直流锅炉蒸发受热面的热特性分析.docx

随着金属材料科学研究的进展,以及政府和人民时火力发电提出r更高的能耗和环保要求，电站锅炉的热效率和排污量都有较大改善，锅炉的容室也日益增加，超临界压力直流锅炉已经取代亚临界压力自然循环汽包锅炉，成为为国内为发电行业的主力机组。而超临界锅炉仅靠水泵的压力驱动汽水系统，这使得其具有与汽包炉相反的自补偿特性，即吸热量越大，管子中汽水介质的潦盘越小。如果在锅炉运行中错使超临界下的大比热区与炉膛中辐射最强的燃烧器区域重合，会导致蒸发受热面的吸热量倍增，导致类膜态沸腌现象，引起传热恶化并造成超温爆管事故，在锅炉运行的过程中应避免此种事故的发生，这就需要分析蒸发受热面内工质热工参数的沿程分布情况，了解大比热区的位置及其随压力改变而改变的特性。而超临界用力直流锅炉蒸发受热而工质温度也是进一步计鸵金属壁面温度的基础本文基于超临界直流锅炉燃料if堂和锅炉热平衡计算的运行数据，根据锅炉的热力计算方法和零维炉膛传热模型，计算出炉膛传热量以(XX)MW超临界压力直流锅炉为研究对象，通过分区段向上迭代计算的方法研究蒸发受热面的热工特性，推导动量守恒方程得出了压降随炉腺高度变化的关系式，通过能量守恒方程得到了工质比熔沿炉膛高度变化的关系式，通过反复调用【APWS-IF97物性工业方程计尊热工参数，设计算法对之上的混合方程组进行耦合计算.编制并调用了相关计算程序，分析炉膛传热和工质热工特性变化,得到了不同位置和状态的汽水介质热物理参数的计算结果，通过输出蒸发受热面热工特性的分布情况可预测其安全运行状况，而确定工质大比热区位巴极其移动趋势，可用于受热面的运行监测和诊断，指导超临界直流锅炉燃烧和汽温控制。关键词：超临界直流锅炉；蒸发受热面；汽水介质；热工特性;TitIeAnalySiSOfThelunalCharaCteriSIiCSOfEVaPOraIionHeaIingSUrfaCeOfOnCC-IhrOUwlBcilcrAbstractWiththeprogressoftnetalmaterialsscienceresearch,andthegovernmentandpeopleputforwardhigherenergyconsumptionandenvironmentalprotectionrequirementsforthermalpowergeneration,thethermalefficiencyandsewagedischargeofpowerstationboilershavebeengreatlyimproved,andthecapacityofboilersisalsoincreasing,supercriticalpressure.TheDCboilerhasreplacedtheSubcriticalpressurenaturalcirculationdrumboilerandhasbecomethemainunitforthedomesticpowergenerationindustry.Thesupercriticalboileronlydrivesthesteam-watersystembythepressureofthewaterpump,whichmakesithavetheself-compensatingcharacteristicoppositeiotheseandrumfurnace,thatis,thelargertheheatabsorption,thesmallertheflowrateofthesteam-watermediuminthepipe.IfthelargespecificheatzoneundersupercriticalconditionscoincideswiththemostintenseburnerzoneinIhCfurnaceduringboileroperation,theheatabsorptionoftheevaporationheatingsurfacewillbedoubled,causingthefilm-likeboilingphenomenontocauseheattransferdeterioration.Intheeventofanover-temperaturesquibaccident,suchaccidentsshouldbeavoidedduringtheoperationoftheboiler.Thisrequiresanalysisofthedistributionofthethermalpara11wtcrsoftheworkingfluidinheevaporativeheatingsurface,andthelocationofthelargespecificheatzoneanditsThecharacteristicthatchangesinpressure.IhetemperatureoftheworkingsurfaceoftheevaporatingheatingsurfaceofthesupercriticalpressuredirectCiirrcnlboilerisalsothebasisforfurthercalculatingthetemperatureofthemetalwallsurface.BasedonthecalculationdataofsupercriticalDCboilerfuelcalculationandboilerheatbalancecalculation,accordingtotheboilerthcmnlcalculationmethodandzero-dimensionalfurnaceheatInInSfCr11lcl,thehca(transfercapacityoftheu11aceiscalculatedwith6(X)MWsupercriticalpremreOnCe-IhroUghboilerastheresearchobject,andtheevaporationheatingsurfaceisestablished.Iliemathematicalmodeliscalculatedinsections,andthesolutionmcthtJofthemixedequationsofmomentum,energydifferentialequationandcompleteIAPWS-IF97physicalindustrialequationisgiven.Tlierelevantcalculationprogramiscompiledandcalledtoanalyzetheheat(ranslerandthermalworkofthefurnace.Thecharacteristicchange,Ihenumericalsolutionofthe(e11nalparametersofeworkingfluidalongtheheatingsurfaceisobtained.Iliemodelcanpredicttheworkingstateaccordingtotheoperatingconditionsoftheevaporatingheatingsurface,determinethepositionof(heworkingphase,andcanbeusedfortheoperationmonitoringanddiagnosisoftheheatingsurface.GuidethecombustionofsupercriticalDCboilersandNeamtemperaturecontrol.KeywordszSupercriticaIonce-throughboiler：Evaporativeheatingsurface：WatermediunuThermalcharacteristics第1章绪论1.1 研究的背景和意义随着直流锅炉蒸发受热面中汽水介质吸热量增加，会引起工质的热物性参数变化。比如工质虚度、密度、温导系数和比热容等分布改变必揩影响锅炉炉膛内的燃料燃烧工况.而辐射传热量的变化一定会反过来影响蒸发受热面的工作状态，汽水他和烟气侧相互制约，相互影响。而超临界直流锅炉与汽包炉相反的自补偿特性会使水冷壁热负荷较大的区段流量减小，引发类膜态沸腾现彖。火力发电厂是一个由许多部件组成的复杂工业系统。在不同运行工况下J找复杂过程的最佳性能并不简单，因为有几个变量会影响系统的动态变化，并Il这些变量常常相互耦合，相互关陕，然而，从安全、经济运行和保护环境环境的角度上看，对电站锅炉蒸发受热面工质热工特性的有效控制具有重要意义。