一种超超临界锅炉通用水动力计算方法与流程

技术特征：

1.一种超超临界锅炉通用水动力计算方法，其特征在于，首先根据锅炉水冷壁的结构特点锅炉内热负荷分布特点，将锅炉水冷壁系统简化为炉内受热回路、连接管回路和集箱压力节点组成的流动网络系统，其中每个流动回路沿工质流动方向划分为若干个管段，其次根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程建立整个流动网络系统的流量分配的非线性计算模型，通过对非线性方程组的求解，确定各受热回路和连接管回路中的流量分配以及集箱节点压力的分布，在此基础上，进行锅炉水冷壁流动和水冷壁金属温度的安全校验，指导锅炉设计，具体步骤如下：

1)划分回路与管段：

回路划分：将相邻的几何结构和吸热偏差基本相同的水冷壁管子划分为同一个流动回路，在炉膛水平方向吸热偏差变化明显的或几何结构变化较大的部位，回路划分应密集，对应每回路分配管子根数较小，而在吸热偏差或几何结构变化平缓的区域，回路划分可以较为稀疏，对应每个回路分配的管子根数较多；

管段划分：将每一个回路沿工质流动方向划分为若干个管段。在炉膛热负荷变化剧烈或物性变化较大的部位管段划分应该密集，对应管段长度较短，而在远离煤粉燃烧器或循环流化床锅炉布风板等区域管段可以划分较为稀疏，对应管段的较长；

2)确定热负荷分布：

根据典型炉型的热负荷分布曲线对应拟合新锅炉热负荷曲线，可以分别得到水平环带热负荷q_avg(z)和尖峰热负荷q_pe仅关于炉膛高度的函数关系式，对任意受热回路的某一管段来说，取管段中心高度位置处的高度值z_m代入热负荷函数关系式便可计算得到该管段热负荷，其中水平环带热负荷用于吸热量和流量分配的计算，尖峰热负荷用于壁温的计算和膜态沸腾的判别；

3)简化水冷壁系统：

根据步骤1)划分回路的方法，将整个水冷壁简化为由连接管回路、受热回路和节点元件组成的流动网络系统，并对应各个回路和节点进行编号处理，简化的流动网络系统中，连接管回路代表水冷壁系统中的不受热的连接管，受热回路代表水冷壁系统中受热的水冷壁管子或者受热的悬吊屏，节点代表水冷壁系统中各种集箱和汽水分离器；

4)建立非线性模型：

根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程建立以回路单管流量和集箱压力为未知量的非线性方程组计算模型。质量守恒方程即为流入节点的流量等于流出节点的流量；动量守恒方程即回路各管段的压降总和等于该回路进出口节点压力差，管段压降为本管段内流动阻力、重位压降和局部阻力的代数和，各管段压降的代数和即管子压降；能量守恒方程即各管段吸收热量等于工质焓值增加量，能量守恒用于计算工质状态；

计算回路各管段压降时，首先要判断工质压力状态，超临界压力下，根据进出口焓值相对大小确定超临界水和蒸汽段长度分别计算其压降，临界压力以下，根据管段进口和出口的工质状态，分为五种不同的情况进行压降计算，五种情况分别是：第一种：进口过冷，出口过冷，第二种：进口过冷，出口两相。第三种：进口两相，出口两相，第四种：进口两相，出口过热；第五种：进口过热、出口过热；进出口含有相变点的管段，根据进出口焓值相对于饱和水焓值和饱和蒸汽焓值的大小可以得到两相工质长度和单相工质长度，然后分别计算管段在相变点前部分和相变点后部分的压降；

计算ΔP_i过程中局部压降、重位压降及加速压降参照国家水动力计算标准压降计算的内容；在超超临界压力下的内螺纹管单相区摩擦阻力系数按照下式计算：

$f=\frac{4.5872}{{\mathrm{Re}}^{0.5742}}+0.0368---\left(1\right)$

5)非线性方程组求解：

通过弦割法求解非线性方程组，获得各受热回路和连接管中的流量分配及节点压力分布值；

6)壁温计算：

首先计算出各回路管段中心位置处的工质压力，然后按超临界压力和亚临界压力区的传热规律分别计算内壁与外壁温度、中间壁温以及鳍片温度；计算壁温需要分管型计算，管型包括光管与内螺纹管、垂直管圈与螺旋管圈；在亚临界压力区，管段中心位置处工质为汽水两相时，需要判断该管段是否发生膜态沸腾和干涸，并根据不同区域的传热规律进行壁温计算；超临界压力区的计算首先判断管段中心流体为超临界水或超临界蒸汽，然后判断是否有发生拟膜态沸腾的可能，并根据工质状态、管型和传热规律的不同组合计算壁温；

