畢凌峰, 杜曉成, 張西容, 李維騰, 陳經(jīng)榮, 陳婷鈺, 楊 冬

(西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

我國(guó)正在推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo),國(guó)家大力推進(jìn)清潔能源的發(fā)展,致力于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系[1]。隨著新能源的大規(guī)模并網(wǎng),我國(guó)大型燃煤發(fā)電機(jī)組應(yīng)該關(guān)注頻繁的升降快速變負(fù)荷條件下水動(dòng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。鍋爐快速變負(fù)荷時(shí)受熱面實(shí)際發(fā)生的是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。此時(shí),鍋爐的煤水比與工質(zhì)側(cè)的壓力、溫度、流量以及壁溫均隨時(shí)間發(fā)生變化。為保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行,鍋爐的控制系統(tǒng)需作出適當(dāng)響應(yīng)。但目前對(duì)超超臨界鍋爐動(dòng)態(tài)特性的認(rèn)識(shí)仍然不夠深入,這給鍋爐系統(tǒng)安全、快速變負(fù)荷帶來(lái)一些問(wèn)題[2-3]。因此,掌握受熱面熱負(fù)荷、入口焓、進(jìn)口給水流量、壓力階躍擾動(dòng)時(shí)出口工質(zhì)的焓及質(zhì)量流量的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)于分析鍋爐快速變負(fù)荷時(shí)的受熱面安全特性以及確定安全負(fù)荷變化速率范圍具有重要意義[4-5]。超超臨界鍋爐水冷壁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究是鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。特別是當(dāng)鍋爐快速變負(fù)荷時(shí),煤水比與水冷壁工質(zhì)壓力、溫度、流量及壁溫均發(fā)生改變,且水冷壁出口工質(zhì)的參數(shù)變化對(duì)鍋爐的安全分析及保護(hù)影響較大。因此,研究鍋爐快速變負(fù)荷時(shí)水冷壁的動(dòng)態(tài)特性顯得尤為重要。

目前,對(duì)水冷壁動(dòng)態(tài)特性的研究主要集中在跨臨界壓力的通用模型[6-9]、超超臨界壓力下的仿真模擬[10-12]以及各種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)[13-15]方面。鄭建學(xué)[16]建立了亞臨界壓力下的動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型,并與高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,誤差在可接受范圍內(nèi)。郭喜燕等[17]建立了模塊化動(dòng)態(tài)模型,模擬了鍋爐汽水側(cè)基本參數(shù)的變化過(guò)程。Wang等[18]采用GSE軟件對(duì)超超臨界雙回?zé)崴仩t進(jìn)行仿真建模,結(jié)果表明給水溫度的擾動(dòng)時(shí)間響應(yīng)最長(zhǎng)。Deng等[19]對(duì)循環(huán)流化床鍋爐(CFB)進(jìn)行建模,研究了負(fù)荷變化率和運(yùn)行床壓對(duì)全循環(huán)CFB鍋爐水動(dòng)力性能的影響?？梢钥闯?針對(duì)超超臨界鍋爐動(dòng)態(tài)特性的研究相對(duì)較少,且大多采用仿真模擬軟件開(kāi)展分析,缺少針對(duì)超臨界壓力下的數(shù)值計(jì)算模型。

筆者以某電廠(chǎng)超超臨界鍋爐的水冷壁系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立數(shù)學(xué)模型,求解傳遞函數(shù)。基于Matlab開(kāi)發(fā)了階躍擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性計(jì)算程序。通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證,以驗(yàn)證傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確性,結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果與程序預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好,可以用于工程計(jì)算。針對(duì)該電廠(chǎng)超超臨界鍋爐機(jī)組75%熱耗率驗(yàn)收工況(THA),分析了不同參數(shù)10%階躍后的出口工質(zhì)焓和質(zhì)量流量變化,以及壓力、入口焓、入口質(zhì)量流量、熱負(fù)荷、管長(zhǎng)對(duì)相同參數(shù)階躍擾動(dòng)的影響規(guī)律,為后續(xù)電廠(chǎng)快速變負(fù)荷運(yùn)行的安全及控制提供理論參考。

