考慮金屬蓄熱情況下超臨界循環流化床鍋爐水冷壁流動不穩定性數值分析

謝貝貝，　龍　俊，　茆凱源，　王文毓，　楊　冬,　夏良偉，　殷亞寧

(1． 西安交通大學 能源與動力工程學院， 多相流國家重點實驗室， 西安 710049；2． 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室， 哈爾濱 150046)

?

考慮金屬蓄熱情況下超臨界循環流化床鍋爐水冷壁流動不穩定性數值分析

謝貝貝1，龍俊1，茆凱源1，王文毓1，楊冬1,夏良偉2，殷亞寧2

(1． 西安交通大學 能源與動力工程學院， 多相流國家重點實驗室， 西安 710049；2． 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室， 哈爾濱 150046)

建立了考慮金屬蓄熱情況下超臨界循環流化床(CFB)環形爐膛鍋爐流動不穩定性分析的數學模型，采用交錯網格對超臨界CFB環形爐膛鍋爐水冷壁流動不穩定性進行模擬，計算分析了對回路施加熱負荷擾動后進、出口質量流量及金屬壁溫隨時間的變化.結果表明：施加1.1倍、1.2倍和1.3倍熱負荷擾動后，進、出口質量流量隨時間呈反相脈動，最終進、出口質量流量相等且恢復到穩態值，金屬壁溫隨時間波動后也維持在一常數值，表明該工況下水冷壁流動仍是穩定的.

超臨界循環流化床鍋爐； 環形爐膛； 金屬蓄熱； 水冷壁； 流動不穩定性； 數值分析

循環流化床(CFB)燃燒技術具有煤種適應性強、排放低、燃燒效率高等優點.為了實現高效低污染發電，CFB鍋爐發電技術正朝著高參數和大容量方向發展.與亞臨界CFB鍋爐相比，超臨界CFB鍋爐的運行參數高，工質流動可能處于單相區，也可能處于汽水兩相區，鍋爐水動力不穩定性分析的主要目的是防止發生傳熱惡化.目前，國內外學者對兩相流動不穩定性進行了廣泛而深入的研究[1-5]，但對考慮金屬蓄熱的鍋爐水冷壁流動不穩定性的研究卻很少.由于金屬蓄熱會對鍋爐爐膛的熱流密度產生影響，進而影響爐膛的動態特性，因此對考慮金屬蓄熱的鍋爐水冷壁流動不穩定性進行研究很有必要.筆者采用交錯網格、集總參數法建立了考慮金屬蓄熱的超臨界CFB環形爐膛鍋爐水冷壁流動不穩定性分析與壁溫計算的數學模型，編寫了以Fortran語言為基礎的水冷壁流動不穩定性分析和壁溫計算程序.針對超臨界CFB環形爐膛鍋爐，采用單通道計算模型，選取水冷壁中最易發生流動不穩定性的回路作為研究對象，模擬了水冷壁中工質的流動狀況，為鍋爐的安全運行提供指導.

1　數學模型

通常采用的流動不穩定性數值分析方法有時域法[6]和頻域法[7-8]2種，壁溫計算可采用集總參數法或分布參數法.本文數值分析方法采用時域法，壁溫計算采用集總參數法.

1.1基本假設

基本假設如下：(1) 工質沿管道一維軸向流動；(2) 同一橫截面上溫度場和速度場分布均勻；(3) 只考慮徑向傳熱；(4) 在能量守恒方程中忽略黏性耗散、動能和勢能的影響.

1.2控制方程

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

高寒沙區降水量少，風沙大，這樣的惡劣環境下在沙丘(地)造林，成活率和成林率是技術上的難題。已往的造林常采用裸根苗或機械固沙這兩種措施。裸根苗造林技術育苗周期長、沙丘上不易挖穴、栽植難度大、受造林季節限制，不適宜長期在高寒沙區推廣使用。機械固沙措施采用麥草、粘土、草繩、石礫、尼龍網和PVC編織袋等材料做沙障，短期內可以達到固定流動沙丘的目的，然而其有效作用期限短，結合生物固沙措施才能發揮最佳治沙效果。