蒸发受热面的热工参数的分布及其变化可以通过运行测试来研究。然而，出于经济、生产或安全的原因，在机组正常运行的时候进行测试并不总是可行的.例如.运行测试可能需要额外的仪潜.只有在停机时才能安装。模拟仿真同样是分析热工特性的另一种方法。仿真有一些优点。模拟运行过程可以深入分析。模拟仿真使可以得到不可测量的过程变量和参数。如果可以在线获得这些信息的话，无疑对锅炉厂工作人民在正常和启动/关闭操作有重要意义。此外，模拟仿真还可以在远离正常操作条件的极端条件下安全地研究该过程。模拟也是寻找最佳运行工况的有效方法。模拟也可以在电厂运行人员的培训中发挥作用。所以，仿其是过程锅炉设计和运行的市要工具直流锅炉蒸发受热面热工特性分析计竟涉及壁面热负荷计算和水动力计算,需要对不同负荷工况进行校核计算和分析。这就需要查阅相关文献，在炉膛热负荷沿高度方向分布的线算图上取一些代表性的点并将其拟合成函数，并且根据水和水蒸气性质对蒸发受热面沿程热工特性进行逐步计算，注意是否发生传热恶化现象，引起水冷壁超温本课题在直流锅炉炉膛传热和蒸发受热面静态模型的基础上,对受热面工质进行传热和水动力相关计算,分析汽水介质在不同入口压力和温度时,在加热、蒸发和过热段的热工特性.汽水测蒸干点及大比热区移动的移动对蒸发受热面工作特性的影响,为锅炉设计和运行提供依据超临界发电机组是比较成熟的洁净煤发电技术，能够满足调峰作业的要求,具有效率高，响应快，污染物排放低等优点,广泛应用于发电行业。我国计划或将建设数百个超临界发电机组，而发电负荷较高超临界直流锅炉将成为建设大型火力发电厂的关键设备。与汽包炉相比直流炉蒸发受热面和火焰直接作用，承担的较高的热负荷.在锅炉滑压运行时，随若热负荷的不断增加，汽水介质的压力经高压到超临界的大范围变化,在直流锅炉水冷壁内会发生相变过程，而超临界锅炉在额定工况下运行时，汽水介质出现大比热现型的位置一定位于受热面内，工质性质在大比热范围中的剧烈变化使得其成为锅炉设备最差的工作环境，也是工作流体热性能急剧改变的位置，对受热面的工质热工参数沿炉膛高度变化和传热的研究，对提升受热面出口压头，防止发生类膜态沸腾及避免出现热偏差和工作介历不稳定流动的现象.1.2 国内外研究现状1.2.1 超临界直流锅炉炉内燃烧传热模型研究烟气侧和汽水他的工况变化都会影响超临界直流锅炉蒸发加热面的工作特性。炉内的传热和水力耦合是相互关联的问题，并且相互影响。在大多数研究中，研究人员一股将燃烧和流体动力学分割开来。可是锅炉线上测点的测量数据显示，直流锅炉的水动力不稳定性和锅炉炉膛内的燃烧工况密切相关。炉内内部过程引起的热偏差是影响锅内流体动力学稔定性的主要因素I1.火焰在实际运行中通常不在炉了的中心，因为在锅炉运行期间燃烧胧没有被精确调节，或者流场的混合不均匀。这种偏差通常不同于普通平均管的偏差。因此，有必要将炉内的热传递与罐中的流体动力学相结合，以找到其内部相关性并进行耦合计算目前在工程中使用的炉子中的传热的计算取决于若干经验因素并I1.基于不同的简化程度来进行。重范对炉腌不同位置的烟温和蒸发受热面不同高度处的传递的热量进行仿其模拟，采用区域法得到了炉内的温度场。周拓等建立r燃烧和流体动力学耦合传热分裂模型，可以分析火焰辐射与传热之间的耦合美系，以及火焰运动引起的辐射变化。然而,按照炉膛中辐射传热和烟气流动的计算模型的适用范围，对近些年发展迅速的大容量超临界锅炉进行计算时会有较大误差。按照经收算法，受热面附近的时流传热在大炉膛空间下中被忽略r.它会影响结果的准确性。长期以来，大多数研究表明,在火力发电厂的锅炉中，炉烟温度很高，烟气体积辐射相对较大，因此辐射传热导致炉内传热过程一直被认为发挥了至关戊要的作用W由于加热表面附近的空气流速较低，对流传热通常仅为总热交换的5%。然而，在极端条件下，例如火焰位置的严重偏转，燃烧区的末端或烟道的入口，对流传热显着增强，甚至对流传热达到与辐射热交换相当的水平。朱在兴网等人在FIUem仿真软件中证明了在某些较为特殊的情况卜局部对流换热可能会达到辐射换热的数倍以上,运用P-I辐射模型证明了在火焰位罚,偏转，火焰刷墙等恶劣工况的情况下应该考虑局部对流换热对蒸发受热面热流址的影响.所以如果能够在炉膛传热模型中加入对流换热的影响，则对提高运算准阐度有重要意义。