1 超(超)臨界鍋爐機(jī)組水冷壁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

在建立超臨界蒸發(fā)受熱面的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí),采用以下基本假設(shè):1) 管外熱負(fù)荷沿管長(zhǎng)均勻分布,即熱流量是時(shí)間t的函數(shù),在穩(wěn)態(tài)時(shí)熱流量為常數(shù);2) 沿管長(zhǎng)方向無(wú)導(dǎo)熱及其他熱交換;3) 受熱管的內(nèi)徑及壁厚均勻不變,整個(gè)受熱部分可等效成單根管子;4) 略去流動(dòng)所造成的壓力損失,認(rèn)為管內(nèi)壓力是均勻的,即將壓力作為一個(gè)集總參數(shù)的輸入量來(lái)考慮。

1.2 基本方程

1) 管壁金屬的熱平衡方程

(1)

式中:Q1為管子外壁面的傳熱量,kW/m;Q2為從管內(nèi)壁向流體的傳熱量,kW/m;mj為單位長(zhǎng)度管段的金屬質(zhì)量,kg/m;cj為金屬的比熱容,kJ/(kg·K);Tj為管壁金屬的平均溫度,℃。

2) 能量守恒方程

(2)

式中:qm為質(zhì)量流量,kg/s;H為工質(zhì)焓,kJ/kg;v為工質(zhì)比體積,m3/kg;F為管道流通截面積,m2;y為坐標(biāo)位置變量,m。

3) 質(zhì)量守恒方程

(3)

1.3 基本方程求解

將基本方程中的變量用無(wú)因次偏差量表示,即:

(4)

式中:p為壓力,MPa;d、h、p′、q1、q2均為無(wú)因次偏差量;下標(biāo)0為穩(wěn)態(tài)參數(shù);下標(biāo)L為距入口L處參數(shù);下標(biāo)e為出口處參數(shù);下標(biāo)i為入口處參數(shù)。

系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),Q10=Q20。利用式(4)將基本方程線(xiàn)性無(wú)因次化,忽略無(wú)因次偏差量的二次項(xiàng)。

由能量守恒方程(2)可得:

(5)

式中:l為水冷壁管段總長(zhǎng),m。

由質(zhì)量守恒方程(3)可得:

(6)

其中,α和β是由式(7)定義的常數(shù)。

(7)

邊界條件如下:當(dāng)y=0時(shí),入口參數(shù)存在下式關(guān)系。

h(y,s)=hi(s)

(8)

d(y,s)=di(s)

(9)

(10)

式中:s為拉普拉斯因子。

利用上述邊界條件,得到無(wú)量綱出口焓及無(wú)量綱出口質(zhì)量流量傳遞函數(shù)如下:

(11)

(12)

管壁向工質(zhì)的放熱方程:

Q2=α2a2(Tj-Tf)

(13)

式中:a2為單位長(zhǎng)度管子的內(nèi)表面積,m2/m;Tf為介質(zhì)溫度,℃;α2為放熱系數(shù),kW/(m2·K)。

根據(jù)上式及管壁金屬的熱平衡方程式(1),得到:

(14)

將式(14)代入無(wú)量綱出口焓及無(wú)量綱出口質(zhì)量流量傳遞函數(shù)式(11)和式(12)中,得到工質(zhì)出口焓、工質(zhì)出口質(zhì)量流量關(guān)于入口焓、入口質(zhì)量流量、外壁熱負(fù)荷和系統(tǒng)壓力的傳遞函數(shù)。

(15)

(16)

2 試驗(yàn)及模型驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

本次試驗(yàn)在西安交通大學(xué)多相流高溫高壓試驗(yàn)臺(tái)上完成,試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示,采用電加熱方式,給試驗(yàn)段通以低電壓大電流的交流電,利用管子自身電阻產(chǎn)生熱量對(duì)工質(zhì)進(jìn)行全周加熱。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

