（热能工程专业论文）大型锅炉热偏差数值计算方法与应对措施的研究.pdf

东南大学硕士论文 摘要 随着电力工业的发展，火力发电机组的装机容量日益增大，3 0 0 m w 、6 0 0 i 1 6 v 机组己成为电网中的 主力机组，这部分机组运行质量的优劣对整个电网运行的可靠性、经济性有着非常重要的影响。过 热器和再热器作为锅炉机组重要的部件，其可靠运行无疑对整个机组的安全运行有着非常重要的意 义。随着机组容量的增大，锅炉过热系统因热偏差引起的超温爆管事故频频发生，严重影响了发电 厂的安全、经济运行。 鉴于上述原因，关于热偏差的成因及热偏差、壁温计算方法的研究就具有非常重要的实际意义。 但多数人员对热偏差成因的研究多侧重于某一方面，很少对热偏差的成因进行全面、系统的理论分 析：而且我国许多锅炉制造厂普遍采用原苏联热力计算标准方法来计算壁温，这种方法对于过去容 量小、参数低的锅炉机组来说，计算结果还比较准确，但是对于现代大容量、高参数的电站锅炉来 说，不可避免地带来一些问题。因此，论文在关于热偏差成因的综合理论分析基础之上。建立受热 面合理的蒸汽流量分配计算模型、热偏差计算模型和壁温计算模型，摒弃原有计算方法中的不足， 采取适于工程应用的计算方法，以实现准确地反映受热面出e l 汽温和管子壁温分布情况。同时，依 据热偏差的成因提出相应的减小措施或预防对策。 论文以石洞口电厂s g l 0 2 5 t h 临界压力直流锅炉m c r 负荷下的热力工况为例，对建立的计算 模型进行了实际应用，对引起热偏差的主要因素进行了分析。计算结果证明本文采用的计算方法较 为合理，能够反映受热面的实际热偏差状况，对于过热系统受热面的优化设计、事故分析提供了一 定的参考价值和实际指导意义。 关键词：锅炉过热器再热器热偏差壁温超温爆管 东南大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a li n d u s t r y , t h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo ft h et h e r m a lp o w e r g e n e r a t i n gu n i ti sa u g m e n t i n gi n c r e a s i n g l y t h eg e n e r a t i n gu n i t so f3 0 0 m wa n d6 0 0 m wh a v eb e e nt h e m a i no n e si nt h ep o w e rn e t w o r k w h e t h e rt h e s eg e n e r a t i n gu n i t s o p e r a t i o ni ss u p e r i o ro rn o tw i l lh a v ea g r e a ti n f l u e n c eo i lt h ed e p e n d a b i l i t ya n de f f i c i e n tp e r f o r m a n c eo f t h ep o w e rn e t w o r ko p e r a t i o n t h er e l i a b l e o p e r a t i o no f t h es u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e rt h a ta r et h ek e yc o m p o n e n t so f t h el a r g e c a p a c i t yp o w e rs t a t i o n b o i l e ri sv e r ys i g n i f i c a n tf o r t h ew h o l eu n i t sw i t h o u td o u b t w i t ht h ee n l a r g e m e n to f t h ei n s t a l l e dc a p a c i t y , t h eo v e r h e a t i n ga n dt u b er a p t u r eo ft h eb o i l e rs u p e r h e a ts y s t e mf r e q u e n t l yh a p p e nb e c a u s eo ft h e r m a l d e v i a t i o n ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h es a f ea n de c o n o m yo p e r a t i o no f g e n e r a t i n gp l a n t o na c c o u n to f t h er e l a t e df a c ta b o v e ，r e s e a r c hi n t ot h ec a u s e so f t h et h e r m a ld e v i