（热能工程专业论文）加热炉自然循环汽化冷却水循环计算软件的开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 加热炉自然循环汽化冷却水循环计算软件的开发 摘要 随着计算机应用的普及，f 1 2 0 世纪7 0 年代起，国内就有关于水循环计算的程序，但 这些程序都存在功能单一、适用面窄、用户界面不友好、人机交互能力不强等缺点，不 能适应当今轧钢加热炉设计的要求。 为填补国内加热炉水循环计算此项的空白，本文以加热炉自然循环汽化冷却系统为 研究对象，综合了电站锅炉水动力计算方法和推钢式加热炉汽化冷却装置的经验，并结 合工程应用。采用v i s u a lb a s i c6 0 和a c c e s s2 0 0 0 来设计一套完整、通用加热炉自然 循环汽化冷却系统的水循环计算程序，从而改进加热炉汽化冷却系统的设计，并通过实 验数据对程序的计算结果进行了验证。 本程序能够计算汽化冷却系统的各种参数，主要包括：系统蒸发量、系统总热负荷、 汽化点所在的管段号、汽化点位置( 管段中水段长度与总管段长度的比值) 、系统总循 环流量、运行点的系统总循环倍率、汽包水的欠焓、各回路热负荷、蒸发量、临界流速 和实际循环流速、各管段的出口压力及进出口压差等。 本文利用程序对某加热炉系统进行了水循环计算，根据计算、分析结果的比较，计 算结果符合实际，并研究了操作参数对系统参数的影响，主要研究内容包括：汽包压力 对系统循环流速的影响、对系统循环流量影响、对蒸发量的影响及对汽包水欠焓的影响。 通过研究发现，汽包压力过高是不利于系统的安全运行的。其次又研究了热负荷对系统 参数的影响，主要包括：热负荷对循环流速的影响、对循环流量的影响、系统蒸发量的 影响、对循环倍率的影响。通过研究发现，随着热负荷的升高循环流速逐渐增加，这样 利于水循环的进行。但由于热负荷的升高会导致炉底管、上升管中质量含汽率的增加， 流动阻力的增加，从而有可能产生传热恶化的发生。 通过程序对汽化冷却系统进行分析，可以实现对汽化冷却系统的优化设计。 关键词：加热炉；汽化冷却：水循环；理论计算 i i 东北大学硕士学位论文 c a l c u l a t i o ns o f t w a r eo fe v a p o r a t i o nc o o l i n gw a t e rc i r c u l a t i o n f o rp u s ht y p i n gr e h e a t i n gf u r n a c e a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e r t h e r eh a v eb e e np r o g r a m so fw 鼬e rc i r c u l a t i o n s i n c e1 9 7 0 s b u tt h e s ep r o g r a m sh a v em a n yd e f e c t ss u c ha so n e f o l df u n c t i o n ，n a r r o w a p p l i c a b i l i t y ，u n f r i e n d l yi n t e r f a c eo fu s e r ，w e a ka l t e m m i o na b i l i t yb e t w e e n u s e ra n d c o m p u t e ra n ds oo n t h ed e f e c t so ft h es o f t w a r ec a n tm e e tt h en e e d so fr e h e a t i n gf u r n a c e d e s i g n t os u p p l yt h eg a po f p r o g r a m so f w a t e rc i r c u l a t i o nf o rr e h e a t i n gf l l l n a c e s ，t h i sa r t i c l e f o c u s e do f ft h ee v a p o r a t i o nc o o l i n gs y s t e mo fp o s i t i v ec i r c u l a t i o no fr e h e a t i n gf u r n a c ea n d d e s i g n e daw h o l ea n du n i v e r s a lw a t e rc i r c u l a t i o np r o g r a mf o ri tb yv i s u a lb a s i c6 0a n d a c c e s s2 0 0 0 ，w h i c hc a na m e l i o r a t et h ed e s i g no ft h ee v a p o r a t i o nc o o l i n gs y s t e mo f r e h e a t i n gf u r n a c e t h eh y d r a u l i