增压锅炉过热器数值模拟及热偏差分析

论文摘要

锅炉过热器并联管束蒸汽流量分配不均和热负荷分布不均是导致汽温和壁温差异、甚至局部超温爆管的两个主要因素。在传统的过热器水动力学和现有文献关于流量和汽温分布的数值模拟中,往往针对大型电站锅炉屏式过热器,将集箱简化为流通截面不变的一维圆管。船用锅炉过热器集箱往往被内部挡板分隔为多个形状不规则、长径比很小的腔体,从而形成复杂的三维流动,因而集箱无法简化为一维圆筒或近似地归结为某种已知静压分布的简单结构类型。针对船用锅炉过热器结构复杂的特点,由集箱的基本理论出发,确定了影响流量分配的结构因素。利用软件对Z型、Π型集箱原型和不同结构参数集箱的流场分别进行了三维冷态数值模拟,分析、归纳并验证了影响流量分配的各种结构因素,提出了模型的简化原则。用PRO/E建立简化后的过热器外部烟气、内部蒸汽及管壁的整体三维模型,选择合理的边界条件,以流体力学基本方程组和κ—ε双方程湍流模型为数学模型,对简化的过热器整体蒸汽流动与传热进行了三维热态数值模拟,直接得到不同负荷下各流程蒸汽质量流量、汽温、焓值、管壁的温度、热流量和传热系数等值的分布规律。通过计算分析得出:管壁温度沿蒸汽的流动方向逐步增大,最高壁温及最大热偏差管同为第3流程主汽阀侧靠近中部位置的支管;此位置管内蒸汽流量小、但热负荷大,致使热偏差大、蒸汽温度高、管壁温高,为危险管;随着负荷的增大,各位置管壁温度随之增加,各支管间壁温相差逐渐增大;且第3流程的最高壁温位置向后转移;各排管束两侧管子的蒸汽温度小于中部管子的蒸汽温度,这与烟气温度和流速分布不均匀有关:第3流程的热偏差系数较大,主要是由于蒸汽引入、引出方式及结构布置造成的,应从设计上进一步改进,使热负荷与流量匹配,减小热偏差,降低管壁温度。文章从基础理论出发,推导得出过热器模型简化原则首次实现了船用增压锅炉过热器整体三维数值计算分析。通过对蒸汽、管壁及烟气的耦合计算,得出了过热器的传热与流动规律,确定了各工况最高壁温位置及危险工况条件,归纳得出热力性能参数随负荷的变化规律,可为增压锅炉的设计及运行提供一定的技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 增压锅炉研究现状
• 1.2.2 锅炉过热器研究现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 过热器热偏差理论分析
• 2.1 概述
• 2.2 热偏差
• 2.2.1 流量分配不均匀性
• 2.2.2 烟气侧热力不均匀性
• 2.3 减轻热偏差的方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 增压锅炉过热器整体模型简化方法研究
• 3.1 概述
• 3.2 模型简化方法
• 3.2.1 基于水力特性的结构简化方法
• 3.2.2 热力特性的简化方法
• 3.3 模型简化方法验证
• 3.3.1 网格划分
• 3.3.2 数学模型
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 增压锅炉过热器冷态数值模拟研究
• 4.1 概述
• 4.2 过热器结构与几何建模
• 4.3 计算区域与定解条件
• 4.4 数学模型
• 4.5 模拟结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 增压锅炉过热器热态数值模拟与热偏差分析
• 5.1 概述
• 5.2 计算区域与定解条件
• 5.3 模拟结果与分析
• 5.3.1 89.3%负荷时的结果分析
• 5.3.2 不同负荷工况下的模拟结果分析
• 5.4 烟灰和水垢的对换热的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 过热器上集箱隔板改进建议
• 6.1 上集箱隔板改进建议
• 6.2 模拟结果与分析
• 6.3 本章小结
• 结论及展望
• 1、结论
• 2、展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