在招標文件的編制方面，甲方要根據項目特點和功能需要進行編制，應包括項目建設的所有實質性要求和條件。基建部門還應做好招標文件內容的審查工作，一是避免出現傾向性、地方保護性條款等違反規定的；二是招標文件中的合同條款的擬定應參照住建部門發布的示范文本，條款應具體明確，避免簽訂合同時發生爭議或糾紛；三是對招標圖紙與工程量清單進行嚴格的控制與審查，盡可能減少遺漏項，避免施工過程中的變更和增項過多；四是對招標單位的資質進行審核，選擇整體素質高、社會效益好、業內信譽好、施工團隊強的施工方，避免工程的再次轉包。

Kinδd(z)+Koutδd(z-L)+

(2)

能量守恒方程為

(3)

狀態方程為

(4)

金屬蓄熱方程為

(5)

工質對流側傳熱方程為

(6)

在全面提升服務的同時，黑龍江銷售還緊盯油品質量不松懈。“油品出庫時有鉛封、編號，保證無其他油品混入。經化驗的油品到達油庫后，將進行再次檢測并且留樣。在油品配送過程中，各分公司實行統一配送、全程監控、規定路線、規定時間的方式，確保秋收農業用油品質。”張文興告訴記者。

2　數值計算方法

2.1離散方法

的確，作為一個專精于打造全地形SUV的品牌，路虎一直做得很出色。但如果僅僅依靠簡單可靠的衛士系列和身價有些高不可攀的攬勝家族，這個品牌也絕對發展不到今天的規模。在上世紀80年代末，一個在野外和公路，實用與舒適之間平衡得恰到好處的全新車型的面世，讓路虎品牌有了長足的發展和進步，也讓更多消費者體驗到了SUV這個在當時還算新穎的概念的獨到之處。

圖1　網格劃分

將方程離散化，對主控制體以及速度方向控制體進行研究，可得到以下方程.

質量守恒方程為

(7)

能量守恒方程為

(8)

對于沿流動方向的U控制體，則有

動量守恒方程為

檢查患者的循環系統以及呼吸系統的相關功能，以保障氧氣的足夠供給，是患者成功進行手術的必要條件和基礎。如果患者存在心肺功能的相關問題，會在一定程度上阻礙氧氣的吸入，導致患者出現缺氧。

Kinδd(z)+Koutδd(z-L)+Kjbδd(z-zjb)]

(9)

金屬蓄熱方程為

3.績效考核體系具有客觀公正性，因此可以很好的區分職工工作狀態是高效還是低效，根據不同職工工作水平決定他們不同的工資和福利待遇，合理的分配獎金和晉升機會，這樣才能可以對員工起到激勵作用。

(10)

傳熱方程為

(11)

狀態方程為

采用控制容積法沿流動方向進行離散化，沿管長方向將受熱管均勻劃分成n個固定網格，利用交錯網格劃分的回路見圖1.

編者按：非洲是全球竹資源集中分布區之一，竹林面積約占全球竹林面積的11%。非洲竹資源利用及產業發展落后，資源優勢未能轉化為經濟優勢。為促進非洲竹資源合理開發，實現綠色可持續發展，2018年9月3日在中非合作論壇北京峰會開幕式上，習近平主席宣布在埃塞俄比亞首都成立“中非竹子中心”，幫助非洲開發竹藤產業。鑒于竹藤領域的這一重大事項，為使讀者更多地了解非洲竹資源及竹產業發展狀況，本刊特邀請國際竹藤組織東非地區辦事處主任、駐埃塞俄比亞辦公室主任傅金和博士撰寫專稿，本刊也將持續報道非洲竹產業的發展狀況，并跟蹤“中非竹子中心”的建設進展，以饗讀者。

式中：L為管長，m；d為內徑，m；A為橫截面積，m2；ρ為流體密度，kg/m3；h為比焓，J/kg；qm為質量流量，kg/s；p為壓力，Pa；θ為流動方向與水平面的角度；Kin為進口節流系數；Kout為出口節流系數；Kjb為局部阻力系數；f為摩擦阻力系數；δd為狄拉克函數；qL、q1、q2為線密度，W/m；α為工質對流傳熱系數,W/(m2·K)；Tj為壁溫，℃；Tf為工質溫度，℃；cj為金屬比熱容，J/(kg·K)；mj為單位管長金屬質量，kg/m；t為時間，s；F2為單位管長的受熱面積，m2；z為管長方向的軸向坐標,m；zJb為彎頭處管子的軸向坐標,m.

