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1、分类号： 学校代码： 密级：X X X X 大 学 硕 士 学 位 论 文题 目：超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流动特性研究英 文 题 目：The Study for The Flow Characteristics of Vertical Tube Platen Water Cooled Wall in The Ultra-supercritical Boiler研究生姓名： 专业：研 究 方向：电站热力设备状态监测与控制导 师 姓名： 职称：20XX年XX月XX日声 明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流动特性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导
2、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已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： 日 期： 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
3、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： 导师签名： 日 期： 日 期： XXXX大学硕士学位论文摘要摘 要本文对超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁以及螺旋管圈水冷壁编制了水动力特性的各种计算程序，对两种类型的锅炉水冷壁在不同热负荷、热偏差、入口欠焓以及不同质量流速等条件下的水动力特性进行了对比分析，结果验证了垂直管屏水冷壁在高质量流速下的强制流动特性，在低质量流速下的自然循环补偿特性，还有以上各种参量对于他们的具体影响,而螺旋管圈水冷壁则由于它的特殊结构型式，导致它在全负荷范围内都保持相对较大的摩阻压降，水动力特性不是很理想。此外，本文还对
4、热负荷、质量流速以及入口欠焓等三个因素对水动力多值性的具体影响做出了一定的分析。关键词：超超临界锅炉，流动特性，垂直管屏，螺旋管圈，下辐射区水冷壁ABSTRACTIn this paper, a series of calculative program is compiled about the hydrodynamic characteristics of the vertical rifled tube platen water cooled wall and spiral circle tube water cooled wall in the ultra-supercritical
5、boiler. The flow characteristics of this two boilers water cooled wall in the condition of different heat loads, heat deviation, insufficient enthalpy of the entrance and mass flow rates are analyzed and studied contradistinctive. The result validates that the vertical tube platen water cooled wall
6、has force flow characteristic in the condition of high mass flow rates and has natural circle characteristic in the condition of low mass flow rates and the specific impact of all of the above parameters to them, whereas the spiral tube circle Tube water cooled wall , because of its special structur
