（工程熱物理專業(yè)論文）某船用鍋爐過熱器蒸汽流動與傳熱數(shù)值模擬.pdf

哈爾濱工程大學碩士學位論文 摘要 過熱器是鍋爐裝置的重要部件之一 由于其工作環(huán)境非常惡劣 超溫 爆管等事故時常發(fā)生 對過熱器的研究始終是重點問題 本文對過熱器的 工作狀況及超溫爆管機理進行了簡要的分析 以某船用鍋爐過熱器為研究 對象 建立合理的數(shù)學模型 應用f l u e n t 軟件對其進行了數(shù)值模擬 由于過熱器的實體結構龐大 進行整體數(shù)值模擬比較困難 在原有模 型的基礎上 應用合理的比例對其縮小 使模擬結果能夠反映出實際過熱 器的工作特點 本文采用r e a l i z a b l ek 一占模型 速度與壓力耦合采用s i m p l e c 算法 近壁面處采用標準壁面函數(shù)法 用隱式格式離散化控制方程研究了過熱蒸 汽在集箱內的流動與傳熱過程中各種參數(shù)的分布規(guī)律 對過熱器進行了三種不同情況的數(shù)值模擬 即沿蒸汽流動方向熱負荷 均勻分布 熱負荷均勻遞減和熱負荷均勻遞增 模擬出各種情況下的壓力 分布云圖 溫度分布云圖 焓值分布云圖 管內質量流量以及所截取截面 管內蒸汽的各種參數(shù)等 并對模擬結果加以分析 通過對各種情況下的數(shù)值模擬表明 靜壓分布的規(guī)律由集箱的結構特 性決定 模擬結果表明過熱器可看成兩個z 型結構串聯(lián)而成 沿蒸汽的流動 方向 第二個z 型結構的性能不如第一個z 型結構 但是兩個串聯(lián)后使流量 不均勻性有所降低 而且該過熱器的結構布置緊湊 彌補了單一z 型結構的 不足 通過數(shù)值模擬為優(yōu)化過熱器的安全經濟運行提供參考方案 同時節(jié)省 了大量的人力物力 數(shù)值模擬在鍋爐安全運行中必將會得到廣泛的應用 關鍵詞 過熱器 f l u e n t 數(shù)值模擬 哈爾濱工程大學碩士學位論文 a b s t r a c t s u p e r h e a t e ri so n ei m p o r t a n tp a r to fb o i l e rs e t t i n g a sa r e s u l to fi t sb a d w o r k i n gc o n d i t i o n a c c i d e n t so fo v e r h e a t i n ga n db u r s t i n go ft u b e so f t e no c c u r i ti sa r te m p h a s i st os t u d ys u p e r h e a t e ra ta l lt i m e s b r i e fa n a l y s e sa r em a d e a b o u tt h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dm e c h a n i s mo fo v e r h e a t i n ga n db u r s t i n go ft h e s u p e r h e a t e ri nt h i st h e s i s w ec a r r yo na ni n v e s t i g a t i o ni n t ot h es u p e r h e a t e ro f c e r t a i nm a r i n eb o i l e r b u i l da l la p p r o p r i a t eg e o m e t r ym o d e la n ds i m u l a t ei tb y a d o p t i n gs o f t w a r ef l u e n t ni sd i f f i c u l tt os i m u l a t et h ea l la n dt h eo n e b e c a u s eo ft h el a r g ew h o l e s t r u c t u r eo ft h es u p e r h e a t e r t or e d u c et h es i z eo ft h es u p e r h e a t e rb yu s i n g r e a s o n a b l es c a l eo nt h eb a s eo fo r i g i n a lm o d e la n dt h es i m u l a n tr e s u l t sc a n r e f l e c tt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h eo r i g i n a ls u p e r b e a t e n n en i l eo ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r s d i s t r i b u t i n ga r es t u d i e dw h e nt h e s t e a m g a si sf l o w i n gi nt h ei n n e ro fh e a d e ra n dt r a n s f e r r i n gh e a tb yu s i n g r e a l i z a b l ek em o d e l s i m p l e ca r i t h m e t i co ft h ec o u p l i n go fp r e s s u r ea n d v e l o c i t y s t a n d