1.2.2 超临界锅炉炉内水冷壁传热的模型研究现阶段超临界直流锅炉的主蒸汽参数越来越高，其中蒸发受热面的研究和以往相比有着更加重要的地位P巩而管子温度的计算时水冷壁结构设计和改造的核心，壁温控制在锅炉运行中至关重要，相关实验研窕表明，随着壁温不断升高，管子的使用寿命成倍下降冏。在锅炉的汽水侧,国内外制造公司和个人对不同管子之间的热偏差对汽水系统的影响已有较为深入的研究，西门子公司制造出J'一种名为BenSOn的内螺纹管，而这种管子是在数珏巨大的实验数据中优化而来的U叫它可以在锅炉参与调峰，低负荷运行时发挥重要的作用，Benson管的特性是在给水流量很低的情况卜.，依然不会发牛.传热恶化，冷却能力极限,GoidiChU1.FmnkCUR等人对改进过的内螺纹管进行试脸研究，在垂直管屏中脸证J'优化内螺纹管在质量流速较低的工况下具有自动调节吸热疥的性质，使得汽水介侦在不同管子之间均匀分布，对热偏差现象也有所改杏,使锅炉可以持续安全运行。而另一种水冷壁布置方式一一螺旋管圈水冷壁，也有一定的改善热偏差的能力。郭宇朦巧对螺旋管圈水冷壁和垂直上升的内螺纹管水冷壁同时进行研究，将其所受热负荷设为变量，得到不同工况下的工作特性,两种管子的传热特性的差别，随着吸热量的不断增加被逐渐拉大。得到了如下结论：锅炉滑压运行时，蒸发受热面的吸热量不断变化，由此带来的水冷壁传热和工作性质的影响，螺旋管圈水冷壁中的汽水介质热工性质改变程度比另一种管子更明显滕敏华I川研究了某100oMW超超临界机组锅炉水冷壁特定的布置方式，将其网络化，这种工质流动网络有非常多的循环回路，用于计算的节点，和各部分直接的联接官路组成。联立连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程，建立J'超超临界垂直管圈锅炉水冷壁水动力计算模型。此模型基于牛顿弦割法，可以对非线性模型进行计算得到了锅炉不同运行工况下的不同水冷壁回路流量差异、中间点温度及壁温沿高度的分布情况。前苏联在1973年出版的£锅炉热力计算标准方法3中壁温的计兑方法极其修正算法一直在工程上使用。这种算法中用一个点的热工数据作为一个面的表征值，综合考虑了各种因素的影响，如管内水动力不稳定性、不同管了中侦量流量不同、各种受热面布置方式不同并且结构多样复杂、管子一周的热流量并不均匀管长方向的热散漫等，运用水冷壁的热偏差理论，和用标注方法得到的壁面温度最大值结合计算管壁温度.当前和之后的一段时间以内，电厂的单元机组会经常参与调峰，此时，锅炉采用滑压运行方式，热潦量上下浮动非非常大。采用上述计算方法不但不能体现锅炉水冷壁管壁温度的动态特性，而且对于日益增加的超临界直流机组容量来说，大多超出了算法的适用范国，引起较大误差。与此同时，还有存在以下缺点IM：首先是在对于数学模型的简化过多，缺少对于实际过程的联系，致使抽象模型的失真.比如，受热面中蒸汽质量流盘小的位置和热负荷最强的位置在运行过程中往往不是重合的，而受热面热力不均匀性和水力不均性虽然相无联系，但仍然具有独立分布的特性：二是不同运行调节卜传热系数应不断改变，有时变化极大，而标准中的方法将其去做一个常数，如此在偏差管中会引起系统误差，锅炉设计计算时会产生潜在的安全隐患：.是管束前烟气空间对周向平均热负荷也为影响，而在计算时对这一点给予足够的关注。基于前苏联壁温计比方法，国内许多研究人员主要修改了一些计算方法和公式，以纠正热负荷非均匀系数和流量偏差系数，对进出口工质均值进行检查。控制和监控加热面的温度，减少传热恶化现型的发生仲。崇培安等四对丁炉膛受热而受热不均的研究，使炉膛受热面的热偏差现象在受热而局部交叉的情况下得到了有效减弱。他分析了机组运行状态参数，得到了影晌热偏差现象的多种因素，并计算出了高温受热面的屏间和同屏热偏差的具体数值，对有热偏差的水冷壁管进行壁温计算，得出了受热面结构改造的解决措施.刘福国四对运行现场测得的炉膛热流室数据进行拟合处理，通过最小二乘法将测量得到的孤立点拟合成可视化的数值曲线，曲线的横坐标对应蒸发受热面热流量分配不均系数，纵坐标对应炉膛高度，聘二者一一对应可以得到分配不均系数关丁炉膛高度的函数,该函数表示成多项式的形式.他建立的回归模型使用的是有限制性等式约束的最小二乘拟合。这种以最小二乘法为基础的改进回归模型既满足了物理变量的自然联系，又对测量数据进行了最佳逼近。