超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流量补偿特性研究学士学位论文.doc

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量补偿特性研究英 文 题 目：Characteristics Study for Ultra-supercritical Boilers with Vertical Rifled Tube Platen Water Wall on Flow Compensation研究生姓名： 专业：研 究 方向：热力设备及大型回转机械的安全、经济运行与延寿技术导 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量补偿特性研究，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： 摘 要对超超临界锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行时的流量补偿特性进行了理论分析。以1000MW超超临界锅炉垂直管屏水冷壁设计参数为依据，编制了流量补偿特性计算程序，对该锅炉水冷壁在不同热负荷和热偏差条件下，不同质量流速下的流量补偿特性进行了分析研究。验证了直流锅炉水冷壁系统在高负荷区高质量流速条件下具有强制流动特性，在低负荷区低质量流速条件下具有自然循环的自补偿特性，这种特性对实现直流锅炉变压运行具有重要作用,但增加了由自补偿特性向强制流动特性转化的复杂性。论文计算并分析了锅炉水动力特性，验证了水动力单值性。分析了热负荷、管子内径、管子根数对压降的影响。研究结论可供UP型超临界直流锅炉运行和设计参考。关键词：超超临界锅炉；热偏差；流量补偿；垂直管屏；下辐射区水冷壁ABSTRACTThe variable pressure operation characteristic of ultra-supercritical boiler with vertical rifled tube platen water wall is analyzed in this paper. Based on the designed data of vertical tube water wall in a 1000MW supercritical boiler and regarding to the hydrodynamic calculation method, a calculation procedure of flow compensation characteristics is established. The flow compensation characteristics in the condition of different loads and mass flow rates are analyzed and studied, therefore it validates that direct current boiler has not only direct current characteristics but also natural circle characteristics like drum boilers which play the important role in the variable pressure operation. Hydrodynamic characteristic of boilers is calculated and analyzed and uniqueness of hydrodynamic is validated. Also the effects between heat load and drop, tubes inner diameter and drop, tubes number and drop are analyzed.Wang Xue-tao(Thermal Power Engineering)Directed by prof. Fan Quan-guiKEY WORDS: ultra-supercritical boiler，heat deviation，flow compensation，vertical tube platen，water walls lower radiation第一章 引 言1.1 课题研究的背景及意义能源是社会发展的物质基础，环境是人类维护自身生存和发展的前提。