直流鍋爐水冷壁熱敏感特性分析

直流鍋爐水冷壁熱敏感特性分析

鍋爐過熱器、反熱器、水冷壁和省煤氣器（以下簡稱“四管”）爆炸管泄漏事件（bft）是中國火力發(fā)電廠最常見的事故，對構(gòu)建進(jìn)程的安全和經(jīng)濟(jì)效率有重大影響。調(diào)查防止“四管”爆炸是提高火力發(fā)動安全運行和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。水冷壁管爆炸、泄漏和故敗的原因相當(dāng)復(fù)雜。其中一個主要原因是，水的動態(tài)和熱負(fù)荷不適應(yīng)，水冷壁管的外交變熱負(fù)荷和水冷壁管道的水動力不穩(wěn)定。如果水流中心在爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生變化，則水冷壁各級輸出的偏差和溫度波動是敏感性的。直流爐的蓄熱能力僅為包爐的1.2.1.4，這顯然比包爐的熱敏感更大。作者通過理論推理推理了直流爐水冷壁的熱敏感系數(shù)，建立了計算參數(shù)，基于c.-鄰居分析過程，研究了直流爐的水冷壁和熱敏感規(guī)律。1鍋爐水冷壁的熱敏感性分析目前,有關(guān)鍋爐水冷壁熱敏感性的研究較少,且大多集中在定性討論.通常,通過分析進(jìn)出口壓力降、出口流量,出口焓值等來判斷,鍋爐蒸發(fā)管工況是否正常,并且主要通過對應(yīng)的進(jìn)出口壓力降、出口流量和出口焓偏離設(shè)計值敏感程度的規(guī)律來研究水冷壁的熱敏感性特點.筆者以熱敏感性系數(shù)來研究熱敏感特性,并建立了流量、壓降及出口焓值敏感性系數(shù)的定量表達(dá)式,以分析鍋爐水冷壁的熱敏感性規(guī)律.1.1兩組敏感性系數(shù)值水冷壁的熱敏感性是指當(dāng)爐內(nèi)火焰中心發(fā)生偏斜或爐內(nèi)過程出現(xiàn)波動時,水冷壁各級出口焓值和溫度偏離設(shè)計值的敏感程度.熱敏感性系數(shù)定義如下.流量敏感性系數(shù):ΚDQ=QD?D?Q|Δp(壓降Δp不變)(1)流量敏感性系數(shù)反映了在并聯(lián)管組中,當(dāng)壓降相同時,由于吸熱量的偏差而導(dǎo)致偏差管內(nèi)流量偏離平均管的程度.壓降敏感性系數(shù):ΚΡQ=QΔp?Δp?Q|D(流量D不變)(2)壓降敏感性系數(shù)反映了在并聯(lián)管組中,當(dāng)流量相同時,由于吸熱量的偏差而導(dǎo)致偏差管內(nèi)壓降偏離平均管的程度.出口焓值敏感性系數(shù):ΚΙQ=D?h?Q|Δp(壓降Δp不變)(3)出口焓值敏感性系數(shù)反映了在并聯(lián)管組中,當(dāng)壓降相同時,由于吸熱量的偏差而導(dǎo)致偏差管出口焓值偏離平均管的程度.在式(1)～式(3)中:D為工質(zhì)流量,kg/s;Q為工質(zhì)吸熱量,kW/m2;Δp為管段壓降,MPa;h為工質(zhì)焓,kJ/kg.1.2流量敏感性分析在并聯(lián)管組中,管組兩端壓降特性決定流量、焓值等特征量的偏離,因此兩相流摩擦壓降和重位壓降的準(zhǔn)確模擬是水冷壁熱敏感性系數(shù)表達(dá)式的關(guān)鍵,筆者采用分相流模型計算水冷壁管內(nèi)的壓降.設(shè)所研究的并聯(lián)管組的管段長度為l,平均管段熱負(fù)荷為q,管段中點焓值為h,質(zhì)量流速G=ρw,壓力降為Δp,工質(zhì)在管中的吸熱量為Q,焓增為Δh;偏差管段熱負(fù)荷為(q+dq);管段中點焓值為(h+dh);質(zhì)量流速G+dG=(ρw)p;壓力降為Δpp;工質(zhì)在管中的吸熱量為Qp;焓增為Δhp.