还有学者提出了更加精细的工质流量分配的数学模型，并由此计算出了锅炉各运行参数随机组负荷改变而改变的动态特性.杨冬明等将水冷壁并联管路中不同管子分开研究，基于它们的进出口乐降，以及汇集在集箱中并重新分配绐水冷壁管的过程中所体现的静压变化规律，抽象出了超超临界锅炉工质流量分配的数学模型，这个模型在数值计算中有很多优势：一是几乎没有使用经验常数，通过非线性方程组建立，具有非常高的仿式模拟精度，计算方便，对水冷壁管中的任意根都可以直接研究，偏差性小：二是用每根特定管了的热流量分布规律，与之前计算所得的工质流量分配分配规律相结合，可以精确的计算出水动力和热力危险区域的位置并对之进行校核计算。三是仿我所使用的的方格质珏很而，符合数值模拟的计算原理，这可以使计算点的工质流量与热负荷对应，提高了计算精度。欧阳诗洁川等为了建立在超超临界单元机组参与调降时，因给水流向下降而发生流动不稳定现象时依然能够使用的通用数值计算模型。采用一维单通道模型，以Fortran语言为基础编写水动力不稳定性计算程序。该程序不仅可以稳态计算反映整体状态，还可以进行瞬态计算体现热工特性的动态变化。对控制方程进行求解的方法是时域法，这能计犯低负荷运行工况下不同几何结构及热工参数的超超临界锅炉的流动不稳定性。膝叶口等沿炉膛高度分区段一维计尊数学模型的基础上，利用区域法进行二维小区建模，分析研究了锅炉在不同负荷炉内热负荷与水冷壁壁温的分布规律，并在此基础上，预测了火焰偏斜对壁温安全的影响。1.3 本文研究内容本毕业设计所研究的内容基F6(X)MW超临界压力直流锅炉热力计停方法中的炉膛传热计算部分，从而建立炉膛出口烟温计算模型。运用此模型可以计算出炉腺传热量。并在此其他学者的研究的基础之上，在炉腺热负荷上沿高度分布曲线上取点拟合成多项式函数，得到了烟气侧热负荷沿炉膛高度的分布，通过相关公式可以准确输出蒸发受热面不同高度处的热负荷.在汽水(W经过适当简化，建立超临界压力直流锅炉蒸发受热面静态计算模型，并得出汽水介质热工参数沿炉腺高度的分布。本文编程计算的主要内容包括，建立零维炉膛传热模型结合相关热力计算标准，以6(M)MW超临界压力直流锅炉为研究对象，用分区段迭代计算的方法研究蒸发受热面热工特性并建立相关计算模型，推导动员守恒方程得出了压降随炉腺高度变化的关系式，通过能量守恒方程得到了工质比燧沿炉膜高度变化的关系式，通过反复调用IAPWS-IF97物性工业方程计算热工参数，设计兑法对之上的混合方程组进行耦合计算。编制并调用J'相关计算程序，分析炉膛传热和工侦热工特性变化，得到了不同位置和状态的汽水介质热物理参数的计算结果，研究不同的热工参数分布差异对锅炉运行的影响。本次编程计算主要可以分成下面几个部分：(1)在炉膛内，利用已经建立的超临界锅炉炉膛传热模型，结合超临界电站直流锅炉结构布置的的特点及其修正计算方法，以较为准确计算出的炉膛出口烟温和炉腺传热量，将烟气IW模型的计算结果用于汽水IW：(2)在蒸发受热面内，分别分析计兑蒸发受热面内温度、比始、比容等不同的热工参数沿程分布规律，其中主要包括超临界压力下领定负荷运行时与亚临界压力下低负荷运行时温度的分布差异，并探索简单确定温度分布的方法。并且分析不同工况卜大比热区的移动情况。(3)在相关数学模型分析的基础上，用C语言作为编程工具，运用分块分析的思维进行程序设计，炉膛传热量的计算程序中主要包括烟帽表的媪制、原子气体辐射减弱系数、灰粒辐射减弱系数、炉膛综合黑度等炉膛特性参数的计算“在计算出口烟祖时采用先假设，再校核的循环计算方法，通过二分法逐渐逼近在误差允许范用内的准确值。蒸发受热面的计算程序的思路是通过能量方程和动量方程结合已经建立的计算模型，推导工质焰值和压力与高度的关系式，并将其转化为程序语言，每一段出口的参数即为下一段入口的参数，逐段计算。第2章超临界锅炉特点极其蒸发受热面传热特性2.1 超临界直流锅炉的主要特点上世纪超临界锅炉被研制成功，在凡I年的锅炉设计方法的积累和实践运行经瞪的基础之上，热效率越来越离,而事故发生率却越来越低,与之前亚临界汽包炉相比，超临界直流炉在提高安全性,减少供电煤耗，降低粉尘、氮化物、硫化物排放量等方面改善明显，主要体现在以卜.几个方面：(1)锅炉容量和主蒸汽参数高超临界压力锅炉作为超临界火电机组的关键部件，并且提高锅炉容址和主蒸汽压力和温度,提高锅炉运行效率直是锅炉发展的主要方向。