在能源日趋紧张，环境日益恶化的情况下为节约能源和减轻环境污染，必须发展洁净煤发电技术1，即：循环流化床(CFBC)、增压流化床联合循环(PFBCCC)、整体煤气化联合循环(IGCC)以及超临界(SC)与超超临界技术(USC)。超临界机组是指发电机组的蒸汽参数达到临界压力以上的机组。目前，世界上超临界机组的蒸汽参数以24MPa 、540/540为基础。超超临界机组并没有严格的定义，国际上通常把主蒸汽压力在27MPa以上或主汽、再热汽温在580以上的机组定义为超超临界（USC）机组2。超超临界机组正是由于提高了锅炉蒸汽的初参数，使得机组效率大大提高，达到45%48%，比亚临界机组提高6%9%，比超临界机组高3%4% 。尽管在同等蒸汽参数情况下，联合循环的效率比蒸汽循环的效率高10%左右，但是，由于PFBC和IGCC尚处于试验或示范阶段，在技术上还存在许多不完善之处，而超临界技术已十分成熟，超临界机组也已批量投运，且积累了良好的运行经验，国外已有一套完整而成熟的设计、制造技术。因此，技术成熟的大容量超临界和超超临界机组将是我国洁净煤发电技术的主要发展方向，也是解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重等问题的最现实和最有效的途径。可以预见，在不久的将来超临界锅炉将成为我国电厂锅炉的主力锅炉，因此对超临界锅炉的研究更具有实际应用价值。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，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自然循环方式，必须采用强制流动方式，即以直流锅炉为主，也可采用复合循环方式。超临界锅炉的水冷壁结构设计主要出现了两种形式：一种是采用螺旋管圈的水冷壁，另一种采用垂直管屏水冷壁。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，但是采用一些新技术的垂直管屏水冷壁的直流锅炉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实际应用的例子。超临界压力变压运行带中间负荷机组要求锅炉能变压运行，负荷变化快，并能快速启停。这使锅炉的工作条件更为复杂，特别是锅炉的炉膛水冷壁，当机组从额定负荷到低负荷时，炉膛水冷壁管圈的运行压力将从超临界压力降至亚临界压力，水冷壁管圈内工质将有两种工作状态，即单相流动和双相流动。分析超临界压力变压运行直流锅炉炉膛水冷壁流量补偿特性对水冷壁的安全运行有着十分重要的意义。在这个背景下开展我的课题，希望能够对超临界及超超临界锅炉在实际设计与运行中有所裨益。1.2 国内外研究动态1927年西门子公司生产的第一台本生锅炉采用螺旋管圈水冷壁。为了降低造价1930年开始，开发了垂直管圈水冷壁，不过当时还只是上升下降管系统，采用砖砌炉墙。直至60年代中期，为了适应西欧电网调峰的需要又重新采用螺旋管圈膜式水冷壁。50年代美国开发了几种不同的垂直管圈膜式水冷壁系统，为保证大量水冷壁管在全部负荷范围的可靠冷却，出现了带中间集箱的管屏串联系统或叠加再循环系统。但是，为避免中间集箱汽水混合物分离或为保证再循环泵无故障运行，这些水冷壁系统必须始终(包括启停)保持超临界压力运行。因此这种水冷壁系统不太适应每日启停，而且部分负荷运行也不经济。80年代中期Sulzer公司开发了内螺纹管垂直水冷壁。这期间，日本三菱重工业公司与苏尔寿和CE公司合作，设计制造出内螺纹管垂直管圈超临界压力锅炉。