超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流動(dòng)特性研究-畢業(yè)論文

超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流動(dòng)特性研究-畢業(yè)論文超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流動(dòng)特性研究-畢業(yè)論文/超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流動(dòng)特性研究-畢業(yè)論文分類號(hào)：學(xué)校代碼：密級(jí)：XXXX大學(xué)碩士學(xué)位論文題目：超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流動(dòng)特性研究英文題目：TheStudyforTheFlowCharacteristicsofVerticalTubePlatenWaterCooledWallinTheUltra-supercriticalBoiler研究生姓名：專業(yè)：研究方向：電站熱力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制導(dǎo)師姓名：職稱：20XX年XX月XX日聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文《超超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁流動(dòng)特性研究》，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名： 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；③學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；④學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的,復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；⑤同意學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。（涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 日期： 摘要本文對(duì)超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁以與螺旋管圈水冷壁編制了水動(dòng)力特性的各種計(jì)算程序，對(duì)兩種類型的鍋爐水冷壁在不同熱負(fù)荷、熱偏差、入口欠焓以與不同質(zhì)量流速等條件下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果驗(yàn)證了垂直管屏水冷壁在高質(zhì)量流速下的強(qiáng)制流動(dòng)特性，在低質(zhì)量流速下的自然循環(huán)補(bǔ)償特性，還有以上各種參量對(duì)于他們的具體影響,而螺旋管圈水冷壁則由于它的特殊結(jié)構(gòu)型式，導(dǎo)致它在全負(fù)荷范圍內(nèi)都保持相對(duì)較大的摩阻壓降，水動(dòng)力特性不是很理想。此外，本文還對(duì)熱負(fù)荷、質(zhì)量流速以與入口欠焓等三個(gè)因素對(duì)水動(dòng)力多值性的具體影響做出了一定的分析。關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐，流動(dòng)特性，垂直管屏，螺旋管圈，下輻射區(qū)水冷壁ABSTRACTInthispaper,aseriesofcalculativeprogramiscompiledaboutthehydrodynamiccharacteristicsoftheverticalrifledtubeplatenwatercooledwallandspiralcircletubewatercooledwallintheultra-supercriticalboiler.Theflowcharacteristicsofthistwoboiler’swatercooledwallintheconditionofdifferentheatloads,heatdeviation,insufficiententhalpyoftheentranceandmassflowratesareanalyzedandstudiedcontradistinctive.Theresultvalidatesthattheverticaltubeplatenwatercooledwallhasforceflowcharacteristicintheconditionofhighmassflowratesandhasnaturalcirclecharacteristicintheconditionoflowmassflowratesandthespecificimpactofalloftheaboveparameterstothem,whereasthespiraltubecircleTubewatercooledwall,becauseofitsspecialstructure,itwillkeepahigherfrictionpressuredropinalltheloadarea,andthehydrodynamiccharacteristicsofitisnotsogood.Besides,Thisarticlehasalsodonesomemeticulousanalysisabouttheinfluencethattheheatload,massflowrateandinsufficiententhalpyoftheentrancehaddonetothehydrodynamicdifferentvaluecharacteristic.CuiPeng（FluidMachineryandEngineering）DirectedbyProf.FanQuan-guiKEYWORDS:ultra-supercriticalboiler，flowcharacteristic，verticaltubeplaten，spiralcircletube,watercooledwall’slowerradiationzone目錄中文摘要英文摘要第一章引言 11.1課題研究的背景與意義 11.2超臨界鍋爐的發(fā)展動(dòng)態(tài)與研究成果 11.3本論文的主要研究內(nèi)容 21.3.1水冷壁水動(dòng)力特性的計(jì)算研究方案 21.3.2內(nèi)螺紋管水冷壁的水動(dòng)力特性的影響因素 31.3.3水動(dòng)力多值性方面的理論研究 31.4小結(jié) 3第二章超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁簡介 42.1超超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁與其特點(diǎn) 42.2內(nèi)螺紋管的工作原理與傳熱特性 72.3小結(jié) 8第三章超臨界直流鍋爐水冷壁運(yùn)行方式與其特性分析 93.1超臨界機(jī)組水冷壁水動(dòng)力特性的定性分析 93.1.1內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁水動(dòng)力特性分析 103.1.2內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁水動(dòng)力特性分析 123.2小結(jié) 13第四章超臨界鍋爐水動(dòng)力計(jì)算所應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型 144.1汽液兩相流簡介 144.1.1汽液兩相流的定義與應(yīng)用 144.1.2汽液兩相流的研究模型 144.2單相流體各種壓降的計(jì)算方法 154.2.1單相流體的加速壓降計(jì)算方法 154.2.2單相流體的摩阻壓降計(jì)算方法 164.2.3單相流體的重位壓降計(jì)算方法 184.3兩相流體壓降的計(jì)算方法 184.3.1兩相流體的加速壓 194.3.2兩相流體的摩阻壓降計(jì)算方法 194.3.3兩相流體的重位壓降計(jì)算方法 204.4亞臨界壓力下工質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)位置確定的重要性 214.5小結(jié) 21第五章超超臨界鍋爐水冷壁水動(dòng)力特性的定量計(jì)算與對(duì)比分析 235.1水動(dòng)力特性計(jì)算模型的建立 235.2各種類型水冷壁計(jì)算結(jié)果與分析 275.2.1玉環(huán)電廠超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁的水動(dòng)力特性分析 275.2.2鄒縣電廠超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁的水動(dòng)力特性分析 355.3超臨界鍋爐水冷壁水動(dòng)力多值性的幾個(gè)影響因素分析 425.3.1熱負(fù)荷對(duì)多值性的影響 425.3.2入口欠焓對(duì)多值性的影響 435.3.3質(zhì)量流速對(duì)多值性的影響 445.4小結(jié) 45第六章結(jié)論與展望 466.1結(jié)論 466.1.1玉環(huán)電廠在不同工況下的水冷壁水動(dòng)力特性 466.1.2與鄒縣電廠水冷壁在水動(dòng)力特性方面的對(duì)比 476.1.3鍋爐水冷壁水動(dòng)力多值性的計(jì)算 486.1.4工質(zhì)大比熱特性對(duì)水動(dòng)力的影響 486.2展望 49參考文獻(xiàn) 50致謝 53在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況 54第一章引言能源是人類進(jìn)行生產(chǎn)和賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)能源的需求也隨之越來越大。因此，合理開發(fā)能源，提高能源利用的綜合效益就顯得越發(fā)重要。因此，為節(jié)約能源消耗和減輕環(huán)境污染，我們應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)中的一項(xiàng)主要內(nèi)容就是超臨界與超超臨界技術(shù)，超臨界機(jī)組的主要設(shè)備是以處于超臨界狀態(tài)的水蒸汽為工質(zhì)的鍋爐和汽輪機(jī)，它是一種節(jié)能、高效、大型的火力發(fā)電機(jī)組[1][2]。它的最主要的特點(diǎn)即發(fā)電煤耗低，效率高，可實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行等，可見他十分滿足我國在能源高效利用方面的要求，我們應(yīng)當(dāng)予以重視。1.1課題研究的背景與意義超臨界是一個(gè)熱力學(xué)概念，而超臨界機(jī)組是指蒸汽壓力達(dá)到超臨界狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組。