锅炉水冷壁壁温计算及低负荷下爆管原因分析2007年.doc

大连理工大学硕士学位论文锅炉水冷壁壁温计算及低负荷下爆管原因分析姓名：刘佳申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：李素芬20071220 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文本 文 针 对大 连 某 石化 公 司热 电 厂 锅 炉 锅 炉 水冷 壁 壁 温计 算 及低 负荷 下爆管原 因 分析 琲 ； 琫 瑅 痶 独 创性 说 明作 者 签名 ： 大 连理 工大 学硕 鎓 究 生 学位 论 文 课题 的 背 景 和 意 义冷壁 管 内工 质 的 温 度 和 压力 也 不 断的 提 高 。从 省煤 器来 的 欠 热水经过 水冷壁 ， 受 热、汽化 成微 过 热蒸 汽 。由 于炉 膛 内的 燃 烧 过 程 是一 个复 杂 的 热物 理化 学 过 程 ， 热流 分 布 不 均匀， 所以 管 内工 质 的 状态和 参 数交化 也 极为复 杂 ， 可 能出 现 水冷壁 爆 管 现 象， 这就 对 安全 运行造 成了 极大 的 威 胁。在 大 连 某 石 化 热电 厂 锅 炉 发 生 的 水冷壁 爆 管 事 故 中 ， 一 根 水冷壁 管 爆 裂 ， 一 根 泄漏， 另 有大 量 水冷壁 管 发 生 变 形， 仅维修 费 一 项 就 达 万 元 以 上 ，造 成重 大 的 经济损 失 。因 此 ， 研究 锅 炉 水冷壁 壁 温 特 性与 爆 管 原 因 分 析 具 有极其 重 要 的意 义。 锅 炉 水冷 壁 壁 温计 算 及低 负荷 下爆管原 因 分析 国内 外 研 究的发 展 与现状锅 炉 作为 一 种 生 产 蒸汽 或热水的设 备 ，已 经被 广 泛 应 用 于 电厂 、工 业 企 业 、民 用 设施 等众 多 领域。 在 锅 炉 中，燃 料 燃 烧后 释 放出 热量，这 些 热量通 过 水冷 壁 管传 给 在 管内流动 的工 质 ，使 其 转变 成 过 热蒸汽 、饱 和 蒸汽 或是 热水供 工 业 企 业 或日 常 生 活 应 用 。 电能和 热能都 是国民 生 产 和 生 活 不 可缺 少的动 力 能源 ，对 社 会 的发 展 有着极 为 重要 的影响 。 因 此 确保 锅 炉 能够 安 全 、可靠的运行不 仅 对 于 锅 炉 本 身 ，对 于 国民 经济各 部门的安全 工作也 是至 关重要 的。对 于锅 内 过程 的研 究大 致 可分为 三类【 ： 一 是研 究工 质 在 管内 流动 时的水动 力 学 问题 ，及研 究各 种 受 热管或不 受 热管中的水、汽 单 相 流体 的流动 阻 力 、汽 水混 合物 在 流动过 程 中的流动 形 式、流动 阻 力 、流动 稳 定 性 、汽 水分离 过 程 以 及汽 水两 相 的混 合与分配等问题 ；二 是 研 究水、汽 单 相 流体 在 受 热管内 流动 时的热交 换过 程 队 及管内 汽 水混 合物的沸腾 换热过 程 和 传 热恶 化 条 件 等问题 ；三是 研 究工 质 侧的热化 学 等问题 。在 世 纪 末和 世 纪 初，国际 上 已 经开始 了对 船 用锅 炉 中的水循 环和 传 热问题 的研 究，到 世 纪 年 代 ，为 适应 生 产 的需 要 ，锅 炉 问题 引 起 了广 泛 关注 在 年至 年 间 ，一 些研 究汽 液 两 相 流体 及锅 炉 水循 环问题 的经典 论 文陆 续 发 表，在 传 热方 面 开展 了火 管锅 炉 的大 容 积 沸腾 研 究工 作，但 一 般 都 在 中压 以 下。 近年 来，国内 外 学者展 开了电站 锅 炉 、循 环流化 床 锅 炉 、工 业 锅 炉 的水循 环方 面 的研 究。在 水循 环系统 分析 和 水动 力 特 性 方 面 ，董 艽 根据 流体 力 学 原 理和 锅 炉 水动 力 计 算 的基 本 原 则，提 出 了一 种 能够 直 接 计 算 自然 循 环热水锅 炉 各 循 环回路中每 根单 管水动 力 特性 的自然 水循 环热水锅 炉 水动 力 数 值 计 算 新 方 法，即 水动 力 回路分析 法。 