cf o r m u l ai sd e d u c e db yc o m b i n i n gt h eh y d r a u l i cc o m p u t i n g m e t h o do f g e n e r a f i n gb o i l e rw i t ht h ee , x p e r i e n c eo f e v a p o r a t i o nc o o l i n ge q u i p m e n to f p u s h i n g r e h e a t i n gf u l l l a c e a l lk i n d so fp a r a m e t e ro fe v a p o r a t i o nc o o l i n gs y s t e mc a nb ew o r k e do u tt h r o u g ht h e p r o g r a m i tc o n t a i n s ：s y s t e ms t e a mo u t p u t ，t o t a ls y s t e mh e a tl o a d ，t h ep i p en u m b e ro f t h e b o i lo f p o m t ( t h er a t i oo f t h el e n g t ho f w a t e rp i p et ot h a to f a l lp i p e ) ，t o t a lc i r c u l a t i o nf l u x ， t o t a ls y s t e mc i r c u l a t i o nm u l 卸l e ，t h ew a t e re n t h a l p yo f d r u m ，r e l a t i v ee r r o r ，h e a ti o a da n d s t e a mo u t p u to fc a c hl o o p ，t h ec r i t i c a lv e l o c i t ya n dt h er e a lc i r c u l a t i o nv e l o c i t y ；t h eo u t e r p r e s s u r ea n dt h ep r e s s u r em a r g i no f e a c hp i p ei n l e ta n do u t l e to f e a c hp i p e a n dt h er e s u l t a b o u tt h es t u d yi sp r o v e db yt h et e s td a t aa n dt h ec o n t r a s tt ot h er e s u l to f m a n u a lc a l c u l a t i o n b a s e do nt h es t u d yo nt h ec a l c u l a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o no u t c o m e sa c c o r dw i t ht h e f a c t s a n dw i mt h ep r o g r a m ，t h ee f f e c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e ro ns y s t e mp a r a m e t e r si n d e x i ss t u d i e da tf i r s t ，a n dt h em a i ns t u d y i n gc o n t e n ti n c l u d e s ：t h ee f f e c to fd r u mp r e s s u r eo n s y s t e mc i r c u l a t i o nv e l o c i t yo ff l o w ， o ns y s t e mf l u xs y s t e ms t e a mo u t p u ta n dd r u mw a t e r e n t h a l p y b ys t u d y i n g ，w ef o u n dt h a ti ti sn o ta v a i lt ot h es a f e t yo fs y s t e mi ft h eh e i g h to f 1 1 1 东北大学硕士学位论文 d r u mi so v e r s i z e s e c o n d l y ，t h ee f f e c to f h e a tl o a do ns y s t e mp a r a m e t e r si ss t u d i e da n dt h e m a i ns t u d y i n gc o n t e n ti n c l u d e s ：t h ee f f e c to fh e a tl o a do i lc i r c u l a t i o nv e