a r dw a l lf u n c t i o nr e a l t h ew a l la n dc o n c e a l e df o r m a td i s p e r s i n g g o v e r n i n gf u n c t i o n si nt h i st h e s i s t h r e ed i f f e r e n ti n s t a n c e sa r ed o n ei n t h i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e s u p e r h e a t e rt h a t i su n i f o r md i s t r i b u t i o n u n i f o r md e s c e n d i n ga n du n i f o r m i n c r e a s i n g o ft h e r m a ll o a d a l o n gt h e d i r e c t i o no fs t e a m f l o w t h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ed i s t r i b u t i o nn e p h o g r a mo fp r e s s u r e t e m p e r a t u r ea n d e n t h a l p yh a sb e e ng a i n e d a n da l s ot h em a s sf l u xi nt h et u b e sa n dv a r i o u s p a r a m e t e r so f t h es t e a m si nt h et u b e st h a ta r ei n t e r c e p t e db ys e c t i o n s t h e nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e d i tm a k e sk n o w nt h a tt h er u l e so fd i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r ea r ed e c i d e d b yt h es t r u c t u r e so ft h eh e a d e r t h r o u g ht h r e ed i f f e r e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s w ec a l lr e g a r dt h es u p e r h e a t e ra st w ozs t r u c t u r e si ns e r i e sw i t he a c ho t h e rf r o m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n s t h es e c o n dzs t r u c t u r ei sn o ta sg o o da st h ef i r s to n e a l o n gt h ed i r e c t i o no fs t e a mf l o wb u tt h en o nh o m o g e n e i t yo f f l u x e sh a v es o m e r e d u c e s n l ea r r a n g e m e n to ft h es u p e r h e a t e ri sc o m p a c t a n dm a k e sr e p a r a t i o n o f t h es i n g l ezs t r u c t u r e 哈爾濱工程大學碩士學位論文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l lb e u s e df o rp r o v i d i n gr e f e r e n c ep l a n sf o r o p t i m i z i n gt h es a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fs u p e r h e a t e r a tt h es a m e t i m ei t c a ne c o n o m i z el a r g en u m b e r so fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d sw o u l db ee x t e n s i v e l ya p p l i e dt ob o i l e ro p e r a t i o n ss a f e l yi n t h ef u t u r e k e yw o r d s s u p e r h e a t e r f l u e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文的所有工作 是在導師的指導下 由作者本人獨立完成的 有關觀點 方法 數(shù)據(jù)和文獻等的 引用已在文中指出 并與參考文獻相對應 除文中已經注明 引用的內容外 本論文不包含任何其他個人或集體已公開發(fā) 表的作品成果 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本人完全意識到本聲明的法律 