a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o n m e t h o do ft h et h e r m a ld e v i a t i o na n dt h ew a l lt e m p e r a t u r ea r eg r e a t l yi m p o r t a n t b u tm o s tr e s e a r c h e si n t o t h ec a u s e so ft h et h e r m a ld e v i a t i o no f t e na t et h r o w ni n t os o m eas i d e ，f e wc a r r yo u ta l la l l - r o u n da n d s y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n a l y s i s ，h n dm a n ym a n u f a c t u r e sc a l c u l a t et h ew a l lt e m p e r a t u r ep o p u l a r l ya c c o r d i n g t ot h eo l ds t a n d a r dm e t h o da b o u tt h eh e a tc a l c u l a t i o no ft h es o v i e tu n i o n t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rt h e l a s tb o i l e ru n i to fs m a l lc a p a c i t ya n dl o wp a r a m e t e r , b u ta st ol a r g e - c a p a c i t ya n dh i g hp a r a m e t e rp o w e r s t a t i o nb o i l e r st o d a y ，i tw i l lb r i n gs o m ep r o b l e m si n e s c a p a b l y s ot h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sr e a s o n a b l e s t e a m t h r o u g h p u td i s t r i b u t i o n c a l c u l a t i o np a t l e r n ，t h e r m a lc a l c u l a t i o n p a a e r na n dw a l lt e m p e r a t u r e c a l c u l a t i o np a t t e r n ，a b a n d o nt h ed e f e c t so ft h eo l dc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt a k et h ep r o g r e s s i v ec a l c u l a t i o n m e t h o da p p r o p r i a t et ot h et e c h n i c a la p p l i c a t i o ni no r d e rt or e f l e c ta c c u r a t e l yt h ed i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no f t h eo u t l e ts t e a mt e m p e r a t u r ea n dw a l lt e m p e r a t u r eo ft h eh e a t e x c h a n g e rs u r f a c e a tt h es a m et i m e ， a c c o r d i n gt ot h ec a u s e so f t h et h e r m a ld e v i a t i o n ，t h em e a s u r e so rs c h e m e st od e c r e a s et h et h e r m a ld e v i a t i o n h a v eb e e np u tf o r w a r d t h i sd i s s e r t a t i o np u t st h ec a l c u l a t i o np a r e r n se s t a b l i s h e di n t o p r a c t i c a lu s e ，t a k i n gt h et h e r m a l c o n d i t i o no f m c r l o a do f t h es g l 0 2 5 t hs u b c r i t i c a lp r e s s u r ec