（热能工程专业论文）大型电站锅炉屏式过热器壁温数值模拟.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对电站锅炉屏式过热器管壁温度测量困难和计算不够准确的状况，以某电厂 h g 一6 7 0 1 3 7 - y m l 3 型锅炉为研究对象，在额定工况下，利用f l u e n t 软件采用烟气 侧蒸汽侧耦合求解的方法进行壁温数值模拟，给出了管内蒸汽流动和管外烟气共同 作用下后屏过热器管壁温度沿管长方向的变化趋势，改变了以往单独考虑蒸汽侧或 烟气侧求解壁温的方法，找出了管壁温度最高的部位，为管壁选材和管壁温度监测 点的选取提供了依据。 关键词：能源与动力工程，壁温，数值模拟，屏式过热器 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h em e t h o df o rc a l c u l a t i n ga n dm o n i t o r i n gt h et u b e w a l lt e m p e r a t u r eo f p l a t e ns u p e r h e a t e ri naf u r n a c ec h a m b e ri sn o te x a c t a i m i n ga tf i n d i n gt h em a x i m u m t u b et e m p e r a t u r eo nt h ep l a t e ns u p e r - h e a t e r , a n dp r o v i d i n gab a s i sf o rp i p ew a l lm a t e r i a l s e l e c t i o na n dt h ew a l lt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs i t e ss e l e c t i o n ，t h ec h a n g et e n d e n c yo ft u b e t e m p e r a t u r eo ft h ep l a t e ns u p e r - h e a t e rh a sb e e nr e s e a r c h e d ，w h i l et h es t e a mf l o wa n d h e a tf l u xi sc h a n g i n g ，u s i n gf l u e n tt oc o u p l es t e a ma n dt h ef l u eg a sf i e l d sw h i c ha r e t w oi n d e p e n d e n tc o m p u t e - f i e l d s ，t a k i n gab o i l e ro fh g 一6 7 0 13 7 - y m13f o re x a m p l e t h i sm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ew a l lt e m p e r a t u r ei sd i f f e r e n tf r o mo l do n e sw h i c h c o n s i d e r e dt h eg a sf i l e da n ds t e a mf l u xs e p a r a t e l y d us h u y a o ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ut o n g k e yw o r d s ：e n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n g ，t u b et e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p l a t e ns u p e r h e a t e r 华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对电站锅炉屏式过热器管壁温度测量困难和计算不够准确的状况，以某电厂 h g 一6 7 0 1 3 7 - y m l 3 型锅炉为研究对象，在额定工况下，利用f l u e n t 软件采用烟气 侧蒸汽侧耦合求解的方法进行壁温数值模拟，给出了管内蒸汽流动和管外烟气共同 作用下后屏过热器管壁温度沿管长方向的变化趋势，改变了以往单独考虑蒸汽侧或 烟气侧求解壁温的方法，找出了管壁温度最高的部位，为管壁选材和管壁温度监测 点的选取提供了依据。 