結果由本人承擔 作者 簽字 奎翌凰 日期 嘲年弓月爭日 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 概述 過熱器的作用是將蒸汽從飽和溫度加熱到額定的過熟溫度 在鍋爐負 荷或其它工況變化時 應保證過熱溫度的波動處在允許的范圍之內 過熱 器是鍋爐中非常重要的部件 在很大程度上影響著鍋爐的經濟性和運行的 安全性 在現(xiàn)代鍋爐中 過熱器和再熱器的吸熱量占工質總吸熱量的一半以上 因此受熱面在鍋爐總受熱面中占了很大的比例 必須布置在更高的煙溫區(qū) 域 其工作條件是鍋爐受熱面中最為惡劣的 受熱面管壁溫度接近于鋼材 的極限允許溫度 因此其受熱面的合理布置和設計對整臺鍋爐的經濟性和 可靠性有很大的影響 過熱器內部是高溫高壓的蒸汽 外部則受到高溫煙氣的沖刷 其工作 環(huán)境十分惡劣 各平行管內的流量分配不均勻和爐膛中煙氣的溫度場和速 度場的分布不均勻是造成過熱器局部過熱和爆管的重要因素 過熱器管束存在著不均勻受熱以及平行管內蒸汽的不均勻分配 當某 些管子的熱負荷較高而蒸汽流量又較少時 則蒸汽焓增及溫度都較高 易 于造成局部超溫爆管 由于煙氣側熱力不均勻性的影響 在受熱強的管中 由于工質溫度較高 比容較大 工質流量減小 即水力不均勻性增大 進 一步增加了管予的熱偏差 另外過熱器集箱內部結構 管子與集箱的連 接方式 以及并聯(lián)各管流動阻力的差異也會影響并聯(lián)各管內蒸汽量的分配 總之 過熱器的熱偏差決定于管子的熱力特性 水力特性和結構特性 在鍋爐設計中 應根據(jù)熱負荷分布規(guī)律 正確地選擇好集箱的連接系統(tǒng) 則可以利用工質的水力不均勻性來均衡煙氣的熱力不均勻 使通過各管子 的工質流量與其熱負荷相適應 即在熱負荷高的管中能有較多的流量 而 在熱負荷低的管中則通過較少的流量 在選擇過熱器集箱尺寸時 應使集 箱內蒸汽的縱向流速所引起的靜壓變化不致引起過熱器管中蒸汽的流量偏 哈爾濱工程大學碩士學位論文 差過大 1 2 過熱器爆管原因分析 鍋爐設備發(fā)生事故在燃煤發(fā)電廠設備事故中占6 5 8 而爆管又占鍋 爐事故的7 1 7 如何預防爆管 已成為各發(fā)電企業(yè)確保安全 穩(wěn)定生產 的一項必需的工作 鍋爐受熱面以及承壓部件由水冷壁 過熱器 再熱器及省煤器組成 過熱器是鍋爐承壓部件中工作溫度最高的受熱面 管內流過的是高溫高壓 蒸汽 其傳熱性能較差 而管外又是高溫煙氣 所處環(huán)境惡劣 因此損壞 事故的比例非常大 在鍋爐運行中過熱器爆管大多是由下列原因造成的 由沿寬度煙溫煙 速偏差造成的各屏間吸熱偏差 由集箱中渦流或集箱布置不合理造成的各 屏間蒸汽流量偏差 同一片屏中各管的長度 流量和吸熱的不均勻 管子 受到強輻射或管內蒸汽流速低 管子壁溫異常升高 無論哪種分類形式 超溫爆管都是鍋爐受熱面失效的主要機理之一 下面從流動和傳熱特性著手 分析了引起超溫爆管的各種深層和淺層原因 鍋爐管壁溫度總是高于其中的工質溫度 此兩者之間的溫差與受熱面 的熱負荷g 管壁至工質的放熱系數(shù)a 金屬管壁及水垢層厚度6 及6 和 它們的導熱系數(shù)a 和a 等有關 對于現(xiàn)代化的鍋爐在維持正常的水規(guī)范情 況下 基本上可保證無垢運行 或水垢層的熱阻可不計 超溫爆管 主要是由于金屬管壁的溫度工況超過材質所允許的溫度極 限而引起的金屬管子失效 故為尋求引起超溫爆管的原因 首先得分析金 屬管壁的壁溫 由文獻n 可知 伊 砌b 南 剮 m 式中 金屬管壁的平均溫度 f 管內工質 蒸汽 溫度 g 熱負荷 熱流密度 w m 2 2 哈爾濱工程大學碩士學位論文 a 管內工質的對流換熱系數(shù) w m 2 p 熱量均流系數(shù) p 6 0 式中采用流體平均溫度f 為定性溫度 取管子內徑d 為特征尺度 如將各準則表達式代入 可將換熱系數(shù)a 表示 為 妒o 0 2 s 占譬 m s 式中b 詈 一 代表流體物性參數(shù) 它與流體的種類 壓力和溫 度有關 由 1 3 式可見 對流換熱系數(shù)a 與直徑d 的0 2 次方成反比 與 質量流量d 的o 8 次方成i e 比 與系數(shù)b 成正比 對一運行的過熱器 特性尺寸d 為一常數(shù) 可不予考慮 下面就一些引起爆管的原因進行分析 1 物性參數(shù)曰對放熱系數(shù)口 的影響 由以上分析可知 丑與流體的熱物理性質a p c 有關 由流體力 學及傳熱學知識可知 當流體為過熱蒸汽時 a p c 為過熱蒸汽壓力p 溫度t 的函數(shù) 即當p t 變化時必然引起b 值的變化 在電站鍋爐中 過熱 3 哈爾濱工程大學碩士學位論文 器中蒸汽壓力和溫度的變化反映在兩方面 當負荷發(fā)生變化時 對同一過熱器來講 它的壓力 溫度隨之變化 負荷增加 則溫度壓力隨著增大 就同一過熱器而言 壓力增加較大 占值 將上升 a 增大 反之亦然 在相同負荷時 不同部位的過熱器 p t 也不同 沿蒸汽流向p 是逐漸 降低 而t 是逐漸升高的 因而使b 所下降 從而使放熱系數(shù)口 降低 不 利于對流換熱 b 圖1 1 壓力p 溫度t 對b 值的影響 2 流量對放熱系數(shù)a 的影響 流量對放熱系數(shù)口 的影響 可從幾個方面考慮 首先從運行角度來看 負荷的變化會影響放熱系數(shù)a 的大小 其次管屏間的流量分配也對局部地 區(qū)的放熱系數(shù)a 有影響 1 負荷變化對放熱系數(shù)口 的影響 外界負荷的變化必然要求蒸汽流量與之相適應 當外界負荷增加時 過熱器中的蒸汽質量流量 p 隨之增大 由 卜3 式可以看出 a 也會增 加 