（热能工程专业论文）大型锅炉屏区辐射传热分区模型的建立及应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 目前大型锅炉机组，特别是3 0 0 m w 机组1 0 2 5 t h 锅炉的再热器普遍存在喷水 量过大的现象。这严重影响了锅炉的经济运行，当然这与运行因素以及燃用煤种 有关，其中也存在设计煤种偏差的问题。但从锅炉设计角度而言，如果再热器的 辐射对流设计布局比例相对较好，那么再热器的汽温受负荷变化的影响就比较小 ( 即平稳汽温特性) ，这势必从根本上减少再热器的减温水量。本文通过收集多个 电厂的运行数据和相关的文献资料，对锅炉再热器布置以及再热器减温水量影响 因素进行了研究。 而要想从设计角度调整好各级再热器的布置位置和比例，首先要从理论上确 定不同位置的再热器受热面的温升随负荷变化遵循对流规律还是辐射规律，并确 定其定量关系。 屏式过热器爆管也一直是锅炉事故中的主要问题之一，而屏区沿炉膛高度方 向上的吸热不均系数缺乏一个较为合理的理论计算数值。这直接影响了屏式过热 器设计材料的选和对爆管原因的正确分析及有效预防。 本文采用了炉膛上下两块分体计算的方法，考虑到本文研究重点在屏区，所 以对于下炉膛采用传统的较为成熟的零维计算模型，而屏区受热面采用建立分区 辐射计算模型的方法进行了研究。 目前国内外主要采取蒙特卡罗方法和离散坐标法来建立辐射换热模型，应用 于屏区计算时，则不考虑烟气对流项的影响。本文作者考虑到工程实际需要和简 化计算，针对该问题的实际特点采用一维分区，根据辐射换热的基本原理建立了 一种面面交换辐射模型，并附加烟气对流项进出控制体的热量，得出了总的屏区 换热模型。把该模型应用于大型的工程设计计算中，既简化了计算难度又满足了 计算精度的要求。 运用该模型对锅炉不同负荷工况进行计算分析，得出如下结论： 1 、从理论上证明了大型锅炉的壁式再热器为辐射式汽温特性( 即反向汽温特 性) ，并得出了屏区沿高度方向的温度分布以及壁式再热器比焓升与负荷变化的定 量关系。该计算模型同样适用于屏式再热器汽温特性的计算。 2 、在只考虑辐射换热与同时考虑辐射换热与烟气对流项的两种情况下，通过 对比计算，得出附加对流项后的烟温与锅炉实际运行中测得的烟温基本一致。而 山东大学硕士学位论文 只考虑单元体之间辐射换热得到的烟温低于实际烟温近3 0 0 0 。 3 、在设计负荷情况下，前屏过热器沿炉高方向最下部的吸热不均系数约为 1 2 6 ；上部约为o 7 。这对于屏式过热器设计管材的选取以及屏区爆管事故的准确 分析和预防有重要的意义。 最后对该计算结果进行了现场验证试验，证明该模型的计算结果与锅炉实际 运行数据之间的误差在工程计算允许误差范围内，具有相当好的吻合性。 n 关键词：锅炉辐射换热数值计算汽温特性再热器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ec h a r a c t e ro fs t e a mt e m p e r a t u r ea n dt h ep o s i t i o nt h a tt h e r e h e a t e ri sd i s p o s e dw e r ei n v e s t i g a t e dd e e p l y , b a s i n go nt h eo p e r a t i n gd a t aa n dl i t e r a t u r e i nt h i sp a p e r t h ep h e n o m e n at h a tt h ew a t e rs p r a yq u a n t i t yi se x c e s s i v ec a nb ef o u n do u t f r o mt h ea b o v ed a t a , e s p e c i a l l yf o r t h e1 0 2 5 t hb o i l e ro f3 0 0 m wu n i t t h eq u a n t i t yo f r e h e a t e rs p r a yw a t e ri n f l u e n c e st h eb o i l e re f f i c i e n c yb a d l y t h eq u a n t i t yo fr e h e a t e r s p r a yw a t e ri sa l s oa f f e c t e db yt h eo p e r a t i o na n dt h ek i n do fc o a l m e a n w h i l e ，t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h eu s i n gc o a la n dt h ed e s i g n e dc o a le x i s t s h o w e v e r , i ft h e r ei sa p r o p e rp r o p o r t i o no