(12)

在保證計算精度下，傳熱方程可簡化為

(13)

2.2邊界條件和數值計算步驟

數值計算的邊界條件如下：(1)整個回路進、出口的壓降差為一定值；(2)進口壓力與進口焓值不隨時間變化.

對回路施加熱負荷擾動后，數值計算步驟如下：

(1) 求解穩態時工質的物性參數,包括壓力、焓值、密度、質量流量、溫度以及進、出口壓降.

1.3.2 葡萄糖標準曲線的繪制。精密稱取干燥恒重的標準葡萄糖10 mg，定容于100 mL容量瓶中，配制成濃度為0.1 mg/mL的葡萄糖標準溶液。精密移取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL的葡萄糖標準品溶液，分別置于具塞試管中，依次加水定容至2 mL，另取2.0 mL蒸餾水作空白對照。然后加入1.0 mL濃度5%的苯酚溶液，搖勻，迅速加入5 mL濃硫酸，搖勻后待試管冷卻至室溫即可。在波長490 nm處測定吸光值，以所測吸光值為縱坐標，標準葡萄糖濃度為橫坐標，繪制標準曲線，并求出線性回歸方程及相關系數。

在我們的觀察中有3例不成功，在鼻內鏡下吻合口可見瘢痕過度生長，考慮為創面的過度增殖所致，我們總結在年輕患者及術后復查吻合口過度肉芽組織生長的患者中可在吻合口填塞的海綿中使用5-FU以減輕瘢痕形成。

2.3程序驗證

卓別林有一句很幽默的名言：“人們為我歡呼，是因為他們對我了如指掌；人們為愛因斯坦歡呼，是因為沒人弄得懂他。”的確，電影不同于高深的物理理論，卓別林用最直接的方式向不同層次的觀眾們傳達著自己想要表達的觀點，這是人們喜歡他的原因。

The authors are grateful to CINVESTAV del I.P.N. for providing the resources to carry out this work.

隨著城鎮經濟社會發展，京津冀、長三角和珠三角城市群的居民生活用電量逐漸上升，用電量差距越來越大。京津冀、長三角和珠三角城市群的居民生活用電量及變化率見圖1。

采用國外商業軟件Dynastab計算所得600 MW超臨界W火焰鍋爐的數據，來驗證本文所建立的數學模型與計算方法在模擬超臨界鍋爐水冷壁流動不穩定性時的可靠性.Dynastab軟件由西門子公司開發，已轉讓給國內相關鍋爐制造企業，但只有可執行文件，其應用受到很大限制.在相同的幾何結構、熱負荷及熱力參數條件下，對600 MW超臨界W火焰鍋爐的水冷壁流動不穩定性進行了模擬.圖2～圖4給出了本文程序計算結果與Dynastab軟件計算結果的對比.

由圖2可知，施加1.2倍熱負荷擾動后，本文程序計算所得進口質量流量隨時間的變化曲線與Dynastab軟件計算所得進口質量流量隨時間的變化曲線在整體趨勢上一致，說明利用本文程序來模擬超臨界W焰鍋爐水冷壁流動不穩定性是可靠的.由圖3和圖4可知，在兩相區與單相區本文程序計算出的工質溫度與Dynastab軟件計算所得工質溫度的相對誤差均為0.04%，而壁溫的相對誤差均為0.2%，均在誤差允許范圍內，因此利用本文程序對工質溫度與壁溫進行模擬計算是合理的.