超臨界與超超臨界機(jī)組的最大優(yōu)勢是能夠大幅度提高循環(huán)熱效率，降低發(fā)電煤耗。但相應(yīng)的也需要提高金屬材料的檔次和金屬部件的焊接工藝水平。全世界主要的工業(yè)國家十分重視發(fā)展超臨界和超超臨界技術(shù)，前蘇聯(lián)境內(nèi)超臨界機(jī)組數(shù)量與總?cè)萘烤邮澜缡孜?。在美國、德國、日本等國家也具有相?dāng)數(shù)量的超臨界機(jī)組。目前，日本是世界上超臨界機(jī)組技術(shù)最先進(jìn)的國家，技術(shù)先進(jìn)的主要體現(xiàn)是變壓運(yùn)行技術(shù)成熟，發(fā)電煤耗低等方面。日本目前正在開發(fā)更加適合于超臨界機(jī)組的高強(qiáng)度耐熱金屬材料，并實(shí)現(xiàn)了采用內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁完成變壓運(yùn)行的新一代技術(shù)。超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)大于臨界壓力，蒸汽和水的密度基本相同，沒有明顯分界，首先受影響的是鍋爐的水冷壁。超臨界鍋爐水冷壁不能采用傳統(tǒng)汽包鍋爐的自然循環(huán)方式，而必須采用強(qiáng)制流動(dòng)方式，即以直流運(yùn)行方式為主，也可采用部分復(fù)合循環(huán)方式。超臨界鍋爐的水冷壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要出現(xiàn)了兩種型式：一種是采用螺旋管圈的水冷壁，另一種是采用垂直管屏的水冷壁[3][4]。兩種水冷壁各有利弊，需要結(jié)合實(shí)際情況選用。一般認(rèn)為，采用垂直管屏水冷壁的直流鍋爐不適合變壓運(yùn)行，但是采用了一些新興技術(shù)的垂直管屏水冷壁實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行也是可能的。例如內(nèi)螺紋管垂直管屏變壓運(yùn)行技術(shù)已經(jīng)有部分實(shí)踐應(yīng)用的例子。我在這個(gè)背景下開展論文課題，希望能夠?qū)ΤR界與超超臨界鍋爐在實(shí)際設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行中提供一定的參考。1.2超臨界鍋爐的發(fā)展動(dòng)態(tài)與研究成果美國是發(fā)展超臨界技術(shù)最早的國家。早在50年代初，美國就開始了探索性的試驗(yàn)研究。美國第一臺(tái)超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)就高達(dá)3lMPa，在技術(shù)研發(fā)的過程中不顧工業(yè)實(shí)力，技術(shù)水平，片面追求高效率，并為此付出了不小的代價(jià)。此外，由于美國煤價(jià)較低，效率提高的意義不如想象中明顯，再加上超臨界機(jī)組變負(fù)荷調(diào)峰能力較差等因素的共同作用，造成超臨界機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益并不突出。發(fā)展超臨界機(jī)組技術(shù)最為果斷的是前蘇聯(lián)。經(jīng)過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比和理論分析，前蘇聯(lián)明確了發(fā)展超臨界機(jī)組的戰(zhàn)略和方向，雖然在此過程中并不順利，遭遇很多困難，但是依然堅(jiān)持300MW以上的各種類型火電機(jī)組全部采用超臨界參數(shù)。前蘇聯(lián)發(fā)展的超臨界機(jī)組，基本上都是立足于本國技術(shù)，與世界的交流不足，技術(shù)的發(fā)展和更新周期較長，表現(xiàn)為工藝粗糙、鍋爐笨重、金屬性能與檢驗(yàn)手段都有待提高，在自控系統(tǒng)、輔機(jī)、閥門、吹灰裝置等方面比之其它發(fā)達(dá)國家還有較大差距。超臨界機(jī)組技術(shù)在日本起步較晚，但采用引進(jìn)、仿制與創(chuàng)新相結(jié)合的戰(zhàn)略思想，取得了良好的發(fā)展態(tài)勢。目前以機(jī)組的效益好、效率高、煤耗低、技術(shù)更新周期短而一躍成為發(fā)展超臨界機(jī)組技術(shù)的領(lǐng)先國家之一。日本發(fā)展超臨界機(jī)組的方略與蘇聯(lián)形成明顯對(duì)比，日本的發(fā)展模式，避免了在研制超臨界機(jī)組技術(shù)過程中的許多必要挫折，汲取了國際上的成熟經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了跨越式的技術(shù)發(fā)展，為我國超臨界技術(shù)的發(fā)展提供了一定的參考[5]。隨著近些年來我國在超臨界鍋爐領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步，國內(nèi)學(xué)者做出了許多工作。尤其是在內(nèi)螺紋管傳熱以與水動(dòng)力特性的研究等[6][7]方面，西安交通大學(xué)的陳聽寬教授等人以動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，做了許多有關(guān)于超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管流動(dòng)特性與傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)得出了在不同參數(shù)、不同條件下的壁溫分布、單相與兩相對(duì)流放熱系數(shù)、發(fā)生傳熱惡化的臨界條件、干涸后放熱系數(shù)以與內(nèi)螺紋管的摩擦壓降等重要數(shù)據(jù)，并且總結(jié)提出了計(jì)算關(guān)聯(lián)式，為超臨界鍋爐水冷壁的設(shè)計(jì)提供了重要參考[8]。在對(duì)超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁變壓運(yùn)行特性的研究方面，樊泉桂教授針對(duì)1000MW超臨界機(jī)組鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁進(jìn)行了比較詳盡的理論分析。并且重點(diǎn)分析了低質(zhì)量流速下的熱偏差對(duì)變壓運(yùn)行水冷壁水動(dòng)力特性的各方面影響，為我國超臨界鍋爐水冷壁技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步提供了很有價(jià)值的借鑒[9]。1.3本論文的主要研究內(nèi)容1.3.1水冷壁水動(dòng)力特性的計(jì)算研究方案本文主要參考電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法確定了垂直管屏與螺旋管圈水冷壁工質(zhì)壓降的計(jì)算方法，包括單相流和兩相流在超臨界壓力以與亞臨界壓力下的壓降計(jì)算方案[10]。據(jù)此分別計(jì)算出浙江玉環(huán)電廠垂直管屏水冷壁以與山東鄒縣電廠螺旋管圈水冷壁的壓降特性以與下輻射區(qū)出口工質(zhì)溫度特性等相關(guān)內(nèi)容，并通過計(jì)算得出了熱負(fù)荷以與水冷壁型式等因素對(duì)水動(dòng)力特性變化的具體影響。1.3.2內(nèi)螺紋管水冷壁的水動(dòng)力特性文中首先介紹了超臨界鍋爐中所采用水冷壁的幾種主要型式，通過編程計(jì)算，對(duì)內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁和內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁的熱負(fù)荷、入口欠焓、質(zhì)量流量流量等水動(dòng)力特性的影響因素進(jìn)行深入的探討，得出它們對(duì)不同型式水冷壁的不同影響結(jié)果，說明各自的優(yōu)勢和不足。最后通過對(duì)比，重點(diǎn)介紹了內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的技術(shù)特點(diǎn)與其變壓運(yùn)行的優(yōu)劣勢。1.3.3水動(dòng)力多值性方面的理論研究水動(dòng)力多值性[11]的具體表現(xiàn)是，對(duì)于一組平行布置的管組，有的管中質(zhì)量流量較大，有的管中質(zhì)量流量較小，一旦這種情況產(chǎn)生就會(huì)導(dǎo)致水冷壁工作在不安全的狀態(tài)下。本文通過編寫程序，在管內(nèi)工質(zhì)壓降計(jì)算的基礎(chǔ)上，得出了熱負(fù)荷、質(zhì)量流速、入口欠焓等不同因素對(duì)于水動(dòng)力多值性的影響，并做出曲線進(jìn)行了必要的分析，得出的結(jié)論對(duì)于超臨界鍋爐水冷壁的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著一定的實(shí)際參考價(jià)值。1.4小結(jié)本章對(duì)了論文的研究背景與其意義做了簡要的介紹，說明了超臨界與超超臨界鍋爐的發(fā)展歷史，技術(shù)優(yōu)勢還有良好的前景，進(jìn)而闡明了超臨界技術(shù)近些年來在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和研究成果，最后，對(duì)本論文的具體研究內(nèi)容做出了簡明的概述，以便讀者對(duì)論文有一個(gè)大概的了解，為了對(duì)超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏進(jìn)行深入的研究，我們接下來有必要對(duì)垂直管屏水冷壁的特性做出一定的了解分析。第二章超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁簡介為了提高發(fā)電效率，降低單位造價(jià)和發(fā)電成本，使得新建火力發(fā)電機(jī)組向高參數(shù)、大容量的超臨界發(fā)電機(jī)組方向發(fā)展，為了使變壓運(yùn)行鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)以每分鐘5％或更快的速度變負(fù)荷，并且能夠完成頻繁啟動(dòng)，同樣能適應(yīng)煤種的變化要求，目前超臨界鍋爐的水冷壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有兩種型式，一種采用螺旋管圈水冷壁；另一種是采用垂直管屏水冷壁[12]。下面我們將針對(duì)玉環(huán)電廠和鄒縣電廠兩個(gè)千萬級(jí)機(jī)組，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的水冷壁做出具體分析，并進(jìn)行對(duì)比，以利于我們得出超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁在水動(dòng)力特性等方面與別不同的特點(diǎn)。