7、e , it will keep a higher friction pressure drop in all the load area, and the hydrodynamic characteristics of it is not so good. Besides, This article has also done some meticulous analysis about the influence that the heat load, mass flow rate and insufficient enthalpy of the entrance had done to
8、the hydrodynamic different value characteristic.Cui Peng（Fluid Machinery and Engineering）Directed by Prof. Fan Quan-guiKEYWORDS: ultra-supercritical boiler，flow characteristic，vertical tube platen，spiral circle tube ,water cooled walls lower radiation zone2XXXX大学硕士学位论文目录目 录中文摘要英文摘要第一章 引 言11.1 课题研究的背
9、景及意义11.2 超临界锅炉的发展动态及研究成果11.3本论文的主要研究内容21.3.1 水冷壁水动力特性的计算研究方案21.3.2 内螺纹管水冷壁的水动力特性的影响因素31.3.3 水动力多值性方面的理论研究31.4 小结3第二章 超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁简介42.1 超超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁及其特点42.2 内螺纹管的工作原理与传热特性72.3 小结8第三章 超临界直流锅炉水冷壁运行方式及其特性分析93.1 超临界机组水冷壁水动力特性的定性分析93.1.1 内螺纹管垂直管屏水冷壁水动力特性分析103.1.2 内螺纹管螺旋管圈水冷壁水动力特性分析123.2小结13第四章 超
10、临界锅炉水动力计算所应用的数学模型144.1汽液两相流简介144.1.1 汽液两相流的定义与应用144.1.2 汽液两相流的研究模型144.2 单相流体各种压降的计算方法154.2.1 单相流体的加速压降计算方法154.2.2 单相流体的摩阻压降计算方法164.2.3 单相流体的重位压降计算方法184.3 两相流体压降的计算方法184.3.1 两相流体的加速压194.3.2 两相流体的摩阻压降计算方法194.3.3 两相流体的重位压降计算方法204.4 亚临界压力下工质状态转变点位置确定的重要性214.5 小结21第五章 超超临界锅炉水冷壁水动力特性的定量计算与对比分析235.1 水动力特性计
11、算模型的建立235.2 各种类型水冷壁计算结果与分析275.2.1 玉环电厂超临界锅炉垂直管屏水冷壁的水动力特性分析275.2.2 邹县电厂超临界锅炉螺旋管圈水冷壁的水动力特性分析355.3 超临界锅炉水冷壁水动力多值性的几个影响因素分析425.3.1 热负荷对多值性的影响425.3.2 入口欠焓对多值性的影响435.3.3 质量流速对多值性的影响445.4 小结45第六章 结论与展望466.1 结论466.1.1 玉环电厂在不同工况下的水冷壁水动力特性466.1.2 与邹县电厂水冷壁在水动力特性方面的对比476.1.3 锅炉水冷壁水动力多值性的计算486.1.4 工质大比热特性对水动力的影响
12、486.2 展望49参考文献50致 谢53在学期间发表的学术论文和参加科研情况54XXXX大学硕士学位论文第一章 引 言能源是人类进行生产和赖以生存的重要物质基础，随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，对能源的需求也随之越来越大。因此，合理开发能源，提高能源利用的综合效益就显得越发重要。因此，为节约能源消耗和减轻环境污染，我们应当大力发展洁净煤技术，而这项技术中的一项主要内容就是超临界与超超临界技术，超临界机组的主要设备是以处于超临界状态的水蒸汽为工质的锅炉和汽轮机，它是一种节能、高效、大型的火力发电机组12。它的最主要的特点即发电煤耗低，效率高，可实现变压运行等，可见他十分满足我国在能
