（化工过程机械专业论文）锅炉管壁金属温度计算和软件开发.pdf

摘要 换热部件中超温爆管现象是锅炉运行中最常见的事故之一。随着锅炉容量的 日益增大，锅炉的结构更趋复杂，锅炉中超温爆管事故也不断增加。壁温计算即 通过迭代求解锅炉高温区部件中关键位置处的管壁金属温度，以保证锅炉部件的 安全，从而为确定部件的制造材料提供基础数据。 本文在浙江大学化工机械研究所与无锡华光锅炉集团的合作项目“锅炉设计 计算集成系统开发”的研究工作的基础上，根据锅炉设计安全校核的需求，针对 国内锅炉厂用户使用的习惯，开发了一套针对各类型锅炉都适用的壁温计算子系 统。本文的主要研究内容如下： 总结了国内锅炉行业集成系统开发的现状，分析了锅炉管壁温度因为流量分 配和热力分配造成超温爆管现象的原因。归纳了壁温计算的算法原理：经验 算法、数值计算算法，并对算法进行了扩充和总结。给出了壁温计算子系统 开发的物理模型。 采用面向对象技术对工程信息图形化标注系统进行需求分析，使用统一建模 语言u m l 给出系统的软件模型。根据系统实际功能的需要，将其分为“总 控包”、“计算包”、“计算结果处理包”三个主要功能模块。 ：分析壁温计算子系统内部各数据结构之间的关系，将系统内部数据分为“计 算点类对象”、“算法类对象”、“部件类对象”三种类型，并使用集合类 的方式分别对其进行管理，同时给出管理行为的具体算法。 使用了大量的迭代算法完成了壁温计算校核过程；运用o l e 技术实现了壁 温计算工程计算书的输出；以m f c 库中c d c 类为基类，实现了结果曲线绘 制功能；使用多种软件界面技术实现系统的各种人机交互。 牵建立了系统与锅炉设计计算集成系统之间的集成，共同完成整个锅炉设计工 作。实现了各子系统间的数据交换，函数共享。该系统已经在国内几家大型 锅炉厂使用，进行了大量的实例运算，验证了系统的准确性。 关键词：锅炉设计计算? 壁温计算，工程集成软件，面向对象。 a b s t r c t w i t ht h ei n c r e a s ec a p a b i l i t ya n dc o m p l e xs t r u c t u r eo fb o i l e r ，t h ef r e q u e n c yo ft u b e e x p l o s i o no fh e a te x c h a n g ec o m p o n e n t si ns u p e rh i g ht e m p e r a t u r ec i r c u m s t a n c e g r o w sd r a m a t i c a l l y , a n db e c o m e so n eo ft h em o s tf r e q u e n t l yh a p p e n e da c c i d e n t s t e m p e r a t u r eo f t u b ew a l l ，t h r o u g hi t e r a t i v ec a l c u l a t i o no f t u b ew a l lt e m p e r a t u r e i nt h e k e yl o c a t i o no fh i 曲t e m p e r a t u r ea r e ao ft h eb o i l e r , i sc o m p u t e dt og u a r a n t e et h e s a f e t yo f b o i l e rc o m p o n e n t sa n dp r o v i d eb a s i cd a t at oc h o o s et h er a wm a t e r i a lo f t h e s e c o m p o n e n t s b a s e do nt h ec o o p e r a t i v ep r o j e c tb e t w e e nt h ei n s t i t u t eo fp r o c e s se q u i p m e n ta n d c o n t r o le n g i n e e r i n gi nz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n dw u x ih u a g u a n gb o i l e rc o ，l t d ， b o i l e re n g i n e e r i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h es y s t e mo f t u b ew a l lt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o n t h i ss y s t e mu s e dt om a k es u r et h eb o i l e r st u b e w a l lt e m p e r a t u r ei n s a f ed u r i n gt h eb o i l e rr u n n i n g t h em a i nc o n t e n to ft h e d i s s e r t a t i o ni sp