o n c u r r e a tb o i l e ro f t h es h i d o n g k o u p o w e r p l a n ta sa l le x a m p l e ，a n dg i v e sap r o f o u n da n a l y s i so nt h em a i nc a u s e so ft h et h e r m a ld e v i a t i o n t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h et h e r m a ld e v i a t i o np r o v ei ta p p r o p r i a t et h a tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o di st a k e n ，f o rt h e r e s u l t sc a na c c o r dw i t ht h ef a c t u a lt h e r m a ld e v i a t i o nc o n d i t i o n ，s ot h i sd i s s e r t a t i o nc a np r o v i d eac e r t a i n r e f e r e n c ev a l u ea n dp r a c t i c a ld i r e c t i o nf o rt h eo p t i m u md e s i g no ft h eh e a t - e x c h a n g e rs u r f a c ea n dt h e a c c i d e n ta n a l y s i s k e yw o r d s ：b o i l e rs u p e r h e a t e r r e h e a t e rt h e r m a ld e v i a t i o nw a l lt e m p e r a t u r e o v e r h e a t i n ga n dt u b er u p t u r e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：j 鱼i 西歪 日期：至丝生：i ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：鱼i 函盈导师签名：k ! 堑i 堑日期： 东南大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着我国电力工业的发展，火力发电机组的装机容量不断增大，3 0 0 m w 、6 0 0 t 哪机组已成为电 网中的主力机组，这部分机组运行质量的优劣对整个电网运行的可靠性、经济性有着非常重要的影 响。过热器和再热器作为锅炉机组的重要部件，其可靠运行对整个机组的安全运行无疑有着非常重 要的意义。随着机组容量的增大，锅炉过热系统因热偏差引起的超温爆管事故愈加频繁，极大地影 响了发电厂的安全、经济运行。经有关部门统计，由此问题引起的非计划停运时间占总停运时间的 2 0 左右，少发电量占总发电量的2 5 左右，这不仅给国民经济造成了很大损失，而且使我国本已 紧张的供电形势更加不利，制约了经济的快速发展。 目前，我国大型电站的过热系统存在两个突出的问题”1 ：一是某些机组的受热面管子因超温频频 发生爆管事故，严重威胁机组的安全运行；二是某些机组的过热器虽然没有发生爆管事故，但是由 于设计时采用了高质量流速，整体采用高档合金钢，使得机组制造成本增加以及机组运行经济性变 差。我国制造的某些机组高档台金钢的使用量往往大于从国外引进的同类机组，这对于我国的机组 在国际电力市场中的竞争也是一个极为不利的因素。我国许多锅炉制造厂普遍采用原苏联热力计算 标准方法来计算壁温，这种方法对于过去容量小、参数低的锅炉机组来说，计算结果还比较正确， 但是对于现代大容量、高参数的电站锅炉来说，不可避免地带来一些问题。现代大型机组的发展有 以下几大特点”1 ： ( 1 ) 由于炉膛受热面相对减少，过热器、再热器受热面前移，这些高温受热面工作在比以往更高 的烟温区； ( 2 ) 现代锅炉普遍采用布置在炉膛上部的屏式过热器，由于辐射热分布极不均匀，容易造成较大 的同屏热偏差； ( 3 ) 随机组容量增大，炉膛宽度相对减少，为防j l 受热面结渣和积灰而必然放大管柬的横向= 何距， 同时还要增加同屏管子的套数，于是增加了同屏热偏差的幅度； ( 4 ) 由于炉膛相对宽度减少以及简化系统等原因，各级受热面之间往往采用大口径管道连接，从 而可能加大沿集箱轴向流量分布的不均匀性； ( 5 ) 由于沿对流烟道高度方向的尺寸增加，上卜部分之间的烟温偏差对壁温的影响不可忽视： ( 6 ) 现代高温受热面管子普遍采用变管径或采州节流两来调整同屏流量偏差以便控制壁温。 正是由于大型机组具有上述特点，原有的热偏差及壁温计算方法已不适应。犬量运行实践表明， 采用以往计算方法设计的受热面最大允许壁温往往偏低，而且壁温变化规律不合理，甚至同国外先 进设计结果相反。