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－85

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1、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1300123.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

2、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

3、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、Δt

4、EC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。157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

5、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

6、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a

7、b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：157(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·℃

8、)；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