关键词：能源与动力工程，壁温，数值模拟，屏式过热器 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h em e t h o df o rc a l c u l a t i n ga n dm o n i t o r i n gt h et u b e w a l lt e m p e r a t u r eo f p l a t e ns u p e r h e a t e ri naf u r n a c ec h a m b e ri sn o te x a c t a i m i n ga tf i n d i n gt h em a x i m u m t u b et e m p e r a t u r eo nt h ep l a t e ns u p e r - h e a t e r , a n dp r o v i d i n gab a s i sf o rp i p ew a l lm a t e r i a l s e l e c t i o na n dt h ew a l lt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs i t e ss e l e c t i o n ，t h ec h a n g et e n d e n c yo ft u b e t e m p e r a t u r eo ft h ep l a t e ns u p e r - h e a t e rh a sb e e nr e s e a r c h e d ，w h i l et h es t e a mf l o wa n d h e a tf l u xi sc h a n g i n g ，u s i n gf l u e n tt oc o u p l es t e a ma n dt h ef l u eg a sf i e l d sw h i c ha r e t w oi n d e p e n d e n tc o m p u t e - f i e l d s ，t a k i n gab o i l e ro fh g 一6 7 0 13 7 - y m13f o re x a m p l e t h i sm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ew a l lt e m p e r a t u r ei sd i f f e r e n tf r o mo l do n e sw h i c h c o n s i d e r e dt h eg a sf i l e da n ds t e a mf l u xs e p a r a t e l y d us h u y a o ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ut o n g k e yw o r d s ：e n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n g ，t u b et e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p l a t e ns u p e r h e a t e r 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型电站锅炉屏式过热器壁温数值模 拟，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。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 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：珥4 茸l 日 期：型垂立。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：赴逍芝： e t 期：出q 导师签名： 2 华北电力大学硕士学付论文 1 1 研究背景和课题提出 第一章绪论 随着我国田民经济的迅速发展，对电力的需求不断增长，截止到2 0 0 6 年底，全 国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦，居世界第2 位，预计2 0 1 0 年全国发电装机容量 将接近8 亿千瓦。