ft h er a d i a t i o np a , ta n dt h ec o n v e c t i o np a r t ，t h er e h e a t e rs t e a m t e m p e r a t u r e i ss t a b l e c o m p a r a t i v e l yw i t h t h el o a d c h a n g i n g ( t h a t i st h es t e a m t e m p e r a t u r es t a b i l i t yc h a r a c t e r ) t h e r e f o r e ，t h eq u a n t i t yo fr e h e a t e rs p r a yw a t e ri s d e c r e a s e df u n d a m e n t a l l y f i s to fa l l ，i no r d e rt od i s c o v e rt h ep r o p e ra r r a n g e m e n ta n dp r o p o r t i o no fr e h e a t e r , t h er u l ea n dq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po f r a d i a t i o no rc o n v e c t i o no f d i f f e r e n tp a r t ss h o u l d b ef o u n d o u t t u b eb u r s t i n go fs c r e e ns u p e r h e a t e ri so n eo ft h em a i np r o b l e m si nb o i l e ra c c i d e n t b u ta sf a ra st h ea s y m m e t r i c a lf a c t o ro fh e a ta b s o r p t i o no nt h es c r e e nz o n eh e i g h t d i r e c t i o na l o n gf u m a c ei sc o n c e m e d ，t h er e a s o n a b l ea c a d e m i cc a l c u l a t i o nv a l u ei sa l s o d e f i c i e n t h e n c e ，t h em a t e r i a lc h o i c eo fs c r e e ns u p e r h e a t e r , t h eb u r s t i n ga n a l y s i sa n d p r e c a u t i o na r ei n f l u e n c e dd i r e c t l y o nt h eb a s i so f t h es t a n d a r dm e t h o do fb o i l e rh e a t i n gc a l c u l a t i o n d e v e l o p e d b yo r i g i n a ls o v i e tu n i o n ，t h ep r o b l e mi n t w og r e a tr e g i o n s ”c a l c u l a t i o nw a sr e s e a r c h e d i n t h i sp a p e r a i m e dt ot h es t u d ye m p h a s i s ，t h em a t u r ez e r od i m e n s i o nm e t h o dw a s a d o p t e d f o rt h ec a l c u l a t i n go fl o w e rh e a r t hu n d e rt h es c r e e nt y p es u p e r h e a t e r i no r d e rt o s t u d yt h eh e a tt r a n s f e ro ft h es c r e e na r e a ，t h ec o m p u t a t i o nm o d e lo ft h es e c t o r i z a t i o n h e a tt r a n s f e rb yr a d i a t i o nw a se s t a b l i s h e d t h o u g hm o n t ec a r l om e t h o da n dd i s c r e t ec o o r d i n a t ew a sa d o p t e d m a i n l yt os t u d y t h er a d i a n th e a tt r a n s f e r , t h