此時發(fā)生的過熱器爆管 我們應首先考慮煙氣側的熱流密度窖的變化 當然 前提是在綜合考慮各種原因的基礎上 排除外部因素如發(fā)生異物 堵塞等 對于低負荷運行狀況下的過熱器爆管 由于蒸汽質量流量 p 曲較高負 荷下為小 因此對流放系數(shù)a 也小 易造成管壁壁溫升高 加之口值的變 化亦不利于對流換熱 因而易造成過熱器管子失效 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 具體對于輻射式過熱器 由其汽溫特性可知 隨著d 的上升 蒸汽出口 汽溫反而下降 由于b 值上升從而口 上升 故對于輻射式過熱器主要是考 慮低負荷運行情況 當負荷減少時 輻射過熱器中工質的流量和鍋爐燃料 量按比例減少 但爐內輻射熱并不按比例下降 因為爐內火焰溫度的下降 并不多 也就是說 隨著鍋爐負荷的降低 爐內輻射的份額相對上升 對 于金屬管壁來說q a 相對會增加 另外 由于輻射過熱器中蒸汽的焓增增 加 出口汽溫上升 使得管內平均汽溫上升 口值下降從而導致對流換熱 系數(shù)口 下降 兩者共同作用使金屬管壁壁溫瓦上升更大 此時如發(fā)生爆管 更應注意考慮是由于低負荷運行的原因 抑或是管材質量問題 對于對流過熱器 經驗表明 超溫爆管常常發(fā)生在高負荷運行時 此 時負荷d 較大 因而口 a c p 力 也比較大 由對流過熱器的汽溫特性可知 負荷d 增加 出口汽溫 隨之上升 雖然汽溫的上升使得a 下降 曰值下 降 但我們應注意到壓力p 也對召值有影響 因此 對于對流過熱器 在 分析其爆管原因時 考慮的重點應是煙氣側的熱負荷g 的變化 2 流量分配對口 的影響 設計原因引起的流量分配不均 單相流體在管內流動時 有許多因素使并列管子間流量分配不均 例 如集箱連接方式不同 并行管圈間重位壓頭的不同和管徑及長度的差異等 等 另外 吸熱不均也會引起流量不均 集箱的引入 引出方式布置不當 使得蒸汽在集箱中流動靜壓變化過 大 而造成較大的流量偏差 對于蒸汽由徑向引入集箱的并聯(lián)管組 因進口集箱與引入管三通處形 成局部渦流 使得該渦流區(qū)附近管組流量較小 從而引起較大的流量偏差 因同屏 片 并聯(lián)各管的結構 管長 內徑 彎頭數(shù)等 差異引起各管的 阻力系數(shù)相差較大 造成流量偏差 實際上 上述結構設計和布置上的不合理性往往同時存在 因而可能 會加劇超溫爆管的發(fā)生 制造工藝 安裝及檢修質量問題引起流量分配不均 集箱中間隔板焊接問題 中間隔板在焊接時 如未滿焊 將引起集箱 中蒸汽短路導致部分管子冷卻不良 因流量較少而爆管 哈爾濱工程大學碩士學位論文 普遍焊口質量問題 由于制造 安裝和檢修焊口質量不合格 如毛刺 砂眼等 屏的通球試驗不能達到要求 引發(fā)爆管 異物堵塞 由于流體腐蝕及制造 安裝或檢修等人為因素造成管內有 異物 而引起的管屏內流量的不均以致爆管 無論是異物堵塞還是焊口質量 都可能使管內局部阻力加大 而在總 的壓降不變的情況下 局部阻力的增加 使該管 或管屏 中的流體流量 p 曲下降 同時在總流量一定的情況下該管 或管屏 中的流量必然重新分 配到其它的管 或管屏 中 流量的自動調整與分配會加劇局部渦流 從而 影響到其它管的流動 減溫水系統(tǒng)設計不合理引起流量不均 某些鍋爐在噴水減溫系統(tǒng)設計中 往往用一只噴水調節(jié)閥調節(jié)一級噴 水總量 然后將噴水分為左右兩個回路 這時 如左右兩側的燃燒工況或 汽溫有較大偏差時就會引起工質變化不一 吸熱不均將導致流量不均 而 減溫水系統(tǒng)卻無法調整左右側噴水來平衡兩側汽溫 3 煙氣側熱負荷g 的影響 對于電站鍋爐過熱器來講 影響煙氣側的熱負荷的因素相當多 熱負 荷的變化是多種因素綜合作用的結果 一般來講 難以用一個準確的數(shù)學 模型來衡量它們之間的因變關系 這里 僅作定性的分析 研究一下主要 影響因素 1 爐內燃燒工況 爐內燃燒工況的變化 主要是指運行時 爐內煙氣動力場和溫度場發(fā)生 變化 如偏移 究其原因既有結構 設計 上的原因 也有人為 運行 因素 結構因素 美國c e 公司習慣采用的 也是我國大容量鍋爐中應用最廣泛的四角布 置切圓燃燒技術 由于爐內煙氣在到達屏過底部時 還存在殘余旋轉 因 而產生煙氣 蒸汽場偏置現(xiàn)象 對于右旋切圓燃燒方式 位于爐膛上部的 輻射受熱面 分隔屏過熱器 后屏過熱器 沿爐膛寬度方向工質溫升均里 左高右低的分布特性 對于左旋切圓燃燒方式 溫升特性剛好相反 如汽 水系統(tǒng)設計不合理 將可能導致出口汽溫偏差 甚至爆管 由于殘余旋流 的存在 出現(xiàn)煙氣速度場 流量場及溫度場的偏置問題 將引起各個受熱 面的熱流密度g 的變化 從而影響局部地區(qū)管子的安全性 具體對于右旋切向燃燒方式 由于殘余旋流的存在 使得上爐膛左側 6 哈爾濱工程大學碩士學位論文 氣室內煙氣向爐后 水平煙道 運動阻力大于右側 從而使左側氣室中煙氣 滯止 碰撞 與殘余旋流 而形成煙氣渦流 造成氣流擾動 使得左側煙氣 充滿程度大于右側氣室 強化了對流換熱 這樣 如果在輻射情況等同的 情況下 左側熱負荷就要高于右側的熱負荷 因而在同樣的條件下 左側 受熱面的工作條件較為惡劣 而對于水平煙道的對流過熱器 由于屏區(qū)吸熱不均而造成進入對流煙 道的煙溫呈現(xiàn)出右高左低 再則由于爐膛上部左右側氣流阻力不同 因而 右側流向的煙氣流量會多于左側 這樣又會在水平煙道內出現(xiàn)沿爐寬方向 熱負荷分布呈現(xiàn)出右高左低的特性 就局部過熱器管子而言 右側管子安 全性較差 運行因素 運行因素對爐內工況的影響相當復雜 如燃燒調整不當 燃料成分 種 類 的變化 都將引起過熱器壁面熱負荷的變化 