第一台这种管圈的700MW超临界燃煤锅炉于1989年6月在日本松浦电厂投运，随后日本川越电厂又相继于1989年和1990年投运了两台700MW超超临界燃气锅炉，这些锅炉的满负荷质量流速均为2000左右，并且采取以下两种措施来防止在如此高的流速下由于热偏差而引起的水冷壁出口焓偏差：(1)在那些吸热偏低的水冷壁管进口加装节流圈(2)布置对流烟道蒸发器，使水冷壁出口保持湿蒸汽，而把蒸发终点转移到热负荷较低的对流烟道内。苏尔寿等3家公司很重视这种方案并称之为第二代变压运行直流锅炉。但是西门子公司认为苏尔寿锅炉的垂直管圈方案有广泛的理论和试验研究基础，但缺乏基准。因此，该公司在长期的理论与实验研究的基础上也推出了内螺纹垂直管圈水冷壁的方案：采用满负荷低质量流速，利用流量分配的自然循环特性保证全部负荷下水冷壁的充分冷却，即在低质量流速下，摩擦压降在总压降中所占比例变得很小，由重位压降决定流量分配。正象自然循环水冷壁一样，吸热偏差引起的流量分配取决于静压降，受热偏高的管子将流过较高的流量。内螺纹管不仅改善压降特性，而且也改变了传热特性。采用内螺纹管垂直管屏水冷壁实现变压运行，在低负荷亚临界压力范围内，能够抵抗水冷壁的膜态沸腾引起的传热恶化，在临界压力和高负荷超临界压力范围内，也具有抵抗类膜态沸腾的作用，即使对于处于大比热区的蒸汽也具有增强传热，降低壁温的作用。西门子公司推出的内螺纹管垂直管圈炉膛水冷壁的方案，使现代变压运行直流锅炉技术更趋完善。其他如俄罗斯、丹麦、韩国、德国等国家也都相继展开对内螺纹管垂直管圈超临界锅炉的研究。在国内，西安交通大学与哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂合作，研究了超临界锅炉内螺纹水冷壁管的水动力特性和传热特性，并进行了实验研究。日本三菱公司与哈尔滨锅炉厂合作生产的1000MW超超临界锅炉就采用了内螺纹管垂直管屏变压运行技术，在国内的首次用户为玉环电厂。在理论研究方面，国内学者做了许多工作。在内螺纹管传热方面，西安交通大学的陈听宽等人以动力工程多相流国家重点实验室为依托，做了许多超临界锅炉内螺纹管传热特性的研究，试验得出了在不同参数条件下的壁温分布、发生传热恶化的临界条件、单相及两相对流放热系数、干涸后放热系数及内螺纹管的摩擦压降，提出了计算关联式，比较了单侧加热与全周加热的区别，为超临界锅炉设计提供了重要依据。在垂直管圈水冷壁研究方面，西安交通大学的郑建学等人分析了600MW超临界锅炉垂直管圈水冷壁，并与螺旋管圈水冷壁作了对比，分别得到了两种水冷壁的优劣，对于电站超临界机组锅炉水冷壁的设计有较高的参考价值。在超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压运行方面，樊泉桂针对1000MW超超临界机组锅炉内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行特性进行了理论分析。重点分析了低质量流速下的水冷壁热偏差对流量偏差的影响关系和内螺纹管传热特性以及直流锅炉水冷壁强制流动特性被自然循环特性部分抵偿的流动特性。1.3 国内内螺纹管垂直管屏变压运行锅炉研究中的问题在国外，西门子公司已经对内螺纹管传热和压降进行了深入的实验研究，得到了一些重要的结论。另外，他们不仅通过计算机模拟了低质量流速下内螺纹管垂直管屏的流量补偿特性，而且还在特定的电厂进行了大型试验，验证了在热偏差情况下流量分配的理论估算，校验了在实验室测试开发的压降计算程序。但是在国内，虽然内螺纹管垂直管屏变压运行技术已经有实际应用的例子，但是对于内螺纹管的传热传质特性和压降特性的理论与实验研究还根本不够，尤其是对于内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行的理论认识还不够深入，尚没有人进行相关的计算机模拟实验与大型实例验证。其中，计算机模拟实验需要开发压降计算程序，涉及到管内两相流的理论，分析研究比较复杂，具有一定的难度。1.4 本论文研究的主要内容1.4.1内螺纹管垂直管屏水冷壁的特点及其变压运行首先介绍了水冷壁的几种主要型式，通过探讨螺旋管圈水冷壁的流动阻力大、结构复杂等缺点说明内螺纹管垂直管屏水冷壁有很大发展趋势。