推导得出 了基于 该方 法的水动 力 计 算 机 本 方 程 组，给 出 了其 数 值 求 解 方 法及程 序 框 图 ，并 应 用 该方 法对 两 台自然 循 环热水锅 炉 进 行了水动 力 特 性 计 算 分析 ，将计 算 结果 与按 照 大 连 理工大 学 硕 士 学 位 论 文 岢 隽 艘 桓 鑫 抟 虼 伪淞 縏，指 出 了温度 对 于 管壁寿命 有 着 重要 的作用 ， 甀 乙 甁 对 锅 炉 对 流管束 、过 熟 器 、再 热器 管疲 劳 断裂 进 行了四 个 事 例 的金 属程 乐 鸣等人 研 究了循 环流化 床 锅 炉 膜式水冷 壁 管的传 热，并 通 过 采用二 维 传 热分析方 法，讨 论 了带 有 竖直 鳍 片和 横 向鳍 片的水冷 壁 管上 温度 与热流分布 ，探 讨 并 研 究了炉膛 侧传 熟 系数 、水冷 壁 管水侧传 热系数 、水温、床 温、水冷 壁 管材 的导热率 以 及竖直 鳍片长 度 和 管壁厚 度 对 水冷 壁 管各位 置 热流分布 的影 响 。 研 究发 现，水冷 壁 管热流的分布在 竖直 鳍片端 部最 高 ，然 后 逐 渐 下降 ，但 在 横 向鳍 处 的根部又会 上 升 【 】 。 锅 炉 水冷 壁 壁 温计 算 及低 负荷 下爆管原 因 分析 提 出 了对 于两相 流动不 稳定 性 研究应 考虑参 数效应 ， 如 几何尺寸， 工 作条 件 、 边 界 条 件图。 由于从 一 种 流型转变为 另一 种 流型要有一 个 演 变过 程 ， 而并 非突变， 故在 流型上 不用 线条 来 表示分界。 而是 用 黑 色带来 表示不 同 流型的过 渡 区 鲫【 】 。年代 末至 年代 初， 我 国 开始 了有计 划 的沸 腾传 热 和 气液 两相 流研究。 从 年代 开始 ， 西 安交 通 大学 动力工 程 与 多 相 流国 家重 点 实验室 在 流型的实验和 理论研究方面 做了许 多 有意义 的工 作。 锅 炉 水冷 壁 壁 温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析本文 在 结合锅 炉 水动 力 学 、 两相 流 体传 热 学 和 炉 内 燃 烧 传 熟知 识 的基 础 上 ， 对 锅 炉 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文 管内 换 热理论图 垂 直加 热管中流动 和 沸 腾 传 热工 况 示意 图 砒 锅 炉 水冷 壁 壁 温计 算 及低负 荷下 爆管原因分 析 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文 锅 炉 水冷 壁 壁 温计 算 及低 负荷 下爆管原 因 分析式 为 沿管子 四 周 均匀加 热 的 情况 ， 在进行壁 温计 算 时还 应 考 虑到 沿管子 周 界 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文他 认为 在饱 和 泡核 沸 腾区和 两相 强 制 对 流 蒸 发 区内 均存 在两种基 本 传 热 模 式 ： 泡核 沸 腾和 强 制 对 流 传 热 ， 可 表 示 为 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析【 弧 辏篔警吖 虫认为 它与 雷诺 数有 关 ， 并指 出 它的 具 体表 达 式 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文盯 一 饱 和 液体的 表 面 张 力 系 数， 痬； 一 汽 化潜热 ， ， 堙； 磊 为 决定气 泡生成 和 长 大 的 壁 面 有 效 过 热 度 ， 它 是 气 泡脱 离时， 其 顶部 温度 矗 和凸 腮利用 匠 蹋可 写 成 如下形式 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 反低 负荷 下爆管原因 分 析考畂緎 一最 终 ，两相 对 流沸腾 换 热 系数 的公 式为壁 面上仍 存 在 液 膜时 ，公 式能自 动适 应 两相 对 流沸腾 的工 况。 