锅炉在高负荷运行时，工质水处于超临界区，在低负荷工作时，随着吸热的进行会经历单相水，汽水两相，及单相汽等几个阶段；

在压力大于22.115MPa的超临界区，换热公式按如下公式计算，

低焓值区：

${\mathrm{Nu}}_w=1.9855{\mathrm{Re}}_w^{0.44307}\×{\left(\frac{H_w-H_f}{t_w-t_f}\right)}^{0.93953}{\left(\frac{v_f}{v_w}\right)}^{0.54295}---\left(2\right)$

高焓值区：

${\mathrm{Nu}}_w=1.5803{\mathrm{Re}}_w^{0.50143}\×{\left(\frac{H_w-H_f}{t_w-t_f}{\mathrm{Pr}}_w\right)}^{1.06098}{\left(\frac{v_f}{v_w}\right)}^{2.19757}---\left(3\right)$

式中：Nu表示努塞尔数；Re为雷诺数；H为单位流体焓值，kJ/kg；Pr为普朗克数；v为工质比容，kJ/(kg℃)；小标w和f表示壁面及工质特性；

在临界压力附近，流动传热过程比较复杂，流动传热过程中可能发生传热恶化，传热恶化后的传热计算如下；

在压力为19～22.1MPa时，计算临界质量流速如下:

G_cr＝800.45+223.87ln(22.115-p) (4)

当G＜G_cr时，计算临界热负荷如下：

q_cr＝3343.93(22.115-p)^0.4091×G^-0.3835(1-x)^0.6792 (5)

当G＞G_cr时，计算临界热负荷如下：

q_cr＝2.2669(22.115-p)^0.1007×G^0.7385(1-x)^0.1888 (6)

式中：q为热流密度，kW/m2；p为压力，MPa；G为质量流速，kg/(m2s)；下表cr表示临界特；

当管子内壁热负荷大于临界热负荷时，DNB发生，此时的传热关联式为：

$Nu=0.1866\×{\{{\mathrm{Re}}_G\[x+(1-x){\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l\]\}}^{-0.0545}\×{\mathrm{Pr}}_{Gw}^{3.4313}{q}^{1.0738}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_G}{{\mathrm{\λ}}_{cr}}\right)}^{-0.5928}{\left(\frac{p}{p_{cr}}\right)}^{-2.8319}---\left(7\right)$

式中：λ_cr为热力学临界点导热系数，值为0.914；p_cr为水的临界压力，值为22.115MPa；下表L和G分别表示液相和汽相；

换热计算模型对水冷壁金属壁温影响非常大，其他压力及情况下的传热按照《电站锅炉水动力计算方法》(JB/Z 201-83)计算；

管子正面内壁温度计算公式如下：

$t_n=t_f+J_n\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\α}}_2}{q}_w---\left(8\right)$

式中：t_f为壁温计算点处管内工质温度，℃；J_n为管子正面内壁热量均流系数；β为管子外径与内径的比值，β＝d_w/d_i；q_w为壁温计算点处正面外壁辐射热负荷，kW/m2；α₂为壁温计算点管子内壁与介质间的换热系数，kW/(m2℃)；

管子正面外壁温度计算公式如下：

$t_w=t_f+J_n\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\α}}_2}{q}_w+\stackrel{\‾}{J}{q}_w\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}\frac{2\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+1}---\left(9\right)$

式中：为管子正面沿厚度方向上的平均热量均流系数；δ为管壁厚度，m；λ为管子部分的金属导热系数，W/(m℃)；

鳍根温度计算公式如下：

$t_{qg}=t_f+q_{wmax}{\mathrm{\μ}}_{qg}\[lg\left(\frac{R}{r}\right)\frac{R}{2\mathrm{\λ}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2}\]---\left(10\right)$

式中：t_f为壁温计算点处管内工质温度，℃；q_wmax为壁温计算点处局部最大内壁辐射热负荷，kW/m2；μ_qg为鳍根处热流密度分流系数；R为外径，m；r为内径，m；

鳍端温度计算公式如下：

$t_{qd}=t_{qg}+\frac{q_{wmax}{\mathrm{\μ}}_{qd}}{2\mathrm{\λ}\mathrm{\δ}}{(\frac{s}{2}-R)}^2---\left(11\right)$

式中：μ_qd为鳍端处热流密度系数；s为相邻管之间的节距，m。