超(超)临界压力锅炉膜式水冷壁危险点.doc

工作总结 工作计划 领导讲话 公文写作
超（超）临界压力锅炉膜式水冷壁危险点
壁温在线监测方法研究
张志正1, 2 孙保民1徐鸿1郭永红1
刘国跃3 胡建民3 胡式海3 刘冉星3 柳晓3
(1.华北电力大学能源动力学院 102206)
(2.长春工程学院能源动力系 130012 3.华能国际电力股份有限公司 100031)

摘 要：亚临界或超（超）临界压力电站锅炉膜式水冷壁向火侧危险点壁温的在线监测一直都较难实现。本文提出一种针对超（超）临界压力电站锅炉水冷壁基于温度场数值模拟结果间接测量向火侧温度方法。用数值模拟结果拟合背火侧三个特征点温度差值与向火侧两个危险点温度的关系式，通过监测水冷壁背火侧三点温度，即可间接测量向火侧危险点温度。
关键词：膜式水冷壁；壁温；拟合；在线监测
0 前言
超（超）临界压力发电技术经过了一段曲折的发展历程，现在已经是成熟的发电技术，具有效率高、排放少、易于调峰、运行稳定的特点，是一次能源以煤为主的国家应大力发展的机组。膜式水冷壁是电站锅炉的重要部件。其壁温监测是进行运行调节、寿命管理、水动啊作为已知条件。对于亚临界及其以下压力的锅炉的q0和α2，超（超）临界压力锅炉q0、α2、tp的准确的在线测量和计算还较为困难。
在文献中，对于亚临界及其以下压力的锅炉水冷壁管中α2均假设为沿管子周向为常数，这对准确计算管壁温度场来说这些假设误差较大。因为在沸腾状态下，如果是核态沸腾，气泡主要在向火侧内壁产生，此处扰动较强，α2大，管壁实际温度比计算值稍低；如果是膜态沸腾，也是先在向火侧内壁产生，α2比背火侧小得多，管壁实际温度将比计算值高很多。
1 研究方法
1.1指导思想
建立水冷壁温度场的数学描写，用有限元方法求解任意给定几组不同的α2和q的水冷壁温度场分布，通过分析背火侧三点（管外壁中点E点、背火侧鳍根D点、背火侧鳍端C点，如图1）壁温的两个差值ΔtED、ΔtEC与α2和q0的关系，这样可以得到两个方程，从而解出α2和q0。加上向火侧的两点（管外壁中点F点、向火侧鳍端B点），拟合出如下表达式：
（1）
（2）
（3）
（4）
联立（1）（2），通过监测背火侧壁温可确定α2和q0，代入（3）（4），可以求出温差ΔtEF、ΔtEB，进而得到危险点F点和B点的温度，即实现了对危险点温度的监测。