它用来 解 释 非金 属液 体 在定 方 面引起的，而 并非由 理论 模 型 的不 完 善 造成。 的几组数 据 对 几个 模 型 的计 算 关系式进 行 了 验 证 ，给出了 推 荐 使 用的计 算 流动欠热 沸腾起始 点 的关系式网 周涛 ，杨 瑞昌，刘 若 雷利用适 用于 强 迫 循环 的伯 格 尔 斯和 罗斯诺经验 方 法 以及 自 然循 环 试 验 提出的预测 欠热 沸腾 起始 点 的经 验 公 式，对 两种 类型 的欠热 沸腾 起始 点 的热 力学 平 衡干 度 进行 比 较计 算 ，并研究 了 自 然循 环 欠热 沸腾 起始 点 的基 本 特性 。 研究 结 果 表 明 ：自 然循 环 欠热 沸腾 起始 点 的热 力学 平 衡干 度 对 加热 量 、 进口 温度 、系统 压 力有 着 很 大的敏感 特 性 。 在 同 等 条件下，更早 发生 欠热 沸腾 现 象 。 统 计 物 理的微观 角度 研究 进一步指出：产 生 这 一现 象 的根 本 原 因 为 处于 自 组织 状态 的自 然循 环 耗散 结构 特 点 ，动力学 的涨 落 力和 动量 力对 热 力学 平 衡的共 同 影 响 ，为 今后研究 和 应 用自 然循环 的欠热 沸腾 奠定 基 础聊 。当 ，为 流体 动力支 配 区 ，此区 内斯坦 登数 为 常 数综 合 上述 条件，得 出欠热 沸腾 起始 点 过 热 度 的计 算 公 式： 恢柿 苛髁 浚 啵 ； 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析 一 工质 的 入 口温度 ， ；一 ； 荒 【 豢 】盯 一 ： 口 一 争一 口 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析 管 中心和炉墙间 距为 ， 取水 冷壁 计 算 高 度 为 。 根 据 结构特 点 沿高 度 方 向 分 为图 水 冷壁 外 壁 温 度 与 高 度 的关 系由图 可 以看出 ， 水 冷壁 外 壁 温 度 并 非 呈 不断上 升 趋势 ， 而 是在 左 右 出 现 最大 值 ， 即 欠 热沸腾 起始 点 处 。 随 后 壁 温 有 所 下降 ， 之 后 变 化 趋势 放 缓 ， 温 度 波动不大 ，在 温 度 最 高 点 之 前 ， 壁 温 可 以近似 看成 直 线增大 ， 这 是因为 在 这 一 区域 内 温 度 的变 化 主要是由换 热系数 和水 冷壁 内 工 质温 度 决 定， 此 区域 内 换热系数 近似 为 定值 ；工 质温 度 是定压比热的函 数 ， 定压比热在 这 一 区域 内 可 以看作 不变 化 ， 所 以温 度 可 看作 线形增加 。温 度 在 单相向 两 相转 换的位 置 欠 热沸腾 起始 点 达 到 最 大 ， 随 后 又 有 小 幅的降 低。 下面 将对影 响 壁 温 的几 个 因素逐 一 分 析。锅 炉水 冷壁 上 升 管 的入 口 水 温 理论上 为 锅 筒 压力下的饱和水 温 度 ， 但是由于 损 失 和 锅 炉水 冷壁 壁 温 计 算 及低负荷 下爆管 原因分 析暑 菲图 欠 热沸腾 起始 点 点 高 度 与 入 口 水 温 的关 系图 单 相换 热系数 与 入 口 水 温 的关 系 表 入 口 水 温 变 化 时计 算 数 据入 口 水 温 单相换热系数 。 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文图 热 流 密 度与水 冷 壁最 高壁温 的 关 系 热 流 密度蝌向图 热 流 密 度与两相 区外壁温 度的关 系 啊 痵 质量 流 量 的 影 响表 质量 流 量 变 化 时 计 算参 数 大 连 理 工大 学 硕 士 学 位 论 文 图 质量 流 量 与单 相 换 热系 数 的 关 系 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析 所以 两相 区换热 系数 变化 趋 势不确 定 。