水箱中的去離子水經(jīng)過(guò)高壓柱塞泵加壓,一路進(jìn)入主回路段,參與整個(gè)試驗(yàn)回路,另一路通過(guò)旁路段回流到水箱,起到調(diào)節(jié)流量和壓力的作用。主回路段工質(zhì)經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)后,在回?zé)崞髦信c由試驗(yàn)段而來(lái)的工質(zhì)進(jìn)行換熱,而后在預(yù)熱段中繼續(xù)被加熱。當(dāng)工質(zhì)溫度達(dá)到所需工況溫度后,在試驗(yàn)段繼續(xù)加熱工質(zhì)并測(cè)量其溫度。之后工質(zhì)在回?zé)崞骱屠淠髦斜焕鋮s,然后進(jìn)入下一次循環(huán)。

設(shè)置試驗(yàn)段和水平阻力段,所用試驗(yàn)段為直徑25 mm、壁厚3.5 mm的1Cr18Ni9Ti光管,光管為垂直方向布置,工質(zhì)在管內(nèi)做垂直上升流動(dòng),加熱長(zhǎng)度為2 m。圖2給出了垂直上升管的結(jié)構(gòu)和測(cè)點(diǎn)布置,試驗(yàn)段布置了9個(gè)外壁溫度測(cè)量截面,每個(gè)測(cè)量截面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),外壁溫度測(cè)量值分別為周向測(cè)點(diǎn)測(cè)量值與截面平均值。流體溫度由布置在試驗(yàn)段進(jìn)、出口的鎧裝熱電偶測(cè)得,流體壓力和壓差由壓力和壓差傳感器測(cè)得。水平段管段參數(shù)與試驗(yàn)段相同,水平布置,以消除重位壓差的影響。

圖2 試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)和測(cè)點(diǎn)布置圖

本試驗(yàn)中,在正式試驗(yàn)開(kāi)始之前將系統(tǒng)調(diào)整至預(yù)定的穩(wěn)態(tài)工況,試驗(yàn)開(kāi)始后通過(guò)調(diào)節(jié)主路閥或工控機(jī)控制的電加熱熱負(fù)荷實(shí)現(xiàn)變量的階躍變化,同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄該過(guò)程中試驗(yàn)段各參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 出口焓與熱負(fù)荷的關(guān)系

根據(jù)上一節(jié)得到的出口焓表達(dá)式,得到熱負(fù)荷擾動(dòng)與出口焓的傳遞函數(shù):

(17)

對(duì)壓力為25.9 MPa、質(zhì)量流速為600 kg/(m2·s)、入口焓為1 451 kJ/kg的工況來(lái)說(shuō),當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定后,將試驗(yàn)段熱負(fù)荷從164 kW/m2增加至235 kW/m2,該過(guò)程近似看做無(wú)量綱熱負(fù)荷階躍擾動(dòng)43.3%,由出口鎧裝熱電偶得到試驗(yàn)出口焓,根據(jù)式(17)得到出口焓預(yù)測(cè)曲線(xiàn),如圖3所示。

(a)

利用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證預(yù)測(cè)值,當(dāng)熱負(fù)荷階躍增加43.3%時(shí),試驗(yàn)出口焓增加46.6%左右,預(yù)測(cè)出口焓增加43.3%,預(yù)測(cè)出口焓與試驗(yàn)出口焓相差在5%以?xún)?nèi),且預(yù)測(cè)曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合良好,可以用于動(dòng)態(tài)特性研究。

2.2.2 出口焓與入口質(zhì)量流量的關(guān)系

根據(jù)上一節(jié)得到的出口焓表達(dá)式,得到入口質(zhì)量流量擾動(dòng)與出口焓的傳遞函數(shù):

(18)

對(duì)壓力為25.9 MPa、熱負(fù)荷為173 kW/m2、入口焓為1 469 kJ/kg的工況來(lái)說(shuō),當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定后,將入口質(zhì)量流速?gòu)?67 kg/(m2·s)增加至757 kg/(m2·s),將該過(guò)程近似看做無(wú)量綱入口質(zhì)量流量階躍擾動(dòng)13.5%,由出口鎧裝熱電偶得到試驗(yàn)出口焓,根據(jù)式(18)得到出口焓預(yù)測(cè)曲線(xiàn),如圖4所示。