ei n f l u e n c eo ff l u e g a sh a sn o tb e e nc o n s i d e r e dw h e nt h e m e t h o dw a sa p p l i e di ns c r e e na r e a t h et w o d i m e n s i o ns e c t o r i z a t i o nm e t h o dw a s i l l 山东大学硕士学位论文 c a r r i e do u to nt h ea c c o u n to ft h ee n g i n e e r i n ga c t u a ld e m a n da n dc a l c u l a t i o nr e d u c t i o n f o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o m p u t a t i o nm o d e l b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo f r a d i a t i o n ，t h em o d e lo fr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r r i n ga m o n g d i f f e r e n tf a c e sw a se s t a b l i s h e d m o r e o v e r , t h eh e a tb r o u g h ti n t ob yt h ef l u eg a sc o n v e c t i o nw a s i n c l u d e d i tc a nn o t o n l y s i m p l i f yt h ec o m p u t a t i o no fl a r g es i z ee n g i n e e r i n gd e s i g nc o m p u t a t i o nb u ta l s os a t i s f y t h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c y u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so fl o a d ，t h ec o m p u t a t i o na n da n a l y s i sw a s c a r r i e do u tw i t ht h ec o m p u t a t i o nm o d e l b a s e do nt h ea b o v ec o m p u t a t i o na n da n a l y s i s ， t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g 1 t h a tt h es t e a mt e m p e r a t u r ec h a r a c t e ro fw a l lr e h e a t e ri sr a d i a t i n gt y p e t e m p e r a t u r ec h a r a c t e rh a sb e e np r o v e db yt h i sc o m p u t a t i o nm o d e l m e a n w h i l e ，t h e t w o - d i m e n s i o nd i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h es c r e e nz o n ea n dt h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e ro fs t r e a mt e m p e r a t u r ea n dt h el o a ds w i n gw a sf o u n do u t m o r e o v e r , t h i sm o d e lc a nb ea p p l i e df o rt h ec o m p u t a t i o no f t h es c r e e nr e h e a t e r 2 c o m p a r e dw i t ht h ef l u e - g a st e m p e ；a t u r ec o m p u t e db yt h em o d e lt o o ki n t o a c c o u n to ft h er a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rb a r e l ya n dt h er e s u l tc o m p u t e db yt h em o d e l a d d i n gt h ec