过,则Ga=G1,同理Gd=G3,支路b有两个工质流(G1,G2)同时通过,支路工质流应为G1和G2的代数和,即Gb=G1-G2,同理,支路c工质流应为G2和G3的代数和,即Gc=G2-G3.对图1的3个回路列方程,有{G2aR1+G2bR2=E1-E2,-G2bR2+G2cR3=E2-E3,-G2cR3+G2dR4=E3-E4.(1)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪G2aR1+G2bR2=E1−E2,−G2bR2+G2cR3=E2−E3,−G2cR3+G2dR4=E3−E4.(1)式中:E为流动势,E=ˉρgΗ.E=ρ¯gH.式(1)为非线性方程组,考虑到工质流动的方向性和方便求解,可将G2改写为G|G|,则有Ga|Ga|R1+Gb|Gb|R2=E1-E2,-Gb|Gb|R2+Gc|Gc|R3=E2-E3,-Gc|Gc|R3+Gd|Gd|R4=E3-E4.Ga|Ga|R1+Gb|Gb|R2=E1−E2,−Gb|Gb|R2+Gc|Gc|R3=E2−E3,−Gc|Gc|R3+Gd|Gd|R4=E3−E4.将支路工质流用回路工质流代替,得{G1(|G1|R1+|G1-G2|R2)-G2|G1-G2|R2=E1-E2,-G1|G1-G2|R2+G2(|G1-G2|R2+|G2-G3|R3)-G3|G2-G3|R3=E2-E3,-G2|G2-G3|R3+G3(|G2-G3|R3+|G3|R4)=E3-E4.(2)式(2)即为回路工质流为未知量的回路方程.如果把各个回路的工质流作为未知量,列出全部的回路方程,联立求解即可.为了使所列的回路方程都能保证独立,应选独立回路作为回路工质流的环流路径.回路工质流量解出后,支路工质流量则为有关回路工质流量的代数和.这种计算方法即为水动力回路分析法.2计算描述s13g首先,定义各支路流量的绝对值与本身水阻的乘积为该支路的当量流阻,符号为Ri′,对于图1所示回路,R1′=|Ga|R1=|G1|R1,R2′=|Gb|R2=|G1-G2|R2,R3′=|Gc|R3=|G2-G3|R3,R4′=|Gd|R4=|G3|R4,则式(2)经整理可得(R1′+R2′)G1-R2′G2=E1-E2,-R2′G1+(R2′+R3′)G2-R3′G3=E2-E3,-R3′G2+(R3′+R4′)G3=E3-E4.设R11′、R22′和R33′分别为回路1、2和3的自阻,(R11′=R1′+R2′,R22′=R2′+R3′,R33′=R3′+R4′);设R12′、R21′为回路1和2的互阻,它们的绝对值等于回路1和2的公共当量流阻(|R12′|=|R21′|=R2′).R23′、R32′为回路2和3的互阻,其绝对值等于回路2和3的公共当量流阻(|R23′|=|R32′|=R3′);其中负号的出现是因为G2在R2′中的方向与回路1的(也是G1的)参考方向相反,故有R12′=R21′=-R2′,R23′=R32′=-R3′.为了使回路方程的一般形式整齐,把压降的正负号包含在它们有关的互阻中,则上列回路方程可写成{R11´G1+R12´G2+R13´G3=E11,R21´G1+R22´G2+R23´G3=E22,R31´G1+R32´G2+R33´G3=E33.(3)式(3)即是三回路工质流的回路方程的一般形式.式中:E11=E1-E2,E22=E2-E3,E33=E3-E4.具有n个独立回路的水循环回路,其回路方程的一般形式可由式(3)推广而得,即{R11´G1+R12´G2+R13´G3+⋯+R1n´Gn=E11,R21´G1+R22´G2+R23´G3+⋯+R2n´Gn=E22,⋯⋯⋯⋯⋯⋯Rn1´G1+Rn2´G2+Rn3´G3+⋯+Rnn´Gn=Enn.