显着增加设备容量可以显着提高发电容量,满足用户日益增加的用电缺口。另外，提高锅炉容量还可以减少电力建设投资，降低运营成本，并降低设备维护成本。在相同条件下单个锅炉的容址加倍可以将利用率降低5%至20%。与亚临界锅炉相比，工厂的热效率从3%增加到6%,这使工厂经济增加了约1.8%。(2)煤耗率低、经济性高超临界机组主蒸汽压力和主蒸汽温度比亚临界机组的对应参数都有显著提高.单独提高主蒸汽压力和温度都对提高效率有明显改善.其他参数相同，锅炉主蒸汽压力单独从16.7MPa(亚临界)上升到242Mpa(超临界)时.能使机组热耗降低大约19%：同样当主蒸汽压力为242MPa时，再热段蒸汽温度从亚临界的538。C上升到超临界的566。C还可使热耗降低0.6%0.7%,根据以上两种因素的影响,能够得出如下结论，超临界机组热耗率比亚临界机组降低2.5%左右，所以在相同发电负荷的情况下燃煤量较小，提高电厂经济效益。(3)事故率低、负荷调节迅速直流锅炉没有笨Ot的汽包，所以不会像汽包炉那样存在由汽包的上壁和下壁之间的浪差引起的安全问题.直流锅炉汽水系统水容量大大减少，墙壁的金属材料重量轻，它们的储热能力比汽包锅炉少，并且可以快速加热和冷却每个部件。超临界机组具有更好的灵活性和可维性，便于调峰，并具有低负荷运行和和时调峰的应对能力，因为负荷变化率快，启动时间和负荷响应时间显著减少，我大大提高r适应能力。同时，锅炉可以快速启动和停止。例如，在丹麦的BestCraftPowerStation.如果3号机组的负载超过50%MCR.相应的负数变化率约为7%min,如果运行负载低于50%MCR,则相应的负载变化速率约为4%min°超临界锅炉一定是直流弼炉。直流锅炉的蒸发受热面由一个或多个并联的管道组成，通过集水箱并联连接。给水泵向管道中的工作流体供电，水和蒸汽依次通过它们各自的加热表面，完成加热，蒸发和过热过程。2.2 超临界参数下工质水冷壁管中的传热特性起临界锅炉的蒸发受热而主要是水冷壁管，这恰恰是锅炉设计的关键技术和承担炉腺热负荷的重要部位。在超临界压力卜.蒸发受热面的传热特性主要有以下几点：(1)超临界压力下，当锅炉负荷越来越大，水冷壁管的吸热量也愈发增加，这会引起蒸发受热面内工质不断提高。例如，蒸汽参数为25MPa540'C540°C的超临界压力锅炉，工成量度在水冷壁管内大约提高98-C左右。(2)在超临界压力区，蒸发受热面传热特性与汽水介质的热工特性密切相关在超临界压力区，水冷壁管内汽水介质具有大比热容特性，并且蒸发受热面的大比热区的范困会随着汽水介质温度和压力的变化而改变，在超临界状态F,工质温度和压力越靠近临界温度和临界压力，则大比热特性越明显，工质的热物理性质变化越剧烈。对应比定压热容值变化曲线峰值处的工质温度称为拟临界温度.因为工痂性质的骤变，在拟临界温度所在狭小区域的周围，工侦的物理状态差别很大，拟临界温度前面的工质是水，后面的工质是汽。当管内质温度处于对应压力卜的大比热容区范围时，比热容在极小的温度间隔内开始激增。虽然工质吸热量很大，但工质温度变化不大。可是其他热工参数，例如工质体积急剧增加，非常容易引起水动力特性不稳定和不同水冷壁管中的流量Hl现偏差。而热扩散率急剧减小，使蓄热能力不强的水冷壁管所积聚的热量无法向工作介质传递，导致类膜态沸腾，引起管子的高温蠕变。在大比热容区外，工质比热容变化较为缓慢，而且数值较小，工质温度随热负荷的不断增大，提升较快。根据超临界压力下工质的热物理特性，控制蒸发受热面的吸热量，使大比热容区在受热面中出现的位置尽量避开和辐射传热最强的燃烧器区域，进而防止传热恶化的发牛.是超临界参数锅炉机组设计和运行的关键。卜图即表示了工作介质的比定压热容随温度和压力变化的关系。250300350400450500550600650z,C图2-1超临界压力下工旗的大比热容特性(3)热负荷越强的水冷壁管或管屏工质流量越小。超临界参数锅炉蒸发受热面中的工质完全靠给水泵压力驱动完成整个汽水系统的循环“直流锅炉水冷壁工痂是强制流动，管中工侦的流星的在愤热流忌的提升而下降。与自然循环汽包锅炉的自补傥特性刚好相反。这主要是由直流锅炉汽水系统的动力来源所决定的。水冷壁中的工质随吸热量增加而上升，在稳定给水流量的情况下，由温度上升导致的比容增大公提升工质的明量流速，增大沿程摩擦阻力损失。当当汽水介侦需要克服的流动阻力和水冷壁管两端的压差相等时，流动动力就会减弱，流量自然会减少。