最后重点介绍了内螺纹管垂直管屏水冷壁的特点及其变压运行的理论分析。1.4.2水动力计算方法的研究主要介绍了管内工质压降的计算方法，包括单相流和两相流压降的计算。因为涉及到编程计算，对一些公式根据模型进行了简化。1.4.3流量补偿特性的研究在管内工质压降计算的基础上，建立流量补偿特性的模型和程序流程图。流量补偿特性模型其实就是建立压降-热偏差的关系，由于亚临界与超临界流量补偿特性不同，对两种工况下的流量补偿特性进行对比分析。在本文中分析并对比了正的流量补偿特性和负的流量补偿特性。其中正的流量补偿特性又称为自然循环特性，即在亚临界工况下，内螺纹管垂直管屏管内工质质量流速很低(低于1200)，水冷壁的动压损失(或流动摩擦阻力引起的压降)在压力总损失(总压降)中的比例很小，静压损失(重位压降)起决定作用，流量分配为正流量补偿特性；负的流量补偿特性又称为直流特性，即在超临界工况下，内螺纹管内工质质量流速很高(高于1200)，水冷壁的动压损失(或流动摩擦阻力引起的压降)在压力总损失(总压降)中的比例很大，动压损失(重位压降)起决定作用，流量分配为负流量补偿特性。1.4.4水动力特性的研究以及其他因素对管内压降的影响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的关系。水动力特性主要分析超临界满负荷工况下水动力特性的稳定性，分析其具有不具有流动的多值性。本文还分析了对管内压降影响的其他因素，包括管子内径、管子根数、管子热负荷等。第二章 内螺纹管垂直管屏水冷壁及其变压运行分析目前，世界上正在运行的超临界和超超临界机组直流锅炉水冷壁型式有4种：光管螺旋管圈水冷壁、内螺纹管螺旋管圈水冷壁、光管垂直管屏水冷壁和内螺纹管垂直管屏水冷壁。水冷壁炉膛布置主要有两种：第一种是上炉膛采用垂直管屏水冷壁，下炉膛采用螺旋管圈水冷壁；第二种是一次垂直上升水冷壁。如图2-1是水冷壁炉膛的两种布置方式。两种炉膛布置的上、下炉膛水冷壁间都有中间混合集箱，用以消除炉膛下部水冷壁工质吸热与温度偏差。图2-1 两种水冷壁的炉膛布置1927年，西门子公司生产的第一台本生锅炉采用螺旋管圈水冷壁。到目前为止，全世界已经有1000多台超临界锅炉机组投入使用，其中大部分仍是采用的这种经典的螺旋管圈水冷壁型式。这种型式的水冷壁能够实现真正的滑压运行。另外它还有许多优点：主要是它采用较高的质量流速，各根管子盘旋上升，受热均匀，所以管子热偏差小，保证了管子壁温不高于许可温度，有效的防止了亚临界条件下的膜态沸腾和超临界条件下的类膜态沸腾。可是螺旋管圈水冷壁有许多无法避免的缺点，主要包括：(1)水冷壁阻力较大。这是由于质量流速较高，下炉膛螺旋管圈展开长度几乎为垂直管屏长度的二倍。以600MW变压运行超临界燃煤锅炉为例，水冷壁系统的总阻力约为2MPa左右，几乎为垂直管屏水冷壁的一倍，增加了给水泵的耗电量；(2)水冷壁支撑和刚性梁结构复杂。因水平管子承受轴向载荷能力差，必须采用张力板，张力板与水冷壁管之间在锅炉启停时有较大温差，其形状和尺寸必须经仔细的应力分析和运行考验；水冷壁的强度也需要考虑x、y、z三方向作用力；刚性梁必须采用框架式结构，从而增加了安装和焊接工作量。(3)螺旋管圈水冷壁受加工分段长度的限制，现场对接焊缝的数量约为垂直管屏的4倍；(4)水冷壁管螺旋倾斜上升，在水冷壁上设计开孔很困难；(5)对结渣性较强的煤种，螺旋管圈结渣倾向比垂直管屏要大，灰渣自行脱落的能力较差。螺旋管圈水冷壁的维护和检修比垂直管屏要复杂一些。2.1 内螺纹管垂直管屏水冷壁的特点2.1.1内螺纹管的结构与传热特性内螺纹管的传热性能明显优于光管，它能够抵抗膜态沸腾并且推迟传热恶化，主要机理是：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扰动，使水冷壁管内壁面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“汽膜”，保证了管子内壁面上有连续的水流冷却。内螺纹管的结构可以制成各种型式，如四头、六头、八头等。例如河南沁北电厂600MW超临界锅炉采用的螺旋水冷壁管全部采用六头、上升角60的内螺纹管。