600MW超监界压力锅炉汽水分离器在启动过程中介质对内壁放热系数及筒壁

q牛(2) ! 锅 炉 技 束 }一iz 600MW超临界压力锅炉汽水分离器在启动过程中 介质对内壁放热系数及筒壁温度场的研究 戚 光泽 朱国植 周一工 (上海锅炉厂 ) 陈听墼 陈宣政 扬 每 (西安交通大学) ． 22； 午 一 【摘要】本文阐述了600Mw超临界压力锅炉汽水分离器模塑，在锅妒实际启动参数下舟质对内壁放 热系数的模拟试验研究。试验参数 P为 3~llMPa，质量流量G为0．2～0．85kg／s，千度x为0．2～0．8． 由导热反问题 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ·获得了动态过程中介质对分离器模型内壁的放热系数计算硅式。并实际计算了锅炉 在冷态启动过程中汽水分离器壁温分布，为进一步进行汽水分离器热应力计算和优化启动过程提供了比 苏尔寿 司更可靠，精确 的依据． 关誓词·苎 ! 趋塞量 0 前曹 汽水分离器是直流锅炉启动旁路系统中 的一个重要部件，其主要功能是保证启动时 备受热面得到充分冷却，且能安全可靠地运 行。它布置在炉膛水冷壁出口与过热器系统 进 口之间。锅炉负荷低于35 时，由炉膛上 部水冷壁进入汽水分离器的工质是水和蒸汽 两相混合物，分离下来的水进入再 循 环 系 统，蒸汽则进入过热器系统继续加热。负荷 高于35 时，汽水分离器中通过的是微过热 蒸汽，此时汽水分离器仅起中间集箱作用。 在锅炉启动和变压运行时，汽水分离器 中工质压力、流量和千度随时间变化，使得工 质对内壁的放热系数亦随时间变化，从而 在 筒壁内产生变化的温度梯度和热应力。掌握 分离器沿筒壁的温度分布及其变化规律，对 锅炉的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和运行都有着极为重要的意义。 热应力是随筒体壁厚增加而增加的，且 汽水分离器使用的材料较为昂贵，因此在壁 厚满足强度的条件下，减小壁厚对减少热应 力和设计成本都很有意义。在启动过程中， 若启动速度较慢，则汽水分离器沿筒壁的温 度梯度较小，热应力也较小，然而启动速度 过慢将使启动费用增加。这些都要求设计和 运行人员必须准确地掌握汽水分离器沿筒壁 的温度和热应力分布规律 。 Sulzer公司使用的计算方法，其单相和 两相放热系数，均直接使用管 内强迫流动放 热系数的计算公式。逸和实际情况有很大不 同。汽水分离器中工质流动，除 轴 向 运 动 外，还有沿周向的旋转运动，与圆管内工质 强迫流动差 很大。 为了获得符台实际的放热系数，使设计 计算和启动运行过程更为准确、可靠，实在 有必要进行这方面的试验研究。 l 试验系统噩方法 1．1试验系统 试验在西安交通大学动力工程多相流国 家重点实验室电加热高压汽水回路上进行。 图 1为试验系统图。 试验所用工质为去离子水。水处理系统 包括阳离子床，明离子床和混台床三级离子 交换器。 经处理后的水质可选硬度为 0，电 收稿 日期 ；1D93-T一22 维普资讯 http://www.cqvip.com 锅 炉 技 术 1994~ 2月 求 图 1 试 验系统示意图 1．水艚 2．过滤器 3高压柱塞泵 1．再生式换热器 5．加热段 6．汽水分离器试验模型 T．j夸却暑I 8．水箱 9．水泵 10．降凝 器 11．管路a 12．流量调节旁路 P～压力刮点 T一铠装热 电图 一 司一一阀门 叫口卜_～孔板 导率小于0．5．~s／cm。 加热段均采用大电流交流电直接加热， 加热电路如图2所示。通过调节自耦变压器 输出电压，改变加热功率，可连续调节，使 工质达到需要的干度。 加热段及分离器模型均采用硅酸铝陶瓷 纤维包覆，保温效果好。 1．2 分离器模型设计及测温热电偶布置 石洞口第二发电厂500MW 超临界压力 直流锅炉汽水分离器，如图3所示。 汽水分离器呈湿态运行时，其汽水流动 状态，如图4所示。 保证流动相似，分离器模型如图 5所示。 它和实际汽水分离器几何比例接近于 1，9。 眉 2 电加热蔺图 !￡ 器 维普资讯 http://www.cqvip.com 1994年 2月 ．