300mw控制循環(huán)鍋爐水冷壁流偏差分析

300mw控制循環(huán)鍋爐水冷壁流偏差分析

1基于流量偏差的控制循環(huán)鍋爐水循環(huán)計算方法主循環(huán)鍋爐是中國的主要鍋爐。控制循環(huán)鍋爐的主要特點是在下降管和上升管之間加裝循環(huán)泵,以提高循環(huán)回路的運(yùn)動壓頭。機(jī)組運(yùn)行時,管屏中每個管子受熱是不同的,結(jié)構(gòu)也不完全相同。在相同壓差下,受熱強(qiáng)的管子,管內(nèi)的平均比容大,流量小,而受熱弱的管子流量反而增加,從而產(chǎn)生流量偏差。文獻(xiàn)闡述了控制循環(huán)鍋爐水循環(huán)計算的基本原理。文獻(xiàn)在壁面熱負(fù)荷已知情況下,采用迭代的方法計算了水冷壁流量偏差系數(shù)。實際上,水冷壁熱流分布是隨爐內(nèi)燃燒狀況時刻變化的,準(zhǔn)確地獲取水冷壁二維熱流分布是定量分析流量偏差和探求改善水循環(huán)方法的基礎(chǔ)。本文以沙角電廠300MW控制循環(huán)鍋爐為研究對象,利用爐內(nèi)三維燃燒檢測的溫度場和輻射能信號,動態(tài)計算水冷壁二維熱流分布。在此基礎(chǔ)上利用流量偏差計算模型對影響水冷壁流量偏差的各主要因素進(jìn)行分析,得到了初步的定量關(guān)系,并據(jù)此提出了有利于水循環(huán)的運(yùn)行方案,為進(jìn)一步研究機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了必要依據(jù)。2數(shù)學(xué)模型2.1woo水冷壁流量偏差用水冷壁流量不均勻系數(shù)ηG描述,即:ηG=(ρw)p/(ρw)o(1)式中:(ρw)p、(ρw)o—水冷壁偏差管和平均管循環(huán)流速。ηG越接近于1表示流量偏差的程度越小。從式(1)可知,對水冷壁流量偏差影響因素進(jìn)行分析,計算流量不均勻系數(shù),關(guān)鍵是計算各管路的循環(huán)流速。2.2工質(zhì)熱物理公式與能量方程上升管內(nèi)工質(zhì)沿流程不斷吸收爐內(nèi)煙氣釋放的熱量,沿程工質(zhì)的熱力狀態(tài)是不同的。對每根上升管分段,以反映熱流分布不均勻性對循環(huán)流速的影響。每根上升管與汽包和下降管構(gòu)成了循環(huán)回路,若上升管的分段數(shù)為m,則該回路的循環(huán)流速計算模型為:Ppf+ρdcHdcg?∑i=1mρriHrig=ξdc(ρw)2dc2ρdc+∑i=1mξri(ρw)2r2ρri(2)Ρpf+ρdcΗdcg-∑i=1mρriΗrig=ξdc(ρw)dc22ρdc+∑i=1mξri(ρw)r22ρri(2)式中:Ppf—循環(huán)泵增壓;ρdc—下降管平均密度;Hdc—下降管高度;ρri—上升管第i段的平均密度;Hri—上升管第i段的高度;ξdc—下降管阻力系數(shù);(ρw)dc—下降管質(zhì)量流速;ξri—上升管第i段的阻力系數(shù);(ρw)r—上升管的質(zhì)量流速。上述循環(huán)回路不是獨(dú)立的,不能單獨(dú)求解。若下降管數(shù)目為ndc,上升管數(shù)目為nr,則所有上升管和下降管與汽包構(gòu)成了一個獨(dú)立回路,根據(jù)質(zhì)量守恒建立求解循環(huán)流速的補(bǔ)充方程:∑i=1ndcAdci(ρω)dci=∑i=1nrAri(ρω)ri(3)∑i=1ndcAdci(ρω)dci=∑i=1nrAri(ρω)ri(3)式中:Adc—下降管通流面積;Ar—上升管通流面積。壓力流量通道與焓溫通道相互影響。因此,需要將循環(huán)流速方程與能量方程聯(lián)合求解,以同時得到工質(zhì)熱物性參數(shù)和循環(huán)流速。對于某根上升管的第i段,其能量方程為:Ar(ρω)r(hout-hin)=Q(4)其中:Q—管段的熱負(fù)荷;hin—管段入口比焓;hout—管段出口比焓。式(4)各參數(shù)都省略了管段標(biāo)號i。