o n v e c t i o nf a c t o ro ft h ef l u eg a s ，t h el a t t e rf l u e ，g a st e m p e r a t u r ei sa c c o r d a n t w i t ht h em e a s u r e df l u e - g a st e m p e r a t u r ed u r i n gt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no nt h ew h o l e h o w e v e r , t h ef o r m e ra v e r a g ef l u e g a st e m p e r a t u r ei sl e s sa b o u t3 0 0 ct h a nt h en o r m a l f l u e g a st e m p e r a t u r e 3 t h eh e a t a b s o r b i n gu n b a l a n c e dc o e f f i c i e n to ft h es c r e e ns u p e r h e a t e ra l o n gt h e a l t i t u d eo f b o i l e rw a sf o u n do u t u n d e rt h ec o n d i t i o no f d e s i g n e dl o a d ，t h ec o e f f i c i e n ti s 1 2 6a tt h el o w e s tp a r t a n di ti sa b o u t0 7o nt h eu p p e rp a r t f o rt h ec h o i c eo ft u b e m a t e r i a la n dt h ea c c u r a t ea n a l y s i sa n dp r e c a u t i o no fb u r s t i n ga c c i d e n t si nt h es c r e e n z o n ei th a st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f i n a l l y , t h es i t ep r o o ft e s tw a sd o n et ov a l i d a t et h ec o m p u t i n gr e s u l t t h e c a l c u l a t i n gr e s u l t sa r ei na c c o r d a n c ew i t hr u n n i n gp r a c t i c ev e r yw e l l m e a n w h i l e ，t h e r e l a t i o nb e t w e e ns t e a mt e m p e r a t u r ec h a r a c t e ra n da r r a n g e m e n tl o c a t i o n sw a sa l s o a n a l y z e d 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：b o i l e r r a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n s t e a mt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r r e h e a t e r v 山东大学硕士学位论文 符号表 丁烟气温度，k ： o j 沪膛受热面积，m 2 ； 阳0 燃烧产物平均总热容量，k j k g ： 仇锅炉的效率( 毛效率) ，； 否i 布格尔准则数； 只绝热燃烧温度，； 七炉内介质的吸收系数，1 ( m m p a ) ； p 炉膛内的压力，m p a ； 群炉膛出口烟温，k ； f 由于污染或者绝热覆盖层而使水冷壁吸热降低的系数； 绝对黑体的辐射常数，其值为5 6 7 x1 0 - 1 1 k w ( m 2 k 4 ) ； k 烟气容积，m 3 k g ； c 乙：三原子气体的比热，k j k g k ； q ：氮气的比热，k j k g k ； g ：。水蒸汽的比热，k j k g k ； g 3 空气的比热，k j & g k ； ，烟气焓值，k j k g ； q 辐射换热量，k w ； 工。前屏沿炉高方向吸热不均系数； 曰，计算燃料量，仉l ； 口计算黑度； 舻保热系数； m 一燃烧器标高系数： j 有效辐射层厚度，m ； 1 a 绝热燃烧时烟气温度，k ： 水冷壁热有效系数的平均值； l h v _ 噪的低位发热量，k j k g ： h h v 煤的高位发热量，k j & g ： v o 燃料完全燃烧所需要的理论干空气量，m 3 k g ； 山东大学硕士学位论文 炉膛燃烧器布置的相对标高： 佴层燃烧器中心线布置标高，m ； 以炉膛高度，m ； 炉内烟气惰性成分参数： ，烟气再循环系数； x 水冷壁角系数； ( 屹) ，l k g 燃料燃烧产物总的平均比热容，k j ( k g k ) ； ，辐射换热面积，m 25 丑烟气分配系数； 口1 咽气偏流修正系数。 