图1 膜式水冷壁计算区域及边界条件示意图
1.2数学模型
膜式水冷壁工作时受到两个基本的热力作用：一个是炉内火焰和烟气对其向火侧外表面输入的辐射热（加热作用），另一个是水冷壁管内壁向工质的传热（冷却作用）。为简化计算，对于超（超）临界压力锅炉，合理引入如下假设：
（1）对于超（超）临界压力锅炉，由于管内始终是单相流体，随着工质流动吸热温度逐渐升高，所以沿水冷壁管子轴向管壁温度也逐渐升高。但根据文献[5]给出的各种型式的超临界锅炉可以粗略地算出沿管子轴向温度梯度（约为2.5~6.5℃/m）与截面内温度梯度（约为5000~15000℃/m）相比很小，所以轴向导热可忽略不计。因此导热问题可看作任一截面的二维问题；
（2）在超（超）临界压力下，因为是单相流体，任一截面的管内壁与工质的对流换热系数和工质温度可以看作沿管内周界均匀分布，并在某一个工况下稳定不变，这与亚临界及以下压力不同。对于内螺纹管，内径取为当量内径便可按同样方法处理[6]；
（3）由于锅炉即使在启动、停运和变负荷运行时的温度变化率很慢（小于3℃/min）水冷壁温度场的变化对于监测来说足够缓慢，所以可将水冷壁中的导热视为稳态导热；
（4）膜式水冷壁的金属材料是各向同性的，而且不随温度的变化而变化。当然，导热系数的定性温度需要选好；
（5）膜式水冷壁经炉墙所散失的热量可忽略不计，即背火侧是绝热的；
（6）膜式水冷壁接受的辐射热都是从ab假想平面传入，而且在ab面上辐射热负荷q0均匀分布。不论是垂直管屏式还是螺旋管圈式均可这样处理[3][4]，而向火侧壁面实际热负荷则根据各点的角系数来确定[7]；
（7）管内污垢热阻相当于降低了管内对流换热系数α2，管外灰污热阻可认为相当于降低了炉内平均辐射热负荷q0；
基于以上假设，可以给出整个计算区域的导热微分方程和边界条件如下：
(5)
式中：t ----金属温度分布，℃；
tp ----管内工质温度，℃；
λ ----金属管壁和鳍片的导热系数，W/(m·℃)；
α2 ----管内对流换热系数，W/(m2·℃)；
q(x)----向火侧管外壁热流密度，q(x)= q0·ψ(x)，W/ m2，其中，q0是计算区域平均辐射热负荷，ψ(x)是管壁和鳍片接受火焰的角系数，随x的变化而变化，计算方法见文献[4]。
这是一个典型的二维导热微分方程，由于边界不规则，本文采用有限元法针对某国产超临界压力直流锅炉水冷壁进行了数值求解，水冷壁结构和物理参数见表1。
表1 国产某1000t/h直流锅炉水冷壁结构和物理参数
项目
外径D
内径d
节距s
鳍端厚度bB
鳍根厚度bk
管壁导热系数λ
数值
22mm
11mm
35mm
5mm
7mm
34.8W/(m℃)

为了得到较为精确的结果，划分了非常细的网格，共23758个单元，在直流锅炉水冷壁可能的工作范围对给定工质温度tp =280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃，管外热负荷q0=25、50、100、200、300、400、500 kW/ m2，和管内对流换热系数α2=3000、5000、10000、15000、20000、25000 W/(m2·℃)的所有组合共294个工况进行了温度场的数值求解，并进行了分析。
1.3 数值解结果分析
根据任意给定的几组工况的数值计算结果发现，在α2保持不变的情况下，ΔtED、ΔtEC、ΔtEF和ΔtEB与q0成正比，其中ΔtED和ΔtEC与q0的关系如图2所示，不同的α2对应不同的直线斜率。

图2 在不同α2下，背火侧温差ΔtED、ΔtEC与q0的关系

根据数值计算结果还发现，在α2和q0都保持不变的情况下，ΔtED、ΔtEC与工质温度tp无关（见表2）。
表2 不同工质温度下的ΔtED、ΔtEC、ΔtEF和ΔtEB
(炉膛辐射热负荷 q0 =300kW/m2 ;对流换热系数α2 =20000W/m2℃)
各点温度和温差(℃)
E
D
C
B
F
ΔtED
ΔtEC
ΔtEF
ΔtEB
工质温度tp(℃)
280
288.5
320.2
355.7
375
365
31.7
67.2
76.5
86.5
300
308.5
340.2
375.7
395
385
31.7
67.2
76.5
86.5
320
328.5
360.2
395.7
415
405
31.7
67.2
76.5
86.5
340
348.5
380.2
415.7
435
425
31.7
67.2
76.5
86.5
360
368.5
400.2
435.7
455
445
31.7
67.2
76.5
86.5
380
388.5
420.2
455.7
475
465
31.7
67.2
76.5
86.5
400
408.5
440.2
475.7
495
485
31.7
67.2
76.5
86.5

