（工程热物理专业论文）某船用锅炉过热器蒸汽流动与传热数值模拟.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 过热器是锅炉装置的重要部件之一 由于其工作环境非常恶劣 超温 爆管等事故时常发生 对过热器的研究始终是重点问题 本文对过热器的 工作状况及超温爆管机理进行了简要的分析 以某船用锅炉过热器为研究 对象 建立合理的数学模型 应用f l u e n t 软件对其进行了数值模拟 由于过热器的实体结构庞大 进行整体数值模拟比较困难 在原有模 型的基础上 应用合理的比例对其缩小 使模拟结果能够反映出实际过热 器的工作特点 本文采用r e a l i z a b l ek 一占模型 速度与压力耦合采用s i m p l e c 算法 近壁面处采用标准壁面函数法 用隐式格式离散化控制方程研究了过热蒸 汽在集箱内的流动与传热过程中各种参数的分布规律 对过热器进行了三种不同情况的数值模拟 即沿蒸汽流动方向热负荷 均匀分布 热负荷均匀递减和热负荷均匀递增 模拟出各种情况下的压力 分布云图 温度分布云图 焓值分布云图 管内质量流量以及所截取截面 管内蒸汽的各种参数等 并对模拟结果加以分析 通过对各种情况下的数值模拟表明 静压分布的规律由集箱的结构特 性决定 模拟结果表明过热器可看成两个z 型结构串联而成 沿蒸汽的流动 方向 第二个z 型结构的性能不如第一个z 型结构 但是两个串联后使流量 不均匀性有所降低 而且该过热器的结构布置紧凑 弥补了单一z 型结构的 不足 通过数值模拟为优化过热器的安全经济运行提供参考方案 同时节省 了大量的人力物力 数值模拟在锅炉安全运行中必将会得到广泛的应用 关键词 过热器 f l u e n t 数值模拟 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p e r h e a t e ri so n ei m p o r t a n tp a r to fb o i l e rs e t t i n g a sa r e s u l to fi t sb a d w o r k i n gc o n d i t i o n a c c i d e n t so fo v e r h e a t i n ga n db u r s t i n go ft u b e so f t e no c c u r i ti sa r te m p h a s i st os t u d ys u p e r h e a t e ra ta l lt i m e s b r i e fa n a l y s e sa r em a d e a b o u tt h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dm e c h a n i s mo fo v e r h e a t i n ga n db u r s t i n go ft h e s u p e r h e a t e ri nt h i st h e s i s w ec a r r yo na ni n v e s t i g a t i o ni n t ot h es u p e r h e a t e ro f c e r t a i nm a r i n eb o i l e r b u i l da l la p p r o p r i a t eg e o m e t r ym o d e la n ds i m u l a t ei tb y a d o p t i n gs o f t w a r ef l u e n t ni sd i f f i c u l tt os i m u l a t et h ea l la n dt h eo n e b e c a u s eo ft h el a r g ew h o l e s t r u c t u r eo ft h es u p e r h e a t e r t or e d u c et h es i z eo ft h es u p e r h e a t e rb yu s i n g r e a s o n a b l es c a l eo nt h eb a s eo fo r i g i n a lm o d e la n dt h es i m u l a n tr e s u l t sc a n r e f l e c tt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h eo r i g i n a ls u p e r b e a t e n n en i l eo ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r s d i s t r i b u t i n ga r es t u d i e dw h e nt h e s t e a m g a si sf l o w i n gi nt h ei n n e ro fh e a d e ra n dt r a n s f e r r i n gh e a tb yu s i n g r e a l i z a b l ek em o d e l s i m p l e ca r i t h m e t i co ft h ec o u p l i n