If} 炉 拄 未 至过热 括 自水冷楚引入 水一 汽一 图 3 6O0Mw超临界压力直汽锅 炉f-【水 分离器 固 l 饩水分离器内流动状 况 在模型内加一 76环套， 在接近入口区域开 有 8个 20小孔供蒸汽通过，而分离下来的 水勋4经下部转弯从环套内向上流出，使分离 器模型内工质流动和实际汽水分离器内工质 流动相似。 保证入 口流速相似 。对汽水 分 离 器 来 说，当压力为8．}MPa，工 质 质 量 流 量为 179．3kg／s，入 口工质干度为0．}时，其入 口 汽相折算速度为7．5m／s，液相折算 速 度 为 0．71m／s。对分离器模型来说，在相同压力、 于度下，当工质质量流量为0．35kg／s时，其 入口汽相折算速度为3．2m／s，液相折算速度 为0．3lrn／s，可见二者入口速度处于同一数 量级，逸使得旋转对传热的强化作用对二者 的影响是基本相同的。试 验时雷诺数 为10‘ 数量级，汽水二相介质在分离器模型内流动 皆进入第二自模化区。 600MW 超临界压力直流锅炉冷态启动 曲线如图6所示。为了模拟这一过程，试验 压力范围为3．0～11．0MPa， 千 度 范 围 为 0．2～0．8，且还做了单相过冷水非稳态传热 试验，使模型和实物内介质的热 物 性 参 数 (p ， ，l 、j ， 、 ，Cp ， P )完 全一致。 按照相似理论 Il， ，以上这些保证了模 型试验结果能直接应用于工程实际。 为了测量分离器模型筒壁在试验过程中 的温度分布 ，以求得介质对内壁 的 放 热 系 数，在分离器模型上选取了有代表性的4个 截面，每个截面上开有 }个不同深度的孔， 如图 5所示。 由于所测量的是分离器模型在非稳态传 热时的温度场，为了减小热电偶滞后效应， 选用了直径为0．1ram的Nicr—NiSi热电偶 丝。在正式试验之前，进行了热电偶丝动态 特性测定试验is]。图7为热电偶动态特 性 简图。图 7中曲线 1与 2，达到无量纲温度 63．2 时时闻相羞数量级为13ms，这和我们 来集时间间隔(1．8s左右)相比可以忽略。 电功率、流量、压力和温度等测量值均 转换成电信号，所有信号均通过 IMP35951C 和插在 IBM—PC／XT286徽机扩展 槽 中 的 维普资讯 http://www.cqvip.com 锅 炉 技 木 1g目4年 2月 h·约为 4，8，12 16mul每个截面稍有差删。 图 5 汽水分离器模 型 I MP35953A连接器接 口， 显示于计算机屏 幕上，并由计算机进行教据采集和存储 。为 了在试验过程中对一些重要参数的变化趋势 有一个直观的了解，同时将流量、压力、水 位及分离器模型B—B截面 上 两对 NiC — NiSi热电偶信号接),,3601型九笔记录仪。 1．3 试验方法 本课题是测量动态过程中介质对分离器 横型内壁放热系数。我们设计了一个旁路， 试验时先将旁路中工质状态'凋稳，然后让旁 路中工质冲入汽水分离器模型。遭过阍 V 9 在旁路中建立所需压力，道过 V l在旁路中 建立适当的流量，同澍将由计算机采集程序 根据加热段进口过冷水焙值、电加热功率、 系统流量、压 及热效率计算出旁路中的工 质干度 X显示于屏幕上，止回周V7保证工 质不能经用 V 5流入分离器模型。当这到所 要求工况时，保持一段时间，使系统压l力、 流量、干度基奉保持稳定，由计算机将此蜡 电加热功率，系统压力，流量，各温度测 点 维普资讯 http://www.cqvip.com 1994年 2月 锅 护 技 术 值采集、存盘|打开阀V6、 关闭阀V5，即 进入分离器试验状态，此后计算机每隔1．8s 将试验系统各参数采集、存盘，同时用3601 型九笔记录仪记录。当九笔记 录仪上显示的 B—B截面上热电偶的热电势信号大 小 保持 不变时，便认为试验结束。打 开 阀 V5，关 闭阀V6，根据水位压差信号，通过阀 V8调 节分离器模型中水位，使水位保 持 一 定 高 度，随后保持流量和干度不变，采用改变压 力的方法进行下一个工况试验。 对于非稳态传热试验来说，正确的采集 和监控程序直接关系到试验数据的真实性和 准确性。我们编写的监控、采集程序，经试 验证明是良好的。 2 试验数据处理及结果分折 2．1 试验数据处理方法 由传热学可知，介质对分离器内壁的放 热系数~(W／m ·。