(a)

當(dāng)入口質(zhì)量流速階躍增加13.5%時(shí),試驗(yàn)出口焓迅速降低12.5%左右,預(yù)測(cè)出口焓迅速降低13.5%,預(yù)測(cè)出口焓與試驗(yàn)出口焓相差在5%以?xún)?nèi),且預(yù)測(cè)出口焓曲線(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,證明模型的準(zhǔn)確性。

3 超超臨界鍋爐的動(dòng)態(tài)特性分析

下?tīng)t膛水冷壁采用螺旋管圈的布置方式,管子規(guī)格為直徑38 mm、壁厚7 mm。鍋爐機(jī)組運(yùn)行時(shí),管段長(zhǎng)度越長(zhǎng)、質(zhì)量流量越小,則越容易發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定。所以,在分析下?tīng)t膛水冷壁的動(dòng)態(tài)特性時(shí),選擇下?tīng)t膛水冷壁最長(zhǎng)管作為研究對(duì)象?；芈烽L(zhǎng)度為154 m,且相同負(fù)荷時(shí)該回路的質(zhì)量流量最低,故選擇該回路作為典型回路。回路模型示意圖見(jiàn)圖5。研究該回路在75%THA負(fù)荷時(shí),熱負(fù)荷、入口焓、入口質(zhì)量流量和壓力分別向上做10%階躍擾動(dòng)時(shí),工質(zhì)出口焓和出口質(zhì)量流量的變化情況,并研究不同壓力、入口焓、入口質(zhì)量流量、熱負(fù)荷和管長(zhǎng)對(duì)不同擾動(dòng)的影響。

表1 下?tīng)t膛典型回路水冷壁75%THA穩(wěn)態(tài)參數(shù)

圖5 下?tīng)t膛典型回路水冷壁75%THA負(fù)荷示意圖

3.1 不同壓力動(dòng)態(tài)特性的影響

圖6給出了熱負(fù)荷階躍變化對(duì)出口焓和出口質(zhì)量流量的影響。當(dāng)熱負(fù)荷階躍上升時(shí),由于管壁的儲(chǔ)熱作用,流體出口焓將逐漸增大,但增大緩慢。由于金屬儲(chǔ)熱作用,出口焓的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間。同時(shí),在熱負(fù)荷上升一段時(shí)間后,管內(nèi)工質(zhì)的比體積增加,使入口質(zhì)量流量暫時(shí)減小,出口質(zhì)量流量暫時(shí)增加,直到一定時(shí)間后再逐步減小,最終回復(fù)到擾動(dòng)前的質(zhì)量流量,即等于穩(wěn)態(tài)時(shí)的質(zhì)量流量。

(a) 無(wú)因次出口焓變化圖

不同壓力對(duì)熱負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)出口焓變化的影響主要表現(xiàn)為:壓力越大,出口焓變化越平緩,原因是壓力越大,比定壓熱容越小,相同溫度變化下,焓變化越小,造成大壓力下焓變化平緩的現(xiàn)象。不同壓力對(duì)熱負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)出口質(zhì)量流量變化的影響主要表現(xiàn)為:壓力越大,出口質(zhì)量流量擾動(dòng)幅值越小,原因是壓力越大,工質(zhì)的比體積變化越小,管內(nèi)工質(zhì)受熱后比體積膨脹越小,對(duì)進(jìn)出口流體的排斥作用越小,使出口質(zhì)量流量變化越小。由于管壁的儲(chǔ)熱作用,熱負(fù)荷向上階躍變化10%時(shí),壓力對(duì)出口焓及出口質(zhì)量流量響應(yīng)時(shí)間的影響并不是很明顯。