下标t 表示横向分区； 下标f 表示在每个横向分区内沿炉膛高度方向的分区， v 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 釜h 丞 日期：竺! ! 竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本 人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：型l 生括导师签名：蛊迎堑日期： ： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电站锅炉容量参数的不断增大，对于锅炉设计计算精度的要求也越来越 高。传统零维模型的设计计算方法对于壁式再热器、前屏过热器的计算较为籽i 糙， 因此在设计计算上存在问题。虽然目前一些炉膛分体计算理论】的提出，对于锅炉 的设计计算精度有了很大的提高，但是因为屏区不同位置的受热面随负荷变动的 温升变化影响因素较多，目前还缺乏较为精确的理论计算结果，使得确定一个合 理的再热器、过热器的对流辐身寸受热面的比例有很大的难度。所以很多机组从设 计角度上很难达到随着负荷变化有较平稳的汽温特性。 锅炉再热器的零喷水量设计难以实现，主要是由于在设计时对屏式再热器过 热器的辐射吸热量计算不够准确。据有关资料显示国产的4 0 0 t h 锅炉i j i 屏设计吸 热量和实际吸热量相差三分之一左右【2 j 。 目前很多机组都担任调峰作用，负荷变动大，因此一个好的汽温特性是锅炉 安全经济运行的良好保证。现在的很多锅炉都存在再热器超温、喷水量过大等问 题，严重影响了锅炉的经济性。 ， 1 1 本文的研究背景 1 1 1 锅炉再热器及其汽温特性 为了提高循环热效率，超高参数及其以上的机组一般都采用蒸汽中间再过热。 随着锅炉机组容量的不断增大，其设计要求也越来越高，再热器已成为锅炉的一 个重要部件。由于再热器中的蒸汽压力和比容都较低，所以再热器的工作环境比 过热器更加恶劣。在运行中要求再热汽温的变化值在+ 5 到一i o 。c 之闯，再热汽 温过低会降低循环效率，过高又会影响再热器或汽轮机的工作安全p 。j 。影响再热 汽温的因素主要有传热方式、再热器各级布置位置、燃料、过量空气系数等。因 此，如何维持稳定的再热汽温就成为设计和运行中的重要问题。 再热器汽温特性是指再热器的汽温随着负荷的变化而变化的趋势。虽然影响 再热器汽温特性的因素很多，但是锅炉的汽温特性主要还是取决于设计因素。如 果对流受热面部分布置的多，再热器整体就会显示对流汽温特性，辐射受热面布 置多就会显示辐射汽温特性。通过搜集整理多个电厂的运行数据发现主要存在四 种不同的汽温特性：辐射型、对流型、有中间峰值的和比较平稳的汽温特性。下 山东大学硕士学位论文 面就是搜集到的几个典型的锅炉再热器汽温特性曲线( 如图1 一l 图l - - 4 ) 。 、 i ，、 、 t 1 v l 、，、， 1 0 5 1 1 0 1 1 51 2 01 2 51 3 0 nf 、 、，l o f ， | l 幽i 一2i f 向汽温特摊 1 0 51 1 01 1 51 2 01 2 51 3 0 1 0 5 i i 01 1 51 2 01 2 51 3 0 图i 一3 有峰值的汽温特性 图i 一4 平稳汽温特性 i i 2 平稳汽温特性 对于整个再热器来说，所谓平稳汽温特性就是指再热器出口汽温随着负荷的 变化基本保持平稳。与过热器相比，再热器维持平稳汽温特性要求尤为重要，这 是因为对于过热器而言，可以通过喷水的方法解决汽温调节的问题，而再热器则 不允许使用喷水作为正常的调温手段。 大型锅炉的变负荷运行主要分为滑压运行和定压运行两种方式。与此相应， 再热器的平稳汽温特性也分为两种情况： ( 1 ) 再热器进口汽温r ：，保持不变 此时要求再热器有平稳的汽温特性，即每千克再热蒸汽吸收的热量不变。从 而使出口汽温巴能保持不变。 2 吼跚星；暑；哳!堇哂刚鬈；毒| !号晒墓|；吞；m蓦；螂蚕| s!跚墓；墓|研瞄|；蹦嚣孽i 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 再热器进口汽温0 随着负荷d 变化 定压运行的机组，再热器的进口汽温随着负荷d 变化，这就要求再热器系 统呈现辐射特性( 即反向汽温特性) ，即每千克再热蒸汽吸收的热量随着负荷的下 降增加，这样就在一定程度上弥补了入口汽温的下降。 1 1 3 运行中存在的问题 3 0 0 m w 机组的1 0 0 0 t h 级自然循环、控制循环锅炉在国内已经大量使用，但 仍存在很多问题，如该型号锅炉存在汽机高压缸排汽温度高于设计值近2 0 ，引 起再热器喷水量偏大的问题【6 l ，过热器、再热器爆管频繁的问题等f 7 - 8 】。 