l o e i t y ，o n c i r c u l a t i o nf l u x ，s y s t e ms t e a mo u t p u t ，o nc i r c u l a t i o nm u l t i p l e b ys t u d y i n g ，t h ee u l t e n t v e l o c i t yi n c r e a s e dw i t ht h eh e a tl o a d ，w h i c hw a sp r o p i t i o u st ot h ew a t e rc i r c u l a t i o n b u tt h e i n c r e a s eo ft h eh e a tl o a dc a nl e a dt h ei n c r e a s eo ft h er a t eo fv a p o rc o n t e n ti nt h ef l o o rt u b e s a n dt h er i s e r sa n dr e s i s t i n gf o r c eo f t h ef l o w ，t h e nh e a tt r a n s f e rd e p r a v a t i o nm a yh a p p e n w i t l lt h ep r o g r a ms y s t e md e s i g no fh e a t i n gf u r n a g ee v a p o r a t i o nc o o l i n g c a nb e o p t i m i z e d k e yw o r d s ：r e h e a t i n gf u r n a c e ；e v a p o r a t i o nc o o l i n g ；w a t e rc i r c u l a t i o n ；t h e o r e t i c a l c a l e u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：t 晕钇 日期：训6 争卅l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 加热炉汽化冷却发展状况 2 0 世纪5 0 年代以前，在钢铁企业里高温冶金设备：如高炉、转炉、加热炉及其它 工艺设备的冷却，一直采用水冷却来保证工作的正常运行。采用这种冷却工艺虽有一定 的优点，但水、电消耗大，而且冷却水余热热能资源不能得到有效的利用。 2 0 世纪5 0 年代初期在工业上开始以汽化冷却工艺代替工业水冷却工艺。1 9 5 5 年苏 联在轧钢加热炉上成功使用了汽化冷却。后来相继运用在高炉、转炉等热力机组上。现 在汽化冷却技术己被公认为能够保证高温冶金设备长期运行的先进冷却系统。6 0 至7 0 年代，国内钢铁企业纷纷改水冷为汽冷，除了节水、节电以外，生产的蒸汽纳入供热管 网，减少了对锅炉蒸汽的需求，从而节约了燃料和减少锅炉房基建投资，取得了良好的 效益。如：一座1 0 0 t h 生产能力的连续式加热炉，水冷却方式下，每小时耗水量为5 0 0 t ， 采用汽化冷却方式后则只需1 2 1 5 t h ：一座2 3 0 0 中板加热炉采用水冷却方式时水的耗 量为2 0 0t h ，汽化冷却时只需8 1 0 饰。据统计，我国自从用汽化冷却方式替换水冷却 方式后，每年的耗水量由4 亿t 降为2 1 亿t ，节约用水1 9 亿t ：输水耗电由原来的1 5 亿度降为o 7 亿度，节约用电0 8 亿度。另据统计，前苏联自从用汽化冷却方式替换水 冷却方式后，每年可节省运行费用约5 0 0 0 万卢布( 合人民币1 2 3 亿元) 。美国于1 9 7 2 年 在水的控制法规紧急指导条款中明确规定采用汽化冷却方式替换水冷却方式，而且 在北美已开始实施：世界各国纷纷采用汽化冷却方式代替原来的水冷却方式，前西德、 1 3 本、法国、荷兰等国也相继研制和采用了汽化冷却技术l m 】；这是因为它不仅能节水、 节电，而且还能延长被冷却管道的使用寿命、提高钢坯的加热质量。对于调整、节约和 合理使用能源是一项有效的技术改革。目前，汽化冷却方式是炉底管道的最佳冷却方式， 所以绝大多数的加热炉都采用汽化冷却方式。 在我国的冶金企业中，加热炉的种类和形式很多，其中以推钢式连续加热炉最为广 泛。上世纪六十年代以前，我国推钢式加热炉炉底管的冷却方式基本采用水冷却，水冷 却需耗用大量的水且冷却水带走的热量不易回收。从上世纪六十年代开始，由于重视了 余热利用，在各钢铁企业开始采用汽化冷却技术，并且取得了明显的经济效益。在初期， 汽化冷却系统的循环方式为强制循环，随着技术的进步和经验的积累，强制循环方式逐 东北大学硕士学位论文第一章绪论 渐发展成为自然循环，在加热炉的汽化冷却系统中后来又出现了低位汽包布置、丁字支 撑管结构等新的技术特点，使得节能效果愈加显著。到上世纪八十年代末期，己经基本 上不再采用强制循环了。