go fp r e s s u r ea n d v e l o c i t y s t a n d a r dw a l lf u n c t i o nr e a l t h ew a l la n dc o n c e a l e df o r m a td i s p e r s i n g g o v e r n i n gf u n c t i o n si nt h i st h e s i s t h r e ed i f f e r e n ti n s t a n c e sa r ed o n ei n t h i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e s u p e r h e a t e rt h a t i su n i f o r md i s t r i b u t i o n u n i f o r md e s c e n d i n ga n du n i f o r m i n c r e a s i n g o ft h e r m a ll o a d a l o n gt h e d i r e c t i o no fs t e a m f l o w t h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ed i s t r i b u t i o nn e p h o g r a mo fp r e s s u r e t e m p e r a t u r ea n d e n t h a l p yh a sb e e ng a i n e d a n da l s ot h em a s sf l u xi nt h et u b e sa n dv a r i o u s p a r a m e t e r so f t h es t e a m si nt h et u b e st h a ta r ei n t e r c e p t e db ys e c t i o n s t h e nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e d i tm a k e sk n o w nt h a tt h er u l e so fd i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r ea r ed e c i d e d b yt h es t r u c t u r e so ft h eh e a d e r t h r o u g ht h r e ed i f f e r e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s w ec a l lr e g a r dt h es u p e r h e a t e ra st w ozs t r u c t u r e si ns e r i e sw i t he a c ho t h e rf r o m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n s t h es e c o n dzs t r u c t u r ei sn o ta sg o o da st h ef i r s to n e a l o n gt h ed i r e c t i o no fs t e a mf l o wb u tt h en o nh o m o g e n e i t yo f f l u x e sh a v es o m e r e d u c e s n l ea r r a n g e m e n to ft h es u p e r h e a t e ri sc o m p a c t a n dm a k e sr e p a r a t i o n o f t h es i n g l ezs t r u c t u r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l lb e u s e df o rp r o v i d i n gr e f e r e n c ep l a n sf o r o p t i m i z i n gt h es a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fs u p e r h e a t e r a tt h es a m e t i m ei t c a ne c o n o m i z el a r g en u m b e r so fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d sw o u l db ee x t e n s i v e l ya p p l i e dt ob o i l e ro p e r a t i o n ss a f e l yi n t h ef u t u r e k e yw o r d s s u p e r h e a t e r f l u e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献等的 引用已在文中指出 并与参考文献相对应 