如燃料的低位發(fā)熱量提高 時 由于理論燃燒溫度和爐膛出口煙溫升高 可能導致爐膛結渣 從而使 過熱器壁溫熱負荷增大 又如在燃料量不變 而水分增加時 則煙溫降低 煙氣體積增加 最終會導致過熱器的出口汽溫上升 過熱器熱負荷發(fā)生變 化 由以上分析可以得到下列結論 1 超溫爆管的根本原因在于管壁的溫度工況 而管壁的溫度主要決定 于管外熱負荷g 及管內工質的對流換系數(shù)口 為防止超溫爆管 必須將 q a 嚴格地控制在一定的范圍內 2 對于管內對流放熱系數(shù)a 往往應注意管內工質流量的變化 如 流量分配不均 異物阻塞 焊接質量 減溫器設計的不合理都將引起口 的 變化 3 管外熱負荷g 的變化 從設計上應保證煙氣速度場 溫度場 流量 場的穩(wěn)定及均勻 因此 保證鍋爐的燃燒穩(wěn)定對于防止過熱器爆管有著重 要的意義 1 3 過熱器研究進展 1 3 1 過熱器三維壁溫計算的新方法 1 原算法的不足及本算法的改進 7 哈爾濱工程大學碩士學位論文 本算法主要依據(jù)原蘇聯(lián)1 9 7 3 年的計算標準 但該標準只能確定最大可 能管壁溫度 從而校核管壁材料許用強度 不能計算詳細的壁溫分布 具 體不足如下 1 在計算某一計算點的平均汽溫時 沒有考慮到各管段吸熱能力的不同 即取傳熱系數(shù)為恒定值 2 在確定計算點周向平均熱負荷時 沒有考慮到管束前煙氣空間的影響 3 只運用各種偏差系數(shù)考慮了各屏之間的偏差 對于同一片屏則未加區(qū) 分 同時 沒有考慮到每片屏各管的流量不均對壁溫產生的影響 在本算法中 要計算出管子各點的壁溫值 為此 將管組 管段按其 空間坐標劃為若干小單元 對每個小單元進行壁溫的循環(huán)計算 直到其達 到給定的約束條件時停止 在進行計算時考慮了同屏之間的熱力偏差和水 力偏差 對每個小單元進行計算時選取的是該段所處位置的煙氣溫度值i 工質溫度值以及該處的傳熱系數(shù) 改變了以往按結構位置差異取各種修正 系數(shù) 對平均量進行修正的方法 通過上述改進 能夠較精確地反映出管 壁溫度的真實分布 并使計算簡單明了 同時 將原方法中的近似處理和 較復雜的步驟轉化為較大量的局部計算 因此在計算機程序中可對不同結 構受熱面采取幾乎相同的算法步驟 提高了程序的通用性 2 本算法的計算流程 水平煙道空間的網(wǎng)格劃分 將過熱器受熱面所處的水平煙道空間進行 網(wǎng)格劃分 使得各受熱面被劃分成各個相聯(lián)的小管段 在以后的計算中便 于對各管段對應參數(shù)進行調用 如圖1 2 所示 圖1 2 網(wǎng)格劃分示意圖 哈爾濱工程大學碩士學位論文 2 水平煙道內煙溫 煙速分布 能否得到較準確的管壁溫度首先要知道水平煙道內煙氣的溫度分布 由于測量方法和測量工具的局限 該處的煙氣溫度分布一直難于測量 但 是水平煙道里的煙氣速度比較容易測量 實爐測試的經驗表明煙速高的地 方煙溫也高 而且在水平煙道上 煙溫與煙速之間近似存在如下關系 矽 矽0 0 7 4 2 r 乙 2 五一力 1 4 式中 z 爐膛出口煙溫 k 疋 平均煙溫 k 平均煙速 m s 口的煙溫差 由差分法推出此處的三維速度場及溫度場模型 溫度場的分 3 管段內各處工質溫度的計算和各段最大熱負荷的求取 在進行工質與煙氣熱交換時 前蘇聯(lián)1 9 7 3 年計算標準沒有考慮各計算 點吸熱能力不同而取用相同的傳熱系數(shù) 計算傳熱系數(shù)的公式如下 n 下6 再1 小5 由于各計算管段的吸熱能力不同使a 和口 不同 從而傳熱系數(shù)不同 這使計算工質溫度時產生誤差 計算工質溫度時考慮了這一點 計算傳熱 系數(shù)時取用該段的各種參數(shù)值 避免了采用均值加修正參數(shù)的方法 使得 傳熱系數(shù)更接近真實值 工質吸收的熱量一部分是前方高溫煙氣的輻射熱 每根管子按工質的流動方向逐段進行計算 由焓增就可以計算出計算點的 工質溫度 將所計算的管子分成數(shù)個計算管段 在對各個管段進行計算時 根據(jù)該段所處的空問位置選用對應的各項參數(shù) 如煙溫 煙速 這樣使得 和第二段的焓增 厶 1 點的焓值 為f 0 越 2 點的焓值采用前一點的焓值 9 哈爾濱工程大學碩士學位論文 i 加這一步長管段的焓增出 這樣避免了以往從入口到計算點直接求計算 點的焓值 使得結果更準確 計算公式如下 如 k 一織一 2 a h 一招 6 一 1 6 式中 對流吸熱量 茁 傳熱系數(shù) d t 管段溫壓 解 管段受熱面積 6 計算燃料消耗量 f 該段出口 f 一1 該段進口 輸出壁溫 圖1 3 壁溫計算流程 再加上各段的輻射吸熱量得到每段前的總吸熱量 由下式 d l 乜 鯫 d 卜7 l o 哈爾濱工程大學碩士學位論文 得到各管段前工質的焓增 加上工質的進口焓值得到該段的工質焓值 從 而得到各段的工質溫度 這時的d 要考慮同屏間的流量偏差 可由 鍋爐 水動力學計算標準 算得 以前計算時應用前蘇聯(lián)1 9 7 3 年標準沒有考慮 同屏間的流量偏差 最大熱負荷強度留一的計算參照前蘇聯(lián)1 9 7 3 的標準 4 計算管壁溫度 計算流程見圖1 3 基本公式見文獻 3 1 計算前先預選污染壁溫 將 算得的污染壁溫與初選值進行比較 以此為約束條件 當差值大于2 0 時 以計算值為下次的污染壁溫值再進行計算 當差值小于2 0 c 時認為此時的 值為管段的壁溫值 同時應注意到由于現(xiàn)在受熱面的管材不是同一種原料 在同一根管子上往往也是幾種材料焊接而成 在計算時亦應注意計算段管 材金屬導熱系數(shù)的選取m 1 3 2 熱偏差的研究進展 1 流量偏差和沿煙道寬度熱偏差研究 針對鍋爐過熱器中因并聯(lián)各管蒸汽流量分配不均而出現(xiàn)的超溫爆管 事故 從2 0 世紀3 0 年代起 蘇聯(lián)有關學者就對引起并聯(lián)管組流量分配不 均的集箱內靜壓分布進行了?