c)为 M 2S 20 I S l 5 图 6 600MW超临界直流锅炉 j幸志启动曲最 图 T 热 电偶动态特性简围 一 (1) T f— T． ⋯ 式中t q——热流密度 ，W／m。|Tt——工 质温度 ，。C}T ——分离器内壁温度 ，。c。 由于试验压力较高，最深温度测点距离 内壁约4ram，如何求得T_-成为关键。 T·J·Davidl‘ 在 测量湿蒸汽对汽轮 机缸体内壁放热系数时，使用热平衡法 即 由布置在缸体内不同深度热电偶测得温度值 经过多项式拟合，外推出T ，用 热 平衡法 求出q，然后用式(1)求出 。另一种常甩方 法是拟台出温度分布多项式t T=f(x)， 然 后外推 出 T- 一 ， 从而求 出口。但是，这两种方法都采用温度补 推， 维普资讯 http://www.cqvip.com 锅 炉 拄 木 1994年2月 使得计算结果很不可靠 。本研究采用既有较 高精度又适合计算机处理的导热反问题进行 处理。 所谓导热反问题，就是由固体内部多个 测点的瞬态温度测量值，求出该瞬时边界上 热流密度、放热系数及温度变化 历 程 的 方 法 【 。 2．2 试验结果及分析 2．2．1 分离器模型内水位变化和流动状态 当汽水两相混合物由旁路冲入分离器模 型内时，对分离器模型原来静止汽水两相平 衡状态有一扰动作用．引起分离器模型内水 位波动较大，如图 8所示。经过约 10S后水 位趋于稳定。经计算，截面 C—C，D—D 所 代表区域的放热系数可知，该放热系数值和 饱和水管内强迫对流放热系数值 Ⅲ 较为接 近，因此可以认为分离器模型内流动状况如 图9所示。汽水两相切向进入分 离 器 模 型 后，水滴作为球粒子在切向速度作用下产生 的离心力大于其在旋转汽流中受到的压差阻 力，被抛向分离器内壁且向下沉，从下部转 向流入环套内然后流出，而汽相经内环套上 的 8个小孔后由环套内流出，可见试验分离 器模型内的流动状况和实际汽水分离器内的 流动状况是相似 ；。 2．2．2 试验过程中系统流量、压 力 变化的 规律 囝IO为一个工况试验过程中3601型九笔 记录仪所记录的加热段入口流量、分离器模 型内水位、压力、B—B截面两个铡温 热 电 偶的信号变化情况，由于试验条件所限，不 可能使阀V6开后的流量、 压 力 保持不变， 只能使它们按系统 自身特性变化。 试验中发现，加热段入口流动参数的变 化传播到分离器模型内时间约为2．5s，又由 图中可见流量、压力变化较缓慢 。从试验结 果可知，在 5～ 8 sPl流量、压 力 和放热系 数基本上保持稳定，因此可忽略流量测量滞 后的影响。为了验证这一结论，我们又利用 图 8 水 位波动示意图 ， 萎 萎 一 入 口 水一 汽一 图 g 分 离 器 模 型 内 流 动 衙 图 安装在分离器模型出口处的孔板进行测量 ， 发现二者测出流量结果很接近，为了保证试 验结果的稳定性，采用加热段入口流量测量 值，利用隶平均值的方法计算出流量、压力 较为稳定的一段时间内的平均放热系数。 2．2．3 试验过程中温度、热流密度、 放 热 系数变化规律 图11是一个两相非稳态传热过程中A—A 截面温度变化情况。图12是与之相应的工况 在单相非稳态传热过程中温度梯 度 变 化 情 况。从图中可见，两相温度梯度比单相温度 梯度要大许多。 ～、 维普资讯 http://www.cqvip.com 1994年2月 情 炉 控 术 流量 时闻 最摔热电偶韫宦 = 囤 l0 非稳态传热试验中参数变化示意阳 图 11 分离署苷筒壁温度分布(两相) 田 12 分离器筒壁温度分布(单橱' R(1)=46·5ram R(2)=51．34ram R(3)=54．53ram R(4)=58．77 R(5)t 62．68 R(6)=66．5ram 图13~16是一个两相工况在非稳态传热 过程中系统压力，流量、热流密度和放热系 数随时间的变化曲线。 图17是试验过程中 A—A截面在一个工 况试验过程中某一瞬时热电偶测量的温度分 布曲线和由这些测量值根据导热反同题所计 算出的节点温度值分布曲线。两者吻台得非 常好，最大相对误差只有L2％， 这 说明测 量方法及数据处理方式都是准确、可靠的． 2．2．4 放热系数公式： 圆管内单相素流强迫对流抉热准则关系 式可整理为 【7l。 