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公开发 表的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担 作者 签字 奎翌凰 日期 嘲年弓月争日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到额定的过熟温度 在锅炉负 荷或其它工况变化时 应保证过热温度的波动处在允许的范围之内 过热 器是锅炉中非常重要的部件 在很大程度上影响着锅炉的经济性和运行的 安全性 在现代锅炉中 过热器和再热器的吸热量占工质总吸热量的一半以上 因此受热面在锅炉总受热面中占了很大的比例 必须布置在更高的烟温区 域 其工作条件是锅炉受热面中最为恶劣的 受热面管壁温度接近于钢材 的极限允许温度 因此其受热面的合理布置和设计对整台锅炉的经济性和 可靠性有很大的影响 过热器内部是高温高压的蒸汽 外部则受到高温烟气的冲刷 其工作 环境十分恶劣 各平行管内的流量分配不均匀和炉膛中烟气的温度场和速 度场的分布不均匀是造成过热器局部过热和爆管的重要因素 过热器管束存在着不均匀受热以及平行管内蒸汽的不均匀分配 当某 些管子的热负荷较高而蒸汽流量又较少时 则蒸汽焓增及温度都较高 易 于造成局部超温爆管 由于烟气侧热力不均匀性的影响 在受热强的管中 由于工质温度较高 比容较大 工质流量减小 即水力不均匀性增大 进 一步增加了管予的热偏差 另外过热器集箱内部结构 管子与集箱的连 接方式 以及并联各管流动阻力的差异也会影响并联各管内蒸汽量的分配 总之 过热器的热偏差决定于管子的热力特性 水力特性和结构特性 在锅炉设计中 应根据热负荷分布规律 正确地选择好集箱的连接系统 则可以利用工质的水力不均匀性来均衡烟气的热力不均匀 使通过各管子 的工质流量与其热负荷相适应 即在热负荷高的管中能有较多的流量 而 在热负荷低的管中则通过较少的流量 在选择过热器集箱尺寸时 应使集 箱内蒸汽的纵向流速所引起的静压变化不致引起过热器管中蒸汽的流量偏 哈尔滨工程大学硕士学位论文 差过大 1 2 过热器爆管原因分析 锅炉设备发生事故在燃煤发电厂设备事故中占6 5 8 而爆管又占锅 炉事故的7 1 7 如何预防爆管 已成为各发电企业确保安全 稳定生产 的一项必需的工作 锅炉受热面以及承压部件由水冷壁 过热器 再热器及省煤器组成 过热器是锅炉承压部件中工作温度最高的受热面 管内流过的是高温高压 蒸汽 其传热性能较差 而管外又是高温烟气 所处环境恶劣 因此损坏 事故的比例非常大 在锅炉运行中过热器爆管大多是由下列原因造成的 由沿宽度烟温烟 速偏差造成的各屏间吸热偏差 由集箱中涡流或集箱布置不合理造成的各 屏间蒸汽流量偏差 同一片屏中各管的长度 流量和吸热的不均匀 管子 受到强辐射或管内蒸汽流速低 管子壁温异常升高 无论哪种分类形式 超温爆管都是锅炉受热面失效的主要机理之一 下面从流动和传热特性着手 分析了引起超温爆管的各种深层和浅层原因 锅炉管壁温度总是高于其中的工质温度 此两者之间的温差与受热面 的热负荷g 管壁至工质的放热系数a 金属管壁及水垢层厚度6 及6 和 它们的导热系数a 和a 等有关 对于现代化的锅炉在维持正常的水规范情 况下 基本上可保证无垢运行 或水垢层的热阻可不计 超温爆管 主要是由于金属管壁的温度工况超过材质所允许的温度极 限而引起的金属管子失效 故为寻求引起超温爆管的原因 首先得分析金 属管壁的壁温 由文献n 可知 伊 砌b 南 剐 m 式中 金属管壁的平均温度 f 管内工质 蒸汽 温度 g 热负荷 热流密度 w m 2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a 管内工质的对流换热系数 w m 2 p 热量均流系数 p 6 0 式中采用流体平均温度f 为定性温度 取管子内径d 为特征尺度 如将各准则表达式代入 可将换热系数a 表示 为 妒o 0 2 s 占譬 m s 式中b 詈 一 代表流体物性参数 它与流体的种类 压力和温 度有关 由 1 3 式可见 对流换热系数a 与直径d 的0 2 次方成反比 与 质量流量d 的o 8 次方成i e 比 与系数b 成正比 对一运行的过热器 特性尺寸d 为一常数 可不予考虑 下面就一些引起爆管的原因进行分析 1 物性参数曰对放热系数口 的影响 由以上分析可知 丑与流体的热物理性质a p c 有关 由流体力 学及传热学知识可知 当流体为过热蒸汽时 a p c 为过热蒸汽压力p 温度t 的函数 即当p t 变化时必然引起b 值的变化 在电站锅炉中 过热 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器中蒸汽压力和温度的变化反映在两方面 当负荷发生变化时 对同一过热器来讲 它的压力 温度随之变化 负荷增加 则温度压力随着增大 就同一过热器而言 压力增加较大 占值 将上升 a 增大 反之亦然 在相同负荷时 不同部位的过热器 p t 也不同 沿蒸汽流向p 是逐渐 降低 而t 是逐渐升高的 因而使b 所下降 从而使放热系数口 降低 不 利于对流换热 b 图1 1 压力p 温度t 对b 值的影响 2 流量对放热系数a 的影响 流量对放热系数口 的影响 可从几个方面考虑 首先从运行角度来看 负荷的变化会影响放热系数a 的大小 其次管屏间的流量分配也对局部地 区的放热系数a 有影响 1 负荷变化对放热系数口 的影响 