r e s e n ta sf o l l o w s ： s u m m a r i z e dt h ep r e s e n ti n t e g r a t i o ns o f t w a r ee x p l o r et e c h n o l o g ys t a t u si nc h i n & a n a l y z e dt h er e a s o n sc a u s et u b ew a l lt e m p e r a t u r ee x c e e d ，w h i c hi st h ef l u x d i s t r i b u t ea s y m m e t r ya n dt h et h e r m a ld i s t r i b u t ea s y m m e t r y p r e s e n t e dt h e p h y s i c a lm o d e lo f t u b e w a l ls y s t e m ，u s i n gt h em e t h o d so f e x p e r i e n c ea r i t h m e t i c a n dh u m e r i c a la r i t h m e t i c u s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g yt oa n a l y z et h er e q u i r e m e n to fe n g i n e e r i n g i n f o r m a t i o ng r a p h i cm a r k i n gs y s t e m ，i n t r o d u c i n gu m f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e t od e s c r i b et h es y s t e mm o d e l a c c o r d i n gt h es y s t e mf u n c t i o n sr e q u i r e m e n t ， d e c o m p o s i n gt h em o d e lt ot h r e em a i nm o d u l e s ：m a i nc o m m a n dp a c k a g e ”， c a l c u l a t i o np a c k a g e ”“c a l c u l a t i o nr e s u l t st r e a t m e n tp a c k a g e ” 枣 a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es y s t e mm e m b e rd a t a , d i s i n t e g r a t i n ga l lt h e d a t at ot h l _ e et y p e s ：“c a l c u l a t i o np o i n tc l a s so b j e c t ”，“c a l c u l a t i o nm e t h o d sc l a s s o b j e c t ， p a r t so b j e c t a f t e rt h 乩b u i l d i n gt h ea c t u a la g g r e g a t i o nc l a s s e st o m a n a g e t h e s em e m b e rd a t a , t h e n , p m v i d i n gt h ec o n c r e t e a l g o r i t h m o f m a n a g e m e n tb e h a v i o ro fa na g g r e g a t i o nc l a s s i i 串u s e dl o t so fi t e r a t i v ea r i t h m e t i c 幻c o m p l e t et u b ew a l lt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o n u s e dt h eo l et e c h n o l o g yt og e n e r a t ee n g i n e e r i n gc o m p u t i n gr e s u l t sl i s t u s e d c l a s sc d co fm f cl i b r a r ya sab a s ec l a s st or e a l i z er e s u l t sc u r v ep l o t a tt h e s a m et i m e ，w i t ht h e h e l p o f s o f t w a r ei n t e r f a c e t e c h n o l o g i e s ，r e a l i z i n g h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n so f t h es y s