再热器喷水量的大小直接影响机组的经济性，这是因为再热器的喷水减温相 当于增加了一个中压循环。据计算，再热器每喷入l 的给水，汽轮机的汽耗就要 增加o 2 咿】。电力系统正在进行“厂网分离，竞价上网”的改革，机组的经济性 直接影响到电厂的竞争力。 目前大部分机组担任调峰作用，但多数锅炉机组汽温特性不好，负荷变动大， 所以再热器减温水量较大。喷水减温方式是作为一种不正常的事故调节方式，会 导致锅炉效率降低，可是现在电厂部分锅炉机组却作为常用的调温方式，降低了 整个机组的经济性【2 1 1 1 4 锅炉设计中存在的问题 在锅炉的设计计算中，对于壁式再热器和前屏的吸收热量，国内的锅炉制造 厂普遍采用传统的零维模型来计算。方法是先算出炉膛的壁面热负荷，然后考虑 一个炉膛的吸热不均系数，用壁面热负荷、吸热不均系数和屏区壁式再热器面积 的乘积作为壁式再热器的吸热量。如果用这种方法计算，当负荷增大时燃烧器倾 角应向上调节，使得炉膛出口烟温升高。因为出口烟温升高，则带出炉膛的热量 增加，锅炉内辐射吸热量减少，炉膛的平均壁面热负荷降低，壁式再热器的吸热 量减少。 从另一角度分析，当燃烧器倾角向上调节时，炉膛出口烟温及屏区的烟温升 高，壁式再热器的吸热量势必增加，这与上面计算的结果相矛盾。所以采用传统 的平均热负荷方法计算壁式再热器的吸热量存在一定的问题。 山东大学硕士学位论文 屏区受热面的布置位置与该受热面的汽温特性有一定的对应关系，如果在设 计计算中缺乏两者之间较为精确的对应关系，就不能确定一个较好的受热面布置 比例。 壁式再热器或屏式再热器缺乏汽温变化与负荷之自j 的定量关系，主要是因为 负荷下降时烟气量虽然下降，但同时蒸汽流量也下降。烟气量的下降使汽温趋于 下降，而蒸汽流量下降使汽温趋于升高，因此它们之间还缺乏定量的关系。这直 接关系着锅炉的设计结构对再热器汽温特性的影响。 1 2 本文的研究意义 大容量锅炉的屏式再热器、屏式过热器以及壁式再热器的传热计算关系着锅 炉的汽温特性以及锅炉的变负荷性能。正确的理论计算方法应能客观反映锅炉在 变煤种、变负荷、改变各层燃烧器投入方式等条件下的实际运行规律。而现行的 方法中，有关上炉膛( 屏区) 的计算还存在改进的必要。 本来再热器要求实现零减温水量设计，可是由于设计的问题，汽温随负荷的 变化很大，辐射或者对流汽温特性明显。从理论上分析，如果再热器对流部分、 辐射部分以及半辐射部分之间布置比例设计的适当，是可以从设计方面得到一个 平稳汽温特性的。而目前主要问题是缺乏再热器布置位置与汽温特性的定量关系 和一个合理的数学模型。因此得到一个合理的工程计算模型来计算屏区烟温分布， 并得到壁式再热器或屏式再热器的汽温特性曲线，在新锅炉的结构设计以及与再 热汽温有关的锅炉改造上均有迫切的需要和理论的价值。 本研究是国内首次利用分区模型，定量计算辐射式再热器的汽温- 负荷特性 一个尝试。作者希望对相关领域的学术研宄起到抛砖引玉的作用。 1 3 炉膛辐射换热模型的发展概况 1 3 1 现行炉膛换热计算方法 我国电站锅炉炉膛换热计算，3 0 多年一直沿用原苏联锅炉机组热力计算标 准( 以下简称标准方法) 1 1 3 】，用a m 古尔维奇半经验公式计算炉膛出口烟 气温度： 4弘瑶莉。2 7 3 肘( 笔糕等) o 山东大学硕士学位论文 式中：绝热燃烧时烟气温度，k ； e ，炉膛面积，m 2 ； 口计算燃料消耗量，k g s ； 么水冷壁热有效系数的平均值： 诉炉膛黑度； p 保热系数： 比：燃烧产物平均总热容量，k j k g 。 “ 上式对于i o o m w 及以下的锅炉机组炉膛换热计算有较好的准确性：但对于大 容量锅炉机组，由于容量增大及炉室结构和受热面敷设型式的变化，上式显露出 标准方法中原始假定的“模型误差f 1 4 】”和参量取值方法等与实际情况的偏差 f 1 5 l ，但它仍是目前锅炉炉膛换热计算的基础方法【1 6 1 8 l 。 上、下炉膛分体耦合计算模型的建立【1 9 - 2 1 】： 该方法是以屏式过热器的下端面为上、下炉膛的分界面，并以炉膛燃烧、传 热一维数学模型计算得出下炉膛向上炉膛的辐射热量及必要的初始、边界条。件进 行上炉膛传热的三维数值计算【1 9 1 。 由于大型发电锅炉上炉膛所布置的屏式过热器较多且分布较为均匀，因此可 以认为下炉膛向上炉膛的辐射热量是沿界面均匀分配的。经验算这项假设所造成 的计算误差极其微小，在工程计算中可忽略不计。 1 3 2 炉膛传热模型的发展 锅炉炉膛传热计算方法的研究已有一百多年的历史。炉膛出口烟温的计算准 确度直接影响过热器再热器的吸热量和温度水平。在锅炉技术发展初期，由于对 炉膛传热过程缺乏深入的理论认识，主要以纯经验公式，即零维模型进行炉膛传 热计算。 零维模型： 零维模型实际上就是集总参数模型，它把炉内各物理量都看作是均匀分布的。 这样的模型最为简单，事实证明能够从整体上较好地反映实际情况。 一维模型： 一维模型考虑了各物理量沿着炉膛高度方向的不均匀性，由于对这样的模型 进行计算并不复杂，因此得到了一些应用，例如已被前苏联列入热力计算标准的 米多尔分段计算方法。 