13、源高效利用方面的要求，我们应当予以重视。1.1 课题研究的背景及意义超临界是一个热力学概念，而超临界机组是指蒸汽压力达到超临界状态的发电机组。超临界及超超临界机组的最大优势是能够大幅度提高循环热效率，降低发电煤耗。但相应的也需要提高金属材料的档次和金属部件的焊接工艺水平。全世界主要的工业国家十分重视发展超临界和超超临界技术，前苏联境内超临界机组数量及总容量居世界首位。在美国、德国、日本等国家也具有相当数量的超临界机组。目前，日本是世界上超临界机组技术最先进的国家，技术先进的主要体现是变压运行技术成熟，发电煤耗低等方面。日本目前正在开发更加适合于超临界机组的高强度耐热金属材料，并实现了采用内螺纹
14、管垂直管屏水冷壁完成变压运行的新一代技术。超临界机组的蒸汽参数大于临界压力，蒸汽和水的密度基本相同，没有明显分界，首先受影响的是锅炉的水冷壁。超临界锅炉水冷壁不能采用传统汽包锅炉的自然循环方式，而必须采用强制流动方式，即以直流运行方式为主，也可采用部分复合循环方式。超临界锅炉的水冷壁结构设计主要出现了两种型式：一种是采用螺旋管圈的水冷壁，另一种是采用垂直管屏的水冷壁34。两种水冷壁各有利弊，需要结合实际情况选用。一般认为，采用垂直管屏水冷壁的直流锅炉不适合变压运行，但是采用了一些新兴技术的垂直管屏水冷壁实现变压运行也是可能的。例如内螺纹管垂直管屏变压运行技术已经有部分实践应用的例子。我在这个背
15、景下开展论文课题，希望能够对超临界及超超临界锅炉在实际设计与安全运行中提供一定的参考。1.2 超临界锅炉的发展动态及研究成果美国是发展超临界技术最早的国家。早在50年代初，美国就开始了探索性的试验研究。美国第一台超临界机组的蒸汽参数就高达3lMPa ，在技术研发的过程中不顾工业实力，技术水平，片面追求高效率，并为此付出了不小的代价。此外，由于美国煤价较低，效率提高的意义不如想象中明显，再加上超临界机组变负荷调峰能力较差等因素的共同作用，造成超临界机组的运行经济效益并不突出。发展超临界机组技术最为果断的是前苏联。经过综合技术经济对比和理论分析，前苏联明确了发展超临界机组的战略和方向，虽然在此过程
16、中并不顺利，遭遇很多困难，但是依然坚持300MW以上的各种类型火电机组全部采用超临界参数。前苏联发展的超临界机组，基本上都是立足于本国技术，与世界的交流不足，技术的发展和更新周期较长，表现为工艺粗糙、锅炉笨重、金属性能与检验手段都有待提高，在自控系统、辅机、阀门、吹灰装置等方面比之其它发达国家还有较大差距。超临界机组技术在日本起步较晚，但采用引进、仿制与创新相结合的战略思想 ，取得了良好的发展态势。目前以机组的效益好、效率高、煤耗低、技术更新周期短而一跃成为发展超临界机组技术的领先国家之一。日本发展超临界机组的方略与苏联形成明显对比，日本的发展模式，避免了在研制超临界机组技术过程中的许多必要挫
17、折，汲取了国际上的成熟经验，实现了跨越式的技术发展，为我国超临界技术的发展提供了一定的参考5。随着近些年来我国在超临界锅炉领域的发展进步，国内学者做出了许多工作。尤其是在内螺纹管传热以及水动力特性的研究等67方面，西安交通大学的陈听宽教授等人以动力工程多相流国家重点实验室为平台，做了许多有关于超临界锅炉内螺纹管流动特性与传热特性的实验研究，试验得出了在不同参数、不同条件下的壁温分布、单相及两相对流放热系数、发生传热恶化的临界条件、干涸后放热系数以及内螺纹管的摩擦压降等重要数据，并且总结提出了计算关联式，为超临界锅炉水冷壁的设计提供了重要参考8。在对超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压运行特性的研究方面
18、，樊泉桂教授针对1000MW超临界机组锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁进行了比较详尽的理论分析。并且重点分析了低质量流速下的热偏差对变压运行水冷壁水动力特性的各方面影响，为我国超临界锅炉水冷壁技术的发展进步提供了很有价值的借鉴9。1.3本论文的主要研究内容1.3.1 水冷壁水动力特性的计算研究方案本文主要参考电站锅炉水动力计算方法确定了垂直管屏及螺旋管圈水冷壁工质压降的计算方法，包括单相流和两相流在超临界压力以及亚临界压力下的压降计算方案10。据此分别计算出浙江玉环电厂垂直管屏水冷壁以及山东邹县电厂螺旋管圈水冷壁的压降特性以及下辐射区出口工质温度特性等相关内容，并通过计算得出了热负荷以及水冷壁型式等