外界负荷的变化必然要求蒸汽流量与之相适应 当外界负荷增加时 过热器中的蒸汽质量流量 p 随之增大 由 卜3 式可以看出 a 也会增 加 此时发生的过热器爆管 我们应首先考虑烟气侧的热流密度窖的变化 当然 前提是在综合考虑各种原因的基础上 排除外部因素如发生异物 堵塞等 对于低负荷运行状况下的过热器爆管 由于蒸汽质量流量 p 曲较高负 荷下为小 因此对流放系数a 也小 易造成管壁壁温升高 加之口值的变 化亦不利于对流换热 因而易造成过热器管子失效 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具体对于辐射式过热器 由其汽温特性可知 随着d 的上升 蒸汽出口 汽温反而下降 由于b 值上升从而口 上升 故对于辐射式过热器主要是考 虑低负荷运行情况 当负荷减少时 辐射过热器中工质的流量和锅炉燃料 量按比例减少 但炉内辐射热并不按比例下降 因为炉内火焰温度的下降 并不多 也就是说 随着锅炉负荷的降低 炉内辐射的份额相对上升 对 于金属管壁来说q a 相对会增加 另外 由于辐射过热器中蒸汽的焓增增 加 出口汽温上升 使得管内平均汽温上升 口值下降从而导致对流换热 系数口 下降 两者共同作用使金属管壁壁温瓦上升更大 此时如发生爆管 更应注意考虑是由于低负荷运行的原因 抑或是管材质量问题 对于对流过热器 经验表明 超温爆管常常发生在高负荷运行时 此 时负荷d 较大 因而口 a c p 力 也比较大 由对流过热器的汽温特性可知 负荷d 增加 出口汽温 随之上升 虽然汽温的上升使得a 下降 曰值下 降 但我们应注意到压力p 也对召值有影响 因此 对于对流过热器 在 分析其爆管原因时 考虑的重点应是烟气侧的热负荷g 的变化 2 流量分配对口 的影响 设计原因引起的流量分配不均 单相流体在管内流动时 有许多因素使并列管子间流量分配不均 例 如集箱连接方式不同 并行管圈间重位压头的不同和管径及长度的差异等 等 另外 吸热不均也会引起流量不均 集箱的引入 引出方式布置不当 使得蒸汽在集箱中流动静压变化过 大 而造成较大的流量偏差 对于蒸汽由径向引入集箱的并联管组 因进口集箱与引入管三通处形 成局部涡流 使得该涡流区附近管组流量较小 从而引起较大的流量偏差 因同屏 片 并联各管的结构 管长 内径 弯头数等 差异引起各管的 阻力系数相差较大 造成流量偏差 实际上 上述结构设计和布置上的不合理性往往同时存在 因而可能 会加剧超温爆管的发生 制造工艺 安装及检修质量问题引起流量分配不均 集箱中间隔板焊接问题 中间隔板在焊接时 如未满焊 将引起集箱 中蒸汽短路导致部分管子冷却不良 因流量较少而爆管 哈尔滨工程大学硕士学位论文 普遍焊口质量问题 由于制造 安装和检修焊口质量不合格 如毛刺 砂眼等 屏的通球试验不能达到要求 引发爆管 异物堵塞 由于流体腐蚀及制造 安装或检修等人为因素造成管内有 异物 而引起的管屏内流量的不均以致爆管 无论是异物堵塞还是焊口质量 都可能使管内局部阻力加大 而在总 的压降不变的情况下 局部阻力的增加 使该管 或管屏 中的流体流量 p 曲下降 同时在总流量一定的情况下该管 或管屏 中的流量必然重新分 配到其它的管 或管屏 中 流量的自动调整与分配会加剧局部涡流 从而 影响到其它管的流动 减温水系统设计不合理引起流量不均 某些锅炉在喷水减温系统设计中 往往用一只喷水调节阀调节一级喷 水总量 然后将喷水分为左右两个回路 这时 如左右两侧的燃烧工况或 汽温有较大偏差时就会引起工质变化不一 吸热不均将导致流量不均 而 减温水系统却无法调整左右侧喷水来平衡两侧汽温 3 烟气侧热负荷g 的影响 对于电站锅炉过热器来讲 影响烟气侧的热负荷的因素相当多 热负 荷的变化是多种因素综合作用的结果 一般来讲 难以用一个准确的数学 模型来衡量它们之间的因变关系 这里 仅作定性的分析 研究一下主要 影响因素 1 炉内燃烧工况 炉内燃烧工况的变化 主要是指运行时 炉内烟气动力场和温度场发生 变化 如偏移 究其原因既有结构 设计 上的原因 也有人为 运行 因素 结构因素 美国c e 公司习惯采用的 也是我国大容量锅炉中应用最广泛的四角布 置切圆燃烧技术 由于炉内烟气在到达屏过底部时 还存在残余旋转 因 而产生烟气 蒸汽场偏置现象 对于右旋切圆燃烧方式 位于炉膛上部的 辐射受热面 分隔屏过热器 后屏过热器 沿炉膛宽度方向工质温升均里 左高右低的分布特性 对于左旋切圆燃烧方式 温升特性刚好相反 如汽 水系统设计不合理 将可能导致出口汽温偏差 甚至爆管 由于残余旋流 的存在 出现烟气速度场 流量场及温度场的偏置问题 将引起各个受热 面的热流密度g 的变化 从而影响局部地区管子的安全性 具体对于右旋切向燃烧方式 由于残余旋流的存在 使得上炉膛左侧 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 气室内烟气向炉后 水平烟道 运动阻力大于右侧 从而使左侧气室中烟气 滞止 碰撞 与残余旋流 而形成烟气涡流 造成气流扰动 使得左侧烟气 充满程度大于右侧气室 强化了对流换热 这样 如果在辐射情况等同的 情况下 左侧热负荷就要高于右侧的热负荷 因而在同样的条件下 左侧 受热面的工作条件较为恶劣 而对于水平烟道的对流过热器 由于屏区吸热不均而造成进入对流烟 道的烟温呈现出右高左低 再则由于炉膛上部左右侧气流阻力不同 因而 右侧流向的烟气流量会多于左侧 这样又会在水平烟道内出现沿炉宽方向 热负荷分布呈现出右高左低的特性 