常志達，周云龍

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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電站鍋爐水冷壁壓降特性研究

常志達，周云龍

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

通過建立爐內(nèi)單根水冷壁動態(tài)數(shù)學(xué)模型及壓降計算的數(shù)學(xué)模型，分析水冷壁管段內(nèi)部動態(tài)變化及壓降，利用Matlab/Simulink在70%鍋爐負荷，以入口焓、入口流量及燃燒率為擾動對管內(nèi)的熱水段、蒸發(fā)段、過熱段的長度動態(tài)變化進行了仿真；并對壓流量、入口溫度、熱負荷等運行條件的變化進行了分析。結(jié)果表明：動態(tài)條件下不同的擾動條件，各段的長度變化原因不同，靜態(tài)條件下流動壓降對水冷壁總壓降影響較大，超臨界壓力下，流動壓降明顯高于重位壓降。

水冷壁；壓降；數(shù)學(xué)模型；動態(tài)仿真

隨著我國電網(wǎng)容量的增大，機組裝機量逐年增加并投入商運，電網(wǎng)的峰谷差也有加大的趨勢。當(dāng)火電機組參與調(diào)峰運行時，鍋爐側(cè)的水動力安全性將受到考驗；當(dāng)機組降低負荷時，鍋爐內(nèi)部工質(zhì)的參數(shù)發(fā)生變化，鍋爐具有較大的熱容量及熱慣性；在低負荷運行時，水動力的穩(wěn)定性也隨之發(fā)生變化。因此，在鍋爐降負荷運行時控制各參數(shù)的變化是保證機組安全與穩(wěn)定運行的前提。

俞谷穎[1]介紹了鍋爐在水動力方面的發(fā)展，提出了我國電站鍋爐的發(fā)展趨勢。周云龍[2]對某機組電站鍋爐進行了低負荷調(diào)峰的水循環(huán)安全在線監(jiān)測試驗，并提出低于40%鍋爐負荷時不宜長期運行。華永明[3]建立了計算雙相流動壓力降的模型，運用編程計算確定了不同負荷下水動力足夠穩(wěn)定。在較低的鍋爐負荷運行時，水冷壁內(nèi)部工質(zhì)的壓降曲線斜率呈線性，在下爐膛回路中具有正流量特點，工質(zhì)的壓降和流量的關(guān)系均呈一一對應(yīng)的提高趨勢[4]。在動態(tài)仿真方面，F(xiàn).J.Gutiérrez Ortiz[5]根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒定理，利用Matlab軟件建立鍋爐系統(tǒng)模型，并模擬仿真了鍋爐啟動過程，仿真結(jié)果與實際過程相符。通過熱力學(xué)基本理論知識，得出爐內(nèi)工質(zhì)的參數(shù)數(shù)學(xué)算法[6]，F(xiàn).P.De.Mello[7]建立了單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的非線性描述。利用集總參數(shù)法建立了單相、雙向受熱管段的數(shù)學(xué)模型[8，9]，從蒸發(fā)、蒸汽過熱的基本特性出發(fā)，可以很好地解釋水冷壁的壓降變化[10，11]。

根據(jù)目前的研究成果，運用水冷壁的壓力降的計算標(biāo)準(zhǔn)方法，以某廠1 000 MW超臨界機組直流鍋爐內(nèi)部的受熱水冷壁為研究對象，建立水冷壁內(nèi)部工質(zhì)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及鍋爐中單個受熱水冷壁管的壓降計算模型。在70%鍋爐負荷時，根據(jù)計算將水冷壁分為三段，利用相變點、過熱點位移變化來確定汽水區(qū)段的長度變化，并通過工質(zhì)壓力降的計算模型確定水冷壁內(nèi)部工質(zhì)壓降在特定工況下的變化。

1　水冷壁內(nèi)部分段數(shù)學(xué)模型

1.1物理模型的建立

單個受熱的水冷壁模型，根據(jù)受熱特性，把管段模型分為熱水、蒸發(fā)和過熱三個部分，在直流鍋爐運行過程中，汽水之間不存在固定的邊界，不同工況工質(zhì)的狀態(tài)不同，導(dǎo)致各段邊界發(fā)生移動，得出移動的邊界集總參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，圖1為直流鍋爐水冷壁單管模型，管段1—管段3為熱水段，管段3—管段5為蒸發(fā)段，管段5—管段7為過熱段。

