基于水動力計(jì)算的鍋爐出口溫度及熱負(fù)荷分布分析

張 吉

（臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江臺州318000）

鍋爐爐膛熱負(fù)荷受到多種因素的共同影響，包括燃料種類、爐膛結(jié)構(gòu)與燃燒形式等，因此無法對其實(shí)際運(yùn)行期間的熱負(fù)荷情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測[1-4]。現(xiàn)階段，主要從設(shè)計(jì)層面分析爐膛寬度熱負(fù)荷分布規(guī)律，但很少研究實(shí)際工況下的熱負(fù)荷分布結(jié)果[5]。相關(guān)方面的研究吸引了很多的研究學(xué)者。沈倩等[6]通過實(shí)驗(yàn)分析了燃料種類、燃燒形式與爐膛外形結(jié)構(gòu)對電站鍋爐運(yùn)行狀態(tài)及其爐膛熱負(fù)荷造成的影響，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建得到了一種計(jì)算超臨界燃燒直流鍋爐在爐膛寬度方向上的熱負(fù)荷分布規(guī)律，深入探討了水冷壁中液體介質(zhì)流動特點(diǎn)并計(jì)算了爐膛各部位的傳熱系數(shù)，最終得到水冷壁系統(tǒng)的壓力降、阻力及其流量分布規(guī)律。鄒堃等[7]通過在水冷壁區(qū)域安裝了眾多溫度測試點(diǎn)的方式獲得超臨界鍋爐螺旋管圈各區(qū)域測試點(diǎn)的溫度值，并根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果推導(dǎo)得到煙氣區(qū)域平均熱負(fù)荷。丁小驕等[8]針對各工況條件下的預(yù)混與擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣系數(shù)增大后，將使排放廢氣中的NO與CO濃度減小。李東鵬等[9]在研究了當(dāng)前大型機(jī)組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到了處于海拔2 900 m情況下660 MW機(jī)組鍋爐的最佳熱負(fù)荷。

本文為了精確掌握電站鍋爐高溫受熱面出口區(qū)域的溫度，對超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐進(jìn)行了研究，總共包含了1 728根爐膛水冷管，由四面墻組成，各面墻分別為432根。給出了水動力計(jì)算流程，測定了管壁溫度分布，并根據(jù)原有出口溫度分布狀態(tài)計(jì)算出爐膛寬度方向上的熱負(fù)荷分布。

1 熱負(fù)荷分布計(jì)算

1.1 爐膛出口溫度及水動力計(jì)算

通過安裝溫度測試點(diǎn)的方式測定鍋爐受熱面區(qū)域溫度分布情況，其中上爐膛水冷壁管的出口處布設(shè)了80個測量點(diǎn)，下爐膛出口處布設(shè)了448個測量點(diǎn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)其實(shí)并不太完整。對出口溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，下爐膛是根據(jù)節(jié)流圈特點(diǎn)對水冷壁管實(shí)施分組，以2根或者4根管子作為一組，共同對應(yīng)一個溫度測試數(shù)據(jù)；上爐膛的水冷壁管是根據(jù)二級混合器分布特點(diǎn)進(jìn)行分組，屬于同一組的水冷管對應(yīng)一個共同的溫度測試數(shù)據(jù)。鍋爐水動力特性指的是當(dāng)熱負(fù)荷與鍋爐結(jié)構(gòu)保持恒定的情況下，不同管內(nèi)工質(zhì)流量下形成的阻力壓降。根據(jù)水動力計(jì)算結(jié)果可以判斷受熱面管中的工質(zhì)流動狀態(tài)及其傳熱過程的安全性。圖1給出了水動力計(jì)算的具體流程。

圖1 水動力計(jì)算流程

1.2 平均比容的確定

在超臨界壓力下當(dāng)工質(zhì)進(jìn)入比熱容較大的區(qū)域時其熱物性將會明顯轉(zhuǎn)變，并且密度跟焓值之間也不再是完全的線性關(guān)系，尤其是下爐膛的工質(zhì)性質(zhì)快速變化，會形成二個不同區(qū)段，所以必須采用分段方法來處理工質(zhì)的平均比容，從圖2中可以看到對區(qū)段進(jìn)行分類的具體過程。

圖2 區(qū)域劃分

在實(shí)際計(jì)算的過程中，要考慮很多串聯(lián)與并聯(lián)的管子。下爐膛的水冷壁通常都是由質(zhì)量流速較低的垂直管屏組成，因此水的自身重力也是構(gòu)成阻力的一個重要因素，同時管內(nèi)的各處工質(zhì)特性也存在明顯差異[10-12]。所以，需要充分考慮不同管道間的差異性并注意分析重力產(chǎn)生的作用，可以將其表示為系數(shù)Ki：