圖2　進口質量流量隨時間的變化

圖3　兩相區工質溫度與壁溫隨時間的變化

圖4　單相區工質溫度與壁溫隨時間的變化

3　超臨界CFB鍋爐水冷壁流動不穩定性分析

3.1環形爐膛鍋爐水冷壁結構

受熱面布置困難是超臨界CFB鍋爐在大型化過程中的一個難題.為解決此問題，可采用環形爐膛即內圈與外圈并聯的布置方案，這種結構不僅可以布置更多的水冷壁來獲得足夠的換熱面積，而且可以降低爐膛高度，降低循環泵的功耗.所研究超臨界CFB環形爐膛鍋爐水冷壁外圈前墻6回路的熱負荷Q沿爐膛高度的分布情況與管路結構見圖5.從進口到出口的總長度為55.6 m，光管規格為直徑32 mm、壁厚6.5 mm.根據熱負荷分布將水冷壁分為33個管組，每個管組內的熱負荷相等，取空間網格長度為0.1 m左右，可將回路劃分為560個管段.

圖5　水冷壁結構示意圖(6回路)

3.2水冷壁動態特性

爐膛動態不穩定時，水冷壁中工質流量波動在某些情況下會導致壁溫頻繁劇烈變化，可能引起管壁金屬材料疲勞失效，應避免這種情況出現.

在考慮金屬蓄熱情況下對超臨界CFB環形爐膛鍋爐施加熱負荷擾動，并進行數值模擬.圖6給出了施加1.2倍熱負荷擾動后進、出口質量流量隨時間的波動趨勢.由圖6可以看出，當進口質量流量增大時，出口質量流量減小，當進口質量流量減小時，出口質量流量增大，即進、出口質量流量隨時間呈反相脈動；進、出口質量流量脈動的振幅隨時間延長逐漸減小直至消失，最終進、出口質量流量相等，恢復到穩定狀態，這表明在1.2倍熱負荷擾動下水動力流動是穩定的.圖7給出了不同熱負荷擾動下進口質量流量隨時間的波動趨勢.由圖7可以看出，隨著熱負荷擾動倍數的增加，進口質量流量脈動的振幅逐漸增大，但隨時間變化的趨勢是一致的.

圖6　考慮金屬蓄熱時進、出口質量流量隨時間的變化

圖7　不同熱負荷擾動下進口質量流量隨時間的變化

3.3考慮金屬蓄熱時的環形爐膛鍋爐水冷壁壁溫分析

在未施加熱負荷擾動時，回路初始穩態進口壓力為10.16 MPa，進口焓值為1 343.097 kJ/kg，進口質量流量為0.065 257 kg/s.穩態時各管組的平均工質溫度與壁溫以及施加熱負荷擾動后4.1 s(熱負荷最大，進口質量流量最小)時和13.1 s(進口質量流量最大，熱負荷恢復到初值)時各管組的平均壁溫見圖8.圖9和圖10分別給出了回路中第275管段(兩相區)和第560管段(出口管段，單相區)的溫度變化.圖8中，各曲線拐點處即為相變點，如穩態時2個拐點分別在第8管組與第26管組處，說明在第1～第7管組中工質均為單相液體，在第8～第26管組中工質處于兩相區，此后工質為過熱蒸汽；在單相液體區與兩相區，壁溫只比工質溫度高1～3 K.由圖9和圖10可知，工質溫度和壁溫先隨時間波動，最終維持在一常數值而不再隨時間變化，最高壁溫為434.88 ℃，處于允許范圍內，因此該工況下鍋爐運行是安全可靠的.

圖8　各管組溫度分布

圖9　第275管段溫度隨時間的變化

圖10　第560管段溫度隨時間的變化

4　結　論

(1) 建立了適用于考慮金屬蓄熱的超臨界CFB環形爐膛鍋爐水冷壁流動不穩定性分析的通用數學模型，并編寫了數值計算程序.在相同的參數條件下，與實際工況的數據進行了對比，計算結果較吻合，表明本文數學模型與計算方法用于模擬超臨界CFB環形爐膛鍋爐水冷壁流動不穩定性和壁溫計

算是可靠的.

(2) 在考慮金屬蓄熱情況下對回路施加熱負荷擾動后，最終進、出口質量流量相等且恢復到穩態值，金屬壁溫在允許范圍內，且隨時間波動后也維持在一常數值，表明該工況下水冷壁流動仍是穩定的.