t e m b u i l d i n g t h e i n t e g r a t i o n b e t w e e nt h e s y s t e ma n dt h eb o i l e re n g i n e e r i n g s i m u l a t i o n s y s t e m t o c o m p l e t e b o i l e r d e s i g na s s i g n m e n tt o g e t h e r e a c h s u b s y s t e m i nt h i si n t e g r a t i o ns y s t e mc a ns h a r et h ed a t aa n df u n c t i o n t h i ss y s t e m h a sb e e nu s e di ns e v e r a lb o i l e rf a c t o r i e s w i t l ll a r g ei n s t a n c e st e s t e d s y s t e m p r o v e dv e r a c i t y k e y w o r d s b o i l e rd e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，t u b ew a l lt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o n ， e n g i n e e r i n gi n t e g r a t i o ns o t t w a r e , o b j e c t - o r i e n t e d i 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 1 1 1 中国锅炉行业现状 锅炉是国民经济中供应蒸汽和热水、实现能量形式和载体变换的重要设备， 主要应用于电力工业，广泛应用于化工、冶金、纺织、造纸、食品、采暖等工业 和民用领域。锅炉按其用途可分为电站锅炉、工业锅炉、民用锅炉、船用锅炉等； 按照工作压力的高低可以划分为低压、次中压、中压、高压、超高压、亚临界、 超临界锅炉；按照燃烧方式可分为室燃、层燃、流化床锅炉等“1 。 近年来我国锅炉保持高速增长态势，2 0 0 2 年，全国持有各级锅炉制造许可证 的企业11 2 1 家( 不包括取得有机热载体锅炉制造许可证和单独部件制造许可证的 企业) ，生产各种不同参数和容量的蒸汽、热水锅炉1 2 8 2 0 6 台( 不包括有机热载 体锅炉和其他型式的产品) 。2 0 0 3 年锅炉行业实现销售收入2 5 8 9 2 亿元比上年同 期增长了4 2 1 5 ：实现利润总额为l o 3 4 亿元，2 0 0 4 2 0 0 5 年锅炉行业延续了这 种增长势头。同时随着高性能产品的普及和产品质量的提高，在2 0 0 6 - 2 0 1 0 年每 年将有约5 万蒸吨的工业锅炉需要更新，2 0 1 0 年后，每年将有约7 万蒸吨的业 锅炉需要更新，再加上新增装机，从需求上讲，到2 0 1 0 年每年工业锅炉需求量 约为1 0 1 2 万蒸吨脚。 我国的大型的锅炉厂商主要有上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂、武 汉锅炉厂、以及北京锅炉厂等，主要生产中、高参数的大、中型电站锅炉。目前 我国已经能够自行设计和制造容量2 0 0 0 d h 、发电量达6 0 0 m w 以上的超临界巨 型电站锅炉，并成为主要出口商品之一伽。在工业锅炉方面，我国现有工业锅炉 制造厂家2 0 0 余家，能生产适应我国燃煤特点、多种结构形式、效率较高的工业 锅炉。 锅炉行业的大好前景与我国的现状是分不开的，首先从电力能源来看，根据 我国目前的资源分配，中国的水力资源远不能满足国家对电力的需要，而核能发 电的安全成本昂贵，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源发 电存在投资大、成本高、且供电不稳定等问题，因而，在煤炭资源丰富的我国， 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 电力结构中火电设备容量占总装机容量的7 5 ，而且有逐年上升的趋势，在可预 见的将来，我国电力总体结构仍难以明显改变旧。另外，近十年来随着国民经济 的蓬勃发展和人民生活的不断改善，工业锅炉、民用锅炉的产量也不断增加。再 从国外市场来看，近年来随着我国对外开放的扩大和经济的持续发展，国外众多 锅炉企业均看好并进人中国市场，据了解，到目前为止，已取得中国进口锅炉安 全质量许可证书的境外企业已达1 7 3 家，其中包括美国、英国、日本、意大利、 德国等国企业，特别在东南亚市场，中国锅炉的销售一直稳步向前嘲。 1 1 2 锅炉运行中的超温爆管现象 换热部件中超温爆管现象是锅炉运行中最常见的事故之一。随着锅炉容量的 日益增大，锅炉的结构更趋复杂，电站锅炉中过热器和再热器超温爆管事故也不 断增加，一大批进口和引进型3 0 0 m w ，6 0 0 m w 等级的大容量电站锅炉也相继 发生了超温爆管事故。