随着实践经验的逐步积累，推钢式加热炉汽化冷却技术国内已 比较成熟，应用也比较普遍，经多年实践证明可达到省电、省能、省水，能够将回收的 热量有效的加以利用，可以延长炉内冷却构件的寿命，减少被加热钢坯上的黑印，减少 加热炉生产事故，使加热炉运行更加安全可靠，汽化冷却系统运行稳定，事故率越来越 低，深受广大用户的欢迎 4 1 。 1 2 加热炉冷却方式的比较 加热炉采用汽化冷却的优点不仅仅在于使坯料的加热成本降低，还能提高炉子运行 的安全性，提高产品质量、降低一次能像消耗，减少环境污染。 1 2 1 能量的转换与利用 汽化冷却与水冷却的目的都是从被冷构件中带走热量，从而使被冷构件在金属材料 允许的温度下正常工作。然而水冷却最大的缺点在于水的允许温升受到限制，即a t = 2 0 。这是由于水的进水温度一般为2 0 3 0 u ，而出口水温不得超过5 0 ( 2 。若水温超过 5 0 ( 2 ，水中的c a 2 + 、m 矿+ 离子易形成水垢c a 0 - i c 0 3 ) 2 、c a c 0 2 、m g ( h c 0 3 ) 2 、m g c 0 3 附着在管内壁，并堵塞在加热炉的水冷构件内，造成局部过热，使这部分冷却构件易于 渗漏，造成炉底钢结构长期处于潮湿环境，加速了钢结构及步进机械的腐蚀，影响冷却 构件使用寿命，增加了维护保养成本。对于出水温度为5 0 c 的冷却水在工业上是没有 利用价值的。冷却水带走的热量难以回收，这对篚源是一种极大的浪费。 汽化冷却是用接近饱和温度的水通过被冷构件，使水吸热并部分汽化，最终生成汽 水混合物。这是一个由单相流动转变为两相流动的相变过程，其对流换热系数也由单相 流动的o 4 7 2 8 0 5 k w ( m 2 ) ，提高到两相流动的a = 1 1 6 3 k w ( m 2 - ) ，强化了热交换。 如，加热炉采用工业水冷却时，水的进出温差为2 0 ，则l k g 水从被冷构件上带走的热 量仅为8 3 7 3 6 k j ；改用汽化冷却后，若给水水温为2 0 * ( 2 ，在工作压力为1 6 m p a 下，其 饱和水焓为8 5 8 5 6 k j k g ，汽化潜热为1 9 3 3 2 k j k g ， 总吸热量为 q = 8 5 8 5 6 + 1 9 3 3 2 - 8 3 7 3 6 = 2 7 0 8 0 6 ，即l k g 水蒸汽吸收的总热量为2 7 0 8 0 6 k j ，是水冷却 吸热量的3 2 倍。也就是说，若要达到相同的冷却效果，则汽化冷却的用水量可仅为水 冷却用水量的1 3 0 4 j 。这不仅大大减少了用水量，而且汽化冷却系统生产的蒸汽又是工 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 业生产中必不可少的能源介质之一。从能源利用与回收方面来看，加热炉在消耗能源的 同时，又将部分能源转化为蒸汽，并得到回收、利用，从而大大节约了能源，减少了对 环境的污染【5 。 1 2 2 炉子运行的安全性 传统的水冷却方式除耗水量大、热量无法回收外，由于采用的是一般工业用水，当 炉子热负荷波动时，冷却水温也随着变化。当炉子达到高峰负荷时，冷却水温有可能超 过5 0 c ，炉子运行一段时间后，管内壁将附着水垢，造成局部过热丽使管壁烧穿，严 重地影响生产。而汽化冷却系统由于采用了软水作为冷却介质，避免水垢产生，解除了 后顾之优。 无论是哪种冷却方式，冷却管泄漏是影响炉子正常运行的主要原因之一。然而不同 的冷却方式，泄漏所造成的影响也大不相同。水冷却发生泄漏时是以水柱或水滴的形式 喷向炉内，吸热后汽化，从而使炉内局部炉温骤降，严重地影响了炉子运行，而且在检 修及更换冷却构件、升温再生产过程中，需要较长的时间，这对连续生产的轧钢厂来说， 将会造成很大的经济损失，例如，加热能力为5 0 t h 线材车间加热炉，每停产一天，将 少产优质线材l l o o t 左右，损失估计达3 0 0 万元天。为防止事故发生，必须定期停产清 洗系统管道，定期更换冷却部件，这不但增加了停产检修时间，还使生产成本大幅度上 升。有些厂也曾对循环水进行定期投药，以期望解决水质问题，但经过一段时间的使用， 仍不能彻底解决结垢及腐蚀问题 6 1 。采用汽化冷却时，当冷却管发生泄漏时，由于管中 的水处于沸腾状态，在泄漏处，蒸汽外漏压力降低，从而减缓了蒸汽外漏的速度，而且 是以雾状形式向外喷射。这与水冷却相比，在相同时间内，泄漏量将大大减少。相比之 下，汽化冷却系统比水冷却系统更为安全【5 】口 1 2 3 坯料的加热质量 加热的钢坯与水冷却梁接触处，由于冷却水温度低，而使钢坯产生黑印，影响轧制 质量，有时还可能引起轧制事故。而采用汽化冷却时，冷却粱表面温度比采用水冷却时 要高，减轻了坯料加热时形成的黑印，对加热坯料温度的均匀性有很大改善。另外，在 高硫环境中，由于冷却粱的壁温高于烟气露点温度，使构件避免了腐蚀0 1 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 业生产中必不可少的能源介质之一。从能源利用与回收方面来看，加热炉在消耗能源的 同时，又将部分能源转化为蒸汽，并得到回收、利用，从而大大节约了能源，减少了对 环境的污染 - ：- 7 1 。 1 2 2 炉子运行的安全性 传统的水冷却方式除耗水量大、热量无法回收外，由于采用的是一般工业用水，当 炉子熟负荷波动时，冷却永温也随着变化。