文中共有50組有效PPG序列參與回歸模型的建立，每組序列時長為5 s，含有2 000個樣本點，且各組序列對應一組真實血壓值。實際上每個脈搏波即可對應一組血壓值，考慮到算法的實用性與準確性，本文針對同一種特征值在一個測試序列中，先求出每個脈搏波的特征值，再取平均值作為最終特征值。假設一個測試序列有m個脈搏波，對于任意特征值v，本文在第i個脈搏波中取出特征值，i=1,2,...,m，并通過式（8）求出該組序列的特征值v的最終數值kv。

[1]李志偉，孫獻斌，時正海．600 MW超臨界CFB鍋爐的水動力計算[J]．熱力發電，2006, 35(12):7-9．

LI Zhiwei，SUN Xianbin，SHI Zhenghai．Hydrodynamic calculation of a 600 MW supercritical CFB boiler [J]．Thermal Power Generation，2006,35(12):7-9．

[2]李燕，李文凱，吳玉新，等．帶隔墻的600 MW 超臨界循環流化床鍋爐水冷壁水動力特性[J]． 中國電機工程學報，2008, 28(29): 1-5．

LI Yan，LI Wenkai，WU Yuxin，etal．Hydrodynamic characteristics of a 600 MW supercritical CFB boiler with partition wall[J]．Proceedings of the CSEE，2008, 28(29): 1-5．

[3]PAN Jie, YANG Dong, CHEN Gongming,etal．Thermal-hydraulic analysis of a 600 MW supercritical CFB boiler with low mass flux[J]．Applied Thermal Engineering, 2012, 32: 41-48．

[4]PAN Jie, WU Gang, YANG Dong．Thermal-hydraulic calculation and analysis on water wall system of 600 MW supercritical CFB boiler[J]．Applied Thermal Engineering, 2015, 82: 225-236．

[5]沈艷榮，楊冬，王龍,等．600 MW超臨界W火焰鍋爐流動不穩定性數值分析[J]．西安交通大學學報，2015，49(5)：68-72．

SHEN Yanrong, YANG Dong, WANG Long,etal．Numerical analysis of flow instability in 600 MW supercritical W flame boiler[J]．Journal of Xi'an Jiaotong University，2015，49(5)：68-72．

[6]XIONG T，YAN X，HUANG S F，etal．Modeling and analysis of supercritical flow instability in parallel channels[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，57(2)：549-557．

[7]薛愛軍，程旭．超臨界水熱力系統的穩定性的簡化模型分析[J]．核動力工程，2009，30(5)：35-39．

XUE Aijun，CHENG Xu．Stability analysis of a simplified model of supercritical water-cooled system[J]．Nuclear Power Engineering，2009，30(5)：35-39．

[8]ORTEGA G T，CLASS A，LAHEY R T，etal．Stability analysis of a uniformly heated channel with supercritical water[J]. Nuclear Engineering and Design，2008，238(8)：1930-1939．

Numerical Analysis on Flow Instability of Supercritical CFB Boiler Water Wall Considering Metallic Heat Storage

XIEBeibei1,LONGJun1,MAOKaiyuan1,WANGWenyu1,YANGDong1,XIALiangwei2,YINYaning2

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow, School of Energy and Power Engineering, Xi'anJiaotong University, Xi'an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Utility Boilers for Clean & Efficient Utilization of Coal, Harbin Boiler Co., Ltd., Harbin 150046, China)

A mathematical model was established for analysis on flow instability in annular furnace of a supercritical CFB boiler considering metallic heat storage, with which the flow instability was simulated using staggered grids, so as to calculate and analyze the variation of inlet and outlet mass flow as well as tube wall temperature along with time under thermal load disturbance on the loop. Results show that once the loop was applied by 1.1, 1.2 and 1.3 times of thermal load disturbance, the inlet and outlet mass flow would fluctuate reversely along with time, both of which would finally get equivalent at the value of steady state; besides, the wall temperature would also fluctuate with time and finally get stable at a constant value, indicating that the flow condition is still stable.

supercritical CFB boiler; annular furnace; metallic heat storage; water wall; flow instability; numerical analysis

2015-09-22

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2015BAA03B01-01)

謝貝貝(1991-)，女，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向為鍋爐水動力流動不穩定性數值分析.電話(Tel.)：029-82668393；

E-mail：bbeixie@163.com.

1674-7607(2016)08-0589-05

TK122

A學科分類號：470.20