因此，分析研究锅炉高温受热面产生热偏差的机理与原因，改善原有的热偏差计 算方法，以便获得高温受热面管子的真实壁温，从根本上采取相应措施，减少或防止高温受热面的 超温爆管事故的发生，具有非常重要的实际意义。 1 2 国内外研究成果与发展动态”1 四角布置切向燃烧锅炉是我国大型火力发屯厂的主要炉型，这种锅炉的优点是煤粉湍流混合度 强、燃烧效率高、煤种适应性广。但是由于炉内环状气流螺旋上升至炉膛出口时存在较大的残余旋 转造成沿烟道宽度方向的烟速烟温偏差，以及因集箱联接方式、涡流等原因造成的并联管屏流量分 布不均和同屏各管吸热不均，经常引起受热面局部超温爆管事故的发生。 多年来，国内锅炉技术人员对切向燃烧锅炉的热偏差问题进行了不断的探讨和研究，取得了不 少的成果。就炉内气流残余旋转引起的烟速烟温偏差问题，许多学者采用模化试验和数值模拟的方 法，进行了大量的实验研究和技术攻关，对炉侧引起热偏差的机理有了进一步的认识，并获得一些 通过优化燃烧系统减小热偏差的可行性方案。就锅内侧因素如网集箱轴向静压分布不均造成的管屏 东南大学硕士论文 间流量偏差和同屏各管阻力不均导致的管间流量偏差问题，国内学者做了比较深入的研究工作，获 得了较为成熟的理论成果，并运用于实践，取得了可观的经济效益。对于带等径三通结构集箱中蒸 汽的涡流问题，国内做了初步的试验研究，由于其复杂性，还有待进一步地深入研究。对于大量采 用的异径三通引起的涡流问题和过热系统的优化设计问题，没有进行全面的科研攻关。国外对这些 问题虽开展过一些工作，但涉及的广度和深度有限。导致过热器局部超温爆管的原因复杂多样，它 与燃烧方式、受热面结构设计，各级受热面系统布置形式、管壁材料选用及锅炉运行工况等因素都 有关系，如何保证过热器和再热器安全运行愈加成为锅炉设计和运行中的难题。综合考虑引起热偏 差的各种因素，准确计算管子出口汽温和危险部位的壁温，是过热器和再热器超温爆管事故分析、 改造的技术关键；同时，也是锅炉制造厂家提高锅炉设计水平的重要环节。 1 3 课题研究的内容与方法 l _ 3 1 课题研究内容 引起锅炉过热器受热面热偏差、造成超温爆管事故的原因复杂多样，为系统分析与研究热偏 差的成因和因素的影响规律，课题布置了以下内容： 1 烟气侧烟温偏差和蒸汽侧流量偏差的分析与研究 ( 1 ) 典型燃烧方式下的烟气侧热偏差分析，以四角切向燃烧方式为重点，具体分析造成烟速、 烟温偏差的炉内燃烧过程特点，涉及炉膛结构特点及尺寸，燃烧器结构、系统布置及层数投停方式 和运行中燃料、空气配送均匀性、合理性，燃料特性以及炉内气流动力场等燃烧凋整状况。 ( 2 ) 蒸汽侧流量偏差的因素分析，包括受热面集箱引入、引出方式不当造成的屏( 片) 间流量 偏差和同屏备管罔因阻力特性不同引起的流量分配不均以及因吸热不均引起的流量不均。 2 屏式过热器、高温过热器及高温再热器热偏差和壁温数值计算方法的分析与研究 包括建立受热面合理的蒸汽流量分配计算模型、热偏差计算模型、壁温计算模型以及数值计算 方法的实现等。 3 在引起热偏差机理的定性分析和定量数值计算研究基础上，提出减小受热面热偏差、防止超 温爆管的相对措施，并论证其可行性。 3 1 2 课题采用的技术思路 论文以热偏差的综合理论研究成果为基础，从工程应用角度出发，采用适台的数值计算方法， 以s g l 0 2 5 t h 亚临界压力直流锅炉为例，进行相关的计算分析。具体思路如下： 1 以理论分析为主，结合大型实例锅炉，进行分析、计算、验证。 2 做好资料、数据的收集与分析工作，在引起过热系统热偏差原因的系统研究基础之上，建立 合理的热偏差及壁温计算模型，制定科学的数值计算方法，以求能够获得比较准确的管屏壁温分布， 确定过热系统受热面的危险部位，以便采取相应的措施减少或防止事故的发生。 3 在条件允许下，利用实测数据，检验计算结果的正确性，并完成本课题的剩余工作。 3 1 3 本课题的关键问题 由于引起过热系统热偏差的因素复杂，如何综合考虑各种因素对热偏差的影响，建立合理的热 偏差及壁温计算数学模型，计算_ ：质出口汽温和管壁温度，准确判断受热面的危险部位，成为本课 题的核心工作。主要难点有以下几点： 1 过热器受热面因布置位置不同，加之炉膛出口及对流烟道烟速、烟温偏差接受高温烟气的 辐射热和对流热不同，尤其同屏( 片) 管圈不同管段吸热量差别不容忽视，建立符合受热面传热过 程本质特点的传热模型，准确计算受热面的热负荷，是热偏差问题的关键之一。 2 过热器受热面一方面因集箱连接管引入、引出方式不同，沿集箱轴向方向上静压发生较大变 化，导致管屏间的流量分布不均；另一方面，同屏各管圈结构、比变、管径等不同，导致同屏各管 东南大学硕士论文 圈流量偏差。建立反映集箱静压分布特点的合理方程、准确计算各管流量是计算热偏差问题的另一 关键。 3 由于管子热负荷和流量并非总是匹配，准确计算各管圈壁温分布，确定受热面的危险部位， 实施改造方案，达到减少或预防超温爆管事故发生是本文研究的目的。 东南大学硕士论文 2 1 概述 第二章锅炉热偏差的理论研究 锅炉受压部件各级受热面如水冷壁、过热器、再热器和省煤器等一般都有许多并联的管子组成。 下列因素使这些并联管段某处中间点处介质温度或管子出口介质温度不同，这种现象就称为热偏差。 