圖1　直流鍋爐水冷壁的單管模型

在建模過程中，需要做出以下假設(shè)[12-14]：

(1)每段內(nèi)部壓力均勻分布，在每段的入口處取流動阻力參數(shù)；

(2)不考慮軸向?qū)?，只考慮工質(zhì)與管壁的對流換熱；水冷壁吸收的煙氣輻射熱流密度是均勻分布的；

(3)不考慮每段中工質(zhì)的加速壓降和相對位置的重位壓差；

(4)管段內(nèi)部工質(zhì)沿軸向的流動是一維的，流動截面參數(shù)均勻一致；

1.2數(shù)學(xué)模型的建立

熱水段數(shù)學(xué)模型：

質(zhì)量守恒方程

(1)

能量守恒方程

(2)

動量守恒方程

(3)

金屬熱平衡方程

(4)

管內(nèi)傳熱方程

(5)

在對蒸發(fā)段及過熱段建立數(shù)學(xué)模型的過程中，利用集總參數(shù)法，與熱水段建立模型的方式類似。因此，所建立的數(shù)學(xué)模型及其驗證方法不作詳細描述，具體模型的建立以及所用參數(shù)的選取可參考文獻[15]。

圖2　入口焓減少各段長度響應(yīng)曲線

圖4　燃燒率減少各段長度響應(yīng)曲線

2　仿真試驗

在70%鍋爐負荷時確定邊界條件，運用Matlab/Simulink創(chuàng)建模擬模塊，使入口焓值、入口流量及燃燒率作為單獨的擾動條件，分別進行仿真。

2.1入口焓階躍減少10%

入口給水焓值減小階躍減小10%，燃燒率及入口流量不變，熱水區(qū)長度逐漸增加，在蒸發(fā)區(qū)段內(nèi)，飽和水量減少，而流進過熱區(qū)的飽和蒸汽量降低，當(dāng)進入管內(nèi)的工質(zhì)焓階躍減小時，工質(zhì)瞬間的產(chǎn)汽量降低，管段出口處的蒸汽流量瞬間降低。從圖2中可以看出，在短時間內(nèi)蒸發(fā)段迅速減小，蒸發(fā)和過熱點前移，從而導(dǎo)致過熱段增加，在給水量不變的情況下，管段的出口工質(zhì)流量逐漸與給水量相等，蒸發(fā)段長度緩慢增加，飽和水與飽和蒸汽量瞬時減少時，工質(zhì)內(nèi)部的壓力降低，致使工質(zhì)中飽和蒸汽的焓值增加，增加了管內(nèi)工質(zhì)的潛熱，導(dǎo)致過熱區(qū)段的長度隨之減小，最后低于初始的值。

2.2流量階躍減少10%

入口流量階躍減小10%，保持給水焓和燃燒率恒定，壓力在短時間內(nèi)減小，在管段內(nèi)部各段的壓力降低不同，如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著壓力的降低使得飽和水的焓值減小，工質(zhì)內(nèi)部中飽和蒸汽的焓值升高，在短時間內(nèi)蒸發(fā)區(qū)的長度有所延長，過熱區(qū)的長度有所縮短，由于燃燒率不變，入口流量降低，工質(zhì)吸收的煙氣輻射熱量變大，過熱區(qū)長度隨之增加，最后高于初始值。入口工質(zhì)流量的降低，使得熱水區(qū)內(nèi)的工質(zhì)吸收的熱量變少。因此，熱水區(qū)的范圍變小，長度數(shù)值減小，蒸發(fā)區(qū)壓力降低，汽化潛熱變大，蒸發(fā)區(qū)長度逐漸降低并低于初始值。

2.3燃燒率階躍減少10%

燃燒率階躍減少10%，入口給水流量和給水焓保持恒定，入口壓力也將減小，吸熱量減小使管壁金屬溫度和管內(nèi)工質(zhì)溫度降低，入口的工質(zhì)流量不變。從圖4中可以看出，熱水段的長度變長，工質(zhì)內(nèi)平均密度升高，工質(zhì)平均比容降低，管段內(nèi)工質(zhì)壓力差減小，吸熱量的減少使得過熱區(qū)內(nèi)工質(zhì)的飽和蒸汽量變少。因此，過熱區(qū)長度范圍縮短并低于初始值。在初始階段，熱水區(qū)段長度的延長，蒸發(fā)段的長度有所縮短，工質(zhì)內(nèi)部溫度及壓力的減小使得蒸發(fā)區(qū)的長度范圍增大，最終高于初始值。