随着全面建设小康水平进程的加快，由国民生产总值及其构成产 业单耗、城乡居民生活用电计算作依据，预测的电力消费人均用电量将提高到2 0 1 0 年2 0 2 0 2 1 2 0 k w h 年和2 0 2 0 年2 9 0 0 - - 一3 4 4 0 k w h 年，城乡居民用电水平也将相继 提高到2 0 1 0 年4 0 0 k w h ( 人、年) 和2 0 2 0 年的8 0 0 k w h ( 人、年) ，接近中等发达 国家的人均生活用电生活水平心1 。为了更加有效地利用能源，火力发电机组正不断 地向更高参数、更大容量发展。目前，我国首台6 0 0 m w 国产化超临界燃煤机组华 能沁北电厂1 号机组己于2 0 0 4 年1 1 月2 3 日l 时1 7 分，顺利通过1 6 8 小时试运行。随 着现代大容量、高参数机组的发展，电站锅炉“四管”超温爆漏事故时常发生，严 重影响着火电厂的安全经济运行。 作为“四管”之一的屏式过热器，电站锅炉设备中最重要的高温受热面之一， 由于其受热的特殊性既受对流传热，又受辐射传热，所以其所处的环境更为恶 劣，更容易造成超温爆管。1 9 9 8 年至u 2 0 0 2 年华中地区统调火电机组锅炉“四管”爆 漏的统计分析表明，其中共涉及电厂2 8 个，在锅炉“四管”爆漏中，爆漏部位排第 一位的是过热器，占“四管”爆漏事故总数的4 4 6 2 ，其次是省煤器占2 7 6 9 ， 其余依次是水冷壁和再热器，分别占总数的1 5 5 9 和1 2 1 0 】。由此可见过热器 发生爆漏事故几乎占总数的一半。所以，分析锅炉“四管 特别是屏式过热器爆管 的机理及原因，监测过热器的管壁温度，研究和改进壁温的计算方法，使其最大程 度的接近实际壁温，合理选择管材的性能，正确选取管壁温度危险部位，是目前锅 炉设计改造和壁温在线监测的一项极为重要的工作。 但是，屏式过热器处在炉膛上方高温的工作条件下，管子在锅炉中的位置使得 在线监测很困难，在炉内管屏上安装的测点经常受到炉内高温烟气的冲刷而使测点 容易烧坏，不易更换；而且此方法布置的测点是人为按经验事先选定的危险点，并 不能恰好处在具有最高壁温的管屏上或同屏管段上，因此，屏式过热器的壁温仍采 用计算的方法进行预测。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h 】： 华北电力大学硕士学位论文 ( 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j 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，为防止受热面结渣和积灰而必然放 大管束的横向节距，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，上下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用节流圈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。大 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啼引。因此，对屏式过热器进行数 值模拟，不仅可减少在选取壁温监测点时存在的很多的人为因素，并且可以减少计 算热偏差时所带来的误差。 本文利用f l u e n t 软件采用烟气侧蒸汽侧耦合求解的方法进行壁温数值模拟， 同时考虑了烟气侧吸热不均和蒸汽侧流量不均的影响，模拟出了蒸汽流量及烟气侧 换热量扰动时后屏过热器管壁温度沿管长方向的变化趋势，找出了管壁温度最高的 部位，为屏式过热器管壁的设计选材和实际运行中在线监测点的选取提供了重要的 依据。 1 2 国内外研究动态 四角布置切向燃烧锅炉是我国大型火力发电厂的主要炉型，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。所以，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。 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 2 华北电力大学硕士学位论文 行性方案。就锅内侧因素如因集箱轴向静压分布不均造成的管屏间流量偏差和同屏 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。 为防止过热器、再热器超温而产生的加速蠕变断裂，必须加强对过热器、再热 器管壁温度的监测，在现场，运行人员经常根据运行经验，适当配备温度监控测点， 如运行中发现超温，则应及时分析原因，并首先从运行调整着手解决超温问题。但 是，安装的测点容易烧坏，不易更换；而且布置的测点带有一定的人为性，并不能 恰好处在具有最高壁温的管屏上或同屏管段上。