许多电厂在发现过热器和再热器超温爆管后不得不牺牲机 组运行的经济性，使锅炉做降温运行：有些锅炉即使降温5 1 5 运行，仍不能彻 底解决其超温问题蜘。 爆管问题是导致国内外火电厂机组非计划停运的主要原因。锅炉爆管事故己 成为当前威胁发电设备安全稳定运行的突出问题，在锅炉爆管事故中因过热器爆 管造成的事故损失最大，而且随着旧机组服役时间的增加及新机组投产量和参数 的提高，这类事故还有逐年上升的趋势，是影响安全供电的主要因素旧分析各 类爆管事故的原因，可归纳为以下几种嘲： 热力计算偏差造成整体长期处于超过氧化温度下运行，管子的蠕变速度就会 增大，使管子直径逐渐变粗，管壁变薄，最后就会有可能发生爆管。钢材焊接质 量也是影响安全的重要因素之一焊接接头可能存在接头裂纹未熔合，根部未焊 透、气孔、夹渣、咬边，焊缝外形尺寸不合格以及焊接接头的金属组织异常等现 象。管子材质不良或错用亦会引起的炉管失效。 炉膛燃烧产生大量的灰粒，随着灰粒的对部件的冲击次数增多，磨损更剧烈。 灰中含有腐蚀性物质在高温处于熔融状态将造成受热面金属的腐蚀作用。当再热 器受热面上的高温烧结性积灰中含有低熔点复合硫酸盐时，腐蚀效果将更加明 2 浙江大学硬士学位论史锅炉管壁金孱强度计算和软件开发 显。 另外，由于结构和运行条件的影响，运行中某些管子的蒸汽温度和焓增量会 超过整个管组的平均值，即熟偏差。产生热偏差的管子，管内蒸汽温度较高，甚 至远超过了金属的管壁温度，从而造成长期严重超温。引起再热器热偏差的原因 主要有两方面：一是蒸汽侧的原因，由于工质流速低以及流量偏差引起的热偏差； 另一方面是烟气侧的原因，由于燃烧调整不当、煤质变化，火焰行程延长，火焰 中心上移或锅炉漏风等引起的出口截面烟温分布不均匀产生热偏差“”。 1 1 3 锅炉管壁金属温度计算技术 1 1 3 1 锅炉管壁金属温度计算技术的产生和发展 锅炉产品设计是一项复杂烦琐、经验性强、设计周期长、可靠性和经济性要 求高的大型常规工程设计。由于锅炉制造需要消耗数量巨大的钢材，成本高昂， 大型电站锅炉的造价常以千万元人民币来计算；另一方面，由于锅炉运行的可靠 性直接关系到其服务对象的工作的连续性，一旦因事故停机，造成的直接或间接 经济损失甚至会大大超过锅炉本身的造价。如何解决锅炉设计中的安全校核，实 现锅炉运行过程中的实时监测成为锅炉行业新的热点。 过热器和再热器的高温段部分处在高温高压的工作条件下，为了充分利用合 金钢材，降低部件管排造价，许多理论分析计算以及过热器改造，最终目的就是 使炉内最大壁温维持在材料允许使用温度范围内，并保持2 0 3 0 c 的安全运行 裕度。因此，无论是设计还是设备改造过程中，预测过热器管壁温度都是一个非 常重要的环节1 。 目前尚无成熟的技术测量高温对流受热面的管壁温度，炉膛出口烟气温度分 布也一直难于测量，高温过热器、再热器和屏式过热器的设计愈加成为锅炉设计 中的难题“”。国内外科技人员对此进行了深入的研究和发展，探讨如何实现管壁 金属温度的计算( 以下简称“壁温计算”) ，即如何通过计算求解锅炉高温区部 件中关键位置处的管壁金属温度，保证锅炉部件的安全从而为确定部件的制造材 料提供基础数据。 3 浙江大学颈士学位论文锅炉管蹙金属温度计算和软件开发 最先采用的壁温计算方法是前苏联版的单点校核方法，其按经验假设烟道宽 度方向的吸热函数为水平坐标的二次或三次函数，再由传热方程求解危险点的管 壁温度。由于模型简化、经验性强使得计算的准确性下降、适用范围有限，该算 法逐渐被前苏联1 9 5 7 版和1 9 7 3 舨锅炉机组热力计算标准“州“1 中的半经验 方法所取代。这2 套算法也是现在国内的主流算法，算法通过经验参数的修正， 考虑各吸热量的偏差，计算出部件入口到危险点的最大可能吸热量，并通过传热 方程估算危险点处最大可能的管壁温度。 使用数值计算的方法求解壁温，是近几年部分厂采用的一种新算法。其将部 件各管离散化为小单元，按工质流动顺序逐次计算小单元的热负荷，考虑影响管 子传热的结构、位置、流动等偏差因素“”，进而求出壁温分布该方法便于在计 算机上实现快速准确的管壁温度预测。数值计算方法克服了热力计算标准方法中 的不足之处，能够在锅炉负荷多变的情况下快速准确地反映壁温连续变化情况， 能及时准确地确定出危险点的位置。 1 1 3 2 锅炉管壁金属温度计算软件开发的国内外现状 所有的壁温计算方法过程中都涉及到大量计算参数和迭代计算，所以借助计 算机可以使复杂的迭代过程程序化，并大大提高该项计算工作的效率和准确性。 国内不少锅炉厂都着手研制开发壁温计算软件，壁温计算的软件化过程也势在必 行。2 0 世纪7 0 年代以来，我国主要锅炉厂家陆续自行研制或委托科研院所开发 了一些壁温计算软件主要属于以下两种类型： ( 1 ) 壁温计算最先应用计算机实现的方法是通过采用f o r t r a n 、b a s i c 等过程性语 言编写的d o s 程序。这类程序的操作较为复杂，在填写大量计算参数的过 程中常常容易发生差错，流程逻辑一般相对固定，只能通过少数流程逻辑 控制参数进行简单调整，对流程结构变化的适应性不好。另外其可扩充性 不强，随着锅炉产品的更新，软件使用性的下降，此类软件已经基本弃用 了。 ( 2 ) 到2 0 世纪9 0 年代后，些单位开发了基于m i c r o s o f te x c e l 的计算程序。这 是一款半自动化计算程序。