19、因素对水动力特性变化的具体影响。1.3.2 内螺纹管水冷壁的水动力特性的影响因素文中首先介绍了超临界锅炉中所采用水冷壁的几种主要型式，通过编程计算，对内螺纹管垂直管屏水冷壁和内螺纹管螺旋管圈水冷壁的热负荷、入口欠焓、质量流量流量等水动力特性的影响因素进行深入的探讨，得出它们对不同型式水冷壁的不同影响结果，说明各自的优势和不足。最后通过对比，重点介绍了内螺纹管垂直管屏水冷壁的技术特点及其变压运行的优劣势。1.3.3 水动力多值性方面的理论研究水动力多值性11的具体表现是，对于一组平行布置的管组，有的管中质量流量较大，有的管中质量流量较小，一旦这种情况产生就会导致水冷壁工作在不安全的状态下。本文通
20、过编写程序，在管内工质压降计算的基础上，得出了热负荷、质量流速、入口欠焓等不同因素对于水动力多值性的影响，并做出曲线进行了必要的分析，得出的结论对于超临界锅炉水冷壁的安全稳定运行有着一定的实际参考价值。1.4 小结本章对了论文的研究背景及其意义做了简要的介绍，说明了超临界及超超临界锅炉的发展历史，技术优势还有良好的前景，进而阐明了超临界技术近些年来在国内外的发展趋势和研究成果，最后，对本论文的具体研究内容做出了简明的概述，以便读者对论文有一个大概的了解，为了对超临界锅炉内螺纹管垂直管屏进行深入的研究，我们接下来有必要对垂直管屏水冷壁的特性做出一定的了解分析。第二章 超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水
21、冷壁简介为了提高发电效率，降低单位造价和发电成本，使得新建火力发电机组向高参数、大容量的超临界发电机组方向发展，为了使变压运行锅炉能够实现以每分钟5或更快的速度变负荷，并且能够完成频繁启动，同样能适应煤种的变化要求，目前超临界锅炉的水冷壁结构设计主要有两种型式，一种采用螺旋管圈水冷壁；另一种是采用垂直管屏水冷壁12。下面我们将针对玉环电厂和邹县电厂两个千万级机组，对两种不同结构的水冷壁做出具体分析，并进行对比，以利于我们得出超临界锅炉垂直管屏水冷壁在水动力特性等方面与别不同的特点。2.1 超超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁及其特点由于内螺纹管的结构特性，使得它在传热性能以及水动力特性方面明显优
22、于光管，它在锅炉上的应用给直流锅炉水冷壁采用垂直管屏型式开辟了崭新的途径。早在本世纪70，80年代，三菱重工等公司鉴于变压运行超临界机组的优势和传统螺旋管圈水冷壁在结构复杂等方面的不足，使他们在已有长期运行经验的复合循环锅炉的基础上，利用内螺纹管在抑制传热恶化产生、水动力特性良好等方面的优点，着手开发和研究超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重又在超临界领域做出重大突破，同时开发并生产出了世界上首台采用一次上升管圈的超临界锅炉变压运行机组，并在日本多家电厂投入运行。国内的哈尔滨锅炉厂引用三菱重工的技术已经成功生产出1000MW内螺纹管垂直管屏水冷壁超超临界锅炉机组，并在浙江
23、玉环电厂顺利投产，至今运行稳定。内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要优点1314是：（1）它结构简单，制造容易，厂内组装率高，安装方便，便于吊挂，许多生产工艺和成熟的亚临界锅炉水冷壁相近；（2）质量流速较螺旋管圈水冷壁小，工质流程比之螺旋管圈水冷壁更是大大缩短，因此系统阻力小，给水泵的功耗降低；（3）采用内螺纹管可提高传热性能，在亚临界负荷时防止下炉膛高热负荷区域发生膜态沸腾，在超临界负荷时能够防止类膜态沸腾的发生，变压性能好。（4）降低质量流速，使在低负荷时水动力特性转化为自然循环，有利于维持锅炉安全运行。（5）下辐射区采用一次上升内螺纹管垂直管屏水冷壁，结合较低的质量流速，克服了传统UP型锅炉的主