当炉子达到高峰负荷时，冷却水温有可能超 过5 0 c ，炉子运行一段时间后，管内壁将附着水垢，造成局部过热而使管壁烧穿，严 重地影响生产。而汽化冷却系统由于采用了软水作为冷却介质，避免水垢产生，解除了 后顾之优。 无论是哪种冷却方式，冷却管泄漏是影响炉子正常运行的主要原因之一。然而不同 的冷却方式，泄漏所造成的影响也大不相同。水冷却发生泄漏时是以水柱或水滴的形式 喷向炉内，吸热后汽化，从而使炉内局部炉温骤降，严重地影响了炉子运行，而且在检 修及更换冷却构件、升温再生产过程中，需要较长的时间，这对连续生产的轧钢厂来说， 将会造成很大的经济损失，例如，加热能力为5 0 t h 线材车间加热炉，每停产一天，将 少产优质线材1 1 0 0 t 左右，损失估计达3 0 0 万元，天。为防止事故发生，必须定期停产清 洗系统管道，定期更换冷却部件，这不但增加了停产检修时间，还使生产成本大幅度上 升。有些厂也曾对循环水进行定期投药以期望解决水质问题，但经过一段时间的使用， 仍不能彻底解决结垢及腐蚀问题嘲。采用汽化冷却时，当冷却管发生泄漏时，由于管中 的水处于沸腾状态，在泄漏处，蒸汽外漏压力降低，从而减缓了蒸汽外漏的速度，而且 是以雾状形式向外喷射。这与水冷却相比，在相同时间内，泄漏量将大大减少。相比之 下，汽化冷却系统比水冷却系统更为安全d j 。 1 ，2 3 坯料的加热质量 加热的钢坯与水冷却梁接触处，由于冷却水温度低，j 酊使钢坯产生黑印，影响轧制 质量，有时还可能引起轧制事故。而采用汽化冷却时，冷却粱表面温度比采用水冷却时 要高，减轻了坯料加热时形成的黑印，对加热坯料温度的均匀性有很大改善。另外，在 高硫环境中，由于冷却粱的壁温高于烟气露点温度，使构件避免了腐蚀“。 高硫环境中，由于冷却粱的壁温高于烟气露点温度，使构件避免了腐蚀p ”】。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 加热炉汽化冷却系统组成 汽化冷却装置通常由若干回路组成。各回路不设共用管段称为简单回路，否则称为 复杂回路。 汽化冷却装置的水循环系统一般有单独下降单独上升，分组下降单独上升、集中下 降单独上升、分组下降分组上升和集中下降分组上升等五种典型系统【4 】。 ( 1 ) 单独下降单独上升系统 该系统的回路皆为简单回路，其特点是回路之间的水循环互不影响。但该系统的上 升与下降管道较多，系统复杂且不易布置。当汽包距离加热炉较远时，管道长度较大， 工程安装量大，钢材消耗及总投资较高；当汽包设在炉子附近或者炉顶上时，上升与下 降管线较短，可以采用采用这种布置方式。 ( 2 ) 分组下降单独上升系统 该系统将回路分组合并，每组由一根下降集管供水，而上升管仍按每个回路分别设 置。整个装置的回路，一般分为2 到3 组，即纵炉底管为一组，高温区横炉底管为一组， 低温区横炉底管为一组。对于回路较少的系统，也可将横炉底管回路合为一组。该系统 下降集管数量减少，系统简单。流动过程中各回路的水循环互相影响较小，基本上与单 独下降单独上升系统相似。 ( 3 ) 集中下降单独上升系统 该系统的全部回路仅由一根下降管集中供水，每个回路仍分设各自的上升管。为减 少水力偏差，下降集管一般用联箱与各回路相接。该系统多见于中型加热炉的汽化冷却， 由于下降管缩减为一根，上升管数量有限，故汽包与炉子之间的管路易于布置，各回路 之间的相互影响也不大。 ( 4 ) 分组下降分组上升系统 该系统将热负荷及炉底管的流动阻力较接近的几个回路并联成一组，每组设下降集 管与上升集管各一根，且管道较少，管路易于布置，工程量和投资也较小。且炉子两旁 宽敞，有利于检修与维护。 ( 5 ) 集中下降分组上升系统 该系统在分组下降分组上升系统的基础上进一步合并，全系统只由一根下降集管供 水。其特点基本上与分组下降分组上升系统相同。 以上简单介绍了五种典型的水循环系统及其特点，可供设计时参考。当采用有集管 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的系统时，设计中要注意并联回路之间的水力偏差闽题。对于绝热炉底管，由于各部分 绝热层脱落的程度不一样，以及各回路之间的热偏差也较大，在选用分组上升系统时， 各应特别注意各回路间的水力偏差问题，以保证热负荷较大的回路获得足够的供水量。 1 4 课题背景 加热炉采用汽化冷却，必须要安全可靠地运行，要达到安全就涉及到冷却构件和管 道等的膨胀问题、强度和材质的问题、各回路的流动是否正常问题、以及自动控制等问 题。这中间以各回路的流动是否正常最为重要，这就必须要进行符合实际的水循环计算。 由于流量与流体参数相互影响，因此水动力计算是比较繁锁而复杂的，而且在计算 过程中涉及到大量的变量、图表、公式，复杂的逻辑判断和大规模的迭代。过去一般采 用手工计算方法，耗时耗力，精度也很难得到保证，且易出错，不便于进行多个方案比 较。随着计算机应用的普及，自2 0 世纪7 0 年代起，国内就有关于水循环计算的程序。 早期的水循环计算程序通常采用f o r t r a n 或c 语言编制。