2.1超超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁與其特點(diǎn)由于內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)特性，使得它在傳熱性能以與水動(dòng)力特性方面明顯優(yōu)于光管，它在鍋爐上的應(yīng)用給直流鍋爐水冷壁采用垂直管屏型式開辟了嶄新的途徑。早在本世紀(jì)70，80年代，三菱重工等公司鑒于變壓運(yùn)行超臨界機(jī)組的優(yōu)勢和傳統(tǒng)螺旋管圈水冷壁在結(jié)構(gòu)復(fù)雜等方面的不足，使他們在已有長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合循環(huán)鍋爐的基礎(chǔ)上，利用內(nèi)螺紋管在抑制傳熱惡化產(chǎn)生、水動(dòng)力特性良好等方面的優(yōu)點(diǎn)，著手開發(fā)和研究超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重又在超臨界領(lǐng)域做出重大突破，同時(shí)開發(fā)并生產(chǎn)出了世界上首臺(tái)采用一次上升管圈的超臨界鍋爐變壓運(yùn)行機(jī)組，并在日本多家電廠投入運(yùn)行。國內(nèi)的哈爾濱鍋爐廠引用三菱重工的技術(shù)已經(jīng)成功生產(chǎn)出1000MW內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁超超臨界鍋爐機(jī)組，并在浙江玉環(huán)電廠順利投產(chǎn)，至今運(yùn)行穩(wěn)定。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要優(yōu)點(diǎn)[13][14]是：（1）它結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，廠內(nèi)組裝率高，安裝方便，便于吊掛，許多生產(chǎn)工藝和成熟的亞臨界鍋爐水冷壁相近；（2）質(zhì)量流速較螺旋管圈水冷壁小，工質(zhì)流程比之螺旋管圈水冷壁更是大大縮短，因此系統(tǒng)阻力小，給水泵的功耗降低；（3）采用內(nèi)螺紋管可提高傳熱性能，在亞臨界負(fù)荷時(shí)防止下爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域發(fā)生膜態(tài)沸騰，在超臨界負(fù)荷時(shí)能夠防止類膜態(tài)沸騰的發(fā)生，變壓性能好。（4）降低質(zhì)量流速，使在低負(fù)荷時(shí)水動(dòng)力特性轉(zhuǎn)化為自然循環(huán)，有利于維持鍋爐安全運(yùn)行。（5）下輻射區(qū)采用一次上升內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁，結(jié)合較低的質(zhì)量流速，克服了傳統(tǒng)UP型鍋爐的主要缺陷。（6）吹灰效果好，結(jié)渣傾向小，疏松型灰渣易于自行脫落，維護(hù)和檢修工作簡單。內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要缺點(diǎn)是[15]：（1）對(duì)煤種變化的適應(yīng)性較差，不如螺旋管圈水冷壁好。（2）垂直管屏水冷壁沿爐膛周界的水冷壁的出口溫度偏差較螺旋管圈水冷壁稍大，但是可通過加裝節(jié)流孔圈將此偏差值控制在適合的范圍。（3）在變壓運(yùn)行特性方面相對(duì)于螺旋管圈水冷壁還是有不足之處。如果垂直管屏水冷壁所有管子平行連接，那么只有在采用較大容量鍋爐的鍋爐時(shí)才能保證水冷壁可靠冷卻所必須的質(zhì)量流速。（4）必須裝設(shè)再循環(huán)泵，以保證啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)必要的質(zhì)量流速，從而增加了設(shè)備投資。（5）原蘇聯(lián)的超臨界鍋爐的垂直水冷壁大多采用Φ32×6的光管，CE公司的復(fù)合循環(huán)鍋爐的垂直水冷壁也采用Φ32×6的光管，而日本的變壓運(yùn)行超臨界鍋爐垂直水冷壁采用Φ28×4的內(nèi)螺紋管，由于管徑小，熱敏感性強(qiáng)，對(duì)運(yùn)行控制要求高；由于本文垂直管屏水冷壁的重點(diǎn)研究對(duì)象是以浙江玉環(huán)電廠鍋爐為例，所以下面我們有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以與運(yùn)行特性做出適當(dāng)?shù)慕榻B和分析。浙江玉環(huán)電廠采用的是哈爾濱鍋爐有限公司與三菱公司合作生產(chǎn)的1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐。該鍋爐爐膛斷面尺寸為32.08m×15.67m×65.60m，采用∏型布置，PM型燃燒器+MACT配風(fēng)技術(shù)，單爐膛反向雙切圓燃燒方式等技術(shù)。采用煙氣擋板以與擺動(dòng)式燃燒器作為調(diào)節(jié)再熱汽溫的主要手段，并配合噴水減溫調(diào)節(jié)。制粉系統(tǒng)采用帶有磨煤機(jī)的直吹系統(tǒng)。鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)配置有循環(huán)泵和擴(kuò)容器，以期達(dá)到要求的啟動(dòng)流量和回收工質(zhì)熱量的目的[16]。玉環(huán)電廠超臨界鍋爐采用內(nèi)螺紋管一次上升垂直管屏，水冷壁管共2144根，其中側(cè)墻各有352根，前后墻各有700根，管材為SA213-T12，節(jié)距為44.5mm，采用焊接膜式壁結(jié)構(gòu)，管子外徑為28.6mm，壁厚為5.8mm，采用四頭內(nèi)螺紋管。管子間加焊的扁鋼材質(zhì)為SA387-12-1，寬15.9mm，厚度6mm水冷壁系統(tǒng)由下至上共分四個(gè)部分，第一部分是光管冷灰斗水冷壁，從標(biāo)高6300mm的開始，長度為11200mm；第二部分是下輻射區(qū)內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁，從標(biāo)高17500mm開始上沿至標(biāo)高為49000mm的折焰角部位，長度為31500mm；第三部分是折焰角上部至爐頂?shù)墓夤芩浔?；第四部分是水平煙道以與尾部低溫?zé)煹拦夤芩浔?。簡圖如下所示：圖2-1玉環(huán)鍋爐水冷壁布置型式簡圖爐膛折焰角下方裝設(shè)了中間混合聯(lián)箱，下輻射區(qū)垂直管屏水冷壁的出口工質(zhì)進(jìn)入出口聯(lián)箱，再分別經(jīng)過兩級(jí)分配器進(jìn)入上輻射區(qū)光管垂直管屏水冷壁，混合聯(lián)箱的裝配可以消除下輻射區(qū)水冷壁熱偏差導(dǎo)致的溫度偏差。水冷壁下集箱采用Φ216mm的集箱，并將節(jié)流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用Φ42.7×6的大直徑管子，并在其中嵌入節(jié)流圈，再通過三叉管過渡的方法，與Φ28.6mm的上輻射區(qū)水冷壁管相接，采取這種型式的節(jié)流孔圈能夠保證足夠的節(jié)流能力，根據(jù)水平方向各墻的熱負(fù)荷分配特點(diǎn)，調(diào)節(jié)各回路水冷壁管中的質(zhì)量流量，減小水冷壁出口工質(zhì)溫升偏差，保證出口工質(zhì)溫度均勻。在任何工況下（尤其是低負(fù)荷與啟動(dòng)工況），應(yīng)當(dāng)保證在水冷壁內(nèi)有足夠的冷卻流量，以保證水冷壁不發(fā)生傳熱惡化和水動(dòng)力不穩(wěn)，特別是要防止亞臨界壓力下的膜態(tài)沸騰和超臨界壓力下的類膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。機(jī)組配備兩臺(tái)汽水分離器和一只貯水箱，分離器和貯水箱都是由低鉻鋼SA387-11制成。分離器的疏水由貯水箱底部引出的三根疏水總管通往凝汽器，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)貯水箱水位。在啟動(dòng)初期、熱態(tài)清洗和汽水膨脹期間只要水質(zhì)合格，就將這些疏水全部送往凝汽器回收。若水質(zhì)不符合要求，則通過另外三根疏水管將工質(zhì)全部送往大氣擴(kuò)容器，在其中回收降壓后產(chǎn)生的蒸汽，排放剩下的疏水。在啟動(dòng)過程中再循環(huán)泵所能提供的最大流量為20%BMCR。給水泵的為5%BMCR，啟動(dòng)過程中水冷壁系統(tǒng)始終保持25%BMCR的最低質(zhì)量流量。由于大直徑疏水調(diào)節(jié)閥和一只大氣式疏水?dāng)U容器的存在，所以即便再循環(huán)泵由于事故而處于解列狀態(tài)，鍋爐機(jī)組也能順利完成啟動(dòng)[17-19]。1000MW超超臨界鍋爐水冷壁系統(tǒng)圖如圖2-2所示：圖2-21000MW鍋爐水冷壁系統(tǒng)圖2.2內(nèi)螺紋管的工作原理與傳熱特性由于結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)螺紋管的傳熱系數(shù)明顯大于光管，從而導(dǎo)致它的傳熱性能相對(duì)于光管有著大幅度的提高，它能夠抵抗膜態(tài)沸騰并且推遲傳熱惡化，其中的主要原理是：由于工質(zhì)受到內(nèi)螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了管內(nèi)壁面附近流體的旋流擾動(dòng)，使水冷壁管貼近內(nèi)壁面產(chǎn)生的汽泡可以被旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)的高速液體與時(shí)帶走，并且在旋轉(zhuǎn)力的作用下，使水流緊貼管子內(nèi)壁面流動(dòng)，從而避免了汽泡在管子內(nèi)壁面上積聚所形成的汽膜，保證了水冷壁管子內(nèi)表面上有連續(xù)不斷的水膜冷卻。從而減小了水冷壁管子超溫的可能性。國外對(duì)于內(nèi)螺紋管和光管進(jìn)行了大量的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)壓力在20MPa以下時(shí)，即使在1000kg/（m2·s）的低質(zhì)量流速下，內(nèi)螺紋管水冷壁仍然具有良好的傳熱特性，只有在接近蒸發(fā)終點(diǎn)的質(zhì)量含汽率x=0.9時(shí)才會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化；在近臨界壓力區(qū)，由于壓力的升高，工質(zhì)熱物理特性有了較大的變化，傳熱惡化提前出現(xiàn)，在x=0.6的位置出現(xiàn)壁溫突然升高的現(xiàn)象；這說明內(nèi)螺紋管不僅改善了壓降特性，而且也改變了傳熱特性，使機(jī)組更能適應(yīng)變壓運(yùn)行工況以與機(jī)組的頻繁起停[20]2.3小結(jié)本章對(duì)內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的各個(gè)方面的特性做了比較詳細(xì)的介紹，其中包括垂直管屏水冷壁的結(jié)構(gòu)特性，運(yùn)行特性，傳熱特性以與水動(dòng)力特性等方面，其中我們重點(diǎn)介紹了一下內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的主要優(yōu)勢和不足，為本論文以后的研究分析提供了一定的指導(dǎo)意義，最后，本章還介紹了一下當(dāng)代垂直管屏水冷壁中應(yīng)用的一項(xiàng)新興技術(shù)——內(nèi)螺紋技術(shù)，對(duì)它的工作原理和傳熱特性做了簡要的說明。