就局部过热器管子而言 右侧管子安 全性较差 运行因素 运行因素对炉内工况的影响相当复杂 如燃烧调整不当 燃料成分 种 类 的变化 都将引起过热器壁面热负荷的变化 如燃料的低位发热量提高 时 由于理论燃烧温度和炉膛出口烟温升高 可能导致炉膛结渣 从而使 过热器壁温热负荷增大 又如在燃料量不变 而水分增加时 则烟温降低 烟气体积增加 最终会导致过热器的出口汽温上升 过热器热负荷发生变 化 由以上分析可以得到下列结论 1 超温爆管的根本原因在于管壁的温度工况 而管壁的温度主要决定 于管外热负荷g 及管内工质的对流换系数口 为防止超温爆管 必须将 q a 严格地控制在一定的范围内 2 对于管内对流放热系数a 往往应注意管内工质流量的变化 如 流量分配不均 异物阻塞 焊接质量 减温器设计的不合理都将引起口 的 变化 3 管外热负荷g 的变化 从设计上应保证烟气速度场 温度场 流量 场的稳定及均匀 因此 保证锅炉的燃烧稳定对于防止过热器爆管有着重 要的意义 1 3 过热器研究进展 1 3 1 过热器三维壁温计算的新方法 1 原算法的不足及本算法的改进 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本算法主要依据原苏联1 9 7 3 年的计算标准 但该标准只能确定最大可 能管壁温度 从而校核管壁材料许用强度 不能计算详细的壁温分布 具 体不足如下 1 在计算某一计算点的平均汽温时 没有考虑到各管段吸热能力的不同 即取传热系数为恒定值 2 在确定计算点周向平均热负荷时 没有考虑到管束前烟气空间的影响 3 只运用各种偏差系数考虑了各屏之间的偏差 对于同一片屏则未加区 分 同时 没有考虑到每片屏各管的流量不均对壁温产生的影响 在本算法中 要计算出管子各点的壁温值 为此 将管组 管段按其 空间坐标划为若干小单元 对每个小单元进行壁温的循环计算 直到其达 到给定的约束条件时停止 在进行计算时考虑了同屏之间的热力偏差和水 力偏差 对每个小单元进行计算时选取的是该段所处位置的烟气温度值i 工质温度值以及该处的传热系数 改变了以往按结构位置差异取各种修正 系数 对平均量进行修正的方法 通过上述改进 能够较精确地反映出管 壁温度的真实分布 并使计算简单明了 同时 将原方法中的近似处理和 较复杂的步骤转化为较大量的局部计算 因此在计算机程序中可对不同结 构受热面采取几乎相同的算法步骤 提高了程序的通用性 2 本算法的计算流程 水平烟道空间的网格划分 将过热器受热面所处的水平烟道空间进行 网格划分 使得各受热面被划分成各个相联的小管段 在以后的计算中便 于对各管段对应参数进行调用 如图1 2 所示 图1 2 网格划分示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 水平烟道内烟温 烟速分布 能否得到较准确的管壁温度首先要知道水平烟道内烟气的温度分布 由于测量方法和测量工具的局限 该处的烟气温度分布一直难于测量 但 是水平烟道里的烟气速度比较容易测量 实炉测试的经验表明烟速高的地 方烟温也高 而且在水平烟道上 烟温与烟速之间近似存在如下关系 矽 矽0 0 7 4 2 r 乙 2 五一力 1 4 式中 z 炉膛出口烟温 k 疋 平均烟温 k 平均烟速 m s 口的烟温差 由差分法推出此处的三维速度场及温度场模型 温度场的分 3 管段内各处工质温度的计算和各段最大热负荷的求取 在进行工质与烟气热交换时 前苏联1 9 7 3 年计算标准没有考虑各计算 点吸热能力不同而取用相同的传热系数 计算传热系数的公式如下 n 下6 再1 小5 由于各计算管段的吸热能力不同使a 和口 不同 从而传热系数不同 这使计算工质温度时产生误差 计算工质温度时考虑了这一点 计算传热 系数时取用该段的各种参数值 避免了采用均值加修正参数的方法 使得 传热系数更接近真实值 工质吸收的热量一部分是前方高温烟气的辐射热 每根管子按工质的流动方向逐段进行计算 由焓增就可以计算出计算点的 工质温度 将所计算的管子分成数个计算管段 在对各个管段进行计算时 根据该段所处的空问位置选用对应的各项参数 如烟温 烟速 这样使得 和第二段的焓增 厶 1 点的焓值 为f 0 越 2 点的焓值采用前一点的焓值 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 加这一步长管段的焓增出 这样避免了以往从入口到计算点直接求计算 点的焓值 使得结果更准确 计算公式如下 如 k 一织一 2 a h 一招 6 一 1 6 式中 对流吸热量 茁 传热系数 d t 管段温压 解 管段受热面积 6 计算燃料消耗量 f 该段出口 f 一1 该段进口 输出壁温 图1 3 壁温计算流程 再加上各段的辐射吸热量得到每段前的总吸热量 由下式 d l 乜 鲰 d 卜7 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得到各管段前工质的焓增 加上工质的进口焓值得到该段的工质焓值 从 而得到各段的工质温度 这时的d 要考虑同屏间的流量偏差 可由 锅炉 水动力学计算标准 算得 以前计算时应用前苏联1 9 7 3 年标准没有考虑 同屏间的流量偏差 最大热负荷强度留一的计算参照前苏联1 9 7 3 的标准 4 计算管壁温度 计算流程见图1 3 基本公式见文献 3 1 计算前先预选污染壁温 将 算得的污染壁温与初选值进行比较 以此为约束条件 当差值大于2 0 时 以计算值为下次的污染壁温值再进行计算 