质 量含汽 率主 要影 响 的是 两相 区的换热 系数 ， 以 质 量流 量为 ， 热 流可 见 ， 随 着 含汽 率的增 加 ， 由 于换热 系数 的变化 使 得 两相 区壁 温略 有 降 低 ， 但 是 降 低 程 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文 水垢 的 影响 锅 炉 水冷 壁壁温计 算及低 负荷 下 爆 管 原因 分 析五 。 一水垢 导 热 系数 ， ；为了进一步考察管 内外 壁温度与 水垢 关系，假 设 以 下 等式，她一 。 鬉卢 喝以 一 綩一口九 痶 】鸲 。 石瓦 酉而。 一 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文壁温度沿高 度变化如下 图 显示 鮟 ”胪 面 面 蔫丽胪 面 面 两磊硒再 。 琒 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析。 。！痵 。！ 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析 本章 小 结 额 定 蒸 发 量过 热 蒸 汽压力汽 包 工 作 压力过 热 蒸 汽温度给 水温度炉 膛 宽 食 叫 巍 雎 挪 悸 浔 冢 浔 诠 芄 娓裎 !瓺 ， 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文 锅炉 热力 计算炉 膛 的 整 体 热力 计算 ， 是 将 炉 膛 作为 一个整 体 来看 的 ： 进入 炉 膛 的 燃 料 和 空气 混 合 锅炉 水冷壁壁温计算 及 低 负荷 下 爆管 原 因 分 析，式 中 ， 为 嫠 浔谑 苋 炔 痪凳 #嫠 浔趇段 受热不 均系 数 。 图 炉 膛 分 段 示 意 图由 于 炉 膛 内火 炬 形 状 及 充 满 度、火 炬 和 烟气 的 温度场、速 度场以 及 燃 烧 产 物是 不 均匀的 ， 而 且 受 热面的 结构 特 性 和 积 灰程度有异 ， 因 而 受 热面的 热负荷 也各 不 相同， 炉 膛内受 热面热强 度沿 炉 膛 高度、宽 度、深度和 各 墙 间 都 在 变 化。 因 此 ， 根 据 电 站 锅炉 水动 力 计算 法 痁 规 定 ， 在炉 膛 各 部分 受热面吸收 能力 不 均匀时 ， 确定 其炉 膛 壁面热负荷 按下 式 计算 ：玩 形 矿 矿 獭 式 中 ， 玩 一炉 膛 壁面平均负荷 ， 有整 体 热力 计算 确定 ； 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析比 宽 度 方 向 要大 的 多 ， 因 此 ， 计 算 时可 以采 用 以下方 法 来 计 算 。 琘 玩， ， 担 弧 炉 膛 某 一 区 段 上的 熟 负荷 计 算 式 ： 瑈 虿 ， 缈炉 膛 的 数学 模型主 要有 三类 模型： 零 维模型、 一 维模型和三维模型嗍 。 从 二十 世 纪 七八 十 年代 开始 ， 计 算 机技术 被 广 泛 的 应用 于科 学 研 究 领 域 ， 并 得 到 很 和热传 递 数值 计 算 模型， 并 计 算 了 气体 流 动、 组 分浓 度 和温度 、 颗粒 轨 迹 及燃 烧、 壁 面 本 文 借 助软 件 ， 对炉 内燃 烧 过 程进 行 数 值 模拟， 并结合 传统 热力 计 算 的分 段方 法 ，为水 动 力 计 算 提 供热力 数 据支 持。水 动 力 计 算在流体动 力 学 中 ， 为了 研究 流体的 运 动 规 律， 应用了 几 个基 本 方 程式， 例 如 ： 连 续性方 程式、 能 量守恒 方 程式床 匠 淌 、 流动 方 程式晌 凰就 锌怂 狗 匠 淌 等 。在锅炉 水 动 力 学 中 ， 由 于工 质的 物理特 性与各 状态参 数 之间 的 关系 很 复杂 ， 特 别是两相流体的 结构 也很 复杂 ， 因此 不 能 直 接 应用理论流体力 学 的 数 学 工 具来 解决实际 的 问题。