由于本論文的重點(diǎn)研究內(nèi)容為內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的水動(dòng)力特性，而這個(gè)水動(dòng)力特性重要是在變壓運(yùn)行的工況下，所以接下來我們將對(duì)超臨界直流鍋爐水冷壁的運(yùn)行方式做出適當(dāng)?shù)慕榻B和說明。第三章超臨界直流鍋爐水冷壁運(yùn)行方式與其特性分析單元機(jī)組的運(yùn)行目前有兩種基本形式，即定壓運(yùn)行（或稱等壓運(yùn)行）和變壓運(yùn)行（或稱滑壓運(yùn)行）。定壓運(yùn)行是指汽輪機(jī)在不同工況運(yùn)行時(shí)，依靠調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門的開度來改變機(jī)組的功率，而汽輪機(jī)前的主汽壓力維持不變。采用此方法跟蹤負(fù)荷調(diào)峰時(shí)，在汽輪機(jī)內(nèi)的溫度將產(chǎn)生較大變化，且低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)主蒸汽的節(jié)流損失很大，機(jī)組的熱效率大幅下降。因此國內(nèi)、外新建超臨界機(jī)組一般不采用此種方法調(diào)峰，而是采用變壓運(yùn)行方式。所謂變壓運(yùn)行，是指汽輪機(jī)在不同工況運(yùn)行時(shí)，不僅主汽門是全開的，而且調(diào)節(jié)汽門也保持全開（或部分全開），機(jī)組功率的變動(dòng)是靠汽輪機(jī)主氣門前主蒸汽壓力的改變來實(shí)現(xiàn)的，但主蒸汽溫度維持額定值不變。處在變壓運(yùn)行狀態(tài)中的單元機(jī)組，當(dāng)外界負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，在汽輪機(jī)跟隨的控制方式下，負(fù)荷變動(dòng)指令直接下達(dá)給鍋爐的燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)以與給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鍋爐就會(huì)按指令的要求改變?nèi)剂瞎┙o量和給水量，使主蒸汽的流量和壓力適應(yīng)外界負(fù)荷變動(dòng)后的需要。而在機(jī)組處于定壓運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，該負(fù)荷指令是直接送給汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來改變調(diào)節(jié)汽門的開度[21]，從而適應(yīng)外界負(fù)荷改變的需要。當(dāng)今的大型超臨界鍋爐一般采用低負(fù)荷變壓運(yùn)行，一般在高負(fù)荷區(qū)采用定壓運(yùn)行方式，在中低負(fù)荷區(qū)采用變壓運(yùn)行，而在極低負(fù)荷區(qū)又恢復(fù)為定壓運(yùn)行。例如浙江玉環(huán)電廠，90%BMCR～100%BMCR是定壓運(yùn)行，25%BMCR～90%BMCR是變壓運(yùn)行，而在極低負(fù)荷區(qū)又回到定壓運(yùn)行方式[22]。3.1超臨界機(jī)組水冷壁水動(dòng)力特性的定性分析對(duì)變壓運(yùn)行超臨界壓力直流鍋爐而言，其運(yùn)行一般分為三個(gè)階段，即啟動(dòng)初期依靠循環(huán)泵的啟動(dòng)試運(yùn)行階段，以與之后的亞臨界直流運(yùn)行和超臨界直流運(yùn)行階段。這種變壓運(yùn)行方式使水冷壁的工作條件變得極為復(fù)雜，從啟動(dòng)至額定負(fù)荷運(yùn)行，鍋爐運(yùn)行壓力從高壓、超高壓、亞臨界壓力逐漸增加到超臨界壓力，水冷壁的工質(zhì)狀態(tài)也由單相狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上酄顟B(tài)后來又再次轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗酄顟B(tài)，工質(zhì)溫度也發(fā)生很大變化。在啟動(dòng)過程中和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于壓力較小，導(dǎo)致汽、水密度差較大，易產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定和過大的熱偏差；在超臨界壓力和高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，單相介質(zhì)的傳熱系數(shù)比亞臨界兩相流體的傳熱系數(shù)低，導(dǎo)致流體和水冷壁的溫度較高，可能產(chǎn)生超溫現(xiàn)象[23][24]。因此，變壓運(yùn)行超臨界壓力與超超臨界壓力直流鍋爐水冷壁結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計(jì)，其中最重要的一點(diǎn)是要防止水動(dòng)力不穩(wěn)定和傳熱惡化，保證在正常的運(yùn)行條件和允許的負(fù)荷變化范圍內(nèi)，水循環(huán)保持安全、可靠的運(yùn)行工況。早期國產(chǎn)亞臨界直流鍋爐水冷壁的結(jié)構(gòu)為光管垂直管屏式，由于其設(shè)計(jì)流量很大，所以其水動(dòng)力特性對(duì)熱偏差等不利因素的影響比較敏感，近幾年，隨著鍋爐容量的不斷增大，在600MW和1000MW級(jí)的超臨界壓力與超超臨界壓力直流鍋爐上，引入了內(nèi)螺紋管螺旋管圈與內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁結(jié)構(gòu)型式，在提高變壓運(yùn)行效率以與減低煤耗等方面取得了良好的成果。下面我們將針對(duì)變壓運(yùn)行下超臨界壓力與超超臨界壓力直流鍋爐水冷壁的水動(dòng)力特性進(jìn)行一定的理論分析和介紹。3.1.1內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁水動(dòng)力特性分析為了使讀者更加清晰內(nèi)螺紋是如何作用于水動(dòng)力特性和傳熱特性，下面我們對(duì)其工作過程做出詳細(xì)的討論說明：工質(zhì)由于內(nèi)螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了管子內(nèi)壁面附近流體的擾動(dòng)，使水冷壁管內(nèi)壁面上產(chǎn)生的汽泡可以被旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)的液體與時(shí)帶走。在旋轉(zhuǎn)力的作用下，水流緊貼管子內(nèi)壁面流動(dòng)，從而避免了汽泡在管子內(nèi)壁面上的積聚所形成的汽體薄膜，保證了即使在較低的質(zhì)量流速下管子內(nèi)壁面上依然可以保持連續(xù)的水流冷卻，與光管水冷壁相比，采用內(nèi)螺紋管水冷壁，由于流體在管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)作用，當(dāng)流體質(zhì)量流速為1000kg/（m2·s）、熱負(fù)荷為465kW/m2，發(fā)生傳熱惡化的蒸汽干度值由低含汽量范圍的0.2移至高含汽量范圍的0.9，當(dāng)流體質(zhì)量流速為400～500kg/（m2·s）、熱負(fù)荷為465kW/m2時(shí)，由于質(zhì)量流速的降低，內(nèi)螺紋管中流體旋轉(zhuǎn)作用力急劇減弱，傳熱惡化的干度再度降到0.2左右。傳統(tǒng)的光管垂直管屏水冷壁由于水動(dòng)力特性的影響不適合變壓運(yùn)行，但是由于內(nèi)螺紋這種新興技術(shù)的產(chǎn)生和成熟應(yīng)用，使得垂直管屏水冷壁能夠?qū)崿F(xiàn)良好的變壓運(yùn)行。這是由于超臨界鍋爐水冷壁在亞臨界工況運(yùn)行時(shí)，采用相對(duì)較低的質(zhì)量流速，在低質(zhì)量流速下，摩阻壓降在總壓降中所占比例很小，流量分配由占主導(dǎo)地位的重位壓降決定，水動(dòng)力特性保持為正流量補(bǔ)償特性，依靠水動(dòng)力的這種特性可以保證水冷壁管的充分冷卻。這一情況恰好類似于自然循環(huán)鍋爐水冷壁，吸熱偏差引起的流量變化取決于重位壓差，從而導(dǎo)致受熱偏高的管子將流過較高的質(zhì)量流量。這樣在低負(fù)荷亞臨界壓力范圍內(nèi)，由于這種類似汽包鍋爐中自然循環(huán)作用的存在，使得此種水冷壁抵抗膜態(tài)沸騰傳熱惡化的能力大大加強(qiáng)，在近臨界壓力甚至超臨界壓力范圍內(nèi)，也具有相對(duì)較大的抵抗類膜態(tài)沸騰的重要作用，即使對(duì)于大比熱區(qū)的蒸汽也具有強(qiáng)化傳熱，降低壁溫的效果[25-27]。在下面的章節(jié)中，將主要探討內(nèi)螺紋管垂直管屏在亞臨界負(fù)荷和超臨界負(fù)荷的水動(dòng)力特性，包括正流量補(bǔ)償特性和負(fù)流量補(bǔ)償特性等。下面我們對(duì)內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的變壓運(yùn)行可行性進(jìn)行理論分析。對(duì)于單相流體，由于水冷壁內(nèi)加速壓降太小，基本可以忽略，則有壓降公式（3-1）（3-2）式中——為折算阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)——為管內(nèi)的蒸汽流量、蒸汽比容、蒸汽密度和蒸汽流速——為管子的內(nèi)徑、流通截面和管子長度——為管子進(jìn)出口之間的高度差對(duì)于一組平行工作的管組，阻力偏差、重位壓差以與受熱偏差都可以引起流量的不均勻分配。假定所有平行工作管子的集箱兩端的壓差都是相等的，且流動(dòng)方向向上，則代表平均流動(dòng)情況和具有流動(dòng)偏差管子的壓降計(jì)算公式應(yīng)分別為：（3-3）（3-4）（3-5）流量偏差系數(shù)為：（3-6）分析上式可知，影響流量偏差的因素大致是管組結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)分布、吸熱分布和重位壓降分布。管組結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)分布對(duì)于流量偏差的影響易于理解，而吸熱分布的影響比較復(fù)雜，下面我們來進(jìn)行具體分析。（1）對(duì)于垂直布置的平行工作管子，在低負(fù)荷的亞臨界壓力范圍內(nèi)，由于吸熱偏差引起管子之間出現(xiàn)重位壓差，導(dǎo)致流量分配發(fā)生變化，具體過程是這樣的，吸熱較強(qiáng)的管子，管內(nèi)工質(zhì)溫度上升，密度降低，管子之間的重位壓差增大，從而使吸熱較強(qiáng)的管子中工質(zhì)質(zhì)量流量增加。