这些语言虽然具有强大的计算 功能，并且使用也十分简单，但受其语言本身的限制，程序的输入和输出界面却很难做 得美观、易用。近年来又有采用m s - e x c e l 和面向对象语言( 如v b ，v c 语言) 编制的 软件。但这些程序通用性能不强，程序都存在功能单一、适用面窄( 不能对同时采用多 种异型截面的管段所组成的循环装置迸行水循环计算) 、用户界面不友好( 填表数据繁 琐、查错困难、计算结果不直观) 人机交互能力不强，软件功能也不够完备等缺点，不 能适应当今轧钢加热炉设计的要求。如用m s e x c e l 编制的水循环计算软件只能实现 水循环计算的半自动化，而且速度非常慢h 一”。 为填补国内加热炉水循环计算此项的空白，同时扩充和完善水循环计算的功能，使 之能对有多种异型截面管道所组成的循环装置进行同样的水循环计算，本文以推钢式加 热炉的自然循环汽化冷却系统为研究对象，结合工程应用，采用v i s u a lb a s i c6 0 1 1 2 - 1 5 1 和a c c e s s2 0 0 0 来设计一套完整、通用的加热炉自然循环汽化冷却系统的水循环计算程 序，从而改进加热炉汽化冷却系统的设计；同时，利用计算程序对汽化冷却系统进行模 拟，分析出系统参数及结构参数对系统工作的影响，从而达到加热炉汽化冷却系统的安 全高效运行。 1 5 论文的研究内容 论文主要研究以下内容： 一s 一 东j b 大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 水动力计算的方法 根据国内外的文献，总结推钢式加热炉汽化冷却装置的经验，并综合电站锅炉水动 力计算方法，研究适用加热炉内过程各工况下的水动力特性计算模型和计算方法。主要 有：单相流体局部阻力损失的计算方法、双相流体局部阻力损失的计算方法等。 ( 2 ) 计算程序设计与实现 采用v i s u a lb a s i c 编程方式，设计通用的推钢式加热炉水动力计算计算软件。软件 采用模块化设计，界面友好，运行可靠。 ( 3 ) 编写水和水蒸汽等的物性计算标准模块 水和水蒸气物性参数计算模型采用了最新的i a p w s i f 9 7 标准，它是水与水蒸汽 国际联合会于1 9 9 7 年通过的最新水与水蒸汽热力性质工业用公式( i a p w s i f 9 7 标 准) ，在给出某一状态点的一个或两个独立状态参数后，可快速而准确地算出其它未知 参数值 1 6 - 1 9 1 。 ( 4 ) 计算结果汇总与分析 借助调试好的计算软件，对某一推钢式加热炉各种运行工况下的水动力特性进行计 算。对计算结果进行、汇总，并进行分析，分析出系统参数及结构参数对系统工作的影响。 针对目前国内外推钢式加热炉的自然循环循环汽化冷却系统的运行参数，所研制的 软件可以完成以下基本功能： ( 1 ) 汽包的蒸汽压力可以是0 3 m p a 至s m p a 内的任意数值，每次计算一个压力工 况： ( 2 ) 可以进行任意个热负荷工况的计算，既可以根据给定的加热炉炉温，也可以 根据给定的热强度进行计算。当然，多种热负荷工况只能统一的按一种方式( 即炉温或 热强度任择其一) 给定计算条件； ( 3 ) 本程序增加了局部阻力系数的计算功能，方便了用户，提高了工效。 该软件通用性较强，功能较为全面，操作简便，可以模拟和校核不同汽包压力以及 不同的管径对工作指标的影响，可对加热炉通过水循环计算来进行各种方案的比较，对 各种方案的选择具有一定的指导作用，减少了盲目性，缩短了方案择优的时间也提高了 其可靠性，并为修改系统或指导运行提供分析研究的依据。软件中应用到的设计方法和 软件功能实现方法可为开发其它工程软件提供参考。 东北大学硕士学位论文 第二章加热炉汽化冷却基本理论 第二章加热炉汽化冷却基本理论 加热炉汽化冷却装置的水循环是否正常，对于装置以及加热炉运行的安全可靠性关 系很大。如果水循环失常，就可能使加热炉的冷却构件烧坏，或使汽化冷却装置发生强 烈震动而影响结构寿命和安全运行。因此，为了判断水循环是否正常，从而确定汽化冷 却装置的系统、布置和结构是否合理以及运行是否安全可靠和经济，在设计时进行水循 环计算是必要的。 水循环计算是按照稳定的运行工况进行计算的，即输入热量、蒸汽压力、给水焓等 随时间变动的运行参数。汽化冷却装置的输入热量，也就是加热炉冷却构件的热损失， 随加热炉的操作情况( 产量以及绝热材料完好程度等) 的不同，其变化很大。为确保汽 化冷却装置的安全可靠，至少应进行输入热量最大时的水循环计算。 水循环计算是按照初步假定的管道规格与走向进行计算的，通过计算，确定各回路 的流量，使之达到合适的循环流速、循环倍率、含汽率，以保证整个自然循环汽化冷却 装置安全运行，最终确定上述设备规格与管道结构。而水循环计算的内容和步骤比较繁 琐，为提高计算的效率和精度，以采用计算机为宜。本文提出的计算原则、基本方法和 计算的具体步骤主要针对计算机方法【2 】。 2 1 汽化冷却系统的基本原理 加热炉汽化冷却装置韵循环方式有两种：一是自然循环，二是强制循环。 自然循环是依靠下降管和上升管内工质( 水和汽水混合物) 的密度差形成的。其循环 系统是由汽包、下降管、炉底管和上升管组成一个回路，如图2 1 所示。