引起热偏差的主要因素有以下几点”： ( 1 ) 并联各管的管内介质流量不同； ( 2 ) 沿烟道宽度各列管子的吸热量不同，热负荷分配不均是由于沿烟道宽度烟气温度及速度分布 不均引起的； ( 3 ) 沿同屏( 片) 各管的吸热量不同，这主要由于同屏( 片) 各管的受热条件不同引起的； ( 4 ) 并联各管的长度或结构有所不同； ( 5 ) 由前级受热面的热偏差传递到该级受热面，使其并联各管进口介质温度不相同。 除了上述引起热偏差的设计及结构方面的原因外，在锅炉机组的运行过程中，一些非正常的运 行状况也会引起热偏差现象或加剧热偏差的幅度，例如火焰中心偏移、煤种变化、燃烧不正常、高 压加热器切除、过量空气系数过高等原因都可能使对流烟道中的烟温升高，使过热器的喷水量增加， 造成喷水点前各级受热面的介质温度高于设计值。这些因素也会对管子金属壁温的超温起到一定的 不利作用。 大型电站锅炉尤其是四角切向燃烧煤粉锅炉的热偏差问题随机组容量增大日趋严重，因热偏差 造成的受热面超温爆管事故频频发生，严重影响了发电厂的安全运行，给发电行业造成了相当大的 经济损失。因此，国内人员对热偏差的成因进行了多年的探索和研究，获得大量关于热偏差成因的 宝贵理论。多年的理论研究及锅炉运行实践证明，造成热偏差的主要原因可以归结为两大方面的原 因”1 ：一是炉内燃烧方面的原因，如与切向燃烧方式直接有关的炉内空气动力场所导致的烟速烟温 偏差咀及燃烧工况出现一些非正常因素引起的烟气偏流、结渣等问题；二是锅内方面的原因，如受 热面因集箱布置型式不当和集箱三通涡流医引起的工质流量分布偏差以及并联管子几何特性差异引 起的同屏流量偏差等。 当管子的热偏差系数大于允许值时，偏差管的金属壁温将比平均值高出很多，将会危及到锅炉 运行的可靠性。大型电站锅炉过热器再热器经常发生的局部超温爆管事故多是由上述原因造成的。 因此，研究引起热偏差的机理与原因，是准确进行受热面热偏差及壁温计算、进而获得有效减小热 偏差措施的理论前提。 2 2 过热器热偏差的概念叙述n ， 由于设计和运行等因素的影响，在过热器、再热器管组中并联各根管子吸热量、介质流量及管 子阻力系数存在差别，使得各根管子中的蒸汽焓增也就各不相同，于是管子内工质温度亦不相同， 这种现象就称为过热器和再热器的热偏差。为了分析备根管子的热偏差程度大小，为此引入平均管、 偏差管及热偏差系数的定义。管子焓增等于管组平均焓增的管子称为平均管；焓增大于管组平均焓 增的管子，称为偏差管。 管子热偏差的程度人小就用热偏差系数p 来表示，系数p 定义为： p ：生( 2 1 ) 觇 式子中脚标0 币p 分别表示整个管组的平均值和所检测管子( “偏差管”) 的特定值。 在式2 1 中： 。一偏差管焓增； 4 东南大学硕士论文 h h o 一管组平均含增； 如以脚标l 和2 分别表示管圈进出i z i 的数值，则有： 地： 2 。一啊。：_ q o h o l r h h p = 2 p h i p = 等 ( 2 2 ) u p 其中：q 。、h 。、g 。一分别表示管组受热面的外壁平均热负荷、平均受热面积和平均工质流量； q 。、h ，、g ，一分别表示偏差管受热面的外壁热负荷、受热面积和工质流量e 由式2 1 和2 2 可以得到： 旷生生当：坐 ( 2 3 ) q 。爿。u p g 口 式子中q 。= q 。q 。，q “= h j h 。和ng = 6 ，g o 分别称为热负荷不均匀系数，结构不均匀系数和流量不均匀 系数。 从热偏差系数定义表达式可以看出，热偏差系数p 大小是表征偏差管焓增偏离管组平均焓增的 大小程度，p 越大，表示偏差管段内工质温度偏离管组工质平均温度的程度越大，该管段的的焓增 越大，管段金属平均壁温越高。一旦偏差管某处热偏差系数p 大于管材允许的容许热偏差系数p 。 该点便成为危险点，甚而导致局部爆管泄漏。从式2 3 可以知道，过热器、再热器热偏差主要是由 吸热、流量和结构三方面的不均因素引起的，这些因素如何引起热偏差以及对熟偏差影响的程度将 在下面小节中详细分析与研究。 2 3 烟气侧热偏差的原因 四角切向燃烧锅炉是我国目前大型火电厂的主要炉型，这种炉型凭其炉内火焰充满度高、风粉 混合强烈、煤种适应性强、煤粉燃尽度高等系列优点被普遍采用。但随着机组容量的增大，四角切 向燃烧锅炉过热系统的局部超温爆管问题比较突出。研究发现其对流烟道左右两侧的烟温偏差非常 明显，多数锅炉烟温偏差达到1 0 0 以上，有的甚至高达2 7 0 c 以上”1 。对流烟道烟速烟温偏差是受 热面沿烟道宽度吸热不均、导致热偏差的一个重要原因。而引起对流烟道烟速烟温偏差的一个重要 原因就是炉膛出口存在的残余旋转。此外，锅炉运行中出现的非正常工况也会引起或加剧烟气侧热 偏差。 2 3 1 残余旋转形成的机理分析”“” 大量炉内冷态模化试验及数值模拟结果表明，烟速烟温偏差与炉膛内强烈旋转的气流在炉膛高 度方向上的耗散规律及气流在屏区的流动规律有直接的关系。四股风粉射流从四角切向高速射入炉 膛内，在炉膛内形成一个自下而上运动的螺旋状旋涡，炉内旋涡的运动过程有以f 几个特点： 1 在燃烧器区域 在燃烧器区域，燃烧气流形成较为强烈的旋转旋涡，气流的旋转动量矩整体呈现上下低、中间 高的分布，在燃烧器区域中部，炉内气流的旋转动量矩晟大。