（2）對(duì)于垂直布置的平行工作管子，在高負(fù)荷的超臨界壓力下，無論工質(zhì)是否處于大比熱容區(qū)域，受熱偏差都會(huì)引起流量偏差。吸熱較強(qiáng)的管子，管內(nèi)工質(zhì)溫度上升，比容增大，流速上升，導(dǎo)致摩阻大幅升高，最終致使管中質(zhì)量流量降低，形成惡性循環(huán)。（3）流量分配的變化取決于重位壓差和摩擦阻力在總壓降中的比例大小。當(dāng)重位壓差遠(yuǎn)小于摩擦阻力時(shí)，重位壓差對(duì)流量分配的有利影響（使受熱偏高管流量加大）無法抵消摩阻壓降對(duì)于流量分配的不良影響作用（使受熱偏高管流量反而減?。?，所以導(dǎo)致受熱偏高的管中流量減少；重位壓差遠(yuǎn)大于摩擦阻力時(shí)，則剛好相反，有利于水冷壁安全運(yùn)行。這兩種水動(dòng)力特性分別叫做負(fù)流量補(bǔ)償特性和正流量補(bǔ)償特性。以上理論分析的結(jié)果說明吸熱偏差對(duì)管組的流量分配具有雙重影響，最終結(jié)果要看誰更占優(yōu)勢[28]。3.1.2內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁水動(dòng)力特性分析由于本文要通過與內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁的比較來說明內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的優(yōu)勢以與不足，所以，我們接下來有必要對(duì)螺旋管圈的變壓運(yùn)行特性做出必要的定性分析。3.1.2.1螺旋管圈水冷壁管間熱偏差小在螺旋管圈水冷壁的盤旋上升過程中，每根管子都經(jīng)過爐膛四周，途經(jīng)寬度、深度方向上熱流密度分布不同的各個(gè)區(qū)域，所以每根管子的吸熱都是比較均勻的。因此，螺旋管圈水冷壁平行管組中的各個(gè)并聯(lián)管子，從整個(gè)長度來講，熱偏差較小，尤其當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化、燃燒工況改變時(shí)，因熱力不均產(chǎn)生的水冷壁熱偏差將會(huì)相對(duì)較小。3.1.2.2燃燒干擾能力強(qiáng)螺旋上升的爐膛水冷壁管組，其中每根管子都通過爐膛內(nèi)部不同的熱負(fù)荷區(qū)域，即使采用四角切圓的燃燒方式，而且火焰中心發(fā)生較大偏移時(shí)，仍能保證不同管子的吸熱偏差保持在較小的范圍內(nèi)，使各管出口溫度差值保持在一定范圍之內(nèi)。這與光管垂直管屏水冷壁相比，在抗燃燒干擾方面的能力要強(qiáng)很多。3.1.2.3水動(dòng)力穩(wěn)定性高從當(dāng)前超臨界鍋爐的運(yùn)行與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來講，螺旋管圈水冷壁可獲得相對(duì)較高的質(zhì)量流量。例如某電廠600MW級(jí)超臨界壓力直流鍋爐，采用螺旋管圈與垂直管屏相結(jié)合的水冷壁結(jié)構(gòu)，其鍋爐最低負(fù)荷工況下的質(zhì)量流量和最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）比采用純垂直管屏水冷壁的質(zhì)量流量高約40%。較高的質(zhì)量流量對(duì)降低管子進(jìn)口欠焓和消除脈動(dòng)有著明顯的作用，這對(duì)于保持水動(dòng)力的穩(wěn)定十分有利，并可有效地抑制類膜態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰等傳熱惡化現(xiàn)象的發(fā)生。另外，超臨界鍋爐在熱負(fù)荷最高的爐膛下輻射區(qū)采用內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)的螺旋管圈水冷壁，使傳熱系數(shù)大大提高，進(jìn)一步避免了管子超溫的可能，提高了水冷壁運(yùn)行的安全性[29]。螺旋管圈水冷壁在爐膛中的整體布置形勢如圖3-1所示：圖3-1螺旋管圈水冷壁布置圖其中的下輻射區(qū)螺旋管圈水冷壁向上輻射區(qū)垂直管屏水冷壁的過渡結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示：圖3-2上下輻射區(qū)水冷壁過渡形式布置圖3.2小結(jié)本章首先介紹了超臨界鍋爐水冷壁的兩種基本運(yùn)行方式，即定壓運(yùn)行和變壓運(yùn)行，之后對(duì)超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁在水動(dòng)力特性以與傳熱特性等方面做出了一定的討論，并參照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型公式，對(duì)其變壓運(yùn)行特性從理論上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆治?，得出了?nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁在變壓運(yùn)行方面的一些特點(diǎn)，并對(duì)正負(fù)流量補(bǔ)償特性做出了簡單的介紹，最后，本章還對(duì)螺旋管圈水冷壁的一些運(yùn)行特性做出了簡單的定性分析，以利于本論文以后通過與螺旋管圈水冷壁的對(duì)比來說明垂直管屏水冷壁特性等內(nèi)容的展開。下面本文將對(duì)水動(dòng)力計(jì)算所應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型做出必要的介紹。第四章超臨界鍋爐水動(dòng)力計(jì)算所應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型超臨界鍋爐水動(dòng)力特性研究的基礎(chǔ)是計(jì)算鍋爐受熱管壓降隨流量等參數(shù)的變化關(guān)系。水動(dòng)力特性指的是進(jìn)出口集箱間所連接管子兩端的壓降與流量等參數(shù)的關(guān)系，這個(gè)壓降包括了重位壓降以與流動(dòng)阻力壓降，其中的流動(dòng)阻力計(jì)算也就是確定工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)的沿程與局部阻力等，為給水泵揚(yáng)程的設(shè)計(jì)提供了必要的參考。因此，本章的主要內(nèi)容是管內(nèi)壓降的計(jì)算方法，包括了單相流和兩相流壓降的計(jì)算內(nèi)容。另外，我們將通過對(duì)部分公式和理論的理想化處理來簡化和方便我們的編程計(jì)算。為了順利完成水冷壁中工質(zhì)壓降的計(jì)算任務(wù)，下面我們先來介紹一下汽液兩相流的基礎(chǔ)知識(shí)[30][31]。4.1汽液兩相流簡介4.1.1汽液兩相流的定義與應(yīng)用兩種存在明顯分界面的物質(zhì)組成的物體稱之為兩相物體。由兩相物體形成的流動(dòng)稱為兩相流。汽液兩相流是眾多兩相流中的一種，它又可以分為單組分汽液兩相流和雙組分汽液兩相流。鍋爐水冷壁中的汽液兩相流屬于單組分汽液兩相流。汽液兩相流體的應(yīng)用十分廣泛，在化工、核能、冶金、石油、動(dòng)力等工業(yè)中都比較普遍。在這些工業(yè)中，具有熱交換設(shè)備的還存在兩相流傳熱的問題。以超臨界鍋爐為例，為了分析其安全性和經(jīng)濟(jì)性，評(píng)定其性能，我們需要計(jì)算很多內(nèi)容，它們包括：蒸發(fā)管的摩阻壓降、各個(gè)點(diǎn)的含汽率、傳熱惡化的發(fā)生點(diǎn)、相變開始點(diǎn)位置以與水冷壁壁溫等。正是因?yàn)閮上嗔鲬?yīng)用的廣泛性，它的發(fā)展受到世界各國研究者的高度重視并取得了許多令人矚目的研究成果[32-34]。4.1.2汽液兩相流的研究模型以超臨界鍋爐水冷壁為例，一般工況下水冷壁管子吸收爐內(nèi)燃料燃燒放出的熱量后，其內(nèi)部工質(zhì)會(huì)經(jīng)歷數(shù)個(gè)過程和狀態(tài)，它們按照變化順序依次包括：單相過冷水、飽和水、汽水混和物、單相微過熱蒸汽等。由于工質(zhì)狀態(tài)的改變，其流動(dòng)狀態(tài)和過程變得異常復(fù)雜，所以在適當(dāng)邊界條件下的理論流體力學(xué)基本方程等理論都失去了他們本來的意義，無法應(yīng)用于工程實(shí)踐[35][36]。因此，我們?yōu)榱私⒅绷麇仩t水冷壁內(nèi)工質(zhì)水動(dòng)力特性的計(jì)算模型，全面分析研究其流動(dòng)特性，一般簡單的將水冷壁蒸發(fā)段管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)分為單相流動(dòng)狀態(tài)和汽液雙相流動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)其流動(dòng)過程進(jìn)行理想的簡化處理，比如在一定范圍內(nèi)，假定受熱管段的熱負(fù)荷均勻分布，還有將管道內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)看作是一維流動(dòng)等[37]。目前汽液雙相流的簡化模型[38][39]主要有以下三種：（1）流動(dòng)式樣模型：這種模型較復(fù)雜，其研究仍處于初級(jí)階段。它首先根據(jù)試驗(yàn)確定幾種典型的流動(dòng)式樣和應(yīng)用范圍，再按照它們來確定所研究的兩相流體應(yīng)該采用哪一套對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型和數(shù)據(jù)。（2）分相流模型：在這種模型中將汽液兩相想象成兩股流體，一股為汽，一股為液體，而且分別具有自己的平均流速。當(dāng)汽相的平均流速與液相的相等時(shí)，分相模型就轉(zhuǎn)化成均相模型。分別對(duì)兩相進(jìn)行描述，并考慮兩相之間的相互作用。（3）均相流動(dòng)模型：所謂均相流動(dòng)模型，就是把汽液兩相混合物看作一種均勻介質(zhì)，其流動(dòng)物理參數(shù)取兩相介質(zhì)的相應(yīng)參數(shù)的平均值。在這里采取了兩個(gè)假定：液相和汽相的流速相等；兩相介質(zhì)已達(dá)到熱力學(xué)平衡。流動(dòng)式樣模型的結(jié)果比較精確，但形式過于復(fù)雜，且實(shí)際意義不是很大，所以，目前應(yīng)用最為廣泛的模型是均相流模型和分相流模型。最后，我們就是以上述流動(dòng)模型為基礎(chǔ)，導(dǎo)出相應(yīng)的流體壓降計(jì)算公式。兩相流體壓降計(jì)算的相關(guān)參考文獻(xiàn)很多，本文參考《電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法》進(jìn)行編程計(jì)算，單位均轉(zhuǎn)化為國際標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)量綱，以便分析。為了對(duì)水冷壁管內(nèi)的水動(dòng)力特性進(jìn)行編程計(jì)算分析，下面我們將對(duì)各種不同壓降的計(jì)算方法做出一定的介紹。