3　靜態(tài)下壓降的數(shù)學(xué)模型

鍋爐水冷壁受熱管的進口到出口間的總壓降Δp由流動阻力壓差Δplz、重位壓差Δpzw和加速壓差Δpjs三項構(gòu)成，加速壓差一般只占水冷壁總壓差的3%，在計算水冷壁壓降時，可忽略不計。對于所選水冷壁管段，對管子內(nèi)部壓降進行分區(qū)段計算，通過出口工質(zhì)的含汽率(干度)來確定工質(zhì)的狀態(tài)，調(diào)用相應(yīng)的計算程序段。當(dāng)出口工質(zhì)的干度等于1，則受熱管段需分三段計算，根據(jù)水和水蒸氣表判斷相變點，水冷壁的總壓差等于單相區(qū)壓差(包括單相水和過熱蒸汽)和兩相區(qū)的壓差之和。當(dāng)出口工質(zhì)的含汽率小于1，水冷壁進出口壓差等于單相區(qū)段水的壓差加上兩相區(qū)的壓差。通過流量、工質(zhì)入口溫度及熱負荷的降低來分析水冷壁壓降的變化。

3.1單相區(qū)流體壓降的數(shù)學(xué)模型

單相總壓降可通過公式(6)計算：

Δp=Δplz+Δpzw+Δpjs，

(6)

式中：Δp為管段總壓降；Δpzw為重位壓降；Δpld為流動壓降；Δpjs為加速壓差。

其中，流動壓降可通過公式(7)求得：

Δpld=Δpmc+Δpjb，

(7)

其中：

(8)

(9)

(10)

式中：dn為計算管段的內(nèi)徑，m；k為粗糙度，在本文中取0.06mm；λ為摩擦阻力系數(shù)；ρw為質(zhì)量流速，kg/m2·s；l為計算管段長度，m；υj與υc分別為計算區(qū)段進口和出口的工質(zhì)比容，m3/kg；ξjb為管段局部阻力系數(shù)，可通過查表確定。單相工質(zhì)的重位壓降計算公式：

(11)

式中：θ為計算管段傾斜角。

3.2雙相區(qū)流體壓降的數(shù)學(xué)模型

(12)

(13)

(14)

(15)

相關(guān)參數(shù)通過文獻[16]確定。

圖5　壓降隨流量的變化

4　計算結(jié)果與分析

4.1壓降隨工質(zhì)流量的變化

當(dāng)鍋爐的負荷降低時，工質(zhì)流量隨之減小，如圖5所示。圖中表示流量從100%降到15%時壓降的變化，在入口工質(zhì)溫度及熱負荷保持不變時，在流量降低的過程中水冷壁的總壓降由于重位壓降及流動壓降的減小而降低，在此過程中變化了0.9 MPa，總壓降曲線的斜率的變化趨勢與流動壓降類似，流動壓降受流量的變化要明顯高于重位壓降，重位壓降的變化幅度較小，基本維持在0.2 MPa左右。該鍋爐采用下螺旋上垂直的水冷壁布置方式，過大的摩擦阻力影響水冷壁內(nèi)的工質(zhì)流量，使得水動力特性不穩(wěn)定。