根据下降管、上 升管与炉底管道的连接情况不同，汽化冷却系统可分为并联回路、串联回路。串联回路 就是每一根炉底管都有各自独立的上升管、下降管与汽包相连。并联回路则是几根炉底 管共用一裉上升管或下降管。在回路中，汽包中的水经下降管流入炉底管受热后，一部 分水变成蒸汽，于是在上升管中充满着汽水混合物，其密度较小。在炉底管两端产生了 不平衡的压力，促使工质能够克服阻力，形成由高压侧向低压侧流动。也就是在上升集 管中的汽水混合物向上流入汽包内，下降管中的水向下流入炉底管内，这样就形成了定 向的自然循环流动。当循环流量达到一定数值时，炉底管就可以获得充分冷却，而不至 于过热或被烧坏。如果汽包的高度和位置受到限制或由于其他原因，采用自然循环系统 ，7 东北大学硕士学位论文笫二章加热炉汽化冷却基本理论 幸 撼 l 一汽色l2 一下睥管# 3 一炉崴譬 l 一上舞酱 一静嘲融豁茬口；b 一炉扁管出口lh 一目斟 高度；o 一汽化意 图2 1 简单循环回路示意图 f i g 2 1t h ec i r c u l a t i o no f e v a p o r a t i v ec o o l i n gs y s t e m 难以获得冷却构件所需要的循环流速时，也可以采用强制循环。强制循环的动力是由循 环水泵产生的。循环水泵迫使工质产生从汽包经下降管、循环泵、炉底管和上升管，再 回到汽包的密闭循环。自然循环不需要循环水泵，也不要设置备用水冷却装置，不但具 有系统简单、维护方便，消耗电能少，工作安全可靠等优点，而且在遇到突然停电时， 也比较容易实现安全停炉。强制循环需要设置循环水泵和备用水冷却装置，由于系统复 杂，维护不便，消耗电能多，尤其遇到突然停电时，转换水冷却的操作较为繁杂，容易 造成停炉事故f 4 2 0 圳1 。 2 2 流动特性参数 进行水循环计算时，必须使用若干流动特性参数【4 2 2 1 ，本文中采用的流动特性参数 如下： ( 1 ) 质量流速9 0 质量流速是循环回路中单位截面上工质的质量流量，即 一8 东北失学硕士学位论文第二章加热炉汽化冷却基本理论 g 。：_ gk g 聊2 j | ( 2 1 ) 式中：g 工质的质量流量，即循环水量，堙，j 产一流通截面积，m 2 ( 2 ) 循环流速 循环流速是循环回路中，按饱和水密度折算的水速，即 t o o ：导；g oms(2-2) plp 式中；p 饱和水密度，k g m 3 ( 3 ) 质量含汽率石 汽水混合物中，蒸汽质量流量和汽水混合物的总质量流量的之比，称为质量含汽率 z ，即 x ：二d ( 2 3 ) g 、 式中：d 一汽水混合物中蒸汽的质量流量，k g s e 一汽水混合物的总质量流量，k g s ( 4 ) 循环倍率足 循环倍率是汽水混合物中循环水量与蒸汽质量流量的比值，即 足：旦：三 ( 2 4 ) dx 、。 从式中可以看出循环倍率是质量含汽率的倒数。 ( 5 ) 容积含汽率芦 容积含汽率是汽水混合物中蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量的比值，其计算如 下： 卢。嗣南2 忑1 i 任5 ， 式中i _ 气水混合物中蒸汽的质量流量，k g s 仔气水混合物的总质量流量，k g s 、饱和蒸汽和饱和水的密比容，m 3 瓜g 东北大学硕士学位论文第= - a t 加热妒汽化冷却基本理论 p ”、p 饱和蒸汽和饱和水的密度，k g m 3 r 员量含汽率 ( 6 ) 滑移比s 滑移比是汽水混合物流动中，蒸汽与水的实际流速的比值。原苏联奥斯马奇金提出 的滑移比计算公式如下： 刚+ 2 6 5 5 4 佤w o - , t ( 0 4 + f 1 2 ) ( l 1 一爿 w ol吩j 、7 式中：p r 一临界压力，p f - 2 2 1 2 m p a r 工质绝对压力， v i p a 卜容积含汽率 吐广一管段的水力学直径，1 1 1 w o 循环流速，m s 2 3 汽包水欠焓和质量含汽率的计算 计算汽水混合物在管内流动时的压差，须先计算质量含汽率；而计算质量含汽率时， 须先计算汽包水焓 4 1 。在实际计算中，汽包水焓通常是用汽包水欠焓来表达的。所谓汽 包水欠焓，就是在汽包压力下的饱和水焓与实际汽包水焓的差值，以f 表示。 2 3 1 汽包水欠焓 汽包水欠焓a i 按式( 2 6 ) 计算： 虻杀= 黯闷缒 式中：a z 汽化冷却装置的总热负荷，即各循环回路热负荷的总和，k w q 总循环流量，即各回路循环流量的总和，k g ，s f 汽包压力下的饱和蒸汽焓，k j k g 1 9 给水焓，k j k g i 汽包压力下的饱和水焓，k j k g 东北大学硕士学位论文第二章加热炉汽化冷却基本理论 k ：总循环倍率，即g ：与d 的比值，d 是总蒸发量，按下式计算： d ：粤，k s ( 2 - 8 ) j l g 对水循环系统的各个回路来说，汽包水焓是相同的，因此，在计算中，用于个回路 的汽包水欠焓也应该是相同的。 2 _ 3 2 质量含汽率 计算管段的质量含汽率，实际上是计算该管段的平均质量含汽率，因为，在汽化冷 却装置的水循环计算中，求压差所需要的质量含汽率是管段的平均值，而不是某一处的 数值。