山东大学硕士学位论文 三维模型： ? 随着计算机技术的发展，借助高性能计算机可以对炉内工作过程进行详细的 流动、燃烧、传热计算，因此三维模型r 益受到重视。国内外列有不少学者已对 此进行了大量研究，对大型锅炉的设计和运行具有重大意义1 2 2 , 2 3 j ； 1 3 3 屏区热力计算方法的发展 ( 1 ) 传统的计算方法： 壁再与前屏 以文献【1 3 】为代表，锅炉的壁式再热器和前屏均处理为辐射式受热面，它们的 热量计算均采用较简单的零元模型，按其与水冷壁面积的比例分摊整个炉膛的热 量。这种方法虽然简单但在理论上存在缺陷，而且实际计算误差很大。文献 1 4 】 表明此法计算的前屏吸热量在有些锅炉上仅为实际测量值的掣3 左右。因此，传统 的计算方法根本无法用于辐射式再热器汽温一负荷特性的定量计算与分析。 ，屏式过热器( 后屏区) 屏式过热器( 后屏区) 一般由几个不同性质的受热面组成。屏区的上部是低 温顶棚过热器，屏区的两侧为水冷壁。屏区由于所处的位置，本身的结构等因素 使得屏区传热过程为锅炉受热面中最复杂的一个2 2 1 。 在炉膛的热力计算中将炉膛的几何空间视为由不同物理性质的表面形成的一 包复空间，大多数情况下把屏式过热器烟气进口平面作为炉膛的出口，因此对屏 的灰污系数乞要引入改正系数，以修j 下由于屏问烟气对炉膛的反向辐射造成的 影响。 厶= 卢孝 ( 1 - 2 ) 口与燃料性质及炉膛出口烟温有关，由炉膛的热力计算可得炉膛的出口烟温， 炉膛的平均热负荷卵。计及热负荷沿炉膛高度的不均匀系数矾。可得出炉膛辐射给 屏的热量彩。 鳞= p r h p q y 群 ( 卜3 ) 其中群为屏进口面积。那么进入屏区的热量就由鳝和屏区的进口烟焓两 部分组成。由于屏区的结构特殊，炉膛辐射给屏以及屏间烟气释放出的热量并没 有全部落在屏区受热面。按传统方法屏区吸热的热量为i 捌： 6 山东大学硕士学位论文 9 ，= 伊( 一) + ( q 一q 石) q 嚣= q 嚣q 一心妒，| p + q m 级= 5 6 7 x 1 0 。1 训；。巧4 鼻，q 式中： i 口屏间烟气黑度： 屏入口对出口的角系数； 一：。屏出口面积； l 屏间平均烟温； 量嘣然料特性系数： b 计算燃料消耗量； 圪屏出口烟焓； 线屏间烟气辐射热穿过屏的部分。 ( 2 ) 区域法计算的应用 区域法计算辐射换热由h o t t e lhc 和c o h e nes 首先提出2 3 - 2 6 1 ，此方法将燃 烧室中的烟气分成若干个体积区，将壁面划分成若干个面积区，认为任一体积区 域或面积区内部的温度和物性都是均匀的，按照各区域直接和周围进行空间辐射 换热的原理进行计算 2 7 - 3 0 1 。 图i - - 5 二阶侣想i 一传热示意图 ( 3 ) 二阶假想面法在屏区计算的应用】 二阶假想面理论同区域法一样，首先将计算结构划分为若干个计算分区，每一 计算区为一个介质区，是由若干个假想面区以及壁面区组成的封闭几何体。各假 7 山东大学硕士学位论文 想面区的入射辐射为其相邻的二阶假想体的各轮廓面和介质辐射有效辐射的总 和，如图l 一5 所示。 、 l 4 本文主要研究内容和方法 屏区的辐射换热计算是本文的主要研究内容，建立了锅炉屏区的一维辐射传 热模型，本模型以介质单元体的集总参数为计算基础并计及了烟气进出单元体的 能量对流项。通过计算不同负荷下上炉膛内壁式再热器的辐射换热量的变化，定 量的证明了壁式再热器的辐射式汽温特性；同时得出壁式再热器定量的辐射式汽 温特性关系，以指导锅炉再热器系统的布置设计。虽然对于辐射换热计算研究蒙 特卡罗方法【3 卜3 5 1 以及离散坐标法【3 6 - 3 8 1 已有较为成熟的经验，但是本文根据工程计 算的实际需要，在保证合理的工程计算精度的前提下简化了计算方法。 本文以国产3 0 0 m w 机组1 0 2 5 t h 锅炉为例进行计算，采用的是上下炉膛分体 计算的方法。上炉膛壁式再热器的计算采用的是一维分区法，下炉膛的计算采用 较成熟的零维模型，计算得出多个负荷工况下的下炉膛出口烟温。上炉膛的辐射 换热模型是利用基本的辐射换热机理导出面面辐射换热模型，同时考虑了烟气流 动带入计算区域的热量。通过运用m t l a b 编程计算得到上炉膛横向和沿炉高的 温度分布，同时计算出该温度分布对壁式再热器的辐射吸热量的影响，从比焓升 计算得到壁式再热器的温升。进而得到壁式再热器温升和负荷变化的关系。根据 烟温分布得出屏区吸热不均系数及相关曲线。最后对黄台电厂的8 # 炉做了现场运 行试验，经过数据处理该模型的计算结果和试验数据能较好的吻合，保持在工程 计算允许的误差范围内。 8 山东大学硕士学位论文 第二章下炉膛出口烟温的确定 对于下炉膛的计算，受热面主要是水冷壁，所以采用传统零维模型计算在精 确度上就能满足要求。计算依据主要是9 8 年原苏联锅炉热力计算标准( 以下 简称热力计算标准) 1 3 9 1 。下面计算以锅炉满负荷( 即3 2 6 m w ) 为例，炉膛过 量空气系数取1 2 。 2 1 设备概况及基本计算参数 本文的计算以黄台电厂8 # 炉为冽。