將流量敏感性系數(shù)表達(dá)式無因次化,得到:ΚDQ=QD?D?Q|Δp=?ηl?ηr|Δp(4)式中:ηl=(ρw)P/(ρw),為流量偏差系數(shù);ηr=QP/Q,為吸熱偏差系數(shù).ηr=ηl?Δhp/Δh(5)平均管段與偏差管段中的壓降分別為:Δp=Ζ(ρw)2+l?g?ˉρ?sinβ(6)ΔpΡ=ΖΡ(ρw)2Ρ+l?g?ˉρΡ?sinβ(7)式中:ˉρ為工質(zhì)平均密度,kg/m3;β為水冷壁傾斜角;Z為包含了摩擦阻力與局部阻力的總阻力系數(shù).假設(shè)平均管段與偏差管段中的壓降相同,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,將式(8)對焓值求導(dǎo),得:?ηl?h=12η-1l(-BΖΡ?ˉρΡ?h+BˉρΡΖ2Ρ?ΖΡ?h-ΖΖ2Ρ?ΖΡ?h-BˉρΖ2Ρ?ΖΡ?h)(9)取dh→0,對式(9)進(jìn)行簡化:?ηl?h=12(-BΖΡ?ˉρΡ?h-1ΖΡ?ΖΡ?h)(10)?ηr?h=Δhp?h?ηl?h+2Δhηl(11)得到流量敏感性系數(shù)的計算式如下:ΚDQ=?ηl?ηr|Δp=?ηl/?h?ηr/?h=14Δh-1BΖΡ?ˉρΡ?h+1ΖΡ?ΖΡ?h+1(12)基于同一思想,可分別得到壓降敏感性系數(shù)和出口焓值敏感性系數(shù)的表達(dá)式.壓降敏感性系數(shù)的表達(dá)式:ΚpQ=Δh2(Ζ?G2+Η?ˉρ?g)?(G2?ΖΡ?h+Η?g??ˉρΡ?h)(13)出口焓值敏感性系數(shù)的表達(dá)式:ΚΙQ=1-ΚDQΔhDQ(14)2直流鍋爐水冷壁熱敏感性分析針對所建立的水冷壁敏感性系數(shù)計算模型,筆者基于C++Builder分析程序環(huán)境,開發(fā)了直流鍋爐水冷壁熱敏感特性研究軟件,其可視化界面示于圖1.基于理論分析和熱敏感性數(shù)值計算,筆者對某300MW機組1100t/h變壓運行亞臨界直流鍋爐水冷壁的熱敏感性進(jìn)行了研究,重點分析了熱負(fù)荷、質(zhì)量流速、壓力和管長對熱敏感特性的影響.2.1熱負(fù)荷對流量敏感性分析鍋爐熱負(fù)荷因邊界條件改變而發(fā)生變化,導(dǎo)致管壁傳熱量變化,焓增發(fā)生變化,因而壓降特性也隨之變化,可見熱負(fù)荷是影響水冷壁熱敏感特性的關(guān)鍵因素.圖2～圖4給出了單位長度的管屏在干度x=0.5,壓力p=21.0MPa,質(zhì)量流速G=1800kg/(m2·s)的情況下,其熱敏感性系數(shù)隨管段外壁熱負(fù)荷的變化.由圖2可知,|KDQ|呈線性增大,隨著管外熱負(fù)荷的升高,流量敏感性也增強.熱負(fù)荷的增加使固定長度管屏內(nèi)工質(zhì)的焓增Δh增加,從流量敏感性系數(shù)表達(dá)式可知:流量敏感性系數(shù)呈負(fù)向增大趨勢.由圖3可知,壓降敏感性系數(shù)隨著熱負(fù)荷的升高而增大,說明熱負(fù)荷升高時,熱負(fù)荷對壓降變化的影響逐漸增強,且壓降呈正向增大.由圖4可知,出口焓值敏感性系數(shù)大于零,且隨著管外熱負(fù)荷的升高而逐漸增大,即出口焓值變化受熱負(fù)荷的影響正向逐漸增強.由圖2和圖4可知,KIQ與KDQ的變化趨勢正好相反.2.2質(zhì)量流速對出口值敏感性系數(shù)的影響質(zhì)量流速對兩相流傳熱及壓降特性均有較大影響,圖5～圖7給出了當(dāng)x=0.5、p=21.0MPa、管外壁熱負(fù)荷q=255.06kW/m2時,單位長度管屏熱敏感性系數(shù)與質(zhì)量流速關(guān)系.