；囼炑芯?試驗得出了集箱端壓差轉換系 數(shù) 并認為集箱內工質靜壓按拋物線規(guī)律分布 這些成果成為蘇聯(lián)鍋爐機 組熱力計算與水力計算標準方法中有關集箱內靜壓變化計算的依據(jù) 2 0 世 紀六七十年代 針對我國電站鍋爐的過熱器系統(tǒng)出現(xiàn)的超溫爆管問題 陳 之航等 1 認為由集箱引入 引出方式與同屏各管圈結構不合理引起的流量 分配不均勻及沿煙道寬度的熱負荷分布不均勻是導致熱偏差過大 受熱面 超溫爆管的主要原因 并指出了當時我國鍋爐設計中普遍采用蘇聯(lián)標準有 關集箱內靜壓分布計算方法存在的問題 后經理論分析與試驗研究得出了 集箱內靜壓分布規(guī)律 并提出了并聯(lián)管組流量分配及沿煙道寬度熱負荷分 布的計算方法 p f 2 0 p f p h 屯 死 q 夠b i 1 叫2 h 口 1 1 叫3 1 8 甌 巧 2 i 1 叫2 h i i 哈爾濱工程大學碩士學位論文 式中 日 和阮分別為分配集箱進口和匯集集箱出口的動壓頭 a f 和 分別為分配集箱和匯集集箱的全長折算摩阻系數(shù) 假設熱負荷沿煙道寬度對稱分布 最大和最小熱負荷分別出現(xiàn)于煙道 中部與煙道兩側 則熱負荷分布為 7 h 盧 4 i x 一0 5 1 5 口b 一0 5 1 2 5 1 9 式中 厲 a 二蘭f 7 5 口一2 a 2 1 1 0 b 7 x f 2 3 f l 2 a 一5 其中 a 盧分別為最小和最大熟負荷偏差系數(shù) 可根據(jù)經驗確定 這些成果后來都列入了我國電站鍋爐機組水動力計算標準中 且在實 際設計中得到了廣泛的應用 1 2 同屏熱偏差研究 2 0 世紀七八十年代 針對配2 0 0 3 0 0 h 哪機組的國產鍋爐及部分進口鍋 爐過熱器與再熱器系統(tǒng)中普遍發(fā)生的超溫爆管事故 王孟浩等 1 通過對過 熱器與再熱器管排結構以及超溫爆管事故的分析 認為除流量分配不均勻 與沿煙道寬度熱負荷分布不均勻外 受熱面同屏各管的吸熱不均勻也是造 成受熱面超溫爆管的原因之一 并在對實際運行狀況的總結與理論分析的 基礎上 提出了過熱器與再熱器系統(tǒng)同屏熱偏差的計算方法 此方法已成 為大型電站鍋爐過熱器與再熱器受熱面結構設計和改進的重要依據(jù) 3 綜合熱偏差理論及計算方法研究 2 0 世紀8 0 年代以來 隨著上海市 十四 項重點攻關項目的實施 結合 6 0 0 m w 超臨界鍋爐技術的引進與消化 并針對按美國c e 公司技術設計制造 的 配3 0 0 m w 和6 0 0 m w 機組的控制循環(huán)鍋爐及同類型進口鍋爐 在運行中普 遍出現(xiàn)的再熱汽溫偏差及受熱面超溫爆管問題 陳之航等 在系統(tǒng)分析與 總結大型電站鍋爐實際運行狀況及以往研究成果的基礎上 提出了綜合考 慮流量分配不均勻以及沿煙道寬度與同屏吸熱不均勻的熱偏差與汽溫偏差 計算方法 并指出了美國c e 公司性能設計標準中有關集箱內靜壓分布計算 方法所存在的問題 4 沿煙道寬度煙溫分布研究 1 2 哈爾濱工程大學碩士學位論文 在大型電站鍋爐的過熱器與再熱器系統(tǒng)設計中 一般是根據(jù)設計及運 行經驗直接選取沿煙道寬度的熱負荷偏差 進而分析各管排的吸熱偏差 汽溫偏差與管予壁溫工況 作者認為 更合理的方法應根據(jù)沿煙道寬度的 煙溫分布確定沿煙道寬度的吸熱偏差 因為在實際運行中煙溫分布更為直 觀而且可進行實爐測量得出其變化規(guī)律 而沿煙道寬度的熱負荷分布無法 直接測量 因而在設計時只能根據(jù)經驗或有關的試驗結果進行推測確定其 值 另一方面 在大型電站鍋爐的運行過程中 為了防止過熱器與再熟器 系統(tǒng)超溫爆管 一般在過熱器與再熱器受熱面的爐外出口安裝壁溫測點 弗以此作為判斷過熟汽溫與再熱汽溫的偏差情況以及進行燃燒工況與兩側 噴水量調整的依據(jù) 至于爐膛出口及對流煙道內 主要是較高煙溫區(qū) 的實 際煙溫分布情況 由于測試技術方面的原因 至今難以作為長期運行監(jiān)控 的依據(jù) 而只是在故障分析或科研需要時才用熱電偶進行測量 且這種測 量方法工作量相當大 而從解決大型電站鍋爐對流煙道內煙溫偏差及汽溫 偏差問題的角度 迫切需要弄清實際運行過程中煙溫分布與汽溫分布的關 系 以便在新設計的鍋爐中能在設計階段采取有效的措施或為己出現(xiàn)偏差 問題的鍋爐的過熱器與再熱器系統(tǒng)的改造和運行調整提供可靠的依據(jù) 為 此 作者等m 從理論上建立了對流過熱器與再熱器受熱面的進口煙溫分布 和出口汽溫分布之間的關系 即 由進口煙溫分布推算受熱面出口汽溫分 布 一 7 而b 1 f 叢1 型 f 豎1 型m i 7 ji o 一t j 叮 i p 一r j 7 式中 t 分別為受熱面各管排的進 出口平均汽溫 t 進口汽溫分布 0 0 分別為受熱面進口平均煙溫與煙溫分布 7 受熱面各管排間流量偏差 由上式可見 過熱器與再熱器受熱面的出口汽溫分布 主要取決于受 熱面的蒸汽溫升 進口煙溫分布與汽溫分布以及各管排間的流量分配情況 由受熱面出口汽溫分布推算其進口煙溫分布 哈爾濱工程大學碩士學位論文 旺 等卜札h 礦一刁 等卜 m 若受熱面進口蒸汽混合良好即f 一7 o 則有 肚 等卜耘h 踟m 上式可見 在現(xiàn)有電廠監(jiān)控參數(shù)的基礎上 只要在受熱面進口對應某 一管排處增設一煙溫測點 根據(jù)該煙溫及其對應管排的出口汽溫 即可獲 