这类程序借助e x c e l 编写单次壁温的计算模版， 再由设计人员控制计算过程中的迭代假设变量，通过多次试算得到计算结 果。由于该方法不仅需要针对每一种具体炉型编写e x c d 的计算脚本，还需 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 要手工控毒4 迭代过程，因而对使用人员的经验及计算机技能都要求较高。 缺乏与熟力计算软件的数据集成，以及在使用过程中容易发生差错的不足。 2 0 世纪8 0 年代，哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂等国内几家大型锅炉厂从美国 c e 公司引进了一套热力计算软件，该软件也集成有壁温计算的功能。但是该软 件使用的锅炉计算原理是美国的标准，与国内习惯使用的苏联标准存在很大的差 别，容易造成一些理解上的错误，给各厂用户的使用也带来了很大麻烦。 近年来，随着国家电力结构向高参数、高性能、大容量，低能耗机组方向的 不断发展，以及对锅炉产品设计质量以及设计进度要求的不断提高，以及上述几 种类型的壁温计算程序已经越来越难以满足锅炉企业产品开发的使用需求，开发 一款操作方便、界面友好、可扩充性强的壁温计算软件势在必行。 1 1 4 集成软件的开发技术 1 1 4 。1 集成软件开发技术的产生及在锅炉行业的运用 包计算机语言出现以来，其最初的程序设计方式是过程化程序设计。其基本 思想是功能分解并逐步求解，当一些任务十分复杂以至无法描述时，可拆分为一 系列较小的功能部件，直到这些子任务小到易于理解的程度。这种方式为处理复 杂问题提供了有力的手段，但当数据量增大时，数据与处理这些数据的方法之阋 的分离使程序变得越来越难以理解。就企业来说，在集成软件之前，企业都是由 成百上千的应用系统支撑着企业的管理和运营，这些都是运行在不同操作系统平 台上的多层应用系统。庞大的系统结构给维护带来了非常大的麻烦，企业人员熟 悉各系统的使用方法工作量也是非常的浩大。 如何最大程度的利用已有的资源。减少重复劳动的需要，软件开发渐渐引入 了集成的概念。集成可以被定义为：“将单独的软件构件合并组装为整体系统的 软件开发活动”，是软件资源复用或软件二次开发的重要手段“町。 集成软件开发的模式有：瀑布模式和递增式。瀑布模式是最简单的一种软件 歼发模式，按照软件生存期中的6 个步骤进行：可行性分析、需求分析、设计， 编码、测试和维护。优点是每个阶段的目标和阶段间的界限明确，能严格控制软 件项目的进展；缺点是模型缺乏灵活性，无法解决软件需求不明确或不准确的问 题。递增模式是瀑布模式改进后的一种开发模式。在集成系统的框架设计之后， 5 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 集成的总目标被划分为多个子目标组成的有严格顺序关系的序列，每个子目标的 开发由设计、编码、测试多个阶段组成。在大框架上，递增模式使集成按照子目 标序列分阶段进行，每个阶段的结束形成具有部分集成功能的实用系统；在实现 某个子目标的集成阶段，同样可以制定子系统或集成系统的功能递增序列，分阶 段设计和编码“”。本论文基于的集成系统“锅炉设计计算集成系统”就是按照递 增式的开发模式开发。在下节本文给出了该集成系统的介绍。 集成软件在锅炉等制造企业的运用较多的两款集成软件是：产品数据管理 ( p d m ) 和企业资源计划( e r p ) 是这个过程中两个重要的部分。p d m 是管理所有与 产品相关的信息和过程的使能技术：而e r p 主要采用先进技术对企业资源( 物 流、资金流和信息流) 进行全面集成，为企业提供决策、计划、控制与经营业绩 评估的系统化管理平台 对于制造企业而言，虽然各单元的计算机辅助技术已经日益成熟，但都自成 体系，彼此之问缺少有效的信息共享和利用呻1 。并且随着计算机应用的飞速发展， 随之而来的各种数据也急剧膨胀，对企业的相应管理形成巨大压力。在这种情况 下，许多企业已经意识到：实现信息的有序管理将成为在未来的竞争中保持领先 的关键因素，确保产品信息的可获取性、可重用性及可处理性的能力就成为信息 技术在产品设计和制造领域追求的主要目标，产品数据管理( p d m ) 技术应运而 生。p d m 在提高企业效率及竞争力方面的杰出表现，正得到越来越多企业的青 睐。e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep t a n n i n g ) 是指建立在信息技术基础上，以系统化 的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。e r p 系统以 企业资源综合规划为应用理念，以生产制造为应用核心，以实现最大化效益为目 标，实现企业的物资流、信息流和价值流数据的紧密集成。由于各个企业有其自 身的经营特点，因此在实施e r p 系统的时候，需要根据企业的实际应用情况建 立集成接口模型，并进行部分功能和系统的定制开发，以形成具有自身运行特点 的集成化管理信息系统。 1 1 4 2 通用锅炉设计计算大型集成系统 浙江大学化工机械研究所与杭州锅炉厂子1 9 9 6 年开始合作，承担了国家“九 6 折江大学硕士学位论文龋炉管壁金属温度计算和鞔件开发 五”c a d 应用工程的示范项目一一“锅炉c a d 应用系统”的开发。