當(dāng)入口焓發(fā)生階躍增大時(shí),會(huì)使入口處的工質(zhì)比體積迅速增大,推動(dòng)管內(nèi)工質(zhì)向出口流動(dòng),使出口質(zhì)量流量增加,而此時(shí)熱負(fù)荷沒(méi)有發(fā)生變化,所以出口焓有所下降,直到焓值增大的工質(zhì)流到出口處,在這一瞬間出口焓達(dá)到與入口焓相同的水平。與此同時(shí),出口質(zhì)量流量也突然下降,之后又恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值。

(a) 無(wú)因次出口焓值變化圖

圖8給出了入口質(zhì)量流量階躍變化對(duì)出口焓和出口質(zhì)量流量的影響。當(dāng)入口質(zhì)量流量發(fā)生階躍增加時(shí),出口質(zhì)量流量將出現(xiàn)瞬間增加,且之后逐漸增大,最終與入口質(zhì)量流量相等;由于熱負(fù)荷保持不變,所以出口焓開(kāi)始逐漸下降,根據(jù)能量守恒定律,質(zhì)量流量的增加幅值與出口焓的減小幅值相等。

(a) 無(wú)因次出口焓變化圖

圖9給出了出口壓力階躍變化對(duì)出口焓的影響。由圖9可以看出,當(dāng)出口壓力發(fā)生階躍增加時(shí),出口焓瞬間增加,由于壓力瞬間增加導(dǎo)致的出口質(zhì)量流量瞬間減少,而后又逐漸增加,因此出口工質(zhì)焓逐漸減小。由于壓力上升使工質(zhì)的參數(shù)發(fā)生變化,在這過(guò)程中部分熱量被管壁鋼材吸收,使無(wú)因次出口焓小于0。但由于入口質(zhì)量流量和熱負(fù)荷沒(méi)有改變,出口質(zhì)量流量逐漸減小最終恢復(fù)到原來(lái)的值,出口焓也迅速恢復(fù)到原來(lái)的值。

圖9 出口壓力階躍變化對(duì)出口焓的影響

壓力階躍變化時(shí),出口焓的變化相當(dāng)復(fù)雜,其原因就在于壓力增大將引起工質(zhì)物性改變,進(jìn)而導(dǎo)致管內(nèi)工質(zhì)的貯質(zhì)、蓄熱量及金屬管壁蓄熱量等參數(shù)發(fā)生變化。同時(shí),金屬管壁蓄熱量的變化又導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大于流動(dòng)時(shí)間τ0。不同壓力對(duì)出口焓的變化速率基本不產(chǎn)生影響,主要影響的是出口焓的變化幅度,壓力越大,壓力階躍相同幅度時(shí)焓的變化幅度就越大。這是因?yàn)閴毫υ酱蟮那闆r下,壓力擾動(dòng)相同幅度,壓力變化就越大,使質(zhì)量流量擾動(dòng)增加,造成出口焓變化幅度增加。

3.2 不同入口焓對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖10給出了不同入口焓對(duì)不同擾動(dòng)的影響。由圖10可以看出,入口焓越大,擾動(dòng)造成的響應(yīng)時(shí)間越短。由于熱負(fù)荷、質(zhì)量流量和壓力沒(méi)有發(fā)生變化,管內(nèi)工質(zhì)比體積增大,提高了管內(nèi)流動(dòng)的平均速度,使擾動(dòng)后的響應(yīng)時(shí)間縮短。

(a) 熱負(fù)荷擾動(dòng)

入口焓越小,熱負(fù)荷階躍對(duì)出口質(zhì)量流量的影響越大。這是因?yàn)槿肟陟试叫?在同一熱負(fù)荷擾動(dòng)下,管內(nèi)工質(zhì)參數(shù)的變化就越大,對(duì)進(jìn)出口質(zhì)量流量的排斥作用就越大,使出口質(zhì)量流量變化的峰值越大。入口焓對(duì)入口焓階躍的影響不是單調(diào)的,由圖10(b)可以看出,隨著入口焓的增加,出口焓和質(zhì)量流量的擾動(dòng)幅度均先增大后減小,在入口焓為1 780.4 kJ/kg時(shí),達(dá)到最大擾動(dòng)幅度。由圖10(d)可以看出,入口焓越小,壓力階躍變化時(shí)出口焓的變化幅度越大。原因是入口焓越小,同一壓力下比體積就越大,當(dāng)壓力發(fā)生階躍變化時(shí),出口質(zhì)量流量的變化就越大,在熱負(fù)荷不變的情況下,出口焓的變化也就越大。