锅炉高温受热面在线寿命监测技 术，也是国内外研究的重要难题之一，目前采用理论计算和现场监测相结合的方式， 通过实时监测受热面管束的介质温度和压力计算管束的热力特性，根据不同管子的 历史温度、应力分布，分析炉管的寿命损耗情况，并结合检修期间抽样检验结果对 寿命损耗进行校正，以预测各受热面管束最终的剩余寿命。该监测技术对实施锅炉 高温受热面的状态检修，防止长期超温爆管的发生，具有积极的指导意义，但是该 在线监测系统的可靠性和可行性仍然受数据测量、传输的准确性以及软件系统稳定 性的影响5 1 。 因此，屏式过热器的壁温仍采用计算的方法进行预测。管壁温度计算的基本公 式仍采用前苏联锅炉机组热力计算标准( 1 9 7 3 年版) 所规定的公式，其关键在于 求解计算点热负荷，它取决于换热系数、有效受热面积、受热条件、工质流量、工 质温度、烟气温度等。通常沿用的“热力计算标准”只能确定最大可能管壁温度， 从而校核管壁材料许用强度，不适用于详细的壁温分布计算。并在计算2 t n a x 时实际上 只考虑了沿烟道宽度上的修正，而没有考虑同屏各管之间的热偏差。另外，它完全 没有考虑同屏各管间的水力不均匀系数。针对7 3 标准的不足之处，王孟浩等口引口6 1 提 出了一种更细致的考虑每根管子吸热情况的计算方法，他将管子分为首排管末排管 紧贴管悬空管中间管和两面截距不同管等各段，在其特定的热力参数和结构特性下 计算从入口到计算截面处实际吸热量，并考虑水力偏差系数，但这种新方法计算的 壁温比7 3 标准计算的壁温普遍高出2 0 左右口7 1 。 能否得到较准确的管壁温度首先要知道烟道内烟气的温度分布。过热器、再热 器壁温分布由烟气入口截面温度与受热面本身结构特点决定。由于测量方法的局 限，炉膛出口烟气温度分布一直难于测量，而对于燃烧器四角布置的锅炉来说，烟 3 华北电力大学硕士学位论文 气尾部的残余旋转存在，使烟气流量也分布不均，因此在壁温计算中，往往按经验 值假设烟道宽度方向的吸热函数，这些函数一般为水平坐标的二次或三次函数。这 种假设显然较为粗略，难以更精确计算壁温分布。近年来，以数值模拟方法计算炉 膛温度场已有相关报道哺l 口1 ，一般透过考虑火焰辐射传热关系，给出炉膛内部及出 口处烟气温度分布。其结果较好地反映了炉膛中火焰分布对炉膛烟温的影响，结果 已接近实测值。但是这种烟温的分布，往往是在没有布置高温受热面的情况下得到 的，也不能准确地描述烟温度和流量的分布，也影响了管壁温精确性。目前清华大 学郑昌浩，徐旭常等教授考虑以二维烟温分布计算壁温，使壁温计算更具针对性， 反映了锅炉结构、燃烧特点对壁温的影响阳3 。在实际应用中，若没有数值计算的温 度分布，也可以纵向和横向的吸热分布经验公式为依据，生成二维温度分布，这也 可在一定程度上改善计算精度。在改进算法中先将管组、管段离散化为若干小单元， 对每个离散化的小单元逐一计算热平衡关系，并得出壁温结果。此算法改变了以往 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。通过上述改进更精 确反映了壁温分布的内在本质，并使计算方向趋向简明。同时，由于将原常规方法 中的近似处理，和较复杂的步骤转化为较大量的局部精确计算，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。但是屏式 过热器沿炉膛宽度方向、深度方向以及高度方向的辐射比例都不是均匀分配的。所 以二维烟温分布已不能满足壁温计算的精度。近几年，武汉大学又提出了屏式过热 器三维计算的新方法阳1 ，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、工质温度值以及该处的传热系数，从而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。 近几年来，神经网络理论也应用到了管壁温的计算，神经网络进行过热器管壁 温度预测已经具备一定的准确度，为管壁温度的计算提供了新的分析方法，但是尚 处于初期摸索阶段n 训。 随着计算机模拟技术的快速发展，采用计算机模拟技术研究燃烧室内燃烧过程 已经是国内外能源领域的研究者们普遍采用的手段，并开始与大型的冷模、实测的 试验进行对照，模拟的方向也趋向于实用的，如污染物模拟、结渣模拟。九十年代 至今，炉内三维的流动燃烧，传热模型与方法更趋于成熟，燃烧室的模拟开始走向 大型的炉内模拟，开始向实际应用迈进。 1 9 8 9 年d em i c h e l e 等对煤粉燃烧模型和炉内辐射传热模型进行了研究1 ； 1 9 9 0 年c a n a d e s 等对炉内辐射传热进行了模拟n2 1 ； 1 9 9 1 年p f a n n s t i e l ，d i s e r m a n n ，r 对炉内燃烧过程的模拟与控制进行了研究 【1 3 】： 4 华北电力大学硕士学位论文 1 9 9 1 年h o k i ，h 等对炉内过程进行了模拟n 钔； 1 9 9 4 年n 扣1 9 1 文献分别对燃烧不同种类的煤时，未燃尽炭热损失、炭的异相反应、 煤粉炉的稳燃、炉内流动、燃烧、传热过程进行了研究； 1 9 9 7 年瞳0 。