该系统将 锅炉设计过程分解为图1 1 所示各子系统共同完成。锅炉设计计算系统( b e s s ， b o i l e re n g i n e , e r i n gs i m u l a t i o ns y s t v m ) 是该项目的核心环节之一，其集成了锅炉 设计中所涉及的各类计算功能模块，是目前使用范围最广，给企业带来利益最大 的部分。 图1 1 锅炉设计进程各子系统功能示意图 负责 殳计 项目中的 人员和角 色分配 承担锅炉 协耐垃砖 过程中产 品数据的 查询、共 享和管 理自动 进行各种 技术统计 和j 匕总并 生成帽应 报裹等 锅炉设计计算系统系统将锅炉抽象为一个能量形式和载体变换的过程系统 “。燃料的化学能转换为高温烟气载有的热能，烟气又进一步把载有的热能传递 给蒸汽，水和空气热力计算是锅炉设计工作的核心和基础，整个锅炉的设计就 是围绕这个换热过程各吸热量分配的计算。在换热过程中引发出一系列的安全校 核计算的问题。 7 浙江大学硕士学位论立锅炉管壁金属温度计算和软件开发 系统现已有的计算模块有热力计算模块、壁温计算模块、烟风阻力计算模块， 以及待开发的汽水阻力计算模块和强度计算模块。1 。另外，系统设有一个管理模 块，管理模块借助数据库系统，实现了集中管理企业网络环境中与锅炉设计计算 系统使用有关的各种数据和信息( 亦即：锅炉设计方案的主要信息) ，以确保这 些信息能够被规范、安全、可靠的存储；同时，根据分配的权限让用户安全快捷 地检索利用数据信息。 通用锅炉设计计算集成系统自1 9 9 9 年以来一直在杭州锅炉厂的实际锅炉设 计工作中使用，并已经将该软件系统的理论计算结果与多台实际运行的锅炉进行 了很好的比照，目前该系统已经陆续在国内其它锅炉设计制造厂家推广应用，达 到了相当的成熟性和稳定性咖与其他软件相比，b e s s 的内核使用了c _ 语 言开发，可扩充性和可维护性强；支持国内锅炉制造业中多种标准，包括苏联 5 7 标准、7 3 标准、2 0 0 3 标准。 1 2 论文研究的目的、意义 无锡华光锅炉集团在和浙江大学化工机械研究所的合作开发锅炉设计计算 集成系统时，为了完成锅炉设计校核过程中一个重要的环节一一管壁金属温度校 核工作，提出了软件中加入该计算校核功能。软件需要试用于各类炉型，并且需 要解决烟气流动状态不稳定，产生不稳定温度场时的壁温计算。系统是整个锅炉 设计计算模型的一个组成部分，与热力计算模型等其它计算模型应具有内在的集 成性。当热力计算模型已经建立时，可以直接从热力计算模型中提取壁温计算的 总体参数。此外，还可从热力计算模型中检索出锅炉传热部件的列表，并由系统 用户选择壁温计算点所属的部件，建立壁温计算点与部件之间的关联逻辑关系。 这样，计算点所属部件的参数也可以直接从热力计算模型中获取，避免数据重复 输入的工作。 笔者应合作企业的要求，分析了锅炉管壁金属超温爆管的原因，扩充了应用 面最广的经验算法和综合了目前较先进的数值计算算法，在锅炉设计计算集成系 统中增加了壁温计算子系统，该系统满足了系统在集成性上的要求。本文的研究 工作对搭建类似的工程集成软件有一定的启发作用。 8 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 1 3 论文的主要工作内容 本文的研究工作主要分两部分，对壁温计算系统的设计理论进行研究，并在 b e s s 集成系统的基础上完成了壁温计算子系统的开发。 本文的第一章主要分析了锅炉行业发展的现状，介绍锅炉管壁金属温度计算 技术的产生背景，和软件开发的国内外现状。分析了集成软件开发技术的产生和 应用的现状，同时简要介绍了浙江大学化工机械研究所开发的通用锅炉热力计算 软件。 第二章主要分析了锅炉中部件吸热不均的原因：流量分配不均匀性和热力分 配不均匀。探讨了计算管壁金属温度的经验算法和数值计算方法。其中，对经验 算法进行了扩充了，提出了混合流对流部件的壁温计算方法。总结了经验算法的 一些重要经验，对比了两种算法，同时分析了两种算法的算法流程，为壁温计算 系统的开发提供了物理模型。 第三章主要关于壁温计算系统的分析与设计构思。这章完成的工作包括对系 统功能需求的分析与设计构思、系统软件模型的搭建、参数界面输入设计和系统 与b e s s 的集成分析与设计。 第四章描述了壁温计算系统的开发工作。该章介绍了系统开发的对象构造和 管理方法，有取舍的阐述了系统各部分功能实现。在该章结尾给出了系统的运行 实例，并通过大量的运算实例对系统的准确性做出了分析。 9 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 第二章锅炉管壁金属温度的计算方法 2 o 引言 锅炉在燃烧及传热过程中会在内部形成非均匀温度场，这使得其内部部件在 局部位置可能形成热负荷集中，并产生部件管壁金属温度局部升高的现象。另外， 各部件也会由于流量分配、热量分配等一系列的原因造成管壁超温现象。目前锅 炉设计过程中采用对部件进行壁温计算的方法来确定材料的选取，以避免超温爆 管事故的发生。 国内锅炉制造企业广泛采用的是壁温计算的经验算法。该算法将这些部件热 负荷偏大的位置称为“危险点”计算的基本思想是考虑部件在烟道断面和管子 周界上吸热的不均匀性，从而计算出部件在局部位置处壁温的理论最大值。在锅 炉设计计算过程中，需要对高温区内各部件的各个危险点逐一进行计算，以确保 结构的整体安全性。 