在此 情 况 下， 必 须 作 一些 简 化 的 假设 ， 再 在简 化 假设 的 基 础 上 列出基 本 方 程式， 并且，在使用这 些 方 程式时还需 借 助于一些 实验 系 数 【】。 还 可 以 写 出在 两相之 间 有 传质过 程 的质量 守恒 方程 式 。一或 。 百 一 百 由 水力学 知将“ 得单 相流 体和 均 相流 体的动量 守恒 方程 式汪 卿一咖 肌 。 粤 刃 ， 凵 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析 粅一 浴 荆 骸 輕 。 】 伊 海 骸 盷该 式 右 端 第三 项 加 速 压 降 也 可 以 写 成如下形式一吼而蹲 胁娥 等 大 连 理工 大 学 硬 士 学 位 论文。 单相 流 体 在管内 流 动时， 总压降可由 下式 计 算五 ： 上 广 一管子 的 绝对 粗糙 度， 可以 查出 ， 州 肌； 二 、 单相 流 体 的 重 位 压降一式 中一计 算 管段内 工 质 的 质 量 流 速 ， 七；峨 ， 患扑愎芏纬 隹诤徒诮 孛嫔 瞎 实 牧 魉伲 琺 ：僖 患扑愎芏纬 隹诤徒诮 孛嫔 瞎 实 谋 热荩 堙 ：对 于 不可压缩 流 体 ， 只有 在工 质 与 外 界 有 热交 换时才产生 加 速 压降。对 于 水， 加 热时比 容 交 化 不大 ， 压力 对 比 容 的 影 响 更 小 ， 因 此 加 速 压降可以 忽 略 不计 。 对 于 过热蒸汽， 加 热时比 容 和 流 速 都 有 较大 的 变 化 ， 但 因 加 速 压降比 流 动阻 力 小 得多 ， 故可不计 。 由 于 流 动过程 中的 压力 变 化 而 引 起 的 加 速 压降可忽 略 不计 。 综 上 所 述，当 压力 为 亚临 界 或 小 于 亚临 界 压力 时， 单相 流 体 的 加 速 压降可不计 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析工质 比容 增 大了很多，户 患扑愎 芏文诠 实 闹柿 苛 魉伲 遟 。 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文矽 一水平 线与倾斜管中心线之间 的夹 角 ， 。 ；式中 一计 算 管段内工 质 的质 量 流速， 咯 。 ， 。 一饱 和蒸汽的比 容 ， 所， 培 ；一、 流量 参数 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分 析单 位 时间 内 ， 通 过 单 位 流通 截 面 的工 质 的质 量 流量 称为 质 量 流速 ， ， 表 示 为 七相 流体 的密 度 和折算 流速的乘 积。 显然 萝在 汽水混 合 物中， 蒸汽的质 量 流量 与汽水混 合 物的总质 量 流量 之比 称为 质 量 含 汽率 他 真 实 流动特 性 参数 代 表 流体 的真 实 流动特 性 。 由流体 力学 知， 即使 对 于单 相 流体 ，沿管道 截 面 各点 工 质 的流速也 是 不同 的。 故 知道 管内 流体 流动的特 性 或 其 流动过 程 中的流动参数 的变化 是 相 当 重 要 的。矿 】 笋 警 尚若 已 知汽水混 合 物的质 量 流速和质 量 含 汽率 。 上 述 两流速也 可 以 按下式 计 算 渊 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分 析矽。欢，姆研， 图 水动力循 环计 算 主程 序框 图 锅 炉 水冷 壁壁温计 算 及低 负荷 下爆管原因 分析 水冷 壁 循环工 况 分析 痟 炉 膛 各 壁面 热 流密 度 分布 痟 痟 大 连 理工 大 学 硕 士 学 位 论文 最 高 热 流密 度 区 域 出 现 在 后 墙 燃 烧器高 度 ，而 热 负荷 最 低 的 区 域 出 现 在 前 痟 循环流速的 变 化 大 连 理工