当差值小于2 0 c 时认为此时的 值为管段的壁温值 同时应注意到由于现在受热面的管材不是同一种原料 在同一根管子上往往也是几种材料焊接而成 在计算时亦应注意计算段管 材金属导热系数的选取m 1 3 2 热偏差的研究进展 1 流量偏差和沿烟道宽度热偏差研究 针对锅炉过热器中因并联各管蒸汽流量分配不均而出现的超温爆管 事故 从2 0 世纪3 0 年代起 苏联有关学者就对引起并联管组流量分配不 均的集箱内静压分布进行了模化试验研究 试验得出了集箱端压差转换系 数 并认为集箱内工质静压按抛物线规律分布 这些成果成为苏联锅炉机 组热力计算与水力计算标准方法中有关集箱内静压变化计算的依据 2 0 世 纪六七十年代 针对我国电站锅炉的过热器系统出现的超温爆管问题 陈 之航等 1 认为由集箱引入 引出方式与同屏各管圈结构不合理引起的流量 分配不均匀及沿烟道宽度的热负荷分布不均匀是导致热偏差过大 受热面 超温爆管的主要原因 并指出了当时我国锅炉设计中普遍采用苏联标准有 关集箱内静压分布计算方法存在的问题 后经理论分析与试验研究得出了 集箱内静压分布规律 并提出了并联管组流量分配及沿烟道宽度热负荷分 布的计算方法 p f 2 0 p f p h 屯 死 q 够b i 1 叫2 h 口 1 1 叫3 1 8 瓯 巧 2 i 1 叫2 h i i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中 日 和阮分别为分配集箱进口和汇集集箱出口的动压头 a f 和 分别为分配集箱和汇集集箱的全长折算摩阻系数 假设热负荷沿烟道宽度对称分布 最大和最小热负荷分别出现于烟道 中部与烟道两侧 则热负荷分布为 7 h 卢 4 i x 一0 5 1 5 口b 一0 5 1 2 5 1 9 式中 厉 a 二兰f 7 5 口一2 a 2 1 1 0 b 7 x f 2 3 f l 2 a 一5 其中 a 卢分别为最小和最大熟负荷偏差系数 可根据经验确定 这些成果后来都列入了我国电站锅炉机组水动力计算标准中 且在实 际设计中得到了广泛的应用 1 2 同屏热偏差研究 2 0 世纪七八十年代 针对配2 0 0 3 0 0 h 哪机组的国产锅炉及部分进口锅 炉过热器与再热器系统中普遍发生的超温爆管事故 王孟浩等 1 通过对过 热器与再热器管排结构以及超温爆管事故的分析 认为除流量分配不均匀 与沿烟道宽度热负荷分布不均匀外 受热面同屏各管的吸热不均匀也是造 成受热面超温爆管的原因之一 并在对实际运行状况的总结与理论分析的 基础上 提出了过热器与再热器系统同屏热偏差的计算方法 此方法已成 为大型电站锅炉过热器与再热器受热面结构设计和改进的重要依据 3 综合热偏差理论及计算方法研究 2 0 世纪8 0 年代以来 随着上海市 十四 项重点攻关项目的实施 结合 6 0 0 m w 超临界锅炉技术的引进与消化 并针对按美国c e 公司技术设计制造 的 配3 0 0 m w 和6 0 0 m w 机组的控制循环锅炉及同类型进口锅炉 在运行中普 遍出现的再热汽温偏差及受热面超温爆管问题 陈之航等 在系统分析与 总结大型电站锅炉实际运行状况及以往研究成果的基础上 提出了综合考 虑流量分配不均匀以及沿烟道宽度与同屏吸热不均匀的热偏差与汽温偏差 计算方法 并指出了美国c e 公司性能设计标准中有关集箱内静压分布计算 方法所存在的问题 4 沿烟道宽度烟温分布研究 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在大型电站锅炉的过热器与再热器系统设计中 一般是根据设计及运 行经验直接选取沿烟道宽度的热负荷偏差 进而分析各管排的吸热偏差 汽温偏差与管予壁温工况 作者认为 更合理的方法应根据沿烟道宽度的 烟温分布确定沿烟道宽度的吸热偏差 因为在实际运行中烟温分布更为直 观而且可进行实炉测量得出其变化规律 而沿烟道宽度的热负荷分布无法 直接测量 因而在设计时只能根据经验或有关的试验结果进行推测确定其 值 另一方面 在大型电站锅炉的运行过程中 为了防止过热器与再熟器 系统超温爆管 一般在过热器与再热器受热面的炉外出口安装壁温测点 弗以此作为判断过熟汽温与再热汽温的偏差情况以及进行燃烧工况与两侧 喷水量调整的依据 至于炉膛出口及对流烟道内 主要是较高烟温区 的实 际烟温分布情况 由于测试技术方面的原因 至今难以作为长期运行监控 的依据 而只是在故障分析或科研需要时才用热电偶进行测量 且这种测 量方法工作量相当大 而从解决大型电站锅炉对流烟道内烟温偏差及汽温 偏差问题的角度 迫切需要弄清实际运行过程中烟温分布与汽温分布的关 系 以便在新设计的锅炉中能在设计阶段采取有效的措施或为己出现偏差 问题的锅炉的过热器与再热器系统的改造和运行调整提供可靠的依据 为 此 作者等m 从理论上建立了对流过热器与再热器受热面的进口烟温分布 和出口汽温分布之间的关系 即 由进口烟温分布推算受热面出口汽温分 布 一 7 而b 1 f 丛1 型 f 竖1 型m i 7 ji o 一t j 叮 i p 一r j 7 式中 t 分别为受热面各管排的进 出口平均汽温 t 进口汽温分布 0 0 分别为受热面进口平均烟温与烟温分布 7 受热面各管排间流量偏差 由上式可见 过热器与再热器受热面的出口汽温分布 主要取决于受 热面的蒸汽温升 进口烟温分布与汽温分布以及各管排间的流量分配情况 由受热面出口汽温分布推算其进口烟温分布 哈尔滨工程大学硕士学位论文 旺 等卜札h 矿一刁 