因而，对于超临界参数锅炉，与汽包炉相反的自补偿特性会引起恶性循环，热负荷越高的管子越容易发生爆管事故。中间点温度即是工质在蒸发受热面出口汽水分离器中的温度,它是在所有工质都汇集到汽水分离器中之后而测得的整体温度，所有不能体现特定某根管子中工质温度的改变，不能反映热偏差，火焰偏斜等因素的影响，只可代表蒸发受热面出口工质的平均温度，也只能在宏观上判断蒸发受热面的整体吸热状态。(4)在进行调峰任务，超临界直流炉的工作压力不断变化，汽水介质从亚临界压力区向超临界压力区逐渐过渡。超临界直流锅炉有时采用滑用运行方式,锅炉的工作压力经常要降到亚临界压力，此时超临界直流炉的工作特点和亚临界直流炉相同。蒸发受热而出口工质处于汽水共存的状态，即便增加燃料量，中间点温度也不会有较大变化，中间点温度作为水煤比控制的超前信号失灵，给水煤比调节锅炉运行造成困难。超临界锅炉在额定工况下运行时,汽水介版在蒸发受热面中呈现超临界流体的特性。在临界状态附近时，工质物性变化最大。2.3 本章小结超临界直流锅炉因为其容量大，但热经济性更高的优点在发电机组中被广泛采用。在锅炉的水冷壁中，工质的温度大幅度提高，而工质在超临界压力卜表现出和气态与液态截然不同的热工性质，这种性质对超临界直潦炉的运行有至关重耍的影响，也为锅炉的设计提供r依据.直流锅炉中潦量的自动调节特性增加了运行的安全隐忍，并且在机组发电负荷经常变化使得工侦状态变化频繁，更加凸显了在线监测揭炉运行状况的重要性。所以，对蒸发受热面中的汽水介质进行研究是十分菰要的。第3章计算的原理和算法3.1 炉膛内传热量的计算方法本部分计算的目的在于通过计算炉腺传热量计算蒸发受热面吸热的平均热负荷用于其中工质培值沿炉膛分布的计算。本次计算实在其他学者的锅炉燃料的数据校核、燃料燃烧计算,锅炉热平衡等工作的计算基础上进行,把其中四计算结果当做已知昆，具体过程如下：(1)输入已知数据：(2)假设炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均比热容：(3)计克玻尔兹熨特征数：(4)计算炉内火焰黑度、火焰综合黑度和炉膛黑度；(5)通过计算炉膜出口无量纲烟温得到炉腺出口烟温的计算值：(6)校核计算:值是否满足设巴的误差要求，如果不满足则需要至新假设。在本次计莫中主要是是顺序结构，按照所给出工式的峡序计算即可通过热空气带入炉堂内热量可如下计算Q,=E+(a%+a%J:0-1)Ikg燃料带入炉内有效热量可用下式计算。=QdlOO一/_/_%)/(100-g4)+Q,(3-2)烟气平均热容可如下求得<VOiiv=(ZT)(*f)(3-3)其中0一每千克燃料带入炉内有效热量，kJ永g：f炉膛出口烟培，KJkg:Tlb-理论燃烧温度，kJ/kg：T；一一炉膛出口烟温KJ/kg玻尔兹曼特征数为(3-4)式中：ac一一水冷壁平均热有效系数：F一包国炉膛的总表而积，m3：(VC)av一烟气平均比热容：保热系数：煤粉燃烧火焰吸收减弱系数ka,.对于炉膛在常压下(P约为O.IMPa)工作的煤粉炉其计算式为4=*r+3“*+K%(3-5)其中勺，&"a，一一烟气中三原子气体、灰粉颗粒和焦炭颗粒的减弱系数，m,.根据伯劳赫提所用的方法，烟气中三原子气体、灰粉颗粒和焦炭颗粒的减弱系数计算式为三原子气体辐射减弱系数：0.78+1.6,oT(3-6)r=(1."四-0.1)(1-037)r而I(XX)灰粒辐刖减弱系数:如"a<0.651+0.0177/"»(3-7)焦炭粒子辐射减弱系数:(3-8)/=%»：+力口(3-9)其中，rH20、水02、t烟气中的水蒸气、二一化碳(及二氧化硫)占烟气容积份额和三原子气体总的容积份额：T一一烟气温度，炉腔为炉腺出口烟温T,屏式和对流受热面为进出口平均烟温Tl.K；dash、dcok灰粉颗粒和焦炭颗粒的平均粒径，m;ash.m烟气中灰粉颗粒的质状浓度，kg/kg；cok.v烟气中焦炭颗粒的容积浓度,g/m3：在计算焦炭粒子辐射系数所用到的焦炭颗粒浓度可用下式计算:(3-10)."QU。+%)Z(MX)+匕V)匕hf式中：Car一一燃料收到基含碳量，%：Vdaf一燃料干燥无灰基挥发分含量，%：Vg一一烟气容积，m3kg(标准状态下)：hl、hun一最上排和最下排燃烧冷布置高度，m：hf炉腺计算高度，m：q4机械不完全燃烧热损失，%；其中，煤粉炉灰分和焦炭颗粒的平均值分别由可查表取得.