这一关系通过范谨在文献[7]中给出的膜式水冷壁温度场解析解也可以得到证明，这里不再赘述。下面分析ΔtED、ΔtEC、ΔtEF和ΔtEB与α2之间的关系。
通过数值模拟结果还发现，在q0保持不变的情况下，ΔtED、ΔtEC、ΔtEF和ΔtEB与α2虽然是非线性关系，但是可以看出ΔtED、ΔtEC、ΔtEF和ΔtEB是α2的单值函数，而且随α2的增大而减小。
下面先研究ΔtED和α2之间的关系。
由于ΔtED随α2的增大而减小，为了得到用于方程组的常规函数，本文使用幂函数对不同的热负荷q0下对ΔtED和α2之间的关系进行拟合，拟合曲线及其表达式如图3。

单位：kW/m2

图3 不同的热负荷q0下ΔtED和α2的拟合曲线
有的文献[8]提出背火侧温差与管内热阻成线性关系，即ΔtED与成线性关系，从上面温度场数值模拟结果来看，这种提法有较大的误差。但从图3中可以看出，在不同的q0下，α2的指数基本保持不变，可认为指数与q0无关，考虑到小温差的温度相对误差较大，取指数为-0.2259。
再考虑α2前的系数有什么规律，发现其系数与q0成良好的正比关系，比例系数为0.9894，则可将α2的系数换为0.9894q0，于是得到ΔtED和α2之间的关系表达式：
（6）
下面再分别研究C、F、B点和E点之间的温差ΔtEC、ΔtEF和ΔtEB与α2之间的关系，按照相同的分析方法，可得如下关系式：
（7）
（8）
（9）
联立（6）、（7）可以解出q0（kW/ m2）和α2（W/(m2·℃)），带入（8）、（9）可得出ΔtEF和ΔtEB，进而得出危险点F和B的温度。
上面四个式子可以写成一个通式：
（10）
其中X为水冷壁上任意一点。容易看出，ax和bx对于任何一种膜式水冷壁，只与水冷壁的尺寸、材料、测点位置有关，当这些参数确定下来后，ax和bx为常数，E点与水冷壁上任意一点的温差只与q0和α2有关。由于水冷壁温度场的数值解有相当高的准确度，ax和bx通过数值计算很容易确定这说明在水冷壁材料和尺寸确定后，其上任何两点的温差只和作用在其上的加热强度（体现在q0）和冷却强度（体现在α2）有关，与其它量无关。
下面给出此种方法（这里命名为“背火侧三点法”）推算危险点温度的通式。当水冷壁的尺寸、材料确定下来后，可得到方程组：
（11）
解此方程组可得：
（12）
式（12）实现了对于任何锅炉的膜式水冷壁，可通过“背火侧三点法”可迅速获得危险点的温度，从而达到了对危险点温度的在线监测。
2 实验验证
利用（12）式对国产某1000t/h直流锅炉水冷壁（表1）危险点壁温进行了计算，各种工况下得出的结果与上海交通大学热工教研组和上海锅炉研究所联合根据相同尺寸的水冷壁管所做实验结果[9]相比，误差不超过1.6℃。可以认为，如果能准确地测得水冷壁背火侧温差ΔtED、ΔtEC，就可比较准确地知道向火侧危险点的温度。关于点E、D、C的温度如何准确地测量另文再述。
表3 部分实验结果和拟合公式计算结果比较
项 目
已知背火侧三测点温差
电阻网络模拟实验结果
拟合公式计算结果
对流换热系数α2
（W/m2℃）/ （kcal/ m2.h.℃）
ΔtED
ΔtEC
ΔtEF
ΔtEB
ΔtEF
ΔtEB
4070 / 3500
43.5
80.5
104.8
99.6
104.2
98.1
5815 / 5000
39.8
75.4
95.8
93.6
95.2
92.6
11630 / 10000
33.5
68.0
80.2
87.0
79.8
85.4
23259 / 20000
29.3
62.5
70.2
80.4
69.5
79.8