2.3熱流分布的計算描述通過基于爐內(nèi)三維燃燒檢測的方法,根據(jù)實時的爐內(nèi)煙氣三維溫度場和輻射能信號計算水冷壁的二維熱流密度分布,其基本方程為:εwiσT4wiΔSwi+qwiΔSwi=∑j=0m?1Rdgw(j→i)4KgjσT4gjΔVgj+(5)∑j=0n?1Rdww(j→i)εwjσT4wjΔSwjKg=?ln(1?ERR(Tgbasˉˉˉˉˉˉˉ/Tgˉˉˉˉ)4εbasˉˉˉˉˉ)/Δs(6)εwiσΤwi4ΔSwi+qwiΔSwi=∑j=0m-1Rdgw(j→i)4ΚgjσΤgj4ΔVgj+(5)∑j=0n-1Rdww(j→i)εwjσΤwj4ΔSwjΚg=-ln(1-ERR(Τgbasˉ/Τgˉ)4εbasˉ)/Δs(6)式(5)和式(6)中各符號所代表的物理量以及水冷壁熱流分布計算的詳細(xì)內(nèi)容可參見文獻(xiàn)。水冷壁熱流分布是不均勻的,其不均勻程度用水冷壁熱負(fù)荷不均勻系數(shù)描述,即:ηq=Qp/Qo(7)式中:Qp、Qo—水冷壁偏差管、平均管的熱負(fù)荷。ηq越接近于1表示熱負(fù)荷分布越均勻。3實例分析3.1典型工況分析以沙角電廠5號爐為研究對象,對流量偏差的主要影響因素進(jìn)行分析。該鍋爐為亞臨界壓力控制循環(huán)鍋爐,額定功率為300MW。根據(jù)實時的爐內(nèi)煙氣三維溫度分布和輻射能信號,計算得到一系列工況下的壁面熱流分布。其中100%和70%負(fù)荷下,前墻(折焰角以下,冷灰斗以上區(qū)域)的壁面熱流分布如圖1所示。本文取若干典型工況,研究各種因素對水力偏差的影響。表1給出了典型工況下的主要參數(shù)。3.2平均熱負(fù)荷對流量偏差的影響水冷壁熱負(fù)荷變化包括兩方面的內(nèi)容,一是其值即壁面平均熱負(fù)荷的變化,二是其分布特性即熱負(fù)荷不均勻系數(shù)的變化。圖2為該鍋爐熱負(fù)荷變化時,壁面平均熱負(fù)荷與其熱負(fù)荷不均勻系數(shù)之間的關(guān)系。為此,分為以下兩種情況討論這兩方面變化對水冷壁流量偏差的影響:第一種情況,壁面熱負(fù)荷變化時僅其值變化而其分布特性不變。即,僅壁面平均熱負(fù)荷變化而熱負(fù)荷不均勻系數(shù)不隨之變化。例如對工況1,水冷壁熱負(fù)荷變化時其熱負(fù)荷不均勻系數(shù)保持1.220不變。這種情況下反映的是壁面平均熱負(fù)荷對流量偏差的影響;第二種情況,壁面熱負(fù)荷變化時,其值與其分布特性同時變化。即,壁面熱負(fù)荷不均勻系數(shù)按著實際情況隨壁面平均熱負(fù)荷變化(見圖2關(guān)系)。例如對工況1,壁面平均熱負(fù)荷由163.10kW/m2變化到148.61kW/m2時,熱負(fù)荷不均勻系數(shù)也隨之由1.220變化到1.236。這種情況下反映的是水冷壁平均熱負(fù)荷與熱負(fù)荷不均勻系數(shù)對水冷壁流量偏差的共同影響。3.2.1壁面平均熱負(fù)荷對壁面均勻系數(shù)的影響圖3(a)反映了壁面平均熱負(fù)荷對流量偏差的影響。壁面平均熱負(fù)荷在125.40～163.10kW/m2范圍內(nèi),水冷壁流量不均勻系數(shù)隨著壁面平均熱負(fù)荷的增大而減小,且減小的幅度是較大的,這說明壁面平均熱負(fù)荷是影響水冷壁流量偏差的重要因素。其原因是:壁面熱負(fù)荷增大,相對于平均管、偏差管產(chǎn)生更多的蒸汽,偏差管比容與平均管比容偏差增大,因而水冷壁流量偏差增大,即水冷壁流量不均勻系數(shù)減小。3.2.2各工況水冷壁流量不均勻系數(shù)的變化情況下的比較圖3(b)反映了水冷壁平均熱負(fù)荷與其熱負(fù)荷不均勻系數(shù)對流量偏差的共同影響。圖3(a)與(b)的差別是明顯的。這說明在水冷壁熱負(fù)荷發(fā)生變化時,壁面熱負(fù)荷不均勻系數(shù)是否變化以及變化的程度,將很大程度地影響水冷壁流量不均勻系數(shù)。優(yōu)化燃燒方式,減小壁面熱負(fù)荷分布的不均勻性是減小水冷壁流量偏差的有效途徑。此外,從圖3(a)和(b)還可知,在以上兩種情況下,相同的熱負(fù)荷,不同工況下的水冷壁流量不均勻系數(shù)相差比較大。通過各工況其它主要參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),各工況的汽包壓力和給水比焓是不同的,這定性的表明汽包壓力和給水比焓對水冷壁流量偏差的影響是較大的。下面具體分析汽包壓力和給水比焓對流量偏差的影響。3.3壓力大小時流量不均勻系數(shù)圖4描述了汽包壓力與水冷壁流量不均勻系數(shù)的關(guān)系。汽包壓力從10～20MPa范圍內(nèi),水冷壁流量不均勻系數(shù)隨著汽包壓力的升高而增大,而且幅度較大。這說明汽包壓力是影響水冷壁流量偏差的重要因素。