西门子公司对于低质量流速下的内螺纹管和光管进行了大量试验，结果表明：当压力在20MPa以下时，即使在1000 的低质量流速下，内螺纹管仍然具有良好的传热效果，在接近蒸发终点时才出现传热恶化；在近临界压力区，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；内螺纹管不仅改善了传热特性，而且也改变了压降特性。另外三菱公司也对内罗管和光管的最低质量流速作了深入的研究，结果表明：内螺纹管大大降低了最低质量流速，在25%MCR30MCR时最低质量流速可以降低到500，而光管水冷壁一般控制最低允许质量流速为1000。2.1.2内螺纹管垂直管屏水冷壁的优缺点内螺纹管的传热性能明显优于光管，它在锅炉上应用给直流锅炉水冷壁采用垂直管屏开辟了途径。早在70年代末、80年代初，CE、Sulzer和三菱重工等公司鉴于国际上变压运行超临界机组的优点和传统的螺旋管圈水冷壁结构的复杂，在已有长期运行经验的复合循环锅炉的基础上，吸取内螺纹管在强化传热、抑制DNB产生等方面的优点，着手研究和开发用于变压运行的超临界和超超临界锅炉的内螺纹管一次上升的垂直管屏水冷壁。80年代中期，日本三菱重工同时开发并生产出了世界上首次采用一次上升管圈的变压运行超临界和超超临界锅炉机组，并在日本多家电厂投运，至今锅炉运行顺利。在国内，哈尔滨锅炉厂采用三菱重工的技术已经生产出1000MW垂直管屏水冷壁超超临界锅炉，并在浙江玉环电厂得到投运。内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要优点是：(1)水冷壁阻力较小，降低了给水泵耗电量。(2)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，实现变压运行。(3)可降低质量流速，使在低负荷时流量分配转换为自然循环特性，有利于锅炉安全运行。(4)下辐射区采用一次垂直上升管屏和内螺纹管，结合低质量流速，克服了传统UP型锅炉的主要缺陷。(5)水冷壁本身、支撑结构和刚性梁结构简单，制造容易，安装方便，便于吊挂，不存在复杂的结构影响运行安全性的问题。(6)结渣倾向较小，吹灰效果较好，疏松型渣块易于自行脱落，维护和检修较易。内螺纹管垂直管屏水冷壁的主要缺点是：(1)水冷壁管径较细，内螺纹管制造精度和管子价格较高，而且管子热敏感性强，对运行控制要求高。(2)需装设节流孔圈，增加了水冷壁下集箱结构的复杂性。(3)机组容量的限制。如果垂直管屏水冷壁所有的管子平行连接，那么只有在大容量锅炉时才能保证水冷壁可靠冷却所需要的工质质量流速。因为垂直管屏水冷壁受到管径的限制，对容量较小的机组，其炉膛周界相对较大，因此无法保证必要的质量流速。一般认为，对垂直管屏来说，锅炉机组的最小容量为500MW600MW。(4)垂直管屏水冷壁沿炉膛周界和各面墙的水冷壁出口温度的偏差较螺旋管圈稍大，可通过装高节流孔圈将此偏差值控制在允许范围内。(5)启动和低负荷时为了保持必要的质量流速，必须装设再循环泵，增加了设备投资。(6)对煤种变化的适应性较差，没有螺旋管圈水冷壁强。针对垂直水冷壁结构设计存在的问题，直流锅炉垂直管屏水冷壁设计的发展趋势是采用较低的质量流速，呈现出强制-自然循环特性。即在高负荷下呈强制循环特性，低负荷下呈现一定的自然循环特性。在以后的章节中，内螺纹管垂直管屏水冷壁的强制-自然循环特性将是主要探讨的内容。2.1.3光管垂直管屏水冷壁讨论了内螺纹管垂直管屏的优缺点，有必要与光管垂直管屏作下比较，分析其不适宜做变压运行的原因。光管垂直管屏水冷壁为了保证炉膛下辐射区水冷壁管内的质量流速，下辐射区水冷壁的流路一般设计成23次垂直上升。在现代大功率锅炉机组上，为了避免产生较大的热偏差和提高工质的质量流速，仅采用二次垂直上升的型式，两个流路之间用不受热的下降管相连接。水冷壁有中间联箱，工质的二次再分配易导致分配不均；以提高质量流速防止水冷壁的流动不稳定性，致使热偏差和流量偏差相互影响的不良作用扩大化，不适合变压运行；一般超临界锅炉光管水冷壁的设计质量流速高达28003000，流量分配为负流量补偿特性，受热偏高的管子流量反而会变少，容易发生管子壁温升高，不利于锅炉安全运行。