24、要缺陷。（6）吹灰效果好，结渣倾向小，疏松型灰渣易于自行脱落，维护和检修工作简单。内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要缺点是15：（1）对煤种变化的适应性较差，不如螺旋管圈水冷壁好。（2）垂直管屏水冷壁沿炉膛周界的水冷壁的出口温度偏差较螺旋管圈水冷壁稍大，但是可通过加装节流孔圈将此偏差值控制在适合的范围。（3）在变压运行特性方面相对于螺旋管圈水冷壁还是有不足之处。如果垂直管屏水冷壁所有管子平行连接，那么只有在采用较大容量锅炉的锅炉时才能保证水冷壁可靠冷却所必须的质量流速。（4）必须装设再循环泵，以保证启动和低负荷时必要的质量流速，从而增加了设备投资。（5）原苏联的超临界锅炉的垂直水冷壁大多采用326的
25、光管，CE 公司的复合循环锅炉的垂直水冷壁也采用326 的光管，而日本的变压运行超临界锅炉垂直水冷壁采用284的内螺纹管，由于管径小，热敏感性强，对运行控制要求高；由于本文垂直管屏水冷壁的重点研究对象是以浙江玉环电厂锅炉为例，所以下面我们有必要对其结构特点以及运行特性做出适当的介绍和分析。浙江玉环电厂采用的是哈尔滨锅炉有限公司与三菱公司合作生产的1000MW超超临界机组锅炉。该锅炉炉膛断面尺寸为32.08m15.67m65.60m，采用型布置，PM型燃烧器+MACT配风技术，单炉膛反向双切圆燃烧方式等技术。采用烟气挡板以及摆动式燃烧器作为调节再热汽温的主要手段，并配合喷水减温调节。制粉系统采用
26、带有磨煤机的直吹系统。锅炉的启动系统配置有循环泵和扩容器，以期达到要求的启动流量和回收工质热量的目的16。玉环电厂超临界锅炉采用内螺纹管一次上升垂直管屏，水冷壁管共2144根，其中侧墙各有352根，前后墙各有700根，管材为SA213-T12，节距为44.5mm，采用焊接膜式壁结构，管子外径为28.6mm，壁厚为5.8mm，采用四头内螺纹管。管子间加焊的扁钢材质为SA387-12-1，宽15.9mm，厚度6mm。水冷壁系统由下至上共分四个部分，第一部分是光管冷灰斗水冷壁，从标高6300mm的开始，长度为11200mm；第二部分是下辐射区内螺纹管垂直管屏水冷壁，从标高17500mm开始上沿至标高
27、为49000mm的折焰角部位，长度为31500mm；第三部分是折焰角上部至炉顶的光管水冷壁；第四部分是水平烟道以及尾部低温烟道光管水冷壁。简图如下所示：图2-1 玉环锅炉水冷壁布置型式简图炉膛折焰角下方装设了中间混合联箱，下辐射区垂直管屏水冷壁的出口工质进入出口联箱，再分别经过两级分配器进入上辐射区光管垂直管屏水冷壁，混合联箱的装配可以消除下辐射区水冷壁热偏差导致的温度偏差。水冷壁下集箱采用216mm的集箱，并将节流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用42.76的大直径管子，并在其中嵌入节流圈，再通过三叉管过渡的方法，与28.6mm的上辐射区水冷壁管相接，采取这种型式的节流孔圈
28、能够保证足够的节流能力，根据水平方向各墙的热负荷分配特点，调节各回路水冷壁管中的质量流量，减小水冷壁出口工质温升偏差，保证出口工质温度均匀。在任何工况下（尤其是低负荷及启动工况），应当保证在水冷壁内有足够的冷却流量，以保证水冷壁不发生传热恶化和水动力不稳，特别是要防止亚临界压力下的膜态沸腾和超临界压力下的类膜态沸腾现象。机组配备两台汽水分离器和一只贮水箱，分离器和贮水箱都是由低铬钢SA387-11制成。分离器的疏水由贮水箱底部引出的三根疏水总管通往凝汽器，通过调节阀调节贮水箱水位。在启动初期、热态清洗和汽水膨胀期间只要水质合格，就将这些疏水全部送往凝汽器回收。若水质不符合要求，则通过另外三根疏
29、水管将工质全部送往大气扩容器，在其中回收降压后产生的蒸汽，排放剩下的疏水。在启动过程中再循环泵所能提供的最大流量为20%BMCR。给水泵的为5%BMCR，启动过程中水冷壁系统始终保持25%BMCR的最低质量流量。由于大直径疏水调节阀和一只大气式疏水扩容器的存在，所以即便再循环泵由于事故而处于解列状态，锅炉机组也能顺利完成启动17-19。1000MW超超临界锅炉水冷壁系统图如图2-2所示：图2-2 1000MW锅炉水冷壁系统图2.2 内螺纹管的工作原理与传热特性由于结构特性，内螺纹管的传热系数明显大于光管，从而导致它的传热性能相对于光管有着大幅度的提高，它能够抵抗膜态沸腾并且推迟传热恶化，其中的