因为随着燃烧器喷口射流的逐层投入， 炉内气流旋转动量矩逐渐增加，到达一定的高度后，炉内旋转动量矩达到最大值；而燃烧器上部喷 口的旋转气流由于带动炉膛上部气流的旋转，并不断卷吸周嗣烟气旋转强度逐渐减小。 2 在燃烧器上沿至折焰角的上炉膛区域 在燃烧器区域以上的炉膛内，炉内气流的旋转动量矩沿炉膛高度逐渐衰减，在炉膛高度的前、r 东南大学硕士论文 程气流衰减的速度较快，在后半程衰减速度相对较慢。旋转气流在燃烧器区域已经形成气流贴 壁，且壁面附近气流流速基本相同，形成个贴壁气流环，旋转气流在离开燃烧器区域很短的距离 便进入了轴向旋涡运动区此区域内，中心部分是向下的旋涡运动，近壁的外圈是上升的旋涡运动。 气流旋转强度衰减情况可以用角动量流率表示，也可用涡动力学的涡管强度。来表示，其大小 等于涡管中某截曲面的涡通量： q =( 2 4 ) 式2 4 中； q 一涡管强度( m 2 s ) ； 面一涡量( r a d s ) ，可以定义为流体微团绕其中心作刚性旋转的角速度的两倍： s 一涡管的任意截曲面( m 1 ) ： 厅一该截面的法向单位矢量。 应用斯托克斯公式简化式2 4 ： q = i i 矛亓d s = d v d l ( 2 5 ) 。j jt i 式2 5 中：c 一表示截曲面的周界( m ) ： 矿一表示周界上某点处的速度矢量( m s ) ； 讲一表示周界上某点处的长度矢量( m ) ： d 聊一表示为速度环量，近似认为在实际切圆上各处切向速度相等，则： t f = d v d t - - vc a l( 2 6 ) 止t 式2 6 中：r 一速度环量( m 2 s ) ： v 一实际切圆上的平均切向速度( m s ) ； 讲一实际切圆某点处的微分长度c m ) 。 由于气流贴壁，可以用速度环量r 来表征气流旋转强度。 在上部炉膛空间，由于不受四角射流的约束，炉内旋转气流沿高度方向不断向外扩展，气流最 大切向速度靠近炉壁，实际切圆直径变大，且气流切向速度沿炉膛高度方向不断减小，即炉内气流 旋转强度沿炉膛高度逐渐衰减。到折焰角区域，气流旋转强度的衰减又明显加快，因为折焰角使炉 膛出口流通截面减少，气流向炉前流动。增加了气流问的动量交换和能量耗散，但气流仍存在较大 的切向速度，亦存在较大的旋转残余强度。 3 在炉膛上部屏区 旋转气流经过不断衰减后，进入炉膛上部的屏区，旋转的气流，在进入屏区时仍有很大的旋转残 余。大型锅炉一般在炉膛上部区域布置分割屏，以便对旋转残余起到一定程度的分割与消旋作用， 但作用仍然有限。屏区气流的流动呈现以下几个特点： ( 1 ) 在炉膛水平截面上，切圆形状不再规则。从炉膛中心到前墙区域内，气流做类似切圆运动， 气流贴壁明显：而后墙区域，旋转的气流主要流向炉后方向。 ( 2 ) 前墙壁面附近区域，气流速度很高，但屏间流速相对低，而且左、右侧墙附近通道中的流速 远大于其余通道内的流速。 ( 3 ) 左、右侧墙附近通道中的气流流动状况差异较大，左侧气流速度方向指向炉前，并有一低速 回流区；右侧气流速度指向炉后方。 对于逆时针旋转气流，屏区气流上述特点使一部分气流通过分割屏与前墙之间较大的空隙进入 屏区右侧，加剧了气流在屏区和对流烟道内左右两侧速度分布的不均匀性。 总之螺旋上升的烟气流经过上述三个阶段的衰减，至炉膛出口处仍然残留较大的旋转趋势是 造成对流烟道烟速、烟温偏差的主要原因。 东南大学硕士论文 2 3 2 影响残余旋转强度的主要因素“+ “1 炉膛出口气流的残余旋转强度，可以用两个旋转动量矩比值c ：t 来评价： 盯= f w u t2 咖肛r w 2 胁 ( 27 ) 式2 7 中： r 一炉膛截面平均宽度的一半( m ) ： u 烟气轴向速度( m s ) ： w 烟气切向速度( m s ) ： r 一气流旋转半径( m ) 。 该式中分子f w u rd r 表示炉膛某一截面上烟气的残余旋转动量矩，分母rf w 2 r d r 表示燃烧 器断面上全部气流的旋转动量矩，按理想情况计算其最大值。比值口表示某截面上的残余旋转动量 矩占炉膛内最大旋转动量矩的份额，一般情况下由炉内气流的衰减特性决定。盯= o 表示没有残余旋 转；盯越大说明残余旋转占有的份额越大。在已知气流速度分布条件下，可以积分求出其大小。 从式2 7 分析知，如果燃烧切圆直径增大， 因分子fw “r 2 d r 中含有r 。项而增大得要比分母 w 尺1w 2 r 出快，从而使炉膛山口气流残余旋转强度增大。由四角切圆燃烧的特点知道，炉内实际切 m 圆直径大小取决于假想切圆直径大小、一次风与二次风的动量比、二次风配风方式、燃烧器摆角大 小、燃烧器结构特性、多层燃烧层中各层的速度比、炉膛截面形状及锅炉负荷等因素。对其中的因 素有以下分析： ( 1 ) 假想切圆直径越大，实际切圆直径亦越大，则炉膛山口气流的残余旋转强度越大。 ( 2 ) 二次风与一次风的动量比越大，则同角二次风射流对一次风的引射作用大，同时上游二次风 射流对一次风的外推力作用大，使实际切圆直径变大，从而炉膛出口气流残余旋转强度增人。 ( 3 ) 锅炉负荷降低时，部分燃烧器停运，炉内气流旋转的外推力减小，使炉内实际切圆直径变小。 