此外，笔者也探讨了壁温计算的另一种算法：数值计算方法。该算法的基本 思路是将管排离散成管段，分别计算每小段的传热，得出下一管段的进v i - f 质特 性。并根据各段传热量，得出整个部件的壁温分布曲线。数值计算法避免了管段 不均匀系数的简单叠加，更准确的描述了各小段的吸热情况，并且该算法适用于 不稳定温度场的计算，无需用户指定危险点 2 1 锅炉中吸热不均匀现象 2 1 1 流量分配不均匀性 2 1 1 1 集箱效应引起的屏问流量偏差 过热器和再热器蛇行管的进出口一般均与集箱相连，许多电站锅炉过热器和 再热器管组的分配、汇流集箱直径设计的太小或引入引出方式不当。另外，大型 锅炉的集箱长度一般较长，蒸汽在集箱轴向方向上的静压发生较大的变化而造成 非常大的屏( f i - ) 间流量偏差嗍。沿集箱长度方向上，由于工质流速、重力压头 和阻力大小的变化，使各点的压力不等，从而影响与其相接的管子进、出口压差， 1 0 浙江大学顼士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 引起各管工质流量分配不均匀。 在以往的过热器与再热器系统集箱布置设计中，我国习惯采用苏联的传统布 置方式，即工质由集箱端部轴向引入或引出。当工质由集箱一端引入时，由于引 入端工质的流量最大，动压最高，因而其静压最低。沿集箱长度方向，由于工质 向并联支管的分流，使其流量减小，动压下降，因而静压逐渐升高，至集箱末端 达到最大值( 图2 1 ( 1 ”；对于汇流集箱，当工质由集箱一端引出时，沿集箱长度 由于工质向集箱内合流，流量增大，动压升高，静压逐渐下降，至引出端达到最 小值( 图2 1 ( 2 ) ) 啪。 在现代大型锅炉中，由于工质流量增加，而集箱直径变化相对较小，因而集 箱内工质轴向流速增大，使集箱两端静压差增加，可能造成很大的流量不均匀性， 引起局部受热面损坏，尤其是再热器系统，因工质压力较低、比容较大，集箱内 工质的轴向流速就更高，由集箱效应引起的流量不均匀性将更为严重。压力和速 度则直接影响到部件的进口蒸汽的焓值，进口焓值的增大将使管子的壁温增大， 必将容易造成管子超温现象。 p l ( 1 ) 分配集箱 p l ( 2 ) 汇集集箱 图2 1 沿集箱长度压力和流速的变化 由于上述原因，在锅炉在设计时，一方面应合理选择集箱直径，另一方面应 t l 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 避免一端引入、引出的z 型布置，尽量采用沿集箱长度由多根管子均匀引入或 引出的布置型式，从而使集箱内静压变化减小，大大减轻由此造成的流量分配不 均匀性。这种结构在按美国c e 公司技术设计的控制循环锅炉过热器和再热器系 统中己得到普遍应用。但是，尽管采用这种均匀引入或引出的布置形式的集箱， 也可能产生局部的流量分配不均匀，例如：在工质入口处由于流体的撞击或抽吸 作用而引起流量偏差，在同一集箱截面上也可能产生流量分布不均：还与各管圈 的阻力系数及吸热量大小差异造成流量分配不均匀性等洲。 2 1 1 2 管子结构差异引起的流量分配不均匀性 由流体力学基本理论可知，流体流过某一管段时，其进出口压差( 即阻力) 与流体的流量g 、流速y 及该管段的总阻力系数善成正比。当压差一定时，管段 的阻力系数愈大则流量愈小，而管段的总阻力系数与其长度、内径、弯头及管材 等因素有关。 过热器和再热器受热面管屏大量采用u 形管并联结构，因而，在同一管屏 中并联各管圈的长度、弯头的角度及其弯曲半径必然不同。此外，近年来在设计 中还引入了外圈管增大管径和同一根管子沿长度采用不同管径或管材并接而成 的结构。因此即使是对于从集箱同一截面上引出或引入的管排，并联各管因长度、 弯头、管子内径和管材不同引起的阻力系数的差异，会使其流量也各不相同。 2 1 1 3 热效流动引起的流量分配不均匀性 当一管圈的总阻力系数善及其两端的压差印一定时，该管圈的流量g 与工 质的平均比容l ，成反比，而工质的平均比容又与该管圈的吸热多少有关。吸热多 则工质比容大，流量小，反之，则流量大。这种由于管圈的吸热量差异引起的各 管圈的流量不同的现象称为热效流量偏差。在实际运行过程中，由于沿宽度及同 屏热力不均匀性的存在必然导致各管圈吸热量的不同，因而热效流量偏差也将加 剧各管圈的流量分配不均。 2 1 2 热力分配不均匀性 在实际运行过程中，由于结构设计和运行中的各种因素的影响，过热器和再 1 2 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 热器受热面的不同管排及同一管排的不同管圈的热负荷存在着很大的差别，使各 管圈的吸热量不同，这种现象称为热力不均匀性。它主要包括三方面：沿烟道宽 度的热力不均匀性；同烟气流向截面各管的热力不均匀性；沿烟道深度的热力不 均匀性。 2 1 2 1 受热面沿烟气流向截面受热不均 在大容量电站锅炉中，过热器与再热器受热面管排大多采用若干根u 型管 圈并联结构，这种结构型式客观上决定了同一管排的不同管圈之间的吸热情况的 不同，其差异主要体现在以下几方面： 管束前后烟气空间或炉膛对管排的辐射布均匀性。受热部件前面的烟气空间 的辐射，跟烟气空问的大小有关。一般屏的前烟气空间可达到2 0 - 4 0 ，过热器 为5 - 2 5 。