3.3 不同入口質(zhì)量流量對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖11給出了不同入口質(zhì)量流量對(duì)不同擾動(dòng)的影響。從圖11可以看出,入口質(zhì)量流量越大,擾動(dòng)造成的響應(yīng)時(shí)間就越短。這是因?yàn)樵谙嗤瑹嶝?fù)荷下,進(jìn)口工質(zhì)參數(shù)一致,入口質(zhì)量流量越大,工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)速度就越快,擾動(dòng)后的響應(yīng)時(shí)間就越短。

(a) 熱負(fù)荷擾動(dòng)

由圖11還可以看出,不同質(zhì)量流量對(duì)熱負(fù)荷階躍時(shí)出口焓的變化及入口質(zhì)量流量階躍時(shí)出口焓的變化影響很小,只對(duì)響應(yīng)時(shí)間有影響。由圖11(a)可以看出,入口質(zhì)量流量越小,熱負(fù)荷階躍時(shí)出口質(zhì)量流量的擾動(dòng)就越大。這是因?yàn)榻o予相同的熱負(fù)荷階躍,質(zhì)量流量低時(shí),管內(nèi)工質(zhì)的物性變化比較劇烈,比體積膨脹較大,使出口質(zhì)量流量變化較大。由圖11(b)可以看出,隨著入口質(zhì)量流量的增加,入口焓階躍時(shí)出口焓和出口質(zhì)量流量的變化幅度均減小。這是因?yàn)楫?dāng)入口焓階躍變化后,比體積會(huì)迅速增大,推動(dòng)管內(nèi)工質(zhì)向出口流動(dòng),但當(dāng)質(zhì)量流量較大時(shí),管內(nèi)的工質(zhì)儲(chǔ)量也較大,出口質(zhì)量流量的幅值變化就較小,同樣在熱負(fù)荷不變的情況下,出口焓的幅值變化也較小。由圖11(d)可以看出,入口質(zhì)量流量越大,壓力階躍時(shí)出口焓的變化幅度越大。這是因?yàn)槿肟谫|(zhì)量流量越大,在同一熱負(fù)荷下進(jìn)、出口焓差越小,施加同樣的壓力階躍擾動(dòng)時(shí),由于焓變基值較小,所以產(chǎn)生的無(wú)因次出口焓變化幅度就較大。

3.4 不同熱負(fù)荷對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖12給出了不同熱負(fù)荷對(duì)不同擾動(dòng)的影響。從圖12可以看出,熱負(fù)荷越大,擾動(dòng)造成的響應(yīng)時(shí)間越短。原因是熱負(fù)荷越大,管內(nèi)工質(zhì)的參數(shù)越大,比體積越大,當(dāng)某一參數(shù)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),擾動(dòng)可以更加迅速地傳到出口,所以擾動(dòng)時(shí)間變短。

(a) 熱負(fù)荷擾動(dòng)

從圖12(a)可以看出,熱負(fù)荷越大,熱負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)出口質(zhì)量流量的擾動(dòng)就越大。原因一方面是熱負(fù)荷越大,管內(nèi)工質(zhì)的參數(shù)越高,敏感性越高,當(dāng)熱負(fù)荷擾動(dòng)發(fā)生時(shí),出口質(zhì)量流量的變化越劇烈;另一方面是熱負(fù)荷越大,熱負(fù)荷階躍幅度相同的情況下,熱負(fù)荷變化越大,也會(huì)造成出口質(zhì)量流量變化越大。從圖12(b)可以看出,熱負(fù)荷越大,入口焓階躍對(duì)出口焓和出口質(zhì)量流量的影響就越大,原因是高熱負(fù)荷下工質(zhì)參數(shù)較高、敏感性較強(qiáng)。從圖12(d)可以看出,熱負(fù)荷越大,出口壓力階躍時(shí)出口焓的變化幅度越小。一方面與壓力階躍時(shí)的出口工質(zhì)參數(shù)有關(guān),另一方面由于熱負(fù)荷越大,進(jìn)出口焓差越大,焓變基值越大,無(wú)因次出口焓則越小。