得運行過程中煙道內平均煙溫及煙溫分布 從而避免十分復雜的煙溫測量 問題 并以此作為電廠運行監(jiān)控的依據(jù) 1 4 課題研究的意義 鍋爐過熱器 再熱器的超溫爆管現(xiàn)象是鍋爐運行中最常見的事故之一 嚴重影響到鍋爐的安全經濟運行 爆管的原因是多方面的 往往是由熱偏 差引起的 而導致熱偏差的主要原因是過熱器所處煙道的煙溫和煙速分布 不均引起的煙氣側傳熱偏差和過熱器系統(tǒng)結構不合理引起的并聯(lián)管中流量 偏差n 隨著計算機技術的飛速發(fā)展 以及一些商業(yè)軟件的逐漸增強 為研究 過熱器提供了嶄新的解決方法即數(shù)值模擬 近年來 多種商業(yè)軟件在國內 的應用 為通過數(shù)值模擬來研究過熟器成為可能 國內有很多使用商業(yè)軟 件來研究過熱器的例子 由于過熱器的實際運行過程非常復雜 獲得的實際數(shù)據(jù)有限 同時需 要花費大量的人力物力 而數(shù)值模擬可以從不同的運行工況進行分析 獲 得的結果豐富 數(shù)值模擬為過熱器的安全運行提供參考的數(shù)據(jù) 為優(yōu)化過 熱器的安全經濟運行提供參考方案 同時節(jié)約大量的人力物力 數(shù)值模擬 方法 由于其方便靈活性 可以從多角度提供在實際運行中很難取得的數(shù) 據(jù) 因此數(shù)值模擬對于過熱器的設計 運行和改造方面有重要的意義 1 5 課題研究的內容 本文以某船用鍋爐過熱器為研究對象 分析了過熱器的工作特點 對 其進行幾何建模 網(wǎng)格劃分等 并采用f u j e n t 軟件進行數(shù)值模擬 結合 1 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 有關知識對計算結果進行分析 論文的具體內容如下 1 對過熱器的工作特點進行分析研究 并對過熱的幾何模型進行簡化 使簡化的模型能很好的反映實際模型的工作狀況 并對過熱器進行網(wǎng)格劃 分 為數(shù)值模擬做準備 在此過程中無論是模型建立還是網(wǎng)格劃分都是至 關重要的 也是非常復雜的 要經過多次試驗最終找到合適的模型 2 對過熱器進行不同工況下的數(shù)值模擬 包括熱負荷均勻分布 熱負 荷均勻遞減和熱負荷均勻遞增 得到過熱器在不同工況下工作的溫度 壓 力等不同參數(shù)的分布狀況 3 對數(shù)值模擬結果進行分析 得出一些有價值的結論 并為過熱器更 安全經濟的運行提出一定的改造方案 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第2 章過熱器的熱偏差理論分析 2 1 熱偏差 1 熱偏差的基本概念 鍋爐的各種受熱面都是由并聯(lián)管組組成的 如果并聯(lián)管組的各管都能 在理想的設計參數(shù)下工作 則受熱面工作的可靠性可以得到保證 這就要 求各管的工作狀況完全相同 即各管的熱負荷分布 結構特性 入口的工 質焓以及并聯(lián)管的進口和出口集箱中的壓力分布等完全相同 但在實際中 并聯(lián)的各管肯定存在各種差異 工作條件是不同的 如爐膛四角及受熱面 結渣和污染的管子受熱較弱 運行時火焰中心偏斜等熱力特性的差異 燃 燒器 人孔 折煙角附近的管子 由于鍋爐結構的要求 其管子長度和彎 頭數(shù)量與其他并聯(lián)管不同等所產生的結構特性差異 熱負荷 結構特性 集箱以及布置方式的影響 還會產生水力特性的差異 上述的差異將導致各根管子的工質焓增發(fā)生偏差 這種并聯(lián)管中工質 焓增不均勻現(xiàn)象稱為熱偏差 熱負荷高或流量少的管子中工質焓增多 管 予出口焓值高 可能威脅并聯(lián)管組工作的安全性 由于工質焓值高 在蒸 發(fā)受熱面中 工質的含汽率大 可能會發(fā)生傳熱惡化現(xiàn)象 在過熱器中 工質的出口溫度高 而這些受熱面又工作在較高的煙溫區(qū) 可能會發(fā)生因 管壁溫度過高而損壞的危險性 隨著鍋爐向大型化的發(fā)展 其受熱面尺寸 的增大使各管的工況偏離平均工況的現(xiàn)象也嚴重 為了定量評估熱偏差的影響 將并聯(lián)管組中偏差管工質焓增和整個管 組工質平均焓增之比稱為熱偏差系數(shù)或簡稱熱偏差 p 等 2 m 艫莓 心 式中 p 熱偏差系數(shù) 1 6 哈爾濱工程大學碩士學位論文 出 并聯(lián)管組中工質的焓增最大管子 稱偏差管 中的工質焓增 值 k j k g 0 并聯(lián)管組工質平均焓增值 k 3 k g 由于對并聯(lián)管組的安全危害最嚴重的是焓增最大的管子 通常把這些 焓增最大的管子稱為偏差管 因此 我們所研究的熱偏差范圍總是大于1 的 當然 上述熱偏差定義也適用于并聯(lián)管組中任何一根管子 根據(jù)焓增計算式 可迸一步導得 口 生堡壘 盟 2 2 j q 霄h p 1 l 其中式中 g 分別為偏差管和平均工況管的熱負荷 k w m 2 髟 日珂 分別為偏差管和平均工況管的受熱面 m 2 q g 分別為偏差管和平均工況管的工質質量流量 k g s 鞏 熱負荷不均勻系數(shù) 等于彩 町j 流量不均勻系數(shù) 等于g p g 0 t 結構不均勻系數(shù) 等于置 茸 由上式可見 并聯(lián)管組的熱偏差與管子的熱力特性 水力特性和結構 特性有關 結構不均勻系數(shù)與受熱面布置方式和各管的幾何尺寸有關 由 于鍋爐并聯(lián)管組的各管受熱面積的差別有限 因此影響熱偏差的主要因素 是管組的熱負荷不均勻性及流量的不均勻性 其中 熱負荷不均勻系數(shù)與 受熱面的結構尺寸和運行狀態(tài)有關 流量不均勻系數(shù)主要取決于受熱面的 結構特性 