辐射热量也不是均匀分配给各管束，而是考虑各方面的折射和与烟 气空间的辐射面积等因素。壁温计算中加入了曝光系数对其进行考虑，其具体计 算方法在第四节给出。 各管束的管间辐射热量不一致。现代大容量电站锅炉的过热器和再热器系统 一般都采用顺列布置，横向节距大于纵向节距，为便于分析，通常把受热面中各 管段分成四种类型。( 1 ) 一般中间管段；( 2 ) 首、末排管； ( 3 ) 四面都无相 邻管的悬空管；( 4 ) 两面相邻管子节距不同的管段。一般屏式过热器的总吸热 量中，屏间烟气辐射热约占一半左右，而屏中各种管段吸收屏间烟气辐射的受热 面积是不同的。在实际运行过程中，一般中间管只受到两侧屏间烟气的辐射，但 由于管子表面积灰，纵向实际间隙往往因积灰而减小，受到的辐射也会削弱；而 前后纵向节距不同的管子则可能受到节距变大的另一侧的烟气辐射，即受三面辐 射；首末排管除两侧外还受到前面或后面烟气空间的三面辐射；悬空管更是受到 四面烟气的辐射，这个因素使得外圈管、最内圈管和悬空管等管子的吸热量增大， 靠近管束间小烟室的管段也比中间管段吸收更多的屏间烟气辐射热。 管柬吸收对流传热的不均匀性。( 1 ) 管柬的布置形式管束一般可分为错列和 顺列两种布置形式。气体横向冲刷顺列管束时的流动特性主要与纵向相对节距比 最d 有关，当最较小时，后排管子的迎流面处于前排管子的尾迹涡流中；当最 1 3 浙江大学硕士学位论史锅炉管壁金属温度计算和软件开发 较大时，前排管子的尾迹对后排管子将不产生影响。( 2 ) 与流体流动的流型及其 强烈程度有关。当流体为紊流时，其对流换热程度比层流流动强烈的多，随着锅 炉向高参数大容量方向的不断发展，锅炉对流受热面的烟气流速提高，雷诺数可 达3 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 左右，流体雷诺数对对流换热有明显影响。( 3 ) 流体的物理性质 对对流换热有影响的流体物性主要是流体密度、粘性，导热性和比热等 2 1 2 2 沿烟道宽度热力不均 国内的大容量电站锅炉大多采用四角布置切圆燃烧方式，这种燃烧方式的主 要特点是每个燃烧器本身不会产生强烈的扰动，而是借助邻角煤粉气流的惯性力 使燃烧火炬具有一定的旋转强度。由于炉内旋转上升气流在炉膛出口存在相当强 的残余旋转强度，故在对流烟道内会对其热负荷分布产生不利影响。 2 1 2 3 沿烟道深度热力不均 在大容量电站锅炉中，由于烟道尺寸较大，烟道内的热负荷( 或烟温) 分布不 仅在宽度方向上不均匀，在烟道深度方向也存在不均匀性，这种不均匀性与锅炉 容量大小、炉内燃烧器布置、运行方式及受热面布置情况有关，其值大小主要取 决于受热面在烟道中的位置，一般水平烟道上部的热负荷小于其下部，炉膛出口 偏差最大，沿烟气流程逐渐减小呻1 。 2 2 壁温计算的经验算法 经验算法的理论基础来自前苏联1 9 5 7 年版锅炉机组热力计算标准中关 于壁温计算的规定。该标准根据部件传热原理的不同将壁温计算方法分为两部 分：对流传热为主的部件管壁温度计算方法、辐射传热为主的部件管壁温度计算 方法。其中，蒸汽与烟气的流向为逆流或者顺流。以该标准中提供的方法为基础， 笔者又与合作企业的资深工程师探讨总结了关于壁温计算混合流形式的壁温计 算方法、壁温计算中吸热不均匀系数选取经验、壁温计算中危险点选取经验，以 进一步扩充和完善该算法。 2 2 1 对流传热部件壁温计算方法 2 2 1 1 逆顺流过热器的计算方法 1 4 浙江大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 已知入口进出i e i i 质的特性和计算点位置，计算从入口到计算点的传热，加 之对各吸热不均匀系数的考虑，前苏联1 9 5 7 年版锅炉机组热力计算标准中 关于逆、顺流的壁温计算方法可概括为以下4 个主要步骤： ( 1 ) 确定计算点管壁内外侧的介质温度： 根据部件工质入口到计算点的受热面积，将总吸热量按温压进行分配得出从 入口到计算点的吸热量q ，并由该吸热量算出对应的焓增越( 式2 - 1 ) ，查温 焓表分别确定烟气温度巴、工质温度f ，进而，再考虑从入口到危险点吸热不 均量璐、结构不等量、水动力的偏差所等因素造成工作状况下的蒸汽温度超 过平均值，计算最大可能焓增( 式2 - 2 ) 由最大可能焓增，查温焓表确定最大 可能工质温度f 一。 出：盟 d 卅+ 晕刖 ( 2 ) 求解计算点处的放热系数： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 求解危险点位置处烟气对管壁的最大可能放热系数q 和管壁对蒸汽的最大 可能放热系数吃。由烟气流速和烟气特性参数综合确定对流传热系数( 式 2 - 3 ) 辐射传热系数主要取决于烟气空间的辐射层厚度，根据管壁污染壁温 计算得出( 式2 - 4 ) 进而确定烟气对管壁的最大可能放热系数q ( 式2 - 5 ) 而鸭则仅取决于工质温度为f 一时危险点处的工质特性( 式2 - 6 ) m 1 。 = c j e 考( 争”p r 哺 ( 2 - 3 ) “9 l o _ 8 竽【l 一劬( 1 每 ( 2 4 ) 浙扛大学硕士学位论文锅炉管壁金属温度计算和软件开发 喁= k 咏+ 鸭_ o 0 2 3 丢争。c ，g qd ( 3 ) 求解计算点处的热阻： ( 2 - 5 ) ( 2