维普资讯 http://www.cqvip.com ·8 锅 炉 技 术 1994年 2胃 图 l3 试 验中P～t关 系曲缦 q{W lm’ 6，2× l D4 S． ×1 Q· 4．2× 10· t(s) 嚣 1 5 试验中q～t关系曲线 t{s 6 M(kg／s) 图 “ 试验中M～t关系 曲线 蹯 l8 试验中口～t关系曲线 图 lT 持壁温度摁I量傅和计算值比较 R 维普资讯 http://www.cqvip.com 1994年 2月 锅 炉 技 束 Nu=f(Re，Pr) 式中t N“——努谢 尔 特 数， RP——雷 诺 数·Pr——普朗特数。 苏尔寿使用两相介质放热系数计算公式 为 1 ： 詈 ( Xu (z) L ＼ ／ 一 式中t ——汽水两相介质放热系数 ，W／ In ·。C} L——以总流量为准则的饱和水放 热系数，W／m ·。C；x“——马蒂内利数。 式(2)中 按下式计算 L =0·0214 K d1 t (Re。·8——100)Pr。·‘ [ +(}) ] 式中t K ——饱和水导热系数，W／m ·。c dI——缝隙尺寸，8mInIRe——按饱和水物性 计算雷诺数 ，Re= I ——质量流量， d· kg／s} ——饱和水动力粘度 。N ·s／m。’ Pr——饱和水普朗特数；L——分离器喷嘴 尺寸，60mm。 式(2)中Xu按下式计算 ～(1--x) 。 门kT "-／、。 (4) 式中t ——干度}p ——饱和蒸汽密度 ， kg／m。J P ——饱和水密度， kg／m ， — — 饱和水动力粘度，N·S／m。I ——饱 和蒸汽动力粘度，N ·S／m。。式 (2)直接 取自两相介质管内强迫流动试验结果，末考 虑介质有周向运动时的情况。 试验中发现，当压力P<3．5 MPa时， 分离器模型内两相介质对内壁放热系数和式 (2)计算结果相差 不 多。图 18为 试 验结 果 。其横坐标为击。纵坐标为 詈 可以 看出， 和{__有较好的指数关系，整理 得l 詈 z ( “ ㈩ 当压力P>3．5MPa时，分离器模型内两 相介质对内壁放热系数是式(2)计算值的2 ～ 5倍。图l9是其试验结果，整理得t 詈 一s．峙 ) ㈩ 图20是式(5)和式(2)的比较，图21是 式(6)和式(2)的比较。 600MW超临界压力锅炉汽水分 离 器， 在启动过程中，其下部不停地将分离下来的 水疏走，以保持一定水位。为了模拟这一区 域，我们进行了单相过冷水仅从分离器模型 下部疏水口流出的非稳态传热试验。试验结 果表明，这一区域介质对内壁的放热系数数 据和迪图斯一贝尔 特 公 式 【 符 合 较 好 ， 即I Nu=O．023Re0。0PV0。$ 而 ： ：墨 (8) d1 分离器入口为单相过冷水时介质努谢尔 特数按下式计算t N Ⅱ= I (专)(Re一100)Pr i+12． (_；_)c [ + )。1 ㈩ 式中：￡=(1．82]gRe一1．64) ——阻力系数。 从试验结果可以看出，分离器模型内介 质对内壁放热系数不论单相还是双 相 (P< 3．5MPa除外)都比圆管内相应的试 验 结 果 妥大，这是因为工质不仅沿轴向运动，而且 沿周向还有旋转运动。这使贴近壁面的流体 维普资讯 http://www.cqvip.com 锅 炉 技 木 199‘年2胃 。 L 1 r．0 6．0 1．0 1 国 18 试验得出的兰 ～— 关系曲巍 dL 五 “ P < 3．5M Pa 图 20 试验结果 和式(8．21)比较 P< 8．5M Pa 速度增加，加强了边界层流体的扰动以及边 界层流体和主流流体的混合。因而使传热得 以强化 【“】。 2．3 600MW 超临界压力直流锅炉冷态启动 过程汽水分离器壁温计算 图 6是石洞口第二发电厂600MW 超 临 界压力直流锅炉冷态启动血线。在启动过程 中，当时间小于80．5rain时，汽水分离器运 行于3．5MPa以下，当介质为单相过冷水时， 其散热系数约为 3 x 10。W／m。·。C数量级， 当介质为两相时，其放热系数约为 6×1oI～ 图l口试验得出的专}～{__关系曲线 P>s．5M Pa 图 21 试验结果和式(3．21)比较 P> 8．5M Pa 1×10‘W／m ·oc数量级。当汽水分离器运 行于3．5MPa以上时(t>80．5min)，两相介 质放热系数约为 3×10 数量级。 