30、主要原理是：由于工质受到内螺纹的作用产生旋转，增强了管内壁面附近流体的旋流扰动，使水冷壁管贴近内壁面产生的汽泡可以被旋转向上流动的高速液体及时带走，并且在旋转力的作用下，使水流紧贴管子内壁面流动，从而避免了汽泡在管子内壁面上积聚所形成的汽膜，保证了水冷壁管子内表面上有连续不断的水膜冷却。从而减小了水冷壁管子超温的可能性。国外对于内螺纹管和光管进行了大量的对比试验，试验结果表明：当压力在20MPa以下时，即使在1000kg/（m2s）的低质量流速下，内螺纹管水冷壁仍然具有良好的传热特性，只有在接近蒸发终点的质量含汽率x=0.9时才会出现传热恶化；在近临界压力区，由于压力的升高，工质热物理特性有了
31、较大的变化，传热恶化提前出现，在x=0.6的位置出现壁温突然升高的现象；这说明内螺纹管不仅改善了压降特性，而且也改变了传热特性，使机组更能适应变压运行工况以及机组的频繁起停20。2.3 小结本章对内螺纹管垂直管屏水冷壁的各个方面的特性做了比较详细的介绍，其中包括垂直管屏水冷壁的结构特性，运行特性，传热特性以及水动力特性等方面，其中我们重点介绍了一下内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要优势和不足，为本论文以后的研究分析提供了一定的指导意义，最后，本章还介绍了一下当代垂直管屏水冷壁中应用的一项新兴技术内螺纹技术，对它的工作原理和传热特性做了简要的说明。由于本论文的重点研究内容为内螺纹管垂直管屏水冷壁的水动
32、力特性，而这个水动力特性重要是在变压运行的工况下，所以接下来我们将对超临界直流锅炉水冷壁的运行方式做出适当的介绍和说明。第三章 超临界直流锅炉水冷壁运行方式及其特性分析单元机组的运行目前有两种基本形式，即定压运行（或称等压运行）和变压运行（或称滑压运行）。定压运行是指汽轮机在不同工况运行时，依靠调节汽轮机调节汽门的开度来改变机组的功率，而汽轮机前的主汽压力维持不变。采用此方法跟踪负荷调峰时，在汽轮机内的温度将产生较大变化，且低负荷运行时主蒸汽的节流损失很大，机组的热效率大幅下降。因此国内、外新建超临界机组一般不采用此种方法调峰，而是采用变压运行方式。所谓变压运行，是指汽轮机在不同工况运行时，不
33、仅主汽门是全开的，而且调节汽门也保持全开（或部分全开），机组功率的变动是靠汽轮机主气门前主蒸汽压力的改变来实现的，但主蒸汽温度维持额定值不变。处在变压运行状态中的单元机组，当外界负荷变动时，在汽轮机跟随的控制方式下，负荷变动指令直接下达给锅炉的燃烧调节系统以及给水调节系统，锅炉就会按指令的要求改变燃料供给量和给水量，使主蒸汽的流量和压力适应外界负荷变动后的需要。而在机组处于定压运行状态时，该负荷指令是直接送给汽轮机调节系统来改变调节汽门的开度21，从而适应外界负荷改变的需要。当今的大型超临界锅炉一般采用低负荷变压运行，一般在高负荷区采用定压运行方式，在中低负荷区采用变压运行，而在极低负荷区又恢
34、复为定压运行。例如浙江玉环电厂，90%BMCR100%BMCR是定压运行，25%BMCR90%BMCR是变压运行，而在极低负荷区又回到定压运行方式22。3.1 超临界机组水冷壁水动力特性的定性分析对变压运行超临界压力直流锅炉而言，其运行一般分为三个阶段，即启动初期依靠循环泵的启动试运行阶段，以及之后的亚临界直流运行和超临界直流运行阶段。这种变压运行方式使水冷壁的工作条件变得极为复杂，从启动至额定负荷运行，锅炉运行压力从高压、超高压、亚临界压力逐渐增加到超临界压力，水冷壁的工质状态也由单相状态转变为两相状态后来又再次转变为单相状态，工质温度也发生很大变化。在启动过程中和低负荷运行时，由于压力较小
35、，导致汽、水密度差较大，易产生流动不稳定和过大的热偏差；在超临界压力和高负荷运行时，单相介质的传热系数比亚临界两相流体的传热系数低，导致流体和水冷壁的温度较高，可能产生超温现象2324。因此，变压运行超临界压力及超超临界压力直流锅炉水冷壁结构的选型和设计，其中最重要的一点是要防止水动力不稳定和传热恶化，保证在正常的运行条件和允许的负荷变化范围内，水循环保持安全、可靠的运行工况。早期国产亚临界直流锅炉水冷壁的结构为光管垂直管屏式，由于其设计流量很大，所以其水动力特性对热偏差等不利因素的影响比较敏感，近几年，随着锅炉容量的不断增大，在600MW和1000MW级的超临界压力及超超临界压力直流锅炉上，