由圖5可知,隨著質(zhì)量流速的增大,KDQ逐漸減小,且變化趨于平緩,流量敏感性逐漸減弱.當(dāng)質(zhì)量流速增大時,工質(zhì)焓增Δh減少,KDQ也減小,同時流量的增加又使流量不均勻系數(shù)減小,因而增強了流量敏感性,二者綜合作用的結(jié)果使流量敏感性呈減弱趨勢.當(dāng)流量增加到一定程度時,流量敏感性系數(shù)基本保持不變.圖6給出了壓降敏感性系數(shù)隨質(zhì)量流速的變化趨勢,隨著質(zhì)量流速的增大,|KpQ|逐漸減小,即隨著質(zhì)量流速的增大,壓降變化受熱負(fù)荷的影響逐漸減弱.圖7給出了出口焓值敏感性系數(shù)隨質(zhì)量流速的變化趨勢,出口焓值敏感性系數(shù)的增大是由于流量敏感性系數(shù)的減小引起的,二者的變化趨勢正好相反.2.3不同壓力下各管段長度對敏感性系數(shù)的影響壓力對鍋爐工質(zhì)的熱物性影響較大,尤其在臨界壓力區(qū),因此壓力對鍋爐水冷壁熱敏感特性的影響較為復(fù)雜,筆者對不同壓力下,各敏感性系數(shù)隨管壁熱負(fù)荷、管長及質(zhì)量流速的變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析.圖8～圖10分別給出了在不同壓力下流量敏感系數(shù)、壓降敏感性系數(shù)隨熱負(fù)荷的變化及出口焓值敏感性系數(shù)隨管段長度的變化.在熱負(fù)荷或管長條件相同時,壓力升高,各敏感性系數(shù)增大;隨著壓力的升高,熱敏感性增強,而且壓力越大,熱敏感性系數(shù)增加的幅度越大.由于壓力升高,水的汽化潛熱r越小,因而在相同的吸熱量變化時,其干度變化不同,則壓降的變化就越劇烈,且呈增大趨勢,因而壓力越高,熱敏感特性就越強.在不同壓力下,熱敏感性系數(shù)隨質(zhì)量流速的變化較復(fù)雜,見圖11～圖13.2.4不同管段長度對熱敏感性系數(shù)的影響在鍋爐中,管段長度對熱敏感性的影響是管屏流量分配均勻性和管段吸熱量綜合作用的結(jié)果.圖14～圖16給出了當(dāng)工質(zhì)干度x=0.5、工質(zhì)壓力p=21.0MPa、質(zhì)量流速G=1888kg/(m2·s)、管外壁熱負(fù)荷q=255.06kW/m2時,熱敏感性系數(shù)隨管屏長度的變化趨勢.由圖14可知:|KDQ|隨著管段長度的增加而增大,當(dāng)管段長度增加時,一方面流量不均勻系數(shù)減小,表明偏差管的流量與平均管段的流量之間的差值越小,即流量偏差越小,因而流量敏感性減弱;另一方面,管內(nèi)工質(zhì)焓增Δh變大,因而流量敏感性增強,即中點處同樣焓增變化所需的吸熱量減少.圖15給出了壓降敏感性系數(shù)隨管段長度的變化趨勢.由圖15可知,隨著管段長度的增加壓降敏感性系數(shù)增大,即隨著管段長度的增加,壓降變化受熱負(fù)荷的影響逐漸增強.圖16給出了出口焓值敏感性系數(shù)隨管段長度的變化趨勢.由圖16可知,出口焓值敏感性系數(shù)隨著管段長度的增加而增大,即管屏越高,出口焓值的敏感性越強.可見,管子長度越長或者是管屏高度越高,其熱敏感性就越強.3鍋爐水冷壁熱敏感性(1)熱負(fù)荷、質(zhì)量流速和流動壓降是鍋爐水冷壁熱敏感特性的關(guān)鍵影響因素.流量敏感系數(shù)、壓降敏感系數(shù)和出口焓值敏感系數(shù)等熱敏感系數(shù)的絕對值大小反映鍋爐水冷壁熱敏感性的強弱,其正負(fù)則反映了熱敏感性方向.(2)隨著熱負(fù)荷的升高,鍋爐水冷壁熱敏感性增強,流量敏感系數(shù)負(fù)向增大,而壓降敏感系數(shù)和出口焓值敏感系數(shù)則