质量含汽率以x 表示，其意义已在上一节中说明。 对于全部为汽水混合物流动的管段，质量含汽率x 计算如下： x = 寺( “+ 昙) ( 2 - 9 ， 式中：f 。管段计算压力下的潜热，k j k g f ：管段计算压力下的饱和水焓，k j k g f 管段入口处的工质焓，k j k g q 一管段的热负荷，k w g 循环流量，k g s 2 4 流动阻力计算 工质在管内流动引起的压力损失称为流动损失。 流动损失有摩擦阻力及局部阻力两类。工质在直管内流动时，由于工质与管壁发生 摩擦而产生的压力损失称为摩擦阻力印。工质流动时，由于流通截面形状或流动方 向的改变而产生的压力损失称为局部阻力凸妒。 在循环管道中，流动的工质有单相( 水) 及两相( 汽水混合物) 两种情况，它们的 流动阻力的计算式不同的1 2 m 2 7 1 。综上所述，流动阻力的计算如下： 东北大学硕士学位论文第二章加热炉汽化冷却基本理论 2 4 1 摩擦阻力 ( 1 ) 单相流体的摩擦阻力损失的计算 屺。= 石t ( p w o ) 2 难筹譬- ， ( 2 - l o ) 式中：蛾。摩擦阻力，p a 三管段的长度，m p 计算压力下水的密度，k g m 3 w 0 一管内水的流速，r i d s 9 0 一管段单位面积质量流量，g 。= p w o = c f ，k g ，m 2 s 一管段计算压力下水的比容，计算压力取管段的入口压力，m 3 l ( g 旗r 管段的水力学直径，m j 管段摩擦阻力系数，因一般情况下，加热炉管子内的工质流动的雷诺数很 大，a 基本上都处在阻力平方范围内。可以用式( 2 - 1 1 ) 计算： 丑：_ _ ( 2 1 1 ) 4 ( 1 9 孚 2 。 r 管子粗糙度，计算中取f o 0 6 ，m m 伫q 广一摩擦阻力修正系数，与管子截面形状有关 对于圆管、环形管和矩形管幽和觑的值如下表3 1 ： 表3 1 水力直径和b 的修正系数 截面彤状 国 k _ 一婶 2 b h d d d 凶彳 b + h h 1 o1 ol _ l - 1 2 东北大学硕士学位论文第二章加热炉汽化冷却基本理论 ( 2 ) 汽水混合物摩擦阻力损失的计算 我国电站锅炉水动力计算方法提出的计算汽水两相流摩擦阻力的计算方法是： 先计算汽水两相流速相等情况下的均相流体的摩擦阻力，再乘以摩擦阻力损失校正系数 进行修正。摩擦阻力损失按式( 2 ，1 2 ) 计算： 蛾。= 等垡笋 + i 苦柚p = y d 北, , - 爵- 2 - 1 i 埘罟叫 一， z ， 式中：妒。广_ 瘁擦阻力，p a 上管段的长度，m p 计算压力下水的密度，k g m a w 0 _ 一管内水的流速，m s g r 管段单位面积质量流量，g o = p w o = g f ，k g m 2 s - ，管段计算压力下，水的比客，m 3 k g 矿管段计算压力下，饱和蒸汽的比容，m 3 蚝 玩厂管段的水力学直径，m 月- 摩擦阻力系数 旷一摩擦阻力校正系数 当g o 1 0 0 0 k g ( m 2 s ) 时， 渺= 1 + i n 一 1 + 当g o 0 时，即上升管段 由式( 2 6 ) 可以看出，确定滑移比的值，就可以计算相应的截面含汽率，即 舻诵1 ( 2 - 2 0 ) 肛葡1 ( 2 - 2 1 ) 汽水混合物在倾斜管内作上升流动时，其截面含汽率可以用式( 2 2 2 ) 计算： 式中：倾斜管的截面含汽率 妒垂直上升管内的截面含汽率，按式( 2 - 6 ) 和式( 2 - 2 0 ) 计算 k 。f 顷斜管校正系数 l + s 生卫 k 七l + y s - - ( 2 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中的滑移比s 用式( 2 - 6 ) 计算，系数y 由式( 2 2 4 ) 确定： 州+ ( 1 - 5 舢“等) ( 1 _ 品) p z 。， 式中：，饱和水的运动黏度，m 2 s 东北大学硕士学位论文第二章加热炉汽化冷却基本理论 w 0 循环流速，m s a 管子的水平倾角 日 a 耳a r c s l n l 以管子的界限内径，m l 2 。1 9 8 1 ( 1 - 1 ) ( - 一矿 式中：矿饱和水的表面张力，n m 如果d 。，d ：，贝0 d ：t d 。 当h o 时，即下降管段 界限容积含汽率艮的值可以按式( 2 2 7 ) 计算： 伽j 2 6 2 ( 堑w i m 成( 盖0 ) - _ c 惫廿c ，南 炉i 瓣 c 小( ；) “ 删s ( 盘厂” ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) f 2 2 9 ) 佗一3 0 ) 东北大学硕士学位论文第二章加热炉汽化冷却基本理论 式中： c 南艮 妒= 圭1 - - k 篷c 二 9 扯一9 c o 朋钉5 ( 剖棚2 4 压 ( 2 3 1 ) r 2 3 2 ) 在工质上升流动时，出口标高大于入口标高，h 为正值，即卸，为正值；反之工质 下降流动时，出1 2 1 标高小于入口标高。h 为负值，即印。为负值。 计算出上述压差后，即可求管段压差 廿= 圾