2 文献分别对稳燃、不同差分格式对于伪扩散的影响、焦炭的燃烧特 性进行了研究； 国内一些高校和科研院所对炉内工况的数值模拟也做了一定的工作，并取得一 定的成果。浙江大学热能所、清华大学、华中科技大学、华北电力大学燃烧研究室 在这方面都做了大量的工作。 国内的研究人员利用c f d 软件成功对煤粉锅炉烟气侧的热偏差分析、流量偏差 分析、超温爆管故障分析。如：上海交通大学的范卫东等对顶棚过热器受热面管流 量偏差进行了数值分析研究乜羽；匡江红等对电站锅炉过、再热器集箱静压分布的数 值研究瞳引；蒋狲等对锅炉气温偏差试验研究与数值分析口引。 1 3 主要研究内容 针对电站锅炉屏式过热器管壁温度测量困难和计算不够准确的状况，本文以某 电厂h g 一6 7 0 1 3 7 - y m l 3 型锅炉为研究对象，在额定工况下，尝试在炉膛数值模拟 的基础上，利用f l u e n t 软件采用烟气侧蒸汽侧耦合求解的方法对屏式过热器壁温 进行数值模拟，给出了管内蒸汽流动和管外烟气共同作用下后屏过热器管壁温度沿 管长方向的变化趋势，改变了以往单独考虑蒸汽侧或烟气侧求解壁温的方法，找出 了管壁温度最高的部位，为管壁选材和管壁温度监测点的选取提供了依据。 本文所做的工作主要包含以下几个方面： 1 、将炉膛以折焰角为界分为上炉膛和下炉膛。下炉膛取额定工况进行燃烧数 值模拟，得到下炉膛出口截面上的速度场分布、温度场分布、烟气成分浓度和出口 截面的总辐射热流量，以此作为上炉膛换热数值模拟的边界条件和初始条件。 2 、借助u d f 函数编程，以上炉膛入口截面第一层网格为内热源，并且假设入 口截面第一层网格内热源的热流密度服从高斯分布，从而实现辐射热从下炉膛向上 炉膛的传递。 3 、对上炉膛屏式过热器区域进行数值模拟。获得了后屏第一排管最外围三根 管子的壁温沿管长的变化趋势和分布舰律，从而找出温度最高的危险点，并对其进 行分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章屏式过热器管壁温度的计算方法 2 1 热偏差理论 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 各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2 引。 管子热偏差的程度大小就用热偏差系数p 来表示，系数p 定义为： p ：一a h p ( 2 1 ) 吃 式子中脚标o 和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：五。一偏差管焓增，k j k g ；吃一管组平均焓增，k j k g 如以脚标1 和2 分别表示管圈进出口的数值，则有： a h o ：吃。一向。：华，k j k g u o 魄：h 2 pm h i p - 华，k j k g ( 2 - 2 ) u p 其中：q i - t o 、g d 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： 砟、砟、g p 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。 由式2 1 和2 2 可以得到： p = 瓦q 瓦h 互1 = 警 q 。3 q 式子中 = 毒，= 瓦n p ，= 虿a p 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 6 华北电力大学硕士学位论文 偏差系数p 大于管材允许的容许热偏差系数p 一该点便成为危险点，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热偏差影响的程度将 在下面小节中详细分析与研究。 2 2 屏式过热器管壁温度的影响因素 电站锅炉屏式过热器受热面一般都是由许多的并联的管子组成，由前一节热偏 差理论可知，管壁超温爆管最根本的原因是由热偏差引起的。通常引起热偏差的因 素有以下几点引： ( 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 屏区烟气温度场和速度场发生恶化，从而引起管子金属壁温的超温。 