式中：Ki是經(jīng)折算得到的阻力系數(shù)，kg-1·m-1；f是管子的截面積，m2；ρi是工質(zhì)的平均密度，kg/m3；Zi代表摩擦與阻力系數(shù)；vi是工質(zhì)的平均比容，m3/kg；Gi是工質(zhì)流量，kg/s；g是重力加速度，N/kg；h代表高度，m。

1.3 熱負(fù)荷分布的確定

考慮到實(shí)際情況中鍋爐燃燒的復(fù)雜性，因此在設(shè)定熱負(fù)荷分布模型的時候要考慮到上下爐膛溫度分布的差異性。所以，需要進(jìn)一步根據(jù)原有出口溫度分布狀態(tài)計(jì)算出爐膛寬度方向上的熱負(fù)荷特點(diǎn)，從圖3中可以看到計(jì)算的具體過程。首先通過鍋爐熱動力計(jì)算上下爐膛溫度吸熱量分布情況，然后分別根據(jù)熱負(fù)荷不均勻系數(shù)擬合結(jié)果并計(jì)算爐膛吸熱量分配系數(shù)，最后給出每根管熱量修正系數(shù)。

圖3 熱負(fù)荷分布計(jì)算流程

2 熱負(fù)荷分布結(jié)果分析

2.1 工 況

對熱負(fù)荷的分布狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算時，需要同時分析計(jì)算工況與校核工況，其中前者被用于構(gòu)建熱負(fù)荷模型，后者是對模型進(jìn)行驗(yàn)證。從表1中可以看到以上計(jì)算工況與校核工況的參數(shù)取值，并將其作為建模的初始條件。

2.2 寬度方向熱負(fù)荷

圖4給出了爐膛水冷壁沿寬度方向熱負(fù)荷不均勻系數(shù)分布變化結(jié)果。從圖4中可以看到在設(shè)定工況條件下爐膛水冷壁寬度上的熱負(fù)荷特點(diǎn)。可以發(fā)現(xiàn)，在爐膛寬度方向上并未形成連續(xù)的熱負(fù)荷分布現(xiàn)象，通常會在某一點(diǎn)發(fā)生突變的情況，這主要是由于計(jì)算時受數(shù)據(jù)處理過程所引起的結(jié)果。構(gòu)建熱負(fù)荷模型時需以現(xiàn)場壁溫?cái)?shù)據(jù)作為參考依據(jù)，但考慮到測點(diǎn)數(shù)量有限，所以進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時要充分考慮到熱負(fù)荷狀態(tài)和爐內(nèi)燃燒過程緊密關(guān)聯(lián)。在鍋爐的燃燒過程中，會由于風(fēng)量或粉量分布不均勻的情況等因素導(dǎo)致熱負(fù)荷出現(xiàn)偏差。

表1 工況數(shù)據(jù)

圖4 爐膛水冷壁沿寬度方向熱負(fù)荷不均勻系數(shù)分布

2.3 出口溫度

從圖5中可以看到在校核工況下在爐膛水冷壁出口區(qū)域形成的爐膛水冷壁出口溫度分布，根據(jù)熱力與鍋爐水動力計(jì)算數(shù)據(jù)推斷出下爐膛水冷壁管出口溫度，可以明顯發(fā)現(xiàn)實(shí)際測量值和計(jì)算值基本一致，表現(xiàn)出相同的溫度分布規(guī)律。隨著水冷壁管號的增加，爐膛水冷壁出口溫度表現(xiàn)出先迅速增加后降低然后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，這與所選取的管子的位置有關(guān)。

3 結(jié)語

（1）為了精確掌握鍋爐高溫受熱面出口區(qū)域的溫度，給出了水動力計(jì)算流程，并測定了管壁溫度分布，并進(jìn)一步根據(jù)原有出口溫度分布狀態(tài)計(jì)算出爐膛寬度方向上的熱負(fù)荷特點(diǎn)。

圖5 爐膛水冷壁出口溫度分布

（2）在爐膛寬度方向上并未形成連續(xù)的熱負(fù)荷分布現(xiàn)象，通常會在某一點(diǎn)發(fā)生突變。熱負(fù)荷分布狀態(tài)和爐內(nèi)燃燒過程緊密關(guān)聯(lián)，在鍋爐的燃燒過程中，會由于風(fēng)量或粉量分布不均勻的情況等因素導(dǎo)致熱負(fù)荷出現(xiàn)偏差。

（3）根據(jù)熱力與鍋爐水動力計(jì)算數(shù)據(jù)推斷出下爐膛水冷壁管出口溫度，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測量值和計(jì)算值基本一致，表現(xiàn)出相同的溫度分布規(guī)律。