总之，相比内螺纹管垂直管屏水冷壁，光管垂直管屏水冷壁对变压运行的适应性较差，不适宜大范围推广。2.2 内螺纹管垂直管屏水冷壁的变压运行2.2.1 变压运行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，而汽轮机前的新汽压力维持不变。采用此方法跟踪负荷调峰时，在汽轮机内将产生较大的温度变化，且低负荷时主蒸汽的节流损失很大，机组的热效率下降。因此国内、外新装大机组一般不采用此方法调峰，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，不仅主汽门是全开的，而且调节汽门也是全开的(或部分全开)，机组功率的变动是靠汽轮机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中，负荷变动指令直接下达给锅炉的燃烧调节系统和给水调节系统，锅炉就按指令要求改变燃烧工况和给水量，使出口主蒸汽的压力和流量适应外界负荷变动后的需要。而在定压运行时，该负荷指令是送给汽轮机调节系统改变调节汽门的开度。当今的大型超临界锅炉一般采用负荷变压运行，在高负荷区采用定压运行，在中低负荷区采用变压运行，在极低负荷区又恢复为定压运行。例如浙江玉环电厂，90%BMCR100%BMCR是定压运行，25%BMCR90%BMCR是变压运行，而在极低负荷区又是定压运行。2.2.2 内螺纹管垂直管屏水冷壁变压运行理论分析超临界锅炉水冷壁在亚临界负荷时，采用低质量流速，利用流量分配的自然循环特性保证全部负荷下水冷壁的充分冷却，即在低质量流速下，摩擦压降在总压降中所占比例变得很小，由重位压降决定流量分配。这一情况正象自然循环水冷壁一样，吸热偏差引起的流量分配取决于静压降，受热偏高的管子将流过较高的流量。这样在低负荷亚临界压力范围内，由于自然循环作用的存在，能够抵抗水冷壁的膜态沸腾引起的传热恶化，在临界压力和高负荷超临界压力范围内，也具有抵抗类膜态沸腾的作用，即使对于处于大比热区的蒸汽也具有增强传热，降低壁温的作用，采用内螺纹管垂直管屏水冷壁能够实现变压运行。在下面的章节中，将主要探讨内螺纹管垂直管屏在亚临界负荷和超临界负荷的流量补偿作用，分析自然循环作用和流量补偿的直流特性。下面在理论上分析内螺纹管垂直管屏变压运行的可行性。2.2.2.1从强制流动特性分析假定流体是单相的，而且加速压降可以忽略，则有压降公式 (2-1) (2-2)式中分别为折算阻力系数、摩擦阻力系数和局部阻力系数；分别为管内的蒸汽流量、比容、密度和流速分别为管子的内径、流通截面和长度为管组进出口之间的高度差对于一组平行工作的管组，受热偏差、阻力偏差和重位压头都可以引起流量偏差。假定对所有平行工作管子的集箱两端的压差是相等的，且流动方向向上，则代表平均流动情况和具有流动偏差的管子的压差应分别为： (2-3) (2-4) (2-5)流量偏差系数为： (2-6)由式可知，对于强制流动，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引起的流量偏差易于理解，而吸热分布的影响比较复杂。(1)对于水平或垂直布置的平行工作管子，即使在超临界压力下，工质无论处于大比热区内还是处于大比热区外，受热偏差都会引起流量偏差。吸热较强的管子，管内工质温度上升，比容增大，质量流量减小。(2)对于垂直布置的平行工作管子，在亚临界压力范围内或超临界压力的大比热区内，由于吸热偏差引起管子之间出现重位压差，导致流量偏差发生变化。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。(3)流量偏差也取决于重位压差和摩擦阻力的比值大小。当重位压差远小于摩擦阻力时，重位压差对流量偏差的影响减弱，由于此时管内工质质量流速很高，吸热量较强的管子摩擦阻力的增大值要大于重位压降的减小值，所以流量减少；重位压差远大于摩擦阻力时，重位压差对流量偏差的影响增强。此时管内工质质量流速很低，吸热量较强的管子重位压降的减小值要大于摩擦阻力的增大值，所以流量增加。