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乜7 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 偏差以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区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。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 烟气侧热偏差 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。一个最主要的原因就是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，从而引起受热面沿烟道宽度吸热不均。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。 大量炉内冷态模化试验及数值模拟结果表明心7 3 1 1 ，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下几个特点： ( 一) 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最大。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，并不断卷吸周围烟气，旋转强度逐渐减小。 ( 二) 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 炉膛高度的前半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，形成一个贴壁气流 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。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，增加了气流间的动 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。 ( 三) 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 8 华北电力大学硕士学位论文 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，炉内气流在后期的环状流动是烟温烟速偏差的重要原因。 2 2 2 蒸汽侧流量偏差 国内人员对引起受热面工质流量分布不均原因的研究进行得比较早，取得了较 为成熟的理论成果，并运用于实践。根据研究结果，引起工质流量分配不均的原因 可以归结为三方面的原因口引： ( 1 ) 由集箱效应引起的屏( 片) 间流量分配不均； ( 2 ) 由于各排管子结构差异引起的管间流量不均； 1 由流体力学的基本理论： a s , 一z g 2 1 ， ( 2 4 ) 2 可知，压差一定时，阻力系数z 与流量g 的平方成反比，所以管子结构的差异将引 起管子流量分配的不均。 ( 3 ) 由热效应引起的流量分配不均。 热效流量偏差是由于各管圈吸热量差异引起的。从式2 4 可以看出，压差与阻 力系数一定时，工质比容与流量的平方成反比。由于屏间和管间热负荷不均的存在 而导致各管圈吸热量的不同，必然加剧各管圈流量分配的不均性。 从以上概述可以知道，沿烟道宽度上各排管子之间流量的分布主要取决于进出 口集箱中沿轴向方向上静压的分布和各排管子几何特性的偏差以及由热偏差引起 的工质比容偏差。现代大型锅炉由于烟道宽度尺寸相对锅炉容量的增加而增长较慢 以及为了简化系统和实现工质的充分混合，多采用大口径连接管集中引入引出，集 箱的效应在热偏差计算中不可忽视。 2 2 3 同屏( 片) 管子热负荷特点 大型锅炉由于参数的提高，普遍采用屏式过热器。由于屏式过热器多布置于炉 膛上部区域或炉膛出口，工作环境温度非常高，加上受热面管子套数的增多，同屏 各根管子之间的热偏差也不可忽视。以往锅炉设计一直采用原苏联的热力计算方法 计算管壁温度，基本没有考虑到同屏( 片) 各管之间的热偏差问题，所以，近年来 不少电厂发生屏式过热器超温爆管事故，且多数是屏式过热器管屏的首排管或外两 圈管子。 9 华北电力大学硕士学位论文 虽然同屏各管吸热不均的原因比较复杂，但经过多年的试验研究和理论探索， 基本上掌握了引起同屏吸热不均的主要原因口引，主要有以下几个方面： ( 1 ) 管组前和管组后的烟气容积对同屏各管的辐射角系数和辐射热量有很大的 差别。如接受炉膛火焰辐射或屏前烟气容积辐射的屏式过热器，各排管子接受辐射 的角系数差别非常明显，因而各排管子的辐射受热面积也就不同。通常第一排管子 的角系数最大，后面管的角系数迅速减小。 ( 2 ) 目前大容量锅炉设计中常采用较大的横向节距而和较小的纵向节距，而且 管屏( 片) 上下行程之间的节距是大于岛。由于s ：比较小，管子与管子之间的积灰 较多，s 较大，所以屏间烟气辐射热量在总换热量中占很大比例。而屏中各管段吸 收屏间烟气辐射的受热面积是不同的，吸收的屏间烟气辐射热量也就不同。如管屏 的中间管与两面节距不等的管子在接受屏间烟气辐射热量方面存在较大的差别。 ( 3 ) 同屏( 片) 各管由于管屏结构上述的特点，各管的对流吸热量也有较大的 差别。如管屏的首排管和末排管没有相邻管子的遮挡作用，其对流吸热量比中间管 要大。 ( 4 ) 同屏各管的受热长度也存在差别，使各管的吸热量同样具有偏差。如屏式 过热器外圈管子比内圈管的长度明显长，加剧吸热量的不均性。 因此，大容量锅炉设计不但要注意引起屏间吸热偏差的因素，同时引起同屏管 间吸热不均的因素也不可忽略。 2 3 屏式过热器管壁温度的计算方法 壁温的计算公式心5 1 ： 怫他+ 肋一争南+ 旁 浯5 ， 式中厶一管子金属管壁温度，： 乞一管内计算端面上介质平均温度，： 缸一区段中管内介质温度大于平均温度的值，： 一管子外径与内径的比值： 一热散射系数，1 ( w ( 盯) ： g 一一在最大管子上吸热量最大处的热负荷，l 【w ( m 2 ) ； 旯一管壁金属导热系数，k w ( 时) ： 万一管子壁厚，m ： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 口，一管壁向被加热介质的放热系数，k w ( m 2 ) 。 要准确计算某点的壁温，首先要准确的计算该截面的管内蒸汽平均温度t 。对应 的焓值，关键是从进口到计算截面的焓值的计算，实质上也就是传热量的计算。 2 3 1 苏5 7 年标准 5 7 年标准口3 3 将屏的传热作为对流传热方式考虑，传热面积按管的周界展开面积 计算，其吸热量用公式： q 。：q 凸笠生，k w ( 2 - 6 ) g 2 鳓吾孝， 这个公式是由岛= k h a t 和q ，= k _ h p a t p 推导得出的。 式中： q 一屏的总传热量，k w ； 日一屏的总受热面积，m 2 ： & 一屏的壁温，： q 。一屏进口到计算截面的传热量，k w ： 日。一屏进口到计算点截面的受热面积，肝； 出。一屏进口到计算点截面的温压，： 5 7 年标准对吸热不均的考虑是很不完善的，只在 k = i + ( r h 一1 ) a i x ，k j k g g 一= r , q o ，k w m ( 2 7 ) 上做了一些修改，仇表示热负荷最大的管子吸热量与需要检修的那一排管子的平均 吸热量之比，取值非常粗糙。 5 7 年标准对水力偏差的考虑也很不完善，它将重点放在由于进出口联箱的引进 引出方式不同，影响连接于两联箱之间的管子的进出口压差，引起各管工质流量不 均。而且是在联箱直径较大，管子长度较小，锅炉汽压较低，使联箱压降和连接于 两联箱之间的管子中的阻力相近时，才规定必须考虑流量不均问题，显然这种处理 问题的方式只对低参数锅炉才正确。 2 3 2 苏7 3 标准 7 3 标准口43 将屏的传热修正为按半辐射半对流传热方式考虑，传热面积按屏的 平面面积计算，其吸热量用公式： q p 2 q ，+ q d ，k w ( 2 8 ) 其中 q ，27 7 e q h r ，k w 幺= k h d 铒，k w ( 2 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中 q ，一一屏的辐射传热量，k w ； 沿炉高吸热不均匀系数，： g ，炉膛辐射受热面的平均热负荷，k w m ； “，屏进口到计算点截面的辐射受热面积，r ； 线一一屏的对流传热量，k w ； k 屏的传热系数，k w ( m c ) ； 爿d 屏进i = 1 到计算点截面的对流受热面积，m 2 ； & p 一一屏进口到计算点截面的温压，： 7 3 年标准对吸热不均匀的考虑较5 7 年标准完善一些，计算平均焓增f ，考虑了 沿炉宽管件之间的吸热不均匀性，即： a x = r m g ，k j k g ( 2 1 0 ) 计算最大焓增时又进一步考虑了同一管件并联各屏之间的热偏差系数，即 k ：f + ( 当) 缸，k j k g ( 2 一i i ) 计算校核点的最大热负荷时，同莳鸳矗了上面两者的修正： g 眦= 巩仉q o ，k w m 7 3 年标准在计算水力偏差时综合考虑了各管圈沿集汽联箱的静压变化管子流 阻和吸热不均等引起的水力不均，并放在同管件各管的热偏差中加以修正，更适合 于大容量锅炉。 