3 结论
1． 用本文给出的拟合公式可通过背火侧三点温度来计算膜式水冷壁向火侧危险点温度，而且具有一定精度，可供工程计算参考；
2． 用本文给出的拟合公式可用于对膜式水冷壁向火侧危险点温度进行在线监测参考。
参考文献
1．Jantaler. A method of determining in local heat flux in boiler furnaces [J]. Heater mass transfer, 1992, 35(6): 1625-1634.
2．Levert F E, Robinson J C, Barrett S A, et al. Slag deposition monitor for boiler performance enhancement. ISA Transactions, 1988, 27(3):213~221
3．锅炉机组热力计算标准方法(Criterion of thermal calculation to boiler units) .北京锅炉厂译Translation by Beijing boiler company) [M].北京(Beijing)：机械工业出版社(Mechanism industrial publishing company)，1976
4．周一工(Zhou Yigong). 600MW超临界压力锅炉水冷壁温度场计算外边界条件的确定(Determination for calculation of outer boundary conditions of the temperature field of 600mw supercritical pressure boiler water wall) [J].电力建设(Electric power construction), 1974.5:23~43
5．樊泉桂(Fan Quangui). 亚临界和超临界压力锅炉(Sub- or super-critical pressure boiler)[M]. 北京(Beijing):中国电力工业出版社(China electric power publishing company), 2000
6．郑建学，陈听宽，陈学俊等(Zheng Jianxue, Chen Tingkuan, Chen Xuejun). 600MW变压运行直流锅炉水冷壁内螺纹管内壁换热特性的研究(Investigation on Internal surface heat transfer in internally ribbed tubes of sliding-pressure operation once-through boiler’s water wall)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，1996.16(4):271~275
7．范谨，贾鸿祥，陈听宽(Fan Jin, Jia Hongxiang, Chen Tingkuan).膜式水冷壁温度场解析(Analytic solution of membrane water wall temperature field) [J].热力发电(Thermal electricity generation)，1996.3:10~17
8．武彬(Wu Bin).电站锅炉水冷壁灰污监测(Slag deposition monitor for plant boiler water wall)[D].北京(Beijing)：清华大学热能工程系(Department of heat energy of Tsinghua University)，2000
9. 锅炉水冷壁鳍片管温度场电阻网络模拟实验(Simulation experiment using resistance net method on the temperature field of boiler membrane water wall tube).上海交通大学(Shanghai Jiaotong University),上海锅炉厂(Shanghai Boiler Ltd.)[R].1973.9

作者简介：
张志正（1971，5— ），男，汉族，华北电力大学博士生，长春工程学院能源动力系副教授，。研究方向：电站锅炉技术。

Research on on-line Temperature Monitoring of Severe Point
on Membrane Water Wall of Ultra-supercritical Boiler
Zhang Zhi-zheng1，2, Sun Bao-min1, Guo Yong-hong1, Dong Wei-jiang1，Xu Hong1
Liu Guo-yue3, Hu Jian-min3,Hu Shi-hai3,Liu Ran-xing3,Liu Xiao3
(1.North China Electric Power University, Beijing 102206, China
2.Chang Chun Institute of Technology 130012,China
3.Huaneng Power International,Inc.100031 ,China)

Abstract: Ways of on-line temperature monitoring of severe points on water wall of plant boiler are always hardly possible whichever for sub- or ultra-supercritical. The paper puts forward a method with which temperature of severe points can be calculated out based on numerical solution result of the wall temperature field of membrane water wall of ultra-supercritical boiler. Equations about the temperature of three key points on back side and two severe points on fire side can be made out with the method. The temperature of two severe points will be known promptly by monitoring the temperature of three key points.
Keywords: membrane water wall；wall temperature；fitting；on-line monitoring

欢迎光临