这两种流量补偿特性分别叫做直流特性和自然循环特性，或者叫负流量补偿特性和正流量补偿特性。在这里理论分析的结果和西门子等公司做实验的结果是一致的，说明吸热偏差对管组的流量偏差具有双重影响。2.2.2.2从热平衡和工质热物理特性分析对于平均吸热水平的管子和具有吸热量偏差的管子分别有下面式子成立： (2-7) (2-8)式中分别为平均管的吸热量、质量流量、定压比热和工质温升；分别为偏差管的吸热量、质量流量、定压比热和工质温升。由两式得到 (2-9)式(2-9)不仅十分直观的说明了吸热偏差对平行管流量偏差的影响，特别有意义的是直接表达超临界压力下，工质定压比热和工质温升或工质焓增对流量偏差的影响关系。根据式(2-9)分析，吸热量较多的管子中，工质流量会自动增加，这正好说明强制流动也能具有自然循环的自补偿特性。同时，工质温升较大和比热较大或工质焓增较大的管子，工质流量会自动减少。这也正好说明，在超临界压力下，当工质处于对应压力下的拟临界温度时，由于工质处于大比热区，较大的工质焓增也会引起工质流量减少。结合超临界压力下工质热物理特性变化可知，大比热区内，工质比容和温导系数发生突变且变化幅度很大，当管子吸热偏差增大时，对于水冷壁流量分配和传热影响十分明显。图2-3是在采用内螺纹垂直管水冷壁的1000MW超临界锅炉上测试的数据，其显示了不同的热负荷下，质量流速和水冷壁出口温度的变化特点。一个十分重要的特点是：在质量流速为6501100低质量流速下，随着热负荷的增大，管内的质量流速随热负荷增加而自动增大，这种流动特性恰好说明了强制流动的直流锅炉流量分配特性可以大部分转换成自然循环的自补偿特性。其原因正是受热偏高的管内摩擦阻力造成的压降份额变化小于静压降份额的变化。采用垂直管屏水冷壁变压运行的本生炉新方案的基本思想正是利用这种流量分配的自然循环特性。图2-3 1000MW锅炉垂直管水冷壁质量流速和出口温度图2-3的测试结果还表明，超临界压力下工质的热物理特性仍然决定了工质温度随吸热量增加的特性并不会因低流速下出现的自然循环特性而改变。水冷壁出口工质温度首先决定于工质的热物理特性，但是因为自然循环特性的自补偿特性的存在使得工质出口温度的增长受到一定程度的抑制。因此，即使在超临界压力下，质量流速愈低。热负荷愈低，自然循环特性愈明显出口工质温度的上升幅度就愈小。根据超临界压力下工质的热物理特性可以判断，在低质量流速下，超临界压力下工作的垂直管屏水冷壁所产生的自补偿性是有限的。例如，蒸汽压力超过28 MPa时，水冷壁中的压力将达到32 MPa以上。此时，由于受热不同导致的工质密度变化，则因为压力提高而减弱，不同受热强度的管子之间产生的自然循环特性随之降低。试验证实，当质量流速低于500时，内螺纹管的旋流作用减弱。即水冷壁的最低质量流速不能低于500。在此条件下，600MW1000MW 超临界锅炉水冷壁最大质量流速将达到1 800以上。质量流速超过1 200 ，就会失去正流量补偿特性转变为负流量补偿特性。2.3 本章小结(1)介绍了超临界锅炉水冷壁的型式与炉膛布置方式。通过分析螺旋管圈水冷壁阻力大，结构复杂等缺点提出了内螺纹管垂直管屏应用的可行性。(2)分析了内螺纹管不仅改善传热，而且改变压降特性的优点。(3)分析了内螺纹管垂直管屏的优缺点。(3)在理论上分析了内螺纹管垂直管屏水冷壁能够实现变压运行。第三章 锅炉水动力计算方法内螺纹管垂直管屏流量补偿研究的基础是计算锅炉受热管内的水动力特性及流动阻力。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的关系，流动阻力的计算也就是确定工质在管内流动的总阻力或总压降，以便确定泵的扬程。所以本章将重点介绍管内压降计算的具体方法，包括单相流和两相流压降的计算方法。另外，为了方便进行编程计算，我们将对部分公式进行理想化处理。首先，有必要介绍一下汽液两相流的基础知识。3.1 汽液两相流动和传热3.1.1汽液两相流的定义与应用由任意两种存在分界面的独立物质组成的物体或系统都称之为两相物体或两相系统。两相物体的流动称为两相流。两相流的分界面是随流动不断变化的。汽液两相流是两相流的一种，又分为单组分汽液两相流和双组分汽液两相流。