等卜 m 若受热面进口蒸汽混合良好即f 一7 o 则有 肚 等卜耘h 踟m 上式可见 在现有电厂监控参数的基础上 只要在受热面进口对应某 一管排处增设一烟温测点 根据该烟温及其对应管排的出口汽温 即可获 得运行过程中烟道内平均烟温及烟温分布 从而避免十分复杂的烟温测量 问题 并以此作为电厂运行监控的依据 1 4 课题研究的意义 锅炉过热器 再热器的超温爆管现象是锅炉运行中最常见的事故之一 严重影响到锅炉的安全经济运行 爆管的原因是多方面的 往往是由热偏 差引起的 而导致热偏差的主要原因是过热器所处烟道的烟温和烟速分布 不均引起的烟气侧传热偏差和过热器系统结构不合理引起的并联管中流量 偏差n 随着计算机技术的飞速发展 以及一些商业软件的逐渐增强 为研究 过热器提供了崭新的解决方法即数值模拟 近年来 多种商业软件在国内 的应用 为通过数值模拟来研究过熟器成为可能 国内有很多使用商业软 件来研究过热器的例子 由于过热器的实际运行过程非常复杂 获得的实际数据有限 同时需 要花费大量的人力物力 而数值模拟可以从不同的运行工况进行分析 获 得的结果丰富 数值模拟为过热器的安全运行提供参考的数据 为优化过 热器的安全经济运行提供参考方案 同时节约大量的人力物力 数值模拟 方法 由于其方便灵活性 可以从多角度提供在实际运行中很难取得的数 据 因此数值模拟对于过热器的设计 运行和改造方面有重要的意义 1 5 课题研究的内容 本文以某船用锅炉过热器为研究对象 分析了过热器的工作特点 对 其进行几何建模 网格划分等 并采用f u j e n t 软件进行数值模拟 结合 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有关知识对计算结果进行分析 论文的具体内容如下 1 对过热器的工作特点进行分析研究 并对过热的几何模型进行简化 使简化的模型能很好的反映实际模型的工作状况 并对过热器进行网格划 分 为数值模拟做准备 在此过程中无论是模型建立还是网格划分都是至 关重要的 也是非常复杂的 要经过多次试验最终找到合适的模型 2 对过热器进行不同工况下的数值模拟 包括热负荷均匀分布 热负 荷均匀递减和热负荷均匀递增 得到过热器在不同工况下工作的温度 压 力等不同参数的分布状况 3 对数值模拟结果进行分析 得出一些有价值的结论 并为过热器更 安全经济的运行提出一定的改造方案 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章过热器的热偏差理论分析 2 1 热偏差 1 热偏差的基本概念 锅炉的各种受热面都是由并联管组组成的 如果并联管组的各管都能 在理想的设计参数下工作 则受热面工作的可靠性可以得到保证 这就要 求各管的工作状况完全相同 即各管的热负荷分布 结构特性 入口的工 质焓以及并联管的进口和出口集箱中的压力分布等完全相同 但在实际中 并联的各管肯定存在各种差异 工作条件是不同的 如炉膛四角及受热面 结渣和污染的管子受热较弱 运行时火焰中心偏斜等热力特性的差异 燃 烧器 人孔 折烟角附近的管子 由于锅炉结构的要求 其管子长度和弯 头数量与其他并联管不同等所产生的结构特性差异 热负荷 结构特性 集箱以及布置方式的影响 还会产生水力特性的差异 上述的差异将导致各根管子的工质焓增发生偏差 这种并联管中工质 焓增不均匀现象称为热偏差 热负荷高或流量少的管子中工质焓增多 管 予出口焓值高 可能威胁并联管组工作的安全性 由于工质焓值高 在蒸 发受热面中 工质的含汽率大 可能会发生传热恶化现象 在过热器中 工质的出口温度高 而这些受热面又工作在较高的烟温区 可能会发生因 管壁温度过高而损坏的危险性 随着锅炉向大型化的发展 其受热面尺寸 的增大使各管的工况偏离平均工况的现象也严重 为了定量评估热偏差的影响 将并联管组中偏差管工质焓增和整个管 组工质平均焓增之比称为热偏差系数或简称热偏差 p 等 2 m 舻莓 心 式中 p 热偏差系数 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出 并联管组中工质的焓增最大管子 称偏差管 中的工质焓增 值 k j k g 0 并联管组工质平均焓增值 k 3 k g 由于对并联管组的安全危害最严重的是焓增最大的管子 通常把这些 焓增最大的管子称为偏差管 因此 我们所研究的热偏差范围总是大于1 的 当然 上述热偏差定义也适用于并联管组中任何一根管子 根据焓增计算式 可迸一步导得 口 生堡垒 盟 2 2 j q 霄h p 1 l 其中式中 g 分别为偏差管和平均工况管的热负荷 k w m 2 髟 日珂 分别为偏差管和平均工况管的受热面 m 2 q g 分别为偏差管和平均工况管的工质质量流量 k g s 巩 热负荷不均匀系数 等于彩 町j 流量不均匀系数 等于g p g 0 t 结构不均匀系数 等于置 茸 由上式可见 并联管组的热偏差与管子的热力特性 水力特性和结构 特性有关 结构不均匀系数与受热面布置方式和各管的几何尺寸有关 由 于锅炉并联管组的各管受热面积的差别有限 因此影响热偏差的主要因素 是管组的热负荷不均匀性及流量的不均匀性 其中 热负荷不均匀系数与 受热面的结构尺寸和运行状态有关 流量不均匀系数主要取决于受热面的 结构特性 热负荷分布 布置方式及集箱的连接型式 在并联管组中受热 最强而流量最小的管子工作条件最恶劣 其热偏差也最大 热偏差存在于锅炉的各种受热面中 不可能完全消除 必须根据受热 