其原因是:壓力愈高,汽和水的比容相差就愈小,各回路流量相差的也就愈小,從而流量偏差就愈小,即流量不均勻系數(shù)增大。從圖4還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)汽包壓力較低時,不同工況的水冷壁流量不均勻系數(shù)相差比較大,隨著壓力的增大各工況下水冷壁流量不均勻系數(shù)相差越來越小。通過各工況其它參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),各工況的熱負(fù)荷和給水比焓是不同的。這表明在低壓運(yùn)行時,以上兩個參數(shù)對水循環(huán)特性的影響較大,而在亞臨界條件下運(yùn)行時,影響則相對較小。綜合以上分析可知,鍋爐工作在壓力較高的亞臨界狀態(tài)下,是適應(yīng)一些運(yùn)行條件(例如熱負(fù)荷和給水比焓等)的變化,保持良好水循環(huán)的有效方法。3.4設(shè)備上提供水冷壁流量不均勻系數(shù)小的原因圖5描述了給水比焓與水冷壁流量不均勻系數(shù)的關(guān)系。給水比焓在800～1300kJ/kg范圍內(nèi),水冷壁流量不均勻系數(shù)隨著給水比焓的增加而減小,但幅度不很大,這說明給水比焓是影響流量偏差的較重要的因素。其原因是:給水比焓增加,則上升管入口比焓增加,熱水段長度減小,偏差管比容與平均管比容偏差增大,從而使流量偏差增大,即流量不均勻系數(shù)減小。圖5還表明,在相同的給水比焓的情況下,不同工況下的水冷壁流量不均勻系數(shù)相差比較大。通過各工況其它主要參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),各工況的熱負(fù)荷(包括壁面平均熱負(fù)荷和熱負(fù)荷不均勻系數(shù))和汽包壓力是不同。這說明熱負(fù)荷和汽包壓力對水冷壁流量不均勻系數(shù)有較重要的影響。這與本文3.2節(jié)和3.3節(jié)的分析一致。3.5循環(huán)泵增壓圖6描述了循環(huán)泵增壓與水冷壁流量不均勻系數(shù)的關(guān)系。增壓在0.1～0.6MPa范圍內(nèi),水冷壁流量不均勻系數(shù)隨著循環(huán)泵增壓的增加先減小而后增大,但總的來說,流量不均勻系數(shù)變化很小。這說明循環(huán)泵增壓是影響水冷壁流量偏差的次要因素。其原因是:循環(huán)泵增壓使得各個回路的壓頭都有相同幅度的增加,則各回路流量有相近程度的變化,從而使流量不均勻系數(shù)變化不大。從圖6還可發(fā)現(xiàn),在相同的循環(huán)泵增壓的情況下,不同工況下的水冷壁流量不均勻系數(shù)相差比較大。通過各工況其它主要參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),各工況的熱負(fù)荷、汽包壓力以及給水比焓是不同。這表明以上3個因素對水冷壁流量偏差的影響較大。這與本文3.2、3.3和3.4節(jié)的分析一致。3.6流量不均勻系數(shù)小出現(xiàn)的原因及結(jié)果分析圖7描述了上升管內(nèi)徑與水冷壁流量不均勻系數(shù)的關(guān)系。內(nèi)徑在20～50mm的范圍內(nèi),水冷壁流量不均勻系數(shù)隨著管徑的增大而增大,且變化幅度很大。這說明上升管管徑是影響水冷壁流量偏差的很重要的因素。其原因是:管徑增大,使得各回路阻力系數(shù)減小,從而偏差管與平均管的流量偏差減小,即流量不均勻系數(shù)增大。圖7還表明,隨著管徑的變大,不同工況下的水冷壁流量不均勻系數(shù)偏差越來越小。通過對各工況其它參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),各工況的壁面熱負(fù)荷、汽包壓力和給水比焓不同。這說明在小管徑條件下,流量偏差受以上3個運(yùn)行參數(shù)的影響較大,而當(dāng)管徑較大時,受以上3個運(yùn)行參數(shù)的影響相對較小。綜合以上的分析可知,選用一個適當(dāng)?shù)墓軓綄⑹沁m應(yīng)爐內(nèi)燃燒方式、汽包壓力以及給水溫度等運(yùn)行參數(shù)變化,保持較好的水循環(huán)狀況的有效方法。4上升管內(nèi)涵的影響(1)水冷壁熱負(fù)荷偏差對流量偏差有重要影響。優(yōu)化燃燒方式,減小熱負(fù)