36、引入了内螺纹管螺旋管圈及内螺纹管垂直管屏水冷壁结构型式，在提高变压运行效率以及减低煤耗等方面取得了良好的成果。下面我们将针对变压运行下超临界压力及超超临界压力直流锅炉水冷壁的水动力特性进行一定的理论分析和介绍。3.1.1 内螺纹管垂直管屏水冷壁水动力特性分析为了使读者更加清晰内螺纹是如何作用于水动力特性和传热特性，下面我们对其工作过程做出详细的讨论说明：工质由于内螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近流体的扰动，使水冷壁管内壁面上产生的汽泡可以被旋转向上流动的液体及时带走。在旋转力的作用下，水流紧贴管子内壁面流动，从而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的汽体薄膜，保证了即使在较低的质量流速
37、下管子内壁面上依然可以保持连续的水流冷却，与光管水冷壁相比，采用内螺纹管水冷壁，由于流体在管内的旋转作用，当流体质量流速为1000kg/（m2s）、热负荷为465kW/m2，发生传热恶化的蒸汽干度值由低含汽量范围的0.2移至高含汽量范围的0.9，当流体质量流速为400500kg/（m2s）、热负荷为465kW/m2时，由于质量流速的降低，内螺纹管中流体旋转作用力急剧减弱，传热恶化的干度再度降到0.2左右。传统的光管垂直管屏水冷壁由于水动力特性的影响不适合变压运行，但是由于内螺纹这种新兴技术的产生和成熟应用，使得垂直管屏水冷壁能够实现良好的变压运行。这是由于超临界锅炉水冷壁在亚临界工况运行时，采
38、用相对较低的质量流速，在低质量流速下，摩阻压降在总压降中所占比例很小，流量分配由占主导地位的重位压降决定，水动力特性保持为正流量补偿特性，依靠水动力的这种特性可以保证水冷壁管的充分冷却。这一情况恰好类似于自然循环锅炉水冷壁，吸热偏差引起的流量变化取决于重位压差，从而导致受热偏高的管子将流过较高的质量流量。这样在低负荷亚临界压力范围内，由于这种类似汽包锅炉中自然循环作用的存在，使得此种水冷壁抵抗膜态沸腾传热恶化的能力大大加强，在近临界压力甚至超临界压力范围内，也具有相对较大的抵抗类膜态沸腾的重要作用，即使对于大比热区的蒸汽也具有强化传热，降低壁温的效果25-27。在下面的章节中，将主要探讨内螺纹
39、管垂直管屏在亚临界负荷和超临界负荷的水动力特性，包括正流量补偿特性和负流量补偿特性等。下面我们对内螺纹管垂直管屏水冷壁的变压运行可行性进行理论分析。对于单相流体，由于水冷壁内加速压降太小，基本可以忽略，则有压降公式 （3-1） （3-2）式中为折算阻力系数、局部阻力系数和摩擦阻力系数为管内的蒸汽流量、蒸汽比容、蒸汽密度和蒸汽流速为管子的内径、流通截面和管子长度为管子进出口之间的高度差对于一组平行工作的管组，阻力偏差、重位压差以及受热偏差都可以引起流量的不均匀分配。假定所有平行工作管子的集箱两端的压差都是相等的，且流动方向向上，则代表平均流动情况和具有流动偏差管子的压降计算公式应分别为： （3-
40、3） （3-4） （3-5）流量偏差系数为： （3-6）分析上式可知，影响流量偏差的因素大致是管组结构阻力系数分布、吸热分布和重位压降分布。管组结构阻力系数分布对于流量偏差的影响易于理解，而吸热分布的影响比较复杂，下面我们来进行具体分析。（1）对于垂直布置的平行工作管子，在低负荷的亚临界压力范围内，由于吸热偏差引起管子之间出现重位压差，导致流量分配发生变化，具体过程是这样的，吸热较强的管子，管内工质温度上升，密度降低，管子之间的重位压差增大，从而使吸热较强的管子中工质质量流量增加。（2）对于垂直布置的平行工作管子，在高负荷的超临界压力下，无论工质是否处于大比热容区域，受热偏差都会引起流量偏差。
41、吸热较强的管子，管内工质温度上升，比容增大，流速上升，导致摩阻大幅升高，最终致使管中质量流量降低，形成恶性循环。（3）流量分配的变化取决于重位压差和摩擦阻力在总压降中的比例大小。当重位压差远小于摩擦阻力时，重位压差对流量分配的有利影响（使受热偏高管流量加大）无法抵消摩阻压降对于流量分配的不良影响作用（使受热偏高管流量反而减小），所以导致受热偏高的管中流量减少；重位压差远大于摩擦阻力时，则刚好相反，有利于水冷壁安全运行。这两种水动力特性分别叫做负流量补偿特性和正流量补偿特性。以上理论分析的结果说明吸热偏差对管组的流量分配具有双重影响，最终结果要看谁更占优势28。3.1.2 内螺纹管螺旋管圈水冷壁