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面金属的可靠性条件 使并联管组中最大的热偏差小于某一允许热偏差 a f p 如果管子的允许焓增为 k 则其允许热偏差为p 寻 锅炉中不同的受热面有不同的允许热偏差值及其确定方法 由于过热 器的蒸汽温度最高 且处于较高的烟温区 其管壁工作温度已经接近于管 子金属材料的允许温度 因此它的允许熟偏差在锅炉各受热面中是最小的 在设计布置过热器时应尽量使各并联管中的工质流量与管子的热负荷相适 应 管壁工作温度尽可能均匀一致 由所使用的金属材料允许温度可以确 定最大的允许工质温度 并可得到最大的允许工质焓增 从而计算出允许 热偏差值 2 热负荷及受热面积的不均匀性 热负荷分布不均匀性是产生热偏差的主要原因之一 影响并联管组各 管热负荷不均匀的因素很复杂 锅炉烟气的温度场和速度场以及燃烧产物 的浓度分布不均匀 是形成熟力不均匀的主要原因 它包括结构设计和运 行工况两个方面 在结构方面 由各管的受热面积不等 炉膛辐射受热面 受火焰燃烧中心位置的影响 靠近炉膛的烟气温度远比中间温度低 其沿 宽度的热力不均匀约为 3 0 4 0 在对流受热面中 具有较大烟气流 通截面的烟气走廊 造成烟道阻力特性不均匀 中间部分烟气流速较快 使对流传热加强 以及检修空间存在的气室辐射影响等 一般位于炉膛出 口的对流受热面沿宽度的热力不均匀约为 2 0 3 0 烟温偏差可达 2 0 0 3 0 0 过熟器个别管圈的汽温偏差可达5 0 1 0 0 以上 运行方面 的原因有火焰形状和充满度不好 火焰中心偏斜 局部地区发生煤粉荐燃 烧 部分燃烧器停运或各个燃烧器负荷不一致 以及部分受热面上结渣等 由于造成热负荷不均匀的影响因素很多 因而热负荷不均匀系数不可 能通过计算来决定 只能根据实践经验或实测的数据进行估算或选取 因 此 计算中对于热负荷不均系数的选用应给予必要的重视或留有足够的安 全裕度 2 2 集箱水动力学 热负荷不均匀和受热面不均匀的成因以及各种因素的影响外 造成熟 偏差的另一个主要原因是并联管组的流量不均匀性 影响流量不均匀性的 因素很多 其中之一是集箱中工质的压力变化对并联管中流量分布的影响 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 即集箱效应 1 分配集箱和汇集集箱的静压分布 过热器蛇形管的进出口一般均与集箱相连 沿集箱长度 由于工质速 度 重位压头和阻力损失的变化 使各点的压力不等 从而影响与其相连 的管子进出口的压差 引起各管工质流量分配不均匀 我国一般采用水平 布置的集箱 重位压头的影响可以不计 当蒸汽从水平集箱的端部引入和 引出时 沿集箱长度压力和流速的变化如图2 1 所示 在分配集箱中 沿 工质流向蒸汽流速逐渐减小 动能逐渐转为压力能 压力沿o a 线上升 但 因集箱中有流动阻力凸p 一 一部分静压的增量为流阻所抵消 因此分配集 曲 b 图2 1 沿集箱长度压力和流速的变化 a 分配集箱 b 汇流集箱 箱中压力分布曲线为o b 分配集箱两端的压力差卸k 口a 可用下式表示 蜀譬 2 3 式中 集箱内工质的最大速度 即分配集箱进口处的流速 马 静压转换系数 由试验得出 当工质自集箱端部全部截面引 入时 骂 s 自端部用管接头引入时 置 2 乏一 6 其中4 为集箱 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 截面积以为管接头截面积 自端部侧面直角引入时 点 1 0 分配集箱中的静压变化应为 譬一 譬一f 譬 譬 c z 圳 因此 分配集箱中的静压转换系数马可表示为蜀 1 一 集箱中的流动阻力为 锄 f 考竽败 2 巧 如设集箱内速度按直线分布 厂 叱 w o l l 等i 2 6 则 魄 鲁譬f 1 钳以 务譬 治z 由此可得 兰 2 8 一 同理 在汇集集箱中 沿工质流向 蒸汽流速逐渐增大 压力能逐渐 转为动能 集箱内压力沿a r o 线下降 同时有流动阻力印一的影响 实际 的压力分布曲线为b o 汇集集箱两端的压力差印耐可表示为 琶华 2 9 式中 汇集集箱出口处的工质流速 m s 马 静压转换系数 由试验得出 当端部引出时 垦 2 0 当从集箱中部径向引出时 马 1 6 转换系数马可表示为马 1 汇集集箱中的f 值较分配集箱中的要大 因为除摩擦损失外 还有与 集箱中纵向汽流成交叉的各管子中出来的汽流所引起的涡流损失 支管中 的蒸汽速度相对子集箱内纵向速度的比值越大 则引起的涡流损失越大 如果以集箱中最大速度的截面为起点 即以分配集箱的进口截面和汇 集集箱的出口截面作为起点 则可认为分配集箱与汇集集箱中静压变化的 规律相同 距离起点l 处的静压变化可用下式表示 啥尔滨工程大学硕士学位论文 址争 2 一钓 2 1 0 如以相对距离工 l o 一1 表示 则得 4 p 肇ik 2 x x 2 2 1 1 由于沿集箱长度的静压是变化的 因而与之相连的各根管子进出口的 压差不等 而且与分配集箱与汇集集箱的连接方式有关 现以z 型连接系 统为例 如表2 1 中所示 工质从分配集箱的一侧端部引入 而从汇集集 箱的另一侧端部引出 由图可见 与分配集箱终端处相连接的管子进出口 的压差最大 因而有最大的流量 而与分配集箱始端处相连接的管子进出 口压差最小 因而其流量最小 因此这根管子最为危险 成为这一管组中 的偏差管 流量分配不均匀性的大小决定于各支管进出口静压变化的差值 可由 上述集箱内静压变化的规律求得