(4)此方程是非线性方程组,且R′和E是G的函数,故本方法的解法如下:1)首先假设各回路的初始回路工质流量G(i),确定迭代精度ε,计算支路工质流量G′,则得到当量水阻R′和E;2)求解线性方程组(4),解得各回路工质流量G1(i),判断|(G(i)-G1(i))/G(i)|<ε是否满足,若满足则G1(i)即为所求;若不满足则采用迭代法G(i)=G1(i)+α(G1(i)-˜G(i))重新计算,直至满足|(G(i)-G1(i))/G(i)|<ε.3)各回路的回路工质流解出后,即可计算得到各支路工质流.3每个周期的等效管道图3.1水冷壁循环回路及水动力回路分析1)由锅筒、布置在分配集箱单侧端部的下降管、分配集箱、多根并联水冷壁上升管、汇集集箱以及布置在汇集集箱单侧端部的热水引出管所组成的第Ⅰ类水冷壁循环回路图及水动力回路分析法等效管路图见图2.2)由锅筒、布置分配集箱单侧端部的下降管、分配集箱、多根并联水冷壁上升管、直接引入锅筒的汇集集箱所组成的第Ⅱ类水冷壁循环回路图及水动力回路分析法等效管路图见图3.3)由锅筒、布置分配集箱单侧端部的下降管、分配集箱、直接引入锅筒的多根并联水冷壁上升管所组成的第Ⅲ类水冷壁循环回路图及水动力回路分析法等效管路图见图4.4)由锅筒、布置分配集箱双侧端部的下降管、分配集箱、多根并联水冷壁上升管、汇集集箱、布置在汇集集箱单侧端部的热水引出管所组成的第Ⅳ类水冷壁循环回路图及水动力回路分析法等效管路图见图5.5)由锅筒、布置在分配集箱中部的下降管、分配集箱、多根并联水冷壁上升管、汇集集箱、布置在汇集集箱中部的热水引出管组成的第Ⅴ类水冷壁循环回路图及水动力回路分析法等效管路图见图6.下降管和引出管都在第n/2(若是奇数根取整)与第n/2+1根水冷壁之间引入和引出.3.2两管等效管的确定水动力回路分析法可以对每排排管中的各单管分别进行计算,由于对流管束回路的水管数量大,但每排水管的各单管热量和几何尺寸相差很小,因此,为了提高计算效率,可以把每排排管等效为一根单管,等效管的工质流通截面积等于每排水管的工质截面积.对流管束回路的水循环回路图及水动力回路分析法等效管路图见图7.4流量计算及力参数确定根据水动力回路分析法的计算原理和各个回路的水动力计算数学方程组可以对自然循环热水锅炉全炉的水动力进行直接数值计算,最终可求得全炉的水动力工作点,其主要水动力参数为下降管入口水温、全炉循环倍率、全炉循环流量、各单管的循环倍率、各单管的流量和流速.具体步骤如下:1)假设下降管入口水温t0,确定迭代精度ε;2)计算各回路中各单管的局部阻力系数和吸热量;3)根据水循环回路形式,计算各回路的工质循环流量和流速;4)计算全炉循环倍率和下降管入口温度t0′;5)若|(t0-t0′)/t0|>ε时,则采用迭代法t0=t0′,重复计算步骤2)-4),再进行判断,直至满足|(t0-t0′)/t0|≤ε,本文取ε=10-4.5水动力回路分析法与图解法的比较为了验证水动回路分析法的正确性和实用性,本文采用水动力回路分析法对一台SHL14-1.25/130/70-AII型自然循环热水锅炉进行水动力特性计算分析,并将其计算结果与按照JB/T8659-1997《热水锅炉水动力计算方法》的图解法分析结果进行比较分析.该锅炉的结构特性及各受热面热量分配数据见参考文献.采用水动力回路分析法及图解法两种方法计算出的各回路平均流量、循环倍率和下降管入口温度的相对差值均小于3%,这验证了水动力回路分析法的正确性.图8～10给出了采用水动力回路分析法及图解法两种方法计算得出的前墙、后墙及侧墙水冷壁回路各单管工质流速分布.图11给出了采用上述两种方法计算得出的对流管束回路各排管工质流速分布.从图8～11中可以看出,采用水动力回路分析法可以计算得到各回路的单根的流速,能够确定单管最高及最低流速,最高及最低流速的相对差值均>30%.从图11中可以看出,采用水动力回路分析法计算得到对流管束回路中有51排倒流管,可准确确定倒流管的具体位置.与图解法只能给出管组的平均工质流速的特点相比较,水动力回路分析法可以直接计算出各受热面回路各单管的工质流速,得到各受热面单管的最低工质流速和最高工质流速管及其出现