3.5 不同管長(zhǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖13給出了不同管長(zhǎng)對(duì)不同擾動(dòng)的影響。從圖13可以看出,管段越長(zhǎng),擾動(dòng)造成的響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。這是因?yàn)槠渌麉?shù)不變,工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)速度不變,管段增長(zhǎng),擾動(dòng)之后需要更長(zhǎng)的時(shí)間工質(zhì)才能從進(jìn)口流到出口,所以擾動(dòng)后的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。

(a) 熱負(fù)荷擾動(dòng)

從圖13(a)可以看出,管段越長(zhǎng),熱負(fù)荷階躍時(shí)出口質(zhì)量流量的擾動(dòng)就越大。這是因?yàn)闊嶝?fù)荷相同,管段越長(zhǎng),出口工質(zhì)的焓就越高、比體積就越大,受到相同的熱負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),管內(nèi)工質(zhì)對(duì)出口流體有推動(dòng)作用,比體積越大,產(chǎn)生的出口質(zhì)量流量擾動(dòng)就越大。由圖13(b)可以看出,隨著管段增長(zhǎng),入口焓階躍時(shí),出口焓和出口質(zhì)量流量的變化幅度都增大。這是因?yàn)楫?dāng)入口焓階躍增加后,比體積階躍增加,使管內(nèi)工質(zhì)向出口流動(dòng),當(dāng)管段越長(zhǎng),出口工質(zhì)的比體積越大時(shí),管內(nèi)工質(zhì)的推動(dòng)效果越明顯,從而出口質(zhì)量流量的變化幅度越大,同樣出口焓的變化幅度也就越大。由圖13(c)可以看出,管段越長(zhǎng),進(jìn)口質(zhì)量流量階躍時(shí),出口質(zhì)量流量在0+時(shí)刻的階躍幅度就越小。這是因?yàn)殡S著管段長(zhǎng)度的增加,在進(jìn)口質(zhì)量流量階躍增加的瞬間,出口工質(zhì)受到的影響減小,所以出口質(zhì)量流量在0+時(shí)刻階躍幅值較小。由圖13(d)可以看出,管段越長(zhǎng),壓力階躍時(shí)出口焓的變化幅度越小。原因是管段越長(zhǎng),在同一熱負(fù)荷下進(jìn)出口焓差越大,施加同一壓力的階躍擾動(dòng),由于焓變基值較大,所以產(chǎn)生的無(wú)因次出口焓變化幅度就較小。

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)守恒方程和管壁換熱方程,建立了超臨界壓力下的水冷壁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性計(jì)算模型。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明,管段出口焓的計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,誤差在5%以?xún)?nèi),模型正確可靠,可為鍋爐設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行提供理論參考。

(2) 分別對(duì)熱負(fù)荷、入口焓、入口質(zhì)量流量、出口壓力階躍對(duì)出口工質(zhì)參數(shù)的影響及響應(yīng)特性進(jìn)行分析,并給出機(jī)理性解釋。

(3) 當(dāng)熱負(fù)荷、入口焓、入口質(zhì)量流量、出口壓力向上階躍10%時(shí),入口焓、入口質(zhì)量流量和熱負(fù)荷均增大,會(huì)使擾動(dòng)造成的響應(yīng)時(shí)間縮短;入口壓力增大、管段長(zhǎng)度增長(zhǎng),使擾動(dòng)造成的響應(yīng)時(shí)間增加。

(4) 入口焓階躍變化時(shí),入口壓力和質(zhì)量流量越大,出口參數(shù)越小;熱負(fù)荷越大、管段越長(zhǎng),則反之;出口參數(shù)的變化幅度隨入口焓的增大而先增大后減小,呈非單值性。