4.2單相流體各種壓降的計(jì)算方法單相流體在管內(nèi)的總壓降可由下式表示：（4-1）式中——總壓降，;——單相流體的流動(dòng)阻力，；——單相流體的重位壓降，；——單相流體的加速壓降，4.2.1單相流體的加速壓降計(jì)算方法（4-2）式中——管段局部阻力壓降，；——管段出口處的質(zhì)量含汽率；——管段入口處的質(zhì)量含汽率；——對(duì)應(yīng)壓力下的飽和蒸汽比容，；——對(duì)應(yīng)壓力下的飽和水比容，。由于水在加熱時(shí)比容變化不大，壓力對(duì)比容的影響更是可以忽略不計(jì)，根據(jù)以上公式，項(xiàng)趨近于0，所以加速壓降可以忽略。對(duì)于過熱蒸汽，加熱時(shí)流速和比容雖然都有較大的變化，但因加速壓降比流動(dòng)阻力的絕對(duì)值小的多，故也可不計(jì)。總之，單相流體的加速壓降可不列入考慮范圍。4.2.2單相流體的摩阻壓降計(jì)算方法單相流體的總壓降是由摩擦阻力和局部阻力兩部分組成，具體公式如下式所示：（4-3）式中——流動(dòng)阻力壓降，；——摩擦阻力壓降，；——局部阻力壓降，。（1）單相流體的摩擦阻力計(jì)算模型如下所示：（4-4）（4-5）式中——每米管子的摩擦阻力系數(shù)；——管子內(nèi)徑，；——計(jì)算管長，；——重力加速度，；——工質(zhì)密度，；——計(jì)算管段內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速，；——工質(zhì)流速，；——工質(zhì)平均比容，；——管子絕對(duì)粗糙度，珠光體鋼：0.08；奧氏體鋼：0.01，。（2）單相流體的局部阻力計(jì)算模型如下所示：（4-6）式中——水冷壁局部阻力系數(shù)。（3）部分公式和理論的簡化在單相流體流動(dòng)阻力的計(jì)算中要涉與到單相水以與單相蒸汽的計(jì)算，在程序中應(yīng)用具體公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，我們可以根據(jù)管段受熱的實(shí)際工況或工質(zhì)熱物理性質(zhì)對(duì)所應(yīng)用公式作一定的簡化。例如，單相水在受熱過程中比體積變化不大，而且管段長度變化較小，所以單相水的摩擦阻力和局部阻力模型公式可以簡化到以下形式（4-7）（4-8）式中——循環(huán)水速流速，；——飽和水重度，。當(dāng)我們利用上述公式計(jì)算單相蒸汽時(shí)，因?yàn)楣べ|(zhì)比容非常大，而且隨著受熱增加會(huì)有一定的變化，所以在理論上應(yīng)該用到微積分的方法，但是在該壓降的實(shí)際計(jì)算中，因?yàn)闋t內(nèi)熱負(fù)荷非常高，熱流量很大，導(dǎo)致蒸汽段會(huì)非常短，所以單相蒸汽的摩擦阻力壓降和局部阻路阻力的公式可以簡化到以下形式（4-9）（4-10）式中——飽和蒸汽密度，。4.2.3單相流體的重位壓降計(jì)算方法（4-11）式中——管子重位壓降，；——管子的分段計(jì)算高度，；——管中工質(zhì)平均密度，。水冷壁中單相流體的重位壓降分為單相水和單相蒸汽兩種計(jì)算，因?yàn)閮蓚€(gè)單相狀態(tài)工質(zhì)管段長度都比較短，在我們的VB編程計(jì)算中工質(zhì)平均重度分別采用飽和單相水和飽和單相蒸汽在相應(yīng)壓力下對(duì)應(yīng)的飽和密度，即和。這樣單相流體的重位壓降公式模型可以簡化為以下形式：（4-12）（4-13）4.3兩相流體壓降的計(jì)算方法在亞臨界乃至超臨界壓力工況下，工質(zhì)在水冷壁管內(nèi)吸熱發(fā)生相變，首先工質(zhì)比容發(fā)生了巨大的變化，而在蒸發(fā)過程中溫度卻基本保持對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度不變，這樣的兩相流體就是我們的研究對(duì)象。而在超臨界工況下，因?yàn)樗浔诠軆?nèi)工作壓力非常大，有的甚至可以達(dá)到32MPa，在這樣高的壓力下，水與汽的密度基本相同，汽水之間沒有明顯邊界，相變過程消失，工質(zhì)溫度的是隨著吸熱量和入口溫度的增加而上升的?？傊覀冞@里討論的兩相流是只有在亞臨界工況下才會(huì)出現(xiàn)的[40]，其壓降的具體公式如下所示：（4-14）（4-15）式中——兩相流體的總壓降，；——兩相流體的局部阻力，；——兩相流體的加速壓降，；——兩相流體的流動(dòng)阻力，；——兩相流體的重位壓降，；——兩相流體的摩擦阻力，。4.3.1兩相流體的加速壓在水動(dòng)力計(jì)算中，和單相流體的道理相同，由于加速壓降在總壓降中所占的比例很小，所以一般忽略加速壓降。4.3.2兩相流體的摩阻壓降計(jì)算方法（1）兩相流體的摩擦阻力壓降計(jì)算公式如下所示：（4-16）（4-17）（4-18）式中——兩相流摩擦阻力校正系數(shù)；——質(zhì)量含汽率；——平均質(zhì)量含汽率；——汽化潛熱，；——管段出口蒸汽流量，；——管組質(zhì)量流量，；——對(duì)應(yīng)壓力下的飽和水焓，。不同工況下的汽水混合物摩擦壓降校正系數(shù)可按以下公式分別計(jì)算得到：1）當(dāng)時(shí)；2）當(dāng)時(shí)（4-19）3）當(dāng)時(shí)（4-20）（2）兩相流體的局部阻力壓降計(jì)算模型如下所示：（4-21）——水冷壁管中兩相流體的局部阻力系數(shù)，可在電站水動(dòng)力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中查得4.3.3兩相流體的重位壓降計(jì)算方法（4-22）（4-23）（4-24）（4-25）（4-26）式中——水冷壁管中兩相流體的重位壓降，；——水冷壁管內(nèi)汽水混合物的平均重度，；——水冷壁管內(nèi)平均截面含汽率；——水冷壁管內(nèi)平均容積含汽率；——水冷壁管內(nèi)工作壓力，；——滑動(dòng)比：表示管內(nèi)汽相速度和水相速度之比。4.4亞臨界壓力下工質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)位置確定的重要性由于在鍋爐水冷壁中單相流和兩相流的壓降，無論是從計(jì)算公式還是從最后的計(jì)算結(jié)果來看都有著很大的差別，而且在直流鍋爐的蒸發(fā)受熱面中，兩相蒸發(fā)區(qū)與前后的單相區(qū)之間并無明顯的分界面，兩相蒸發(fā)段長度會(huì)隨工況的變化而變化。因此，要對(duì)鍋爐水冷壁進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，必須處理好相變開始點(diǎn)的變化問題[41]。為簡化計(jì)算，我們將整個(gè)爐膛沿高度方向分為幾個(gè)區(qū)段，假設(shè)在一定負(fù)荷下，管段沿管長在一定區(qū)段范圍內(nèi)吸熱量均勻一致，根據(jù)能量守恒定律，可以得出以下關(guān)系：（4-27）（4-28）式中——單位長度管段單位時(shí)間吸熱量，；——管段入口到相變點(diǎn)管長，；——相變點(diǎn)焓值，；——管段入口焓值，；——管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量，。4.5小結(jié)本章對(duì)超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管水冷壁水動(dòng)力特性的研究基礎(chǔ)做出了比較詳細(xì)的說明，對(duì)各種壓降的計(jì)算模型進(jìn)行了詳盡的介紹，為超臨界鍋爐水冷壁水動(dòng)力特性的編程計(jì)算和研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。下面我們將進(jìn)入本論文的核心內(nèi)容——超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的水動(dòng)力特性研究，并通過與螺旋管圈水冷壁的對(duì)比分析，突出說明垂直管屏水冷壁的各種優(yōu)勢以與不足。第五章超超臨界鍋爐水冷壁水動(dòng)力特性的定量計(jì)算與對(duì)比分析超臨界技術(shù)作為循環(huán)流化床（CFB）[42]、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC—CC)[43]等潔凈煤技術(shù)中最有前途的一員，對(duì)作為它的主要部件之一的內(nèi)螺紋管垂直水冷壁的研究將是我們必不可少的課題，在論文的上述內(nèi)容中，我們在理論上分析了內(nèi)螺紋管螺旋管圈和垂直管屏水冷壁各自的優(yōu)缺點(diǎn)以與實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行的可行性，并且介紹了水冷壁管內(nèi)壓降的計(jì)算模型。在這章的內(nèi)容中，我們將主要建立程序流程圖并借助壓降計(jì)算模型以進(jìn)行編程計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究。我們首先具體介紹一下研究的物理對(duì)象：玉環(huán)電廠和鄒縣電廠1000MW鍋爐水冷壁，前者是垂直管屏水冷壁，后者是螺旋管圈水冷壁，研究部分主要是下輻射區(qū)水冷壁。5.1水動(dòng)力特性計(jì)算模型的建立玉環(huán)和鄒縣兩個(gè)電廠水冷壁的具體型式我們已經(jīng)在第二章中做了比較詳細(xì)的介紹，下面我們給出兩個(gè)電廠水冷壁的水動(dòng)力特性計(jì)算所需要的原始數(shù)據(jù)，如下表所示[44]：表5-1玉環(huán)電廠下輻射區(qū)水冷壁原始數(shù)據(jù)管子內(nèi)徑0.017m下聯(lián)箱阻力系數(shù)0.8內(nèi)螺紋管段長度31.5m中間聯(lián)箱阻力系數(shù)1.2管子根數(shù)2144水冷壁熱有效系數(shù)0.4入口質(zhì)量含汽率0滿負(fù)荷時(shí)熱流量（工質(zhì)側(cè)）132kW/m2管子壁厚0.0065m內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)四頭管距0.0445m滿負(fù)荷時(shí)流量2980t/h滿負(fù)荷進(jìn)口壓力29.17MPa滿負(fù)荷進(jìn)口溫度325℃表5-2鄒縣電廠下輻射區(qū)水冷壁原始數(shù)據(jù)管子內(nèi)徑0.0下聯(lián)箱阻力系數(shù)1.2下輻射區(qū)高度35.7m水冷壁型式膜式壁管子根數(shù)778水冷壁熱有效系數(shù)0.6入口質(zhì)量含汽率0滿負(fù)荷時(shí)熱流量（工質(zhì)側(cè)）128kW/m2管子壁厚0.00內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)六頭管距0.0滿負(fù)荷時(shí)流量3001t/h滿負(fù)荷進(jìn)口壓力29.2MPa滿負(fù)荷進(jìn)口溫度331.75我們建立該模型就是為了找到壓降隨流量的變化關(guān)系、壓降隨熱偏差的變化關(guān)系以與入口欠焓對(duì)下輻射區(qū)出口溫度和水動(dòng)力特性的影響，本文為了確定他們之間的具體關(guān)系以與各種影響，通過VB編出不同的計(jì)算模型予以程序計(jì)算，分別得出在相應(yīng)的熱流密度、入口流量條件下管內(nèi)工質(zhì)的壓降、下輻射區(qū)出口溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，并且做出他們之間的關(guān)系曲線。