因此，低负荷工况下的炉膛出口气流残余旋转强度相对高负荷下减小。 ( 4 ) 燃烧器摆动时，燃烧器喷口喷出的高速射流与水平面形成一定的夹角，形成垂直和水平方向 的分速度，由于水平分速度和切向旋转动量距减小，使外推力减小，实际切凰j 直径减少，炉膛出口 气流的残余旋转强度也就减小。 此外，降低一次风速、增大燃烧器喷口高宽比、采用上大下小的二次风配风方式亦会增加切圆 直径，使炉膛出口气流的残余旋转增强。 总之，凡是增大炉内切圆直径的因素，尤其是增大燃烧器上部切圆直径的因素，都会使炉膛出 口气流的残余旋转增大。 以上理论分析是如何采取有效措施消除或减弱炉膛出口气流残余旋转的理论依据。 2 3 3 烟速偏差形成机理 由炉内气流流动特点知道，进入屏区的 气流轴向上升速度沿炉宽方向基本上是左 右对称的，左右两侧速度高，中部速度低， 这样进入屏区中间通道的气流流量小，流速 低，而进入屏区左右两侧通道的气流流量 大，流速高“”。对于炉内左侧气流，其切 向速度方向与对流烟道烟气流动方向相反， 在轴向上升速度的作_ 【；f r ，气流流向炉前方 向，由于前墙的阻挡作州，人部分烟气经屏 炉 前 方 向 轴 向 上 升 速 度 切1 蛐堑 图2 一l ( a ) 左侧气流 轴 向 上 升 速 度 炉 后 方 向 剀向速度 图2 1 ( b ) 右侧气流 东南大学硕士论文 区上部转向流入对流烟道，一部分烟气则经过分割屏与 前墙的间隙绕流至屏区右侧。而右侧气流由于切向速度 方向指向炉后，气流在进入屏区后上升很短的高度就进 入对流烟道，相对左侧气流而言，右侧气流发生了“短 路”。屏区左右两侧气流流动示意图如图2 - l ( a ) 和( b ) 所示，这样就造成炉膛出口截面上总体形成右侧烟速大 于左侧的分布状况，而且整个截面上的速度分布实质上 是沿高度和宽度方向上均呈现明显的不均匀性，也就是 在对流烟道入口截面的下部，右侧烟气平均速度显著人 于左侧，而在上部则是左侧气流平均速度大于右侧，最 大烟气流速出现在水平烟道的右下侧。因此，对流烟道 内形成左右两侧烟气速度偏差的根本原因是由于炉膛上 升旋转气流的残余旋转导致烟气在屏区左右两侧的流动 差异，造成了烟气速度沿炉膛高度和宽度方向上的不均 性。 后涵道 f f 挺01 们下兀打m m - 一燕：_ 厂i 厂篇纠淌。 n 蜷。己 、蠢乏二7 图2 2 对流烟道烟速偏差形成机理 同样可以借助烟气沿烟道宽度方向上的动量分布特 点直观理解烟速偏差的形成机理“。炉内气流旋转动量设为乩，从右侧进入对流烟道时的动量m 。= ， 且流向相同，由前向厉。从右向左至烟道中部，气流逐渐斜向进入烟道。向后流的烟气动量逐渐减 小；从左侧进入对流烟道的气流由斜向逐渐变成反向，其动量也变为负值。假设划道宽度上的阻力 系数相等，送、引风机的牵引动量为地，且沿烟道宽度等值分布且大于乩，那么，沿对流则道宽度 的动量m 曲线就是m ，和比合成后的分布曲线，如图2 2 所示，左右两侧合成矢量不等，右侧为 l ，+ 地， 而左侧为m ! 一坻，中间因受斜向气流干涉形成曲线，阏此造成左、右两侧较大的速度梯度。 2 3 4 对流烟道两侧烟温偏差形成机理 在水平烟道宽度方向的烟速偏差必然会引起沿宽度方向的烟温偏差，烟速高的区域烟温亦高； 反之，烟速低的区域烟温也低”“。原冈是烟速低的烟气通过某一跃度的烟遵所用的时间大丁：烟速高 的烟气通过这一长度的烟道所用的时间，因此每公斤烟气放出的热量多，温降人，划温明显就相对 低。可以用定量的数学计算公式来分析。 每千克烟气通过长度为l 的烟气通道后放出的热量为： q ，= q j4 - q ， = a d f d qv t b j 忙+ sb d ff b ：一a y t ；k = k w ：“r qv t ，) l i wv + b o f ；啦j ：一a y t ：、l | w ； = k f j ( l 一五) l i 吖“3 + 矗。巧 。，? 一a y 玎) l i ， ( 2 8 ) 式2 8 中：矿一烟气流速； 口，一烟气对流放热系数，且口，= k 矿o ，烟气的对流放热系数正比于烟速的o 6 6 7 次方( 雷诺数r e 1 0 1 0 。) ； f ，、f ，一对流受热、辐射受热面积； r ，、l 一烟气温度、受热面表面温度； k 、s ”民4 - 、爿。一传热计算中的相关参数。 由式2 8 可以看山，烟气流速越高，通过等长度的传热通道时每千克烟气放山的热量越少，烟 气湍降就小，该烟气山口温度就越高，也就是水平烟道烟速高的区域其烟温也高。上式两边同时乘 以烟气流量w ，s ，就得到流过该烟气通道的烟气的总放热量，即： 东南大学硕士论文 以烟气流量w , s ，就得到流过该烟气通道的烟气的总放热量，即 9 ：= 峨( 巧一瓦) 矽”船+ 岛哆( 勺g - d y 彳) l s ( 2 ，9 ) 从式2 8 和2 9 可以知道，烟速高的区域每千克烟气放出的热量虽然小于烟速低的区域，但烟 速高的区域烟气流量大，烟气对流放热系数na 大，且烟气平均温度高，传热温压出也大，因此烟 速高的区域烟气总的放热量却是大于烟速低的区域。