黄台电厂8 # 机组锅炉采用了美国c e 公司 的引进技术设计。锅炉为亚临界压力一次中间再热控制循环汽包炉。采用平衡通 风以及直吹、四角切圆燃烧，燃料为贫煤。锅炉以m c r 工况为设计工况，在机组 电负荷为3 2 6 7 m w 情况下，锅炉最大连续蒸发量为1 0 2 5 t h 。机组负荷为3 0 0 m w 时，锅炉的额定蒸发量为9 3 5 3 讹。 2 1 1 计算用煤煤质分析 表2 - 1 煤质分析 项目符号数值单位 固定碳 f c5 6 4 6 灰份a 缸 2 1 8 2 水份m 。 6 挥发份 v d a f 1 1 3 5 碳c 甜 6 4 8 9 氢h 缸 2 8 3 氧 o 封 2 4 氮n ” 0 9 8 硫 s ” 1 0 8 低位发热量l h v 2 3 8 9 1 k 仇g 高位发热量h h v 2 4 6 8 7 k j k g 9 山东大学硕士学位论文 2 1 2 炉膛结构参数 表2 2 炉膛结构参数 炉膛宽度m1 4 0 5 9 j 炉膛深度m1 1 7 9 0 上排煤粉喷嘴中心至屏低高度m1 7 5 2 6 炉膛容积m 37 2 7 9 辐射受热面( 至前屏底) m 2 1 9 9 7 前屏低面积 m 2 9 8 水冷壁管径壁厚m m4 4 5 5 5 水冷壁管节距m m 5 7 1 5 2 2 空气及燃烧产物的容积和焓 空气和燃烧产物的容积和焓都是按l 千克燃料计算的。所有的气体在标准状 态下1 摩尔容积等于2 2 4 1 m 3 ( 与理想气体一样) 。在计算焓值时，虽然实际空气 和理想气体的摩尔容积不同，但在计算中不会带来误差，因为气体的比热是按同 一个摩尔容积确定的。 将烟气和空气容积的计算过程列于表2 - - 3 中，表中引用数掘取自表2 一l 。 表2 3 空气及烟气的容积计算 序 名称符号单位 公= d = 或依据结果公代编0 号 l理论干空气量 v om ，k g k = 0 0 8 8 9 ( c + n 3 7 5 s _ = ) + 0 2 6 5 h 一0 0 3 3 3 0 5 7 2 5 32 一l 2 氮气理论容积 咣 m 3 k g 一= o 7 9 + o8 n 1 0 04 5 3 0 2 2 2 3三原子气体体 m j k g c 一0 3 7 5 s 1 0 6 l l2 - - 3 积。8 6 6 而- 4 水蒸汽理论容 v o m 3 k g 吧= 0 1 1 1 h + o 0 1 2 4 w + o 0 1 6 1 v 0 4 8 0 i2 - - 4 l | p 积 5水蒸汽容积( a 矿 m k g = 嘭。+ 0 0 1 6 1 ( a t ) v 。 0 4 9 8 42 5 = 1 2 ) 6 烟气体积 咋m j k g k = ，+ 巧+ 圪。+ ( 口一1 ) y 7 2 3 4 82 6 1 0 山东大学硕士学位论文 表2 4 为烟气和空气的焓温结算结果，此值为零维计算的基础数据： 表2 4焓温表 温度 ( 印) 。 ( 胡) 。温度 ( 胡) 。 ( 甜) 1 0 0 7 5 5 71 3 0 01 0 9 5 81 4 6 8 9 2 0 01 5 2 2 91 4 0 01 1 8 8 5 1 5 9 4 7 3 0 02 3 0 7 31 5 0 01 2 8 1 81 7 2 1 5 t 4 0 0 3 1 0 3 11 6 0 0 1 3 7 5 71 8 4 9 7 5 0 03 9 1 6 11 7 0 01 4 6 9 61 9 7 8 2 6 0 04 7 5 2 01 8 0 01 5 6 4 1 。 2 1 0 7 6 7 0 0 5 5 9 9 36 9 9 3 2 1 9 0 02 2 3 7 3 8 0 06 4 6 3 88 7 0 7 5 2 2 0 0 02 3 9 6 7 9 0 07 0 3 0 69 8 9 8 32 1 0 02 5 2 9 5 1 0 0 08 2 1 5 8 1 0 9 7 9 2 2 0 02 6 6 2 3 1 1 0 09 1 3 i 81 2 2 0 22 3 0 0 2 7 9 6 0 1 2 0 01 0 0 3 6 41 3 4 3 62 4 0 02 9 2 9 8 2 3 各计算参数的确定 2 3 1 计算参数m m 是指根据燃烧器布置相对标高，炉内烟气中惰性成分的多少以及其它因素对 换热强度影响的参数。 对于该室燃炉，参数m 按下式计算： m = m o o - 0 4 ) 北( 2 - - 7 ) 因为该炉为固态排渣煤粉炉，燃烧器切向布置，所以 = o 4 6 = 去 ( 2 _ 8 ) t 炉膛燃烧器布置的相对标高； 见燃烧器平均布置标高，1 l ； 凰炉膛高度，定义为从冷灰斗( 炉底) 中点到炉膛出1 2 1 窗中点的距离 山东大学硕士学位论文 或者到屏前中点的距离，m 。 ：等埤 ( 2 9 ) + 吆 。 炉内烟气惰性成分参数： ，为烟气再循环系数，在这里取0 。 带入上面得出的烟气容积值得： ： 鱼：! ! ! ! ：1 0 8 5 9 4 5 3 0 2 + 1 0 6 1 1 _ = 丧2 蛇