分析管內(nèi)工質(zhì)壓降隨熱流密度的變化趨勢、下輻射區(qū)出口溫度隨負(fù)荷以與入口欠焓的變化趨勢等，并通過對(duì)玉環(huán)電廠和鄒縣電廠鍋爐水冷壁數(shù)據(jù)和曲線的對(duì)比分析，重點(diǎn)介紹玉環(huán)電廠垂直管屏水冷壁的水動(dòng)力特性。為了使我們的程序在保證精度的前提下得到盡可能的簡化，在編制它之前先對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行一些合理的假設(shè)，具體內(nèi)容如下所示[45]：（1）由于隨著鍋爐運(yùn)行水冷壁污染系數(shù)一定會(huì)在某一范圍內(nèi)變化，為使計(jì)算數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)擬合良好，取水冷壁污染系數(shù)為0.435，而不是參考值0.45。（2）由于各段分段管長度都不大，對(duì)分段管兩端的平均比容采用線性內(nèi)插法求得。（3）對(duì)于單相工質(zhì)壓降的計(jì)算，如果是水則密度受壓強(qiáng)變化影響較小，如果是汽則管段很短其密度的變化依然可以忽略，所以假定密度為定值。（5）在超臨界直流工況的計(jì)算中，由于工質(zhì)的熱物理特性，認(rèn)為水冷壁內(nèi)工質(zhì)是密度等物性不斷變化的單相流體，可以采用單相流體壓降計(jì)算模型予以確定。（6）為了簡化吸熱量計(jì)算和相變位置的確定，假設(shè)在一定負(fù)荷下，各個(gè)分段管沿管長吸熱量均勻一致。為了對(duì)兩種鍋爐水冷壁流動(dòng)特性做出對(duì)比，我們可以先對(duì)他們進(jìn)行分別計(jì)算，通過上表給出的原始數(shù)據(jù)與假定的初始管段壓降還有對(duì)于模型的簡化假設(shè)，可以將計(jì)算程序分為兩部分，即亞臨界直流工況計(jì)算程序和超臨界直流工況計(jì)算程序。超臨界直流工況的計(jì)算，我們認(rèn)為工質(zhì)是單相的，所以比較簡單，而對(duì)于亞臨界直流工況的計(jì)算，因?yàn)樯媾c到兩相流，所以比較復(fù)雜。計(jì)算程序的設(shè)計(jì)主要是參考電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法。編程使用的語言是VisualBasic6.0，它是面向?qū)ο蟮目梢暬?、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語言。VisualBasic6.0具有很多其它語言無法取代的優(yōu)點(diǎn)：它是一種編譯語言，運(yùn)行速度快；具有高級(jí)語言易讀，易寫的優(yōu)點(diǎn)；該語言歷史悠久，許多經(jīng)典的程序都是由它編成的，方便學(xué)習(xí)者借鑒。所以，VisualBasic6.0非常滿足該程序的計(jì)算[46][47]。下面是本文作者利用VisualBasic6.0軟件編制的水動(dòng)力特性計(jì)算程序流程圖，如圖5-1～5-3。圖5-1計(jì)算單相與兩相長度子程序流程圖圖5-2亞臨界直流工況程序流程圖圖5-3超臨界直流工況程序流程圖圖5-1中各個(gè)符號(hào)的代表意義如下：（1）——分別代表光管單位質(zhì)量工質(zhì)焓增、飽和水焓、飽和蒸汽焓、水冷壁出口焓；（2）——分別代表光管單相水工質(zhì)段長度、光管兩相工質(zhì)段長度、內(nèi)螺紋管單相水工質(zhì)段長度、內(nèi)螺紋管兩相工質(zhì)段長度和內(nèi)螺紋管單相蒸汽段長度；下面我們將進(jìn)入本論文的核心部分——根據(jù)以上模型通過VB編程，進(jìn)行兩種不同型式鍋爐水冷壁（以下輻射區(qū)為研究對(duì)象）水動(dòng)力特性的計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)說明垂直管屏水冷壁的水動(dòng)力特性。5.2各種類型水冷壁計(jì)算結(jié)果與分析5.2.1玉環(huán)電廠超臨界鍋爐垂直管屏水冷壁的水動(dòng)力特性分析5.2.1.1玉環(huán)電廠超臨界直流鍋爐水冷壁已知數(shù)據(jù)與其部分計(jì)算參數(shù)詳見表5-3[48]：表5-3玉環(huán)電廠鍋爐水冷壁初始參數(shù)質(zhì)量流速（t/h）熱負(fù)荷（kW/m2）入口壓力（MPa）入口溫度（℃）入口焓（kJ/kg）管子內(nèi)徑（mm）下輻射區(qū)水冷壁長度（m）管子根數(shù)298013229.1732514621737.121442235116.727.330613601737.121441953105.525.4229713151737.12144147593.619.5428412521737.1214488578.212.3826611631737.121445.2.1.2質(zhì)量流量對(duì)垂直管屏水冷壁水動(dòng)力特性的影響數(shù)據(jù)我們利用論文中的上述計(jì)算模型，通過VB編寫程序計(jì)算，得到亞臨界壓力與超臨界壓力兩種不同工況下的質(zhì)量流量—壓降，入口欠焓—下輻射區(qū)出口溫度，壓降—熱偏差以與下輻射區(qū)出口溫度—熱偏差等各種關(guān)系對(duì)應(yīng)值和關(guān)系曲線，如以下各個(gè)圖表所示：表5-4玉環(huán)電廠鍋爐水冷壁質(zhì)量流量對(duì)各種壓降的影響水冷壁質(zhì)量流量（t/h）流動(dòng)阻力（MPa）重位壓降（MPa）總壓降（MPa）29800.6943630.2136660.89802922350.3796860.2100370.58972319530.28180.2055740.49737414750.0981860.1805140.27878850.0632660.1300880.193354分析表中數(shù)據(jù)以與曲線我們可以得到以下結(jié)論：（1）從圖中的總的趨勢來看無論是摩阻壓降還是重位壓降，都隨著鍋爐負(fù)荷的提高而有所上升，其中重位壓降的上升幅度較小較緩，這是由于在設(shè)計(jì)工況下，工質(zhì)的比容隨著鍋爐負(fù)荷的上升并沒有太大的改變，工質(zhì)比容受壓力和溫度的影響，它隨著壓力的下降和溫度的提高而變大，在此種工況下由于垂直管屏水冷壁壓降較小它顯然受溫度變化的影響稍大，因此略有提高，而摩阻壓降受鍋爐負(fù)荷的影響明顯的比重位壓降要大的多，這是由于作為摩阻壓降主要影響因素的質(zhì)量流量隨著鍋爐負(fù)荷的上升成比例的增加所致，從而導(dǎo)致鍋爐水冷壁總壓降隨質(zhì)量流量的增加而上升，所以給水泵功耗要隨負(fù)荷的上升相應(yīng)的提高。（2）從圖中曲線可以明顯看出在流量接近1800t/h時(shí)（即60%負(fù)荷左右）重位壓降還是占主導(dǎo)地位，在這種情況下，吸熱偏差引起的流量分配取決于靜壓降（即重位壓降），受熱偏高的管子工質(zhì)密度小，重位壓降也比較小，因此受熱偏高的管子與受熱偏低的管子之間就會(huì)形成自然循環(huán)，受熱偏高管中就會(huì)流過較高的流量，所以，圖5-4玉環(huán)水冷壁的質(zhì)量流量對(duì)壓降的影響關(guān)系曲線在總流量不變的情況下由于吸熱偏多而引起的出口溫度偏高現(xiàn)象大部分會(huì)得到補(bǔ)償。這種類似汽包鍋爐水冷壁中的流量分配特性叫做正流量補(bǔ)償特性。而在流量大于1800t/h的時(shí)候，由于產(chǎn)生的摩阻過大，重位壓降的流量補(bǔ)償作用再也抵消不了摩阻壓降對(duì)工質(zhì)流動(dòng)的阻礙作用，從而使受熱偏高管中的流量逐漸減小，最終會(huì)使出口溫度的升高加據(jù)，我們把水冷壁的這種流動(dòng)特性稱之為負(fù)流量補(bǔ)償特性。5.2.1.3入口欠焓對(duì)垂直管屏水冷壁水動(dòng)力特性的影響數(shù)據(jù)與曲線分析表5-5玉環(huán)100%BMCR工況下入口欠焓對(duì)水冷壁壓降以與下輻射區(qū)出口溫度的影響入口欠焓偏差水冷壁入口溫度（℃）流動(dòng)阻力（MPa）重位壓降（MPa）水冷壁壓降（MPa）下輻射區(qū)出口溫度（℃）20%2600.5251030.2624990.787603385.815%276.30.5545680.2496540.804222392.210%292.50.5908400.2356850.826525396.803250.6943640.2036670.898030402.3-10%357.50.8782660.1644191.042685406.1-15%373.81.0473410.1396611.187002410.3-20%3901.3757780.1070711.482848424.8表5-6玉環(huán)50%BMCR工況下入口欠焓對(duì)水冷壁壓降以與下輻射區(qū)出口溫度的影響水冷壁入口欠焓水冷壁入口溫度（℃）入口欠焓（kJ/kg）流動(dòng)阻力（MPa）重位壓降（MPa）水冷壁壓降（MPa）下輻射區(qū)出口溫度（℃）20%261.4662.40.0965750.1840810.280655362.7515%267.2634.80.0975660.1795250.277091362.7710%272.9607.20.0985000.1749200.273420362.7802845520.1001640.1655600.265724362.81-10%294.7496.80.0992720.1575040.256776363.71-15%299.9469.20.0977200.1539780.251698364.74-20%305441.60.0961860.1503140.246500365.95表5-7玉環(huán)30%BMCR工況下入口欠焓對(duì)水冷壁壓降以與下輻射區(qū)出口溫度的影響水冷壁入口欠焓水冷壁入口溫度（℃）入口欠焓（kJ/kg）流動(dòng)阻力（MPa）重位壓降（MPa）水冷壁壓降（MPa）下輻射區(qū)出口溫度（℃）20%251.7412.80.0614280.1431040.204532330.1315%255.3395.60.0619460.1398550.201801330.1410%258.8378.40.0624210.1366770.199098330.2702663440.0632660.1300890.193355330.31-10%272.8309.60.0639570.1237880.187745330.34-15%276.2292.40.0642610.1206060.184867330.36-20%279.6275.20.0645350.1174000.181936330.38圖5-5玉環(huán)100%BMCR超臨界工況下入口欠焓對(duì)水冷壁壓降等參數(shù)的影響關(guān)系曲線圖5-6玉環(huán)50%BMCR亞臨界工況下入口欠焓對(duì)水冷壁壓降等參數(shù)的影響關(guān)系曲線圖5-7玉環(huán)30%BMCR亞臨界工況下入口欠焓對(duì)水冷壁壓降等參數(shù)的影響關(guān)系曲線分析以上三表數(shù)據(jù)以與曲線我們可以得到以下結(jié)論：（1）由于超臨界壓力下不存在相變，所以水冷壁中不再有入口欠焓的概念，我們在討論超臨界工況下入口欠焓對(duì)水動(dòng)力特性的影響時(shí)，以入口溫度代為討論。