锅炉多年运行实践也表明，炉内气流呈逆时针 旋转的锅炉，其水平烟道右侧下部属高速高温区，受热面吸收的烟气热量最多，因而右侧的蒸汽温 度要高于左侧，右下侧的管壁温度也是最高，经常处于危险状况，尤其右下侧最外圈管子的向火面 是经常容易发生超温爆管的部位。 总之，炉膛出口气流存在的残余旋转是造成对流烟道左右两侧烟速偏差、进而引起对流烟道烟 温偏差和受热面吸热不均的主要原因。 2 3 5 影响烟温偏差大小的因素 现代锅炉向大容量、高参数发展，炉膛断面和烟道宽度相应增大，炉膛火焰中心容易发生偏斜， 炉内沿高度及宽度的热负荷分布不均，而且随容量的增加，炉膛出e 1 气流残余旋转相应增大，致使 对流烟道内的烟速烟温偏差更加严重。大量锅炉局部超温分析表明，烟温偏差是造成受熟面超温爆 管的一个主要原因，因此有必要对影响烟温偏差大小的因素进行一定的分析。 影响烟温偏差大小的因素可以归结为两方面，即炉膛结构设计和运行工况因素： 1 炉膛结构因素“”2 ” ( 1 ) 炉膛断面形状 燃烧器四角布置切向燃烧的炉膛，若炉膛断面设 计成正方形或接近正方形，即炉膛宽深比a b 1 2 时，射流两侧的补气条件就会发生显著 的差异，射流卷吸烟气后将使两侧的压力差别也大， 从而使射流偏斜，不但燃烧的实际切圆直径增大，而 且火焰中心也易发生偏移，炉内四面水冷壁的热负荷 分布不均变大；加之炉膛出口气流残余扭转增大，烟 道中划速烟温偏差增大，使烟道中的过热器再热器的 汽温偏差增大。 ( 2 ) 炉膛燃烧高度 图2 - 3 炉膛燃烧器处断面形状 烟温偏差与燃烧器最上层含粉气流喷口至水平烟道r 沿的距离h 有关，h 越大，炉膛水冷壁受 热面的冷却能力越强，气流旋转衰减的历程越欧，炉膛出口残余旋转越小，炉膛出e i 平均烟温越低， 烟温偏差就越小。此外，烟温偏差的大小与炉膛深度和水平烟道高度的比值也有一定的关系。 ( 3 ) 燃烧假想切圆直径 国内外的试验及运行实践证实，切向燃烧炉膛中的实际切圆直径远比设计值大，且实际切圆直 径随假想切圆直径增大而增大。切圆直径增大，有利于煤粉气流着火和燃尽，但过大的切圆直径易 使气流偏斜贴壁，残余旋转过大，使烟温、汽温偏差增加。 ( 4 ) 烟气走廊 对流烟道中过热器和再热器受热面下沿与烟道底部壁面之间通常存在比较大的空隙，即所谓的 烟气走廊，由于此区域的阻力较小，从炉膛出口流出的部分烟气流向这里，使该处的烟速烟温偏差 加大。 9 东南大学硕士论文 2 运行工况因素2 “3 1 ( 1 ) 运行方式 在锅炉运行中，运行人员通常为了提高汽温，过多投运上部火嘴，配风方式多采用正塔型，使 火焰中心上移，炉膛出口温度上升，加剧炉膛出口烟温偏差。 ( 2 ) 燃烧煤种偏离设计煤种 锅炉煤种的变化，对烟温偏差也有影响。燃烧煤种的水份、灰份增加，挥发份减少，发热量降 低，煤粉着火困难，煤粉着火推迟，火焰拖长且火焰中心上移，炉膛出口烟温偏差也会增大。 ( 3 ) 一、二次风配风比 根据国内四角布置的直流煤粉燃烧器设计原理知，燃烧器的一、二次风风速比与煤粉的可燃基 挥发份矿有一定的关系： 詈= ( 矗一七：y ) 屯k k ( 2 l o ) 式2 1 0 中：国，万，一分别为一、二次风速( m s ) ： k ，k 一分别为一、二次风量百分比( ) ； 热风送粉：v r ( 1 0 时，k t = 6 1 6 8 k 2 = o 1 3 5 ，k 3 = 1 ： 干燥剂送粉：k f 6 7 8 7 ，k ：= o 1 3 5 ，k 。为空气与把煤干燥后的湿空气之比。 由式2 1 0 可知，一、二次风配风比在实际运行操作中易受燃烧环境、负荷变化、气温变化等外 界因素的影响，一、二次风压风速不好控制，一、二次风量比易发生变化，这些变化将影响射流两 侧的补气条件和射流的刚性，最终影响到燃烧的实际切圆真径。显然，实际燃烧切圆直径大于设计 值，炉膛出口的残余旋转增加，烟速烟温偏差必然增加。 ( 4 ) 燃烧器四角风粉不均匀 四角风粉的均匀性对炉内燃烧工况优劣有重要的影响，运行过程中，由于煤粉仓粉位高低、煤 粉流动性及干燥度和输粉管的通畅性等原因造成四角给粉不均匀的情况比较常见。四角风粉不均， 会使炉内火焰中心偏斜和实际切圆直径增大，甚至火焰气流贴擘，造成炉壁局部结焦，致使炉膛出 口烟温偏差增加。 ( 5 ) 煤粉细度 锅炉运行中采用的煤粉细度是根据煤种的燃烧特性对煤粉细度的要求与磨煤机运行经济性两方 面进行综合的技术经济指标来确定的。煤粉较粗，不仅将影响煤粉着火的稳定性和燃尽度，而且将 使燃烧切圆直径增大和火焰中心上移，加剧了划温偏差的幅度。 ( 6 ) 三次风的影响 直流煤粉燃烧器的三次风喷口一般布置在燃烧器的最上层，又因三次风的特点是温度低、水分 多、煤粉细、风量大，对上部炉区主煤粉气流的燃烧和燃尽过程有显著的影响。某些机组的三次风 引入方式存在较大的不利影响，当磨煤机停、投组合变化时，炉内气流动力工况就会发生强烈的扰 动。不当的三次风引入方式会严重扰动上部炉膛气流，引起上辐射区、屏区和对流烟道内烟气偏流， 导致较大的烟速烟温偏差。 ( 7 ) 负荷变化快慢 由丁二电网调度的需要，机组负荷经常进行大幅度变化，如果燃烧器层数及磨煤机投、停调整不 当，会造成着火推迟和火焰中心上移等问题，使炉膛出口烟温上升，加剧炉膛出口的烟湿偏差。 总z ，由于影响炉内燃