42、水动力特性分析由于本文要通过与内螺纹管螺旋管圈水冷壁的比较来说明内螺纹管垂直管屏水冷壁的优势以及不足，所以，我们接下来有必要对螺旋管圈的变压运行特性做出必要的定性分析。3.1.2.1 螺旋管圈水冷壁管间热偏差小在螺旋管圈水冷壁的盘旋上升过程中，每根管子都经过炉膛四周，途经宽度、深度方向上热流密度分布不同的各个区域，所以每根管子的吸热都是比较均匀的。因此，螺旋管圈水冷壁平行管组中的各个并联管子，从整个长度来讲，热偏差较小，尤其当锅炉负荷变化、燃烧工况改变时，因热力不均产生的水冷壁热偏差将会相对较小。3.1.2.2 燃烧干扰能力强螺旋上升的炉膛水冷壁管组，其中每根管子都通过炉膛内部不同的热负荷区域
43、，即使采用四角切圆的燃烧方式，而且火焰中心发生较大偏移时，仍能保证不同管子的吸热偏差保持在较小的范围内，使各管出口温度差值保持在一定范围之内。这与光管垂直管屏水冷壁相比，在抗燃烧干扰方面的能力要强很多。3.1.2.3 水动力稳定性高从当前超临界锅炉的运行与设计经验来讲，螺旋管圈水冷壁可获得相对较高的质量流量。例如某电厂600MW级超临界压力直流锅炉，采用螺旋管圈与垂直管屏相结合的水冷壁结构，其锅炉最低负荷工况下的质量流量和最大连续蒸发量（BMCR）比采用纯垂直管屏水冷壁的质量流量高约40%。较高的质量流量对降低管子进口欠焓和消除脉动有着明显的作用，这对于保持水动力的稳定十分有利，并可有效地抑制
44、类膜态沸腾和膜态沸腾等传热恶化现象的发生。另外，超临界锅炉在热负荷最高的炉膛下辐射区采用内螺纹结构的螺旋管圈水冷壁，使传热系数大大提高，进一步避免了管子超温的可能，提高了水冷壁运行的安全性29。螺旋管圈水冷壁在炉膛中的整体布置形势如图3-1所示：图3-1 螺旋管圈水冷壁布置图其中的下辐射区螺旋管圈水冷壁向上辐射区垂直管屏水冷壁的过渡结构形式如图3-2所示：图3-2 上下辐射区水冷壁过渡形式布置图3.2小结本章首先介绍了超临界锅炉水冷壁的两种基本运行方式，即定压运行和变压运行，之后对超临界锅炉垂直管屏水冷壁在水动力特性以及传热特性等方面做出了一定的讨论，并参照相应的数学模型公式，对其变压运行特性
45、从理论上进行了适当的分析，得出了内螺纹管垂直管屏水冷壁在变压运行方面的一些特点，并对正负流量补偿特性做出了简单的介绍，最后，本章还对螺旋管圈水冷壁的一些运行特性做出了简单的定性分析，以利于本论文以后通过与螺旋管圈水冷壁的对比来说明垂直管屏水冷壁特性等内容的展开。下面本文将对水动力计算所应用的数学模型做出必要的介绍。55第四章 超临界锅炉水动力计算所应用的数学模型超临界锅炉水动力特性研究的基础是计算锅炉受热管压降随流量等参数的变化关系。水动力特性指的是进出口集箱间所连接管子两端的压降与流量等参数的关系，这个压降包括了重位压降以及流动阻力压降，其中的流动阻力计算也就是确定工质在管内流动的沿程及局部
46、阻力等，为给水泵扬程的设计提供了必要的参考。因此，本章的主要内容是管内压降的计算方法，包括了单相流和两相流压降的计算内容。另外，我们将通过对部分公式和理论的理想化处理来简化和方便我们的编程计算。为了顺利完成水冷壁中工质压降的计算任务，下面我们先来介绍一下汽液两相流的基础知识30 31。4.1汽液两相流简介4.1.1 汽液两相流的定义与应用两种存在明显分界面的物质组成的物体称之为两相物体。由两相物体形成的流动称为两相流。汽液两相流是众多两相流中的一种，它又可以分为单组分汽液两相流和双组分汽液两相流。锅炉水冷壁中的汽液两相流属于单组分汽液两相流。汽液两相流体的应用十分广泛，在化工、核能、冶金、石油
47、、动力等工业中都比较普遍。在这些工业中，具有热交换设备的还存在两相流传热的问题。以超临界锅炉为例，为了分析其安全性和经济性，评定其性能，我们需要计算很多内容，它们包括：蒸发管的摩阻压降、各个点的含汽率、传热恶化的发生点、相变开始点位置以及水冷壁壁温等。正是因为两相流应用的广泛性，它的发展受到世界各国研究者的高度重视并取得了许多令人瞩目的研究成果32-34。4.1.2 汽液两相流的研究模型以超临界锅炉水冷壁为例，一般工况下水冷壁管子吸收炉内燃料燃烧放出的热量后，其内部工质会经历数个过程和状态，它们按照变化顺序依次包括：单相过冷水、饱和水、汽水混和物、单相微过热蒸汽等。由于工质状态的改变，其流动状态和过程变得异常复杂，所以在适当边界条件下的理论流体力学基本方程等理论都失去了他们本来的