2 4 本章小结 本章从热偏差理论的基础及热偏差系数的定义着手，得出了过热器、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，并重点分析了这三方面 因素对屏式过热器管壁温度的影响，由于这三方面因素共同作用，使得管壁温度的 计算非常复杂，在计算中不能尽数考虑影响管壁温度的所有因素，通过对苏5 7 和 苏7 3 标准的比较，苏7 3 标准计算方法考虑了更多的影响管壁温度的因素，是目前 管壁温度计算的基础。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章h g - - 6 7 0 13 7 - y m l3 锅炉屏式过热器壁温数值模拟方法 3 1f l u e n t 数值模拟简介 在电厂方面，因锅炉过热器和再热器的超温爆管，炉膛结焦、掉焦灭火时有发 生，严重地影响着机组的安全运行。环保的要求需要研制开发新型低n o x 燃烧器 和进行no等污染物的生成机理研究，但是锅炉燃烧过程是个复杂的传热、传质过r 程，由于工作条件恶劣和边界条件的复杂性，进行常规的测试不仅花费大量的人力 和财力，而且这方面的测试在现今的条件下无法实现或者有很大的误差。因此，通过 运用c f d 技术进行锅炉燃烧过程的冷态、热态数值模拟，以及过热器再热器管内 外换热的数值模拟有很大的应用空间。与常规方法相比，c f d 的结果可以更直观、 更全面地反映实际的炉内燃烧过程，现场实验采集的只是局部的数据，且很受时间地 点的限制，而c f d 得到的燃烧场则是计算域内的一个完整场，它可以显示计算域 内任何地方的速度、压力、温度，或是整个区域内的分布规律。由于数值计算可以 在不打断正常生产过程的前提下，对多种预想的燃烧过程进行计算仿真，从而找出 理想的燃烧方式，所以在锅炉的优化燃烧方面有非常大的应用优势口钔。 任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律为基础的。这些基本 定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、n s 方程。采用数值计算的方法，通过 计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的学科 就是计算流体力学h 们。 g a m b i t 为数值模拟计算的前处理部分，其主要功能为：按照点、线、面和体的 顺序建立需要求解流体域的三维几何模型；网格划分，g a m b i t 可以生成结构化网 格、非结构化网格及混合网格。g a m b i t 可生成的非结构化网格又包括四面体网格、 六面体网格及混合网格。网格划分过程中需要多次对网格分布、网格大小等进行调 整，并对感兴趣的流动区端进行网格加密处理。f l u e n t 4 和f l u e n t 5 为数值模拟的 求解器和后处理器。其中，f l u e n t 4 适用于结构化网格；而f l u e n t 5 适用于结构化 和非结构化网格，因此特别适于模拟结构复杂的部件内的流动。其主要特点为：设 置流体物性、边界条件、初始条件、求解步数、时间步长等；采用基于压力修正的 非祸合求解算法，包括s i m p l e 、s i m p l i c 和p i s o ；有多种离散格式可供选择， 包括一阶迎风格式、幂次律格式、二阶迎风格式和q u i c k 格式；采用v 形、w 形、f 形和拐折循环求解线性代数多重网格方程，应用高斯一赛德尔松弛法。湍流 模型主要包括：s p a l a r t a k k m a r a 的方程模型；标准k 模型，r e a l i z a b l ek 模型 和r n gk 模型；考虑浮力和压缩效应的k e 子模型；应用于旋流，低雷诺数效 华北电力大学硕士学位论文 应的r n g 子模型；包括壁面反射模型和线性或二次压力一应变模型的雷诺应力模 型；对大涡模拟的亚格子应力模型。f l u e n t 的后处理部分可实现矢量图、云图、 等势线图等“。 随习i 数值模拟在工程和理论研究领域的应用越来越广泛，国内外很多院校对一 些炉内过程进行了成功的数值模拟计算。近年来，随着一些大型的、专业的计算软 件的出现，如p h o e n i c s ，a n s y s ，f l u e n t ，使得数值计算对电站锅炉炉内过程的模拟 有了长足的发展。特别是通过这些专业软件对一些大型锅炉( 如3 0 0 m w 、6 0 0 m w 锅炉) 炉内过程所作的数值模拟，计算的可靠性和准确性越来越得到人们的认可【3 8 1 3 2 模拟对象简介 3 2 1 锅炉概况 本文以某电厂1 # 炉为研究对象，该锅炉系哈尔滨锅炉厂生产的h g 一 6 7 0 1 3 7 y m l 3 型锅炉，锅炉为超高压型、一次中间再热自然循环汽包炉，采用平 衡通风，固态排渣。该炉是按照某煤种设计的，采用四角布置切向燃烧技术，炉内 假想切圆为8 6 4 ( 逆时针