4.2壓降隨工質(zhì)入口溫度的變化

在100%鍋爐負荷及50%鍋爐負荷時，水冷壁壓降隨工質(zhì)入口溫度降低的變化，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，在兩種運行工況下，總的壓降均隨工質(zhì)溫度的降低而減少，流動阻力的變化接近1.5 MPa，勢必影響流量的變化，使得水冷壁的壁溫升高，增大了超溫爆管的危險。當(dāng)鍋爐超臨界運行時，此時工質(zhì)的比容對壓降的影響較大，同亞臨界運行時相比，曲線的變化趨勢明顯；而在50%鍋爐負荷時，總壓降曲線斜率變化緩慢，變化量約為0.05 MPa，在此工況下，工質(zhì)的溫度主要與運行壓力有關(guān)，而運行壓力基本不變，當(dāng)工質(zhì)溫度低于263 ℃時，重位壓降高于流動壓降，與超臨界相比，此時工質(zhì)的比容變化不劇烈。在超臨界下，較高的入口工質(zhì)溫度，工質(zhì)流量補償?shù)奶匦詼p弱，在入口溫度高于350 ℃時，工質(zhì)的溫度會明顯增加，在大比熱區(qū)內(nèi)輕微的溫度變化將導(dǎo)致工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、比容等參數(shù)發(fā)生劇烈變化。因此，在運行過程中，應(yīng)嚴格控制給水溫度，保證水動力的穩(wěn)定。

圖6 100%鍋爐負荷壓降隨工質(zhì)溫度的變化圖7 50%鍋爐負荷壓降隨工質(zhì)溫度的變化

4.3壓降隨熱負荷的變化

在100%鍋爐負荷及50%鍋爐負荷時，水冷壁壓降隨熱負荷的變化，如圖8、圖9所示。從圖中可以得出，在兩種運行方式下，總壓降隨著熱負荷的減少而降低，流動壓降的變化趨勢與總壓降相同，而重位壓降則隨著熱負荷的減小而升高。熱負荷降低，使得工質(zhì)的平均密度增加，減緩工質(zhì)的流動速度，流動壓降減小，而重位壓降則逐漸增加。在超臨界工況下，總壓降最大接近1.4 MPa，工質(zhì)具有較高的流動速度，流動壓降最大為1.3 MPa，而在較高的熱負荷下，重位壓降的減小值遠遠小于流動阻力的增加值。在亞臨界壓力下，總壓降最高值為0.45 MPa，流動壓降最高為0.34 MPa，工質(zhì)的流動速度減慢，平均密度高于超臨界壓力工況，經(jīng)過計算流動壓降依然超出了重位壓降，對水動力特性的影響占主要因素。在圖9中，當(dāng)熱負荷小于90 kw/m2時，重位壓降大于流動壓降，此時重位壓降隨熱負荷的變化較小，重位壓降有助于水動力特性的穩(wěn)定。

圖8 100%鍋爐負荷下壓降隨熱負荷的變化圖9 50%負荷下壓降隨熱負荷的變化

5　結(jié)　　論

(1)動態(tài)階躍擾動條件不同的情況下，各區(qū)段長度的變化原因不同，通過仿真的結(jié)果確定了所建模型的穩(wěn)定性。

(2)靜態(tài)壓降的計算結(jié)果反映出在水冷壁壓降的組成中，流動壓降占有很大的比重，在亞臨界壓力下，隨著負荷的降低，重位壓降逐漸增加，有助于水動力的穩(wěn)定。

(3)水冷壁內(nèi)工質(zhì)的壓降受比容的影響較大，在超臨界工況下尤為明顯，在鍋爐的實際運行過程中，應(yīng)嚴格控制流量與熱負荷的變化速度，防止發(fā)生水冷壁超溫及水動力多值。

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Study on Thepower Station Boiler Water Wall Pressure Drop Characteristics

CHANG Zhi-da ZHOU Yun-long

(Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In this paper，through the establishment of mathematical model of dynamic mathematical and pressure drop calculation of single water wall in furnace，to analyze the dynamic changes and the pressure drop of the water wall tubes.Inlet enthalpy，the inlet flow and combustion rate as disturbance，to simulated inner tube dynamic changes of length of water section，evaporation section，superheated section under 70% boiler load by matlab/simulink platform，and analyze the influence of the operating conditions such as pressure flow，inlet temperature and heat load on the pressure drop.The results showed that ：the dynamic conditions under different disturbance conditions，the length of each segment changes for different reasons，static conditions under flow pressure drop of water wall total pressure drop effect of larger，super critical pressure under，flow pressure drop was significantly higher than that of heavy pressure drop.

Water wall；Pressure drop；Mathematical model；Dynamic simulation

2016-04-12

常志達(1990-),男,吉林省松原市人,東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向：鍋爐水動力特性.

1005-2992(2016)04-0043-06

TK223

A