而灰分颗粒的质量浓度的计算应从炉膛传热量之前燃烧产物的计算中得出,本次炉腺热力计律直接带入使用。(3-H)(3-12)(3-13)(3-14)炉内辐射层光学密度的计算式为紧接着可以计算对于常压卜工作的煤粉炉的火焰黑度与=l-e"火焰综合黑度可按下式计算gl%=0.32号号6+1将火焰综合黑度代入如下式中可计算炉膛黑度UW=一/+(1一戏3)夕J一一火焰综合黑度；基于苏联1973年6锅炉热力计算标准方法中炉腹计算的基本框架，研究提出r修正方法。其中考虑r火焰辐射强度沿炉膛截面方向减弱的现象。计算公式为炉腑出口无量纲烟温zl.7；I1.F=I+Mg”：B。严315)M表征火焰最高温度位置的参数，与燃烧器布置相对高度XB有关。对于较易燃烧的烟煤、褐煤，M=().59-().5(xB+Ax),对于不易燃烧的无烟煤、贪煤，M=().56-0.5(xB+x):AX一当火焰最高温度位置偏离燃烧器布置相对高度是所取的修正值。对于不同的燃烧方式,取值有不同.四角切圆燃烧,Ax=O,对于燃烧器前后墙对冲布置,取x=0.05,摆动燃烧器，当上下摆动20°时，x=±O.1.mm。炉腺出口温度T"Ttb(3-16)用燃料在炉膛中的有效放热量减去炉膛出口烟给即是留在炉膛中的热量，可得炉内传热量为Q=MQ：-i)=vcl,ftd-¾(3-7)Q；Ikg燃料带入炉内有效热量:，kJ/kg；计算方法：采用先假设再校核的方法计算出口烟温维而得出炉膛传热量。首先假定热风温度通过查空气的埔值表计算热风培值，然后计算空气带入炉内的热量。再根据锅炉热平衡等计算的结果计算燃料带入炉内的有效热量，先假定炉膛出口烟温.通过调用己用插值法编写的固定煤种的烟焰表计算程序算出炉膛出口烟焰。按以上公式逐步就算烟气平均热容Vc“v，玻尔兹显特征数%,三原子气体辐射减弱系数6q,灰粒柏射减弱系数hsh3sh，焦炭颗粒浓度4*V，焦炭粒子辐射减弱系数上。R°k，火馅吸收减弱系数心，炉内辐射层光学密度T，炉内火焰黑度£，火焰综合黑度£syn，炉膛黑度与'：接下来通过判断干爆无灰基的值来运用不同公式计算表征火焰最高温度位置的参数M.然后计算无限纲出口烟温计算炉腺出口温度，将计算所得出口烟温与初始假设出口烟温进行对比，当误差不满足，通过二分法对计算出口烟温和假设出口烟温进行处理，招返回值重新赋给程序中的假设语句，重新进行上述计算，直到误差满足要求即可输出计算出口烟温和由此烟温得到的烟焰。将整个炉膛视作零维模型即可算出炉腺传热量。结合热负荷沿炉隙高度分布的曲线得到热负荷沿炉膛高度的分布用于后述计竟.3.2 汽水侧热工参数的计算方法3.2.1 锅内计算的已知条件和模型简化超临界压力直流锅炉的蒸发受热面实痂上包闱炉膛燃烧区域的金属管屏设备，通常由两种不同结构的设备组成，即卜.部螺旋管圈水冷壁和上部垂直管屏水冷壁。工质在省燥器中流出，被给水泵驱动进入螺旋水冷壁入口集箱，之后臾箱中的水被分配到数量众多的水冷壁中，在承担辐射热负荷后再次汇集在连接上下水冷壁的水箱中。经过流量的再次分配进入垂直水冷壁,汽水介痂经加热后具有较高温度和烯值，从而潦向过热器过热。在完善的提炉设备中都安有热工仪表及相关热电偶测点，可以在线测量固定点处的温度和压力，比如测贵进口处的参数可以为编程计兑提供初始数据.共典型布置方式见图3-2上水冷壁;图3-2蒸发受热面典型布附将炉膛空间近似成个长方体区域，以冷灰斗二等分水平面看做长方体的卜底面，即水冷壁的入口，从此处作为工作介质在蒸发受热面中加热的初始位置一下水冷壁高度H1.炉膛高度H2、水冷壁管内径、数量、炉膛截面周长等结构参数作为己知数据。在工程误差允许的范困内，为便于分析计算且具有合理的准确性，作如下基本假设：将工质三维流动简化为一维、稳态流动且工质热工特性参数沿管道横截面分布均匀：只有炉膛内的辐射传热对水冷壁管影响较大，对流传热的影响可以忽略.在蒸发受热面的垂直方向上，沿程不同位置之间的工质之间不会相互传递热室，其焰值增加所需热量的来源仅仅是炉内传热。并n炉内燃烧工况假设成稳态，基本不呈现动态特性；多管并联的水冷壁中，没有介质流动不稳定的现象。当工质在集箱中重新流出时，在各水冷壁管之间的分配不出现偏差且接收的热潦量相同，在同一高度的横截面上表现出相同的流体动力学特性：忽只计算对总压力损