由表中數(shù)據(jù)和圖中曲線我們可以看出玉環(huán)電廠水冷壁在超臨界壓力下的總壓降隨著入口欠焓的減少（用入口溫度的上升表示）而提高，但是當(dāng)鍋爐負(fù)荷下降到亞臨界工況時(shí)水冷壁的總壓降就會(huì)變成隨著入口溫度的升高而降低。這是因?yàn)樵诔R界工況下，水冷壁中的摩阻壓降在總壓降中占主要地位，而作為磨阻壓降中主要影響因素的“工質(zhì)質(zhì)量流速”是隨著入口溫度的上升而不斷提高的，這是由于影響“工質(zhì)質(zhì)量流速”的“工質(zhì)比容”是隨著入口溫度的上升而不斷變大的，所以摩阻壓降隨著入口溫度的上升而不斷增大，因此總壓降也隨著入口溫度的上升呈升高趨勢，而這種在超臨界壓力下的摩阻壓降升高會(huì)對(duì)水動(dòng)力特性產(chǎn)生一定的不利影響；在亞臨界壓力工況時(shí)，摩阻壓降的影響退居次席，總壓降變化由重位壓降決定，而由于隨著入口溫度的上升使工質(zhì)比容不斷提高，密度不斷減小，重位壓降也就隨之不斷降低，所以總壓降的變化呈下降趨勢。同時(shí)，由圖中斜率我們可以明顯看到，超臨界壓力下總壓降大約的變化范圍是0.7MPa，而在兩種亞臨界壓力工況時(shí)，他們的變化范圍一般不超過0.1MPa，這說明隨著壓力的提高，壓降隨入口欠焓的變化越來越敏感，也就是說，超臨界壓力下水冷壁的水動(dòng)力特性更易受到入口欠焓的影響，為了保證鍋爐安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)此我們要特別注意。（2）由表中數(shù)據(jù)和圖中曲線我們還可以看到在100%負(fù)荷的超臨界壓力下，流動(dòng)阻力壓降明顯大于重位壓降，水冷壁的水動(dòng)力特性屬于直流特性范疇（即負(fù)流量補(bǔ)償特性），而在50%以與70%負(fù)荷范圍內(nèi)，流動(dòng)阻力壓降明顯小于重位壓降，水冷壁水動(dòng)力特性為自然流量補(bǔ)償特性（即正流量補(bǔ)償特性），這種工況下，一旦有熱偏差的出現(xiàn)這種水動(dòng)力特性會(huì)對(duì)出口工質(zhì)溫度偏差產(chǎn)生一定程度的補(bǔ)償作用，反之，如果在負(fù)流量補(bǔ)償作用的工況下，則會(huì)加重?zé)崞町a(chǎn)生的不利因素。由圖中曲線變化趨勢我們還可以看出，重位壓降是隨著入口欠焓的減小而不斷下降，而摩阻壓降是隨入口欠焓的下降而不斷上升的，并且在超臨界壓力下這種影響較為嚴(yán)重，由此可見，入口欠焓的下降使正流量補(bǔ)償總用不斷減弱負(fù)流量補(bǔ)償作用不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致水冷壁的水動(dòng)力特性向著不斷惡化的方向發(fā)展，并且這種趨勢隨著負(fù)荷的上升而不斷加劇，由此可見入口欠焓適當(dāng)控制的重要性[49]。（3）由表中數(shù)據(jù)與其圖中曲線我們還可以看出，30%負(fù)荷工況下的下輻射區(qū)出口溫度受水冷壁入口欠焓的影響程度非常之小，幾乎可以忽略不計(jì)，這是由于在亞臨界壓力下，工質(zhì)溫度的決定因素只有壓力，而壓力隨著入口欠焓的變化并沒有太大改變，因此導(dǎo)致下輻射區(qū)出口溫度的基本不變，但是隨著負(fù)荷的不斷上升，尤其是到達(dá)超臨界壓力以上，下輻射區(qū)出口溫度隨入口欠焓的變化呈直線上升趨勢，以100%負(fù)荷為例，20%的入口溫度變化范圍（由于在超臨界工況下不存在相變，入口欠焓的概念失去意義，在此僅以入口溫度的變化表示欠焓的變化），就導(dǎo)致了下輻射區(qū)出口溫度十幾攝氏度的溫升，這是由于在超臨界壓力范圍內(nèi)，工質(zhì)溫度是由吸熱量以與水冷壁入口溫度來決定的，因此入口溫度的上升必然導(dǎo)致下輻射區(qū)出口溫度的相應(yīng)變化。我們知道，尤其是在超臨界壓力下，下輻射區(qū)水冷壁的出口溫度相當(dāng)接近于對(duì)應(yīng)壓力下的擬臨界溫度，往往很小的溫升就會(huì)使工質(zhì)進(jìn)入大比熱容區(qū)域，導(dǎo)致其比體積，比熱容，溫導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)的急劇變化，從而導(dǎo)致水動(dòng)力不穩(wěn)定情況的發(fā)生，從而可以看出為了保證水冷壁安全穩(wěn)定的運(yùn)行，在超臨界壓力運(yùn)行狀況下控制入口欠焓的重要性。5.2.1.4熱偏差對(duì)垂直管屏水冷壁水動(dòng)力特性的影響數(shù)據(jù)與曲線分析表5-8玉環(huán)100%BMCR工況下熱偏差對(duì)水冷壁壓降以與下輻射區(qū)出口溫度的影響熱偏差熱負(fù)荷（kW/m2）流動(dòng)阻力（MPa）重位壓降（MPa）總壓降（MPa）下輻射區(qū)出口溫度（℃）30%171.60.8204320.1806201.001052409.320%158.40.7731480.1881920.96134407.110%145.20.7313990.1958830.927282404.601320.6943630.2036660.898029402.3-10%118.80.6613580.2115200.872878398-20%105.60.6317380.2194430.851181395-30%92.40.6054850.2273160.832801391.2表5-9玉環(huán)50%BMCR工況下熱偏差對(duì)水冷壁壓降以與下輻射區(qū)出口溫度的影響熱偏差熱負(fù)荷（kW/m2）流動(dòng)阻力（MPa）重位壓降（MPa）總壓降（MPa）下輻射區(qū)出口溫度（℃）30%121.680.0928540.1572910.250145367.320%112.320.0991880.1623240.261512363.310%102.960.0996880.1707960.270484362.8093.60.0981860.1805140.2787362.8-10%84.240.0959050.1907380.286643362.6-20%74.880.0929160.2014620.294378362.5-30%65.520.0908830.2137380.304621362.5圖5-8玉環(huán)100%BMCR超臨界工況下熱偏差對(duì)水冷壁壓降等參數(shù)的影響關(guān)系曲線圖5-9玉環(huán)50%BMCR亞臨界工況下熱偏差對(duì)水冷壁壓降等參數(shù)的影響關(guān)系曲線分析以上兩表數(shù)據(jù)以與曲線我們可以得到以下結(jié)論：（1）在兩種工況條件下，隨著熱偏差的增大，超臨界壓力工況下的水冷壁總壓降是不斷上升的，而亞臨界壓力工況下的水冷壁總壓降卻是呈不斷下降的趨勢。這是由于在平行布置的垂直管組中，假設(shè)在沒有熱偏差的情況下各跟管子兩端的壓降相等，當(dāng)偏差管的吸熱量有變化時(shí)，例如吸熱量增加，將會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)工質(zhì)比容增大，流速變快，密度下降，從而使管內(nèi)重位壓降降低，而流動(dòng)阻力會(huì)由于質(zhì)量流速的提高而增大。在超臨界壓力的高質(zhì)量流速條件下，流動(dòng)阻力在總壓降中所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重位壓降，此時(shí)受熱偏高的管子，流動(dòng)阻力增加的量遠(yuǎn)大于重位壓降減小的量，所以總壓降是增加的，管子會(huì)流過較小的流量。這說明在這種超臨界壓力條件下，水冷壁內(nèi)工質(zhì)呈現(xiàn)負(fù)流量補(bǔ)償特性；而在亞臨界的低質(zhì)量流速的條件下，流動(dòng)阻力由于質(zhì)量流速的下降而遠(yuǎn)小于重位壓降，在總壓降中所占比例也相應(yīng)下降，此時(shí)受熱偏高的管子中流動(dòng)阻力增加的量遠(yuǎn)小于重位壓降減小的量，所以總壓降是減小的，管中會(huì)由于自然循環(huán)流量補(bǔ)償特性而流過較大的流量，這說明在這種亞臨界壓力條件下，水冷壁內(nèi)工質(zhì)呈現(xiàn)正的流量補(bǔ)償特性，利用該種正流量補(bǔ)償特性，可有效降低水冷壁的管壁溫度，所以我們要盡可能的利用可利用的手段和方法使水冷壁的流動(dòng)特性處在正流量補(bǔ)償特性的范圍，以保證鍋爐與其水冷壁安全穩(wěn)定的運(yùn)行。（2）無論在超臨界壓力下還是在亞臨界壓力下，下輻射區(qū)的出口溫度都是隨著熱偏差的上升而上升的，但是從表中數(shù)據(jù)和曲線的斜率可以看出，在超臨界壓力下明顯上升較快，同樣是60%熱偏差的跨度范圍，超臨界壓力下的溫度上升了十幾度，而在亞臨界壓力下僅僅上升了不到5℃而已，這是由于在亞臨界壓力范圍內(nèi)，工質(zhì)溫度是由工作壓力來決定的，而工作壓力并沒有隨著熱偏差的改變而產(chǎn)生較大的變化，所以下輻射區(qū)出口溫度并沒有隨熱偏差的變化而出現(xiàn)太大的波動(dòng)；而在超臨界壓力下，根據(jù)工質(zhì)的熱物理特性來講，工質(zhì)溫度取決于工質(zhì)的吸熱量，在這種情況下，由于熱偏差的改變必然引起吸熱量的變化，所以導(dǎo)致了工質(zhì)溫度在超臨界壓力下隨著熱偏差變化的較大波動(dòng)，而且我們知道，在超臨界壓力工況下，下輻射區(qū)水冷壁出口溫度處于對(duì)應(yīng)壓力下的大比熱容區(qū)域附近，溫度的稍有波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致水動(dòng)力的不穩(wěn)定性，所以控制好超臨界壓力下的熱偏差是保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，亞臨界壓力雖然不存在大比熱容區(qū)域，受熱偏差的影響也不像超臨界壓力工況那么嚴(yán)重，但是熱偏差的影響同樣不容忽視，由表中數(shù)據(jù)我們可以看出，亞臨界壓力下依然存在將近5℃的溫度變化，這依然對(duì)于水動(dòng)力特性有著很不利的影響，5.2.25.2.2.1鄒縣鍋爐已知參數(shù)鄒縣電廠超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁已知數(shù)據(jù)與其部分計(jì)算參數(shù)詳見表5-10[50]：表5-10鄒縣電廠鍋爐水冷壁初始參數(shù)質(zhì)量流速（t/h）初始溫度（℃）初始?jí)毫Γ∕Pa）熱負(fù)荷（kW/m2）下輻射區(qū)水冷壁高度（m）管子根數(shù)90026811.280.135.77781500273.516.395.335.77782100306.922.4102.535.77782400312.927.3114.135.77783001331.829.212835.77785.2.2.2質(zhì)量流量對(duì)螺旋管圈水冷壁水動(dòng)力特性的影響數(shù)據(jù)與曲線分析表5-11鄒縣電廠鍋爐水冷壁質(zhì)量流量對(duì)各種壓降的影響水冷壁質(zhì)量流量（t/h）流動(dòng)阻力（MPa）重位壓降（MPa）總壓降（MPa）30011.1879970.1970301.37302724000.7202130.1946400.91485321000.5310450.1371360.66818115000.1792210.1275820.306803900