锅炉中的汽液两相流就是单组分汽液两相流。根据受热情况，汽液两相流又分为绝热汽液两相流和有热交换的汽液两相流。汽液两相流体的流动工况在动力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工业中经常遇到。在这些工业的具有热交换的设备中还存在两相流体的传热问题。以高压直流锅炉为例，为了分析其性能，评定其安全性和经济性，都须要计算蒸发管两相区的阻力、相的分布、传热恶化处的含汽率、壁温等。正由于两相流应用广泛，近几十年来受到世界各国研究者的高度重视并取得了许多成果。这些成果不仅解决了有关的工程技术问题，而且为建立和发展两相流体动力学和传热这门学科奠定了基础。3.1.2汽液两相流的研究方法汽液两相流比单相流复杂，关键在于它的两相各种物理参数不一样并且两相之间还相互影响。但是汽液两相流也适用流体力学的基本方程，可以先对各相列出各自的守恒方程，再考虑进两相之间的作用。由于汽液两相流的分界面复杂多变，所以用适当边界条件求解汽液两相流的方程非常困难。工程上主要应用经验或半经验处理方法得到关系式或曲线，然后再应用到与试验条件相类似的实践中去，具有很大的局限性。现在，得到很大发展的一种方法是首先分清两相流的流型，然后根据各种流型的特点分析其流动特性并建立关系式。这种方法能更深入的探究两相流的实质，并具有更普遍的意义。目前汽液双相流的简化模型主要有以下三种：(1)均相流动模型所谓均相流动模型，就是把汽液两相混合物看作一种均匀介质，其流动物理参数取两相介质的相应参数的平均值。在这里采取了两个假定：液相和汽相的流速相等；两相介质已达到热力学平衡。(2)分相流模型在这种模型中将气液两相想象成两股流体，一股为气，一股为液体，而且分别具有自己的平均流速。当气相的平均流速与液相的相等时，分相模型就转化成均相模型。分别对两相进行描述，并考虑两相之间的相互作用。(3)流动式样模型这种模型较复杂，其研究仍处于初级阶段。它首先根据试验确定几种典型的流动式样和应用范围，再按照它们来确定所研究的两相流体应该采用哪一套对应的计算模型和数据。目前应用最为广泛的模型是均相流模型和分相流模型，而流动式样模型的结果比较精确，但形式过于复杂。以直流锅炉为例，一般工况下水冷壁蒸发段管子吸收炉内辐射热量后，其内部工质经历了由单相不饱和水到饱和水再到汽水混和物乃至单相微过热蒸汽的转变过程。由于相变的存在，使其流动过程变得非常复杂，因此不可能直接应用理论流体力学的数学方法解决这些实际问题。为了建立直流锅炉水冷壁内工质流动的数学模型，全面分析研究其水动力特性，以指导工程，一般将水冷壁蒸发段管内工质的流动状态分为单相流动和汽液双相流动，并对其流动过程进行一系列的简化处理，如将管道内的工质流动看作为一元或一维流动；在一定范围内，假定受热管段的热负荷均匀分布等。再以上述流动模型为基础，可以导出相应的流体压降计算公式。计算两相流体压降的方法很多，本文按照前电站锅炉水动力计算方法进行计算，单位以国际标准参数量纲为准。3.2 单相流体压降的计算方法单相流体在管内流动时，总压降可由下式计算 (3-1)式中总压降，;单相流体的流动阻力，；单相流体的重位压降，；单相流体的加速压降，；3.2.1 单相流体的流动阻力单相流体的流动阻力由沿程摩擦阻力和局部阻力两部分组成，即 (3-2)(1)单相流体的摩擦阻力 (3-3) (3-4)式中每米摩擦阻力系数；计算管长，；工质流速，；工质密度,；计算管段内工质的质量流速，；工质平均比容，；管子内径，；管子绝对粗糙度，可查出，。(2)单相流体的局部阻力 (3-5)式中局部阻力系数(3)部分公式的简化单相流体的流动阻力计算要涉及到计算单相水和单相蒸汽，在程序计算中具体应用公式进行计算时，可以根据工质物理性质或管段受热实际情况对公式作一定的简化处理。例如，单相水在受热过程中比容变化不大，而且管段长度较短，所以单相水的摩擦阻力和局部阻力公式可以简化为 (3-6) (3-7)式中循环水速，；饱和水密度, 。当计算单相蒸汽时，因为工质比容非常大，而且随着受热增加也会有一定的比容变化，但是在该计算中，因为蒸汽段会非常短，所以单相蒸汽的摩擦压降和局部阻力公式简化为