熱負荷分布 布置方式及集箱的連接型式 在并聯(lián)管組中受熱 最強而流量最小的管子工作條件最惡劣 其熱偏差也最大 熱偏差存在于鍋爐的各種受熱面中 不可能完全消除 必須根據(jù)受熱 1 7 哈爾濱工程大學碩士學位論文 面金屬的可靠性條件 使并聯(lián)管組中最大的熱偏差小于某一允許熱偏差 a f p 如果管子的允許焓增為 k 則其允許熱偏差為p 尋 鍋爐中不同的受熱面有不同的允許熱偏差值及其確定方法 由于過熱 器的蒸汽溫度最高 且處于較高的煙溫區(qū) 其管壁工作溫度已經接近于管 子金屬材料的允許溫度 因此它的允許熟偏差在鍋爐各受熱面中是最小的 在設計布置過熱器時應盡量使各并聯(lián)管中的工質流量與管子的熱負荷相適 應 管壁工作溫度盡可能均勻一致 由所使用的金屬材料允許溫度可以確 定最大的允許工質溫度 并可得到最大的允許工質焓增 從而計算出允許 熱偏差值 2 熱負荷及受熱面積的不均勻性 熱負荷分布不均勻性是產生熱偏差的主要原因之一 影響并聯(lián)管組各 管熱負荷不均勻的因素很復雜 鍋爐煙氣的溫度場和速度場以及燃燒產物 的濃度分布不均勻 是形成熟力不均勻的主要原因 它包括結構設計和運 行工況兩個方面 在結構方面 由各管的受熱面積不等 爐膛輻射受熱面 受火焰燃燒中心位置的影響 靠近爐膛的煙氣溫度遠比中間溫度低 其沿 寬度的熱力不均勻約為 3 0 4 0 在對流受熱面中 具有較大煙氣流 通截面的煙氣走廊 造成煙道阻力特性不均勻 中間部分煙氣流速較快 使對流傳熱加強 以及檢修空間存在的氣室輻射影響等 一般位于爐膛出 口的對流受熱面沿寬度的熱力不均勻約為 2 0 3 0 煙溫偏差可達 2 0 0 3 0 0 過熟器個別管圈的汽溫偏差可達5 0 1 0 0 以上 運行方面 的原因有火焰形狀和充滿度不好 火焰中心偏斜 局部地區(qū)發(fā)生煤粉薦燃 燒 部分燃燒器停運或各個燃燒器負荷不一致 以及部分受熱面上結渣等 由于造成熱負荷不均勻的影響因素很多 因而熱負荷不均勻系數(shù)不可 能通過計算來決定 只能根據(jù)實踐經驗或實測的數(shù)據(jù)進行估算或選取 因 此 計算中對于熱負荷不均系數(shù)的選用應給予必要的重視或留有足夠的安 全裕度 2 2 集箱水動力學 熱負荷不均勻和受熱面不均勻的成因以及各種因素的影響外 造成熟 偏差的另一個主要原因是并聯(lián)管組的流量不均勻性 影響流量不均勻性的 因素很多 其中之一是集箱中工質的壓力變化對并聯(lián)管中流量分布的影響 1 8 哈爾濱工程大學碩士學位論文 即集箱效應 1 分配集箱和匯集集箱的靜壓分布 過熱器蛇形管的進出口一般均與集箱相連 沿集箱長度 由于工質速 度 重位壓頭和阻力損失的變化 使各點的壓力不等 從而影響與其相連 的管子進出口的壓差 引起各管工質流量分配不均勻 我國一般采用水平 布置的集箱 重位壓頭的影響可以不計 當蒸汽從水平集箱的端部引入和 引出時 沿集箱長度壓力和流速的變化如圖2 1 所示 在分配集箱中 沿 工質流向蒸汽流速逐漸減小 動能逐漸轉為壓力能 壓力沿o a 線上升 但 因集箱中有流動阻力凸p 一 一部分靜壓的增量為流阻所抵消 因此分配集 曲 b 圖2 1 沿集箱長度壓力和流速的變化 a 分配集箱 b 匯流集箱 箱中壓力分布曲線為o b 分配集箱兩端的壓力差卸k 口a 可用下式表示 蜀譬 2 3 式中 集箱內工質的最大速度 即分配集箱進口處的流速 馬 靜壓轉換系數(shù) 由試驗得出 當工質自集箱端部全部截面引 入時 罵 s 自端部用管接頭引入時 置 2 乏一 6 其中4 為集箱 1 9 哈爾濱工程大學碩士學位論文 截面積以為管接頭截面積 自端部側面直角引入時 點 1 0 分配集箱中的靜壓變化應為 譬一 譬一f 譬 譬 c z 圳 因此 分配集箱中的靜壓轉換系數(shù)馬可表示為蜀 1 一 集箱中的流動阻力為 鋤 f 考竽敗 2 巧 如設集箱內速度按直線分布 廠 叱 w o l l 等i 2 6 則 魄 魯譬f 1 鉗以 務譬 治z 由此可得 蘭 2 8 一 同理 在匯集集箱中 沿工質流向 蒸汽流速逐漸增大 壓力能逐漸 轉為動能 集箱內壓力沿a r o 線下降 同時有流動阻力印一的影響 實際 的壓力分布曲線為b o 匯集集箱兩端的壓力差印耐可表示為 琶華 2 9 式中 匯集集箱出口處的工質流速 m s 馬 靜壓轉換系數(shù) 由試驗得出 當端部引出時 墾 2 0 當從集箱中部徑向引出時 馬 1 6 轉換系數(shù)馬可表示為馬 1 匯集集箱中的f 值較分配集箱中的要大 因為除摩擦損失外 還有與 集箱中縱向汽流成交叉的各管子中出來的汽流所引起的渦流損失 支管中 的蒸汽速度相對子集箱內縱向速度的比值越大 則引起的渦流損失越大 如果以集箱中最大速度的截面為起點 即以分配集箱的進口截面和匯 集集箱的出口截面作為起點 則可認為分配集箱與匯集集箱中靜壓變化的 規(guī)律相同 距離起點l 處的靜壓變化可用下式表示 啥爾濱工程大學碩士學位論文 址爭 2 一釣 2 1 0 如以相對距離工 l o 一1 表示 則得 4 p 肇ik 2 x x 2 2 1 1 由于沿集箱長度的靜壓是變化的 因而與之相連的各根管子進出口的 壓差不等 而且與分配集箱與匯集集箱的連接方式有關 現(xiàn)以z 型連接系 統(tǒng)為例 如表2 1 中所示 工質從分配集箱的一側端部引入 而從匯集集 箱的另一側端部引出 由圖可見 與分配集箱終端處相連接的管子進出口 的壓差最大 因而有最大的流量 而與分配集箱始端處相連接的管子進出 口壓差最小 因而其流量最小 因此這根管子最為危險 成為這一管組中 的偏差管 流量分配不均勻性的大小決定于各支管進出口靜壓變化的差值 可由 上述集箱內靜壓變化的規(guī)律求得