图22是汽水分离器入口对应节点(I=3， J=1～¨)温度梯度在时间t=79．5min，t= 80．Omin，t=80．5min和t=81．Omln时的分 布情况，可以看出，由于入 口影响，内、外 壁温差很小。 图23是两入口中间截面(I=6，J=1～ 14)温度梯度在 时 间 t=79．5min，t=80．0 (下转 第抖 页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 1994年 2月 锅 炉 技 木 rain，t一80．5min和t一81．0rain时的分布情 况．其内、外壁温差较大。 图24是两入口中间截面(J一 6，J=l～ 14)内、外壁温差随时闻的变化曲线，当汽水 分离器内介质压力大于3．5MPa以后13mln， 其内、外壁温差由18。C降至13。C。 图25是节点(J=3，J 1)温度值随时间 变化曲线，当 t>80．5min后 ， 即分离器运 行于3．5MPa以上时，内壁温度和工质温度 几乎相等，这是由于放热系数很大，热量由 工质传到内壁很快所致。 分析计算结果可知，入口处内、外壁温 差很小。而在几乎不受入口影响的区域，内、 外壁温差较大，当汽水分离器内介质压力大 T‘ C) 2$0．o0亡． 230． t：81．o(mi 5 、 ‘ “’ tffi79．5(min) t=80．0(m in) I-J —— — 节点编号 图 22 ^口区域筒壁温度分布 Tw( C， 245 235 ．0} ／ 眉 2‘ 内壁温度随时闻变亿曲线 于3．5MPa以后13mfn，此温差由大约 18。C 降至 l3。C， 以后基本保持不变。这主要是 由于此时放热系数 高达3×10’W／m ·。C 数量级，热量由介质传至外壁较快 ，使内、 外壁温差降低。 计算结果表明，汽水分离器内壁轴向温 差不大，离开入【J或琉水口约 l m处轴向温 度分布已趋于一致。内壁轴向温差在入 口处 不超过 1。C，而在琉水口处可达 5。CI外壁 轴向温差较大，入 口处最大约为17。C，而疏 水口处最大约为22。C。 按苏尔寿公式进行计算表明，汽水分离 器内介质压力小于 3．5MPa时．二者计算结 果相差无几，因为此时式(2)和式(5)算出 T (‘C) 23S 2l5． 图 23 不受^口彤硝区域筒壁温度分布 周 25 内、井壁沮差随时闻 变化曲盐 (min) 维普资讯 http://www.cqvip.com ‘ 12· 锅 炉 技 术 1994年 2月 的介质对内壁放热系数基本相同。当汽永分 离器内介质压力大于3．5MPa以 后 5 rain． 内、外壁温差就降至13。C，而按试 验得出的 放热系数计算公式(6)计算的内、外壁温差 约为17。c，这是由于介质放热系数刚由 8× 10~W／m ·。C增至 2×10 W／m ·。C数 量 级，使内壁温度有所提高，而外壁温度增加 不大。 8 主要结论 本试验在600MW 超临界压力直流 锅 炉 实际启动参数条件下，对汽水分离器模型进 行模拟试验研究 ，通过导热反问题方法，由试 验数据获得了动态过程中介质对分离器模型 内壁放热系数的计算公式(5)、(6)、(7)、(9)， 并且按模化理论把它推广，得到在分离器原 型条件下单相过冷水和汽水两相对汽水分离 器内壁放热系数的计算公式 。编写了汽水分 离器动态过程 中二维壁温计算的通用计算程 序，且实际计算了锻炉在冷态启动过程中汽 水分离器壁温分布，为进一步进行汽水分离 器热应力计算和优化启动过程，提供了比苏 尔寿(Sulzer)公司更为可靠、精确的依据。 参 考 文 献 [1]王丰编著·相似理论及其在传热学中的应用·蠢 等教育出版社 ，1990，P131~168 [2] 车之光编著．相似与模 化(理论及应用)，国防工 业出版社，1982，PI 85~181 [3]S— C．Yao，Y．Chang Experimental Studiea of Transient Pool Boiling Heat Transfer on a Vertical Tube，Multi—phase Flow and Heat Ttansfer l [4] 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