利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法

2023-09-14 19:52:35

專利名稱：利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法
技術領域：
本發明涉及鍋爐內過熱器管壁的計算方法，具體是指一種利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法。
背景技術：
在我國，電站鍋爐運行中，過熱器爆管的事故時有發生，且原因多樣，大致歸納為過熱器區域整體長期超溫過熱；管內工質流量偏低，流量不均造成的局部過熱；過熱器附近煙溫、煙速分布不均勻等。對於過熱系統而言，爆管大多是因為管壁超溫所致。過熱器處於高溫的環境下，管壁內外溫度相差較大，有時可能達到100° C，這種環境容易造成過熱器爆管現象的發生。 過熱器的管壁溫度是衡量鍋爐能否安全運行的重要指標之一，準確地預測高溫受熱面哪些管道的哪些部位處於相對惡劣的環境，採取針對性的對應措施，減少超溫爆管事故的發生顯得尤為重要，所以如何準確地確定過熱器管壁溫度具有重要的意義。目前對於爐內管壁溫度的計算尚缺乏有效手段，通用的方法有兩種1、通過鍋爐熱力計算得到爐內管壁溫度；2、利用數值模擬的方法計算得到爐內管壁溫度的方法。但是這兩種方法都存在各自的缺點。表I是兩種方法的對比分析。表I熱力計算方法與數值模擬方法的對比分析
熱力計算的特點數值模擬的特點
1零維模型三維模型
只能得到爐膛內的平均特性，如某
2可以模擬出詳細的煙溫和煙速分布 一部分的平均煙溫、平均煙速等
考慮了管外煙氣、管壁材料和管內
3僅考慮到管外煙氣的影響工質的影響
計算得到的壁溫分布粗略，僅僅使
4模擬計算得到的壁溫分布詳細 用幾個點的溫度表示全部的壁溫分布由於過熱器的壁溫分布由煙氣入口截面溫度與受熱面本身結構特點決定。受熱面本身結構已在設計安裝時確定，要得到較準確的管壁溫度首先要精確地知道管壁附近煙氣的溫度、速度分布。數值模擬雖然可以模擬出詳細的煙溫和煙速分布，但是由於模擬建模的限制，不能很好地考慮到管內工質和管壁傳熱的影響，最終得到的壁溫結果可能誤差較大；而熱力計算考慮了金屬管壁的傳熱以及管內工質吸熱等影響，但由於無法得到詳細的煙溫分布和煙速分布，限制了壁溫分布的精確性。通過表I比較可以得出，兩種方法的相同點在於兩者都需要知道管壁附近煙溫和煙速的分布。利用數值模擬得到的煙溫和煙速分布作為熱力計算的初始條件，最終得出爐內的壁溫分布，通過將兩種方法的優點進行結合，壁溫分布的準確性得到了提高，也為爐內管壁溫度計算提供了一種新方法。至今為止，國內一些學者提出過相關的方法，其特點為將屏式過熱器視為熱源，吸收周圍煙氣的輻射和對流熱量，模擬時以單個管屏作為一個單位，設置為壁面邊界條件，通過逐步增加熱流密度得到屏區附近的煙溫和煙速分布，然後將得到的熱負荷分布作為熱力計算的初始條件進行迭代計算，最終計算出屏式過熱器的管壁溫度分布。但是現有技術存在如下缺點缺點I :屏式過熱器壁面邊界條件設定問題。
屏式過熱器管外壁的換熱方式分為輻射換熱和對流換熱兩種。輻射換熱是兩個互不接觸且溫度不同的物體之間通過電磁波進行的換熱過程，與物體溫度有關；而對流換熱是指流體流經固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞過程，受流體流動、相變、流態以及固體幾何等因素影響。在現有技術數值模擬過程中，屏式過熱器壁面設定為熱流密度的邊界條件，屏式過熱器總換熱量全部轉換為對流換熱量進行模擬，雖然這種方法降低了模型的複雜性，利於模擬的進行，但是壁面對輻射換熱過程和對流換熱過程的特點不同，為保證模擬結果的準確性，在模擬過程中，儘量不要將兩種換熱方式進行轉換。缺點2 :計算受熱面附近煙溫和煙速分布的讀取問題。模擬完畢後，熱力計算所用到的煙溫和煙速分布，僅僅是通過人工讀取和輸入，由於數值總量較多，人工讀取數值時存在誤差性，工作量較大，對壁溫的計算速度和計算準確度具有較大的影響。缺點3 :現有方法的壁溫計算僅考慮了沿管道圓周對流放熱吸熱不均勻性、屏間以及同屏管內的水力不均勻性，使得最終計算得到的壁溫分布結果與真實溫度存在較大的誤差。缺點4 :受熱面壁溫反覆校核和修正問題。模擬中使用的熱流密度是通過熱力計算得到的平均值，但是屏區每一點的吸熱量都是不同的，故各點熱流密度也不一樣。由於熱力計算是零維模型，無法得到每一點的吸熱量，只能計算得到整個屏區的平均溫度，因此屏區的邊界條件只能設置為一個相同的熱流密度，模擬得到的屏區附近的煙溫和煙速分布會存在較大的誤差，用此結果作為熱力計算的初始參數後，將較大影響了壁溫分布最終結果的準確性。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法，該計算方法能兼顧數值模擬和熱力計算的優點，通過這種方法的計算，不僅可以得到爐內詳細的壁溫分布，同時壁溫結果的準確性也得到了提高，準確地預測高溫受熱面哪些管道的哪些部位處於相對惡劣的環境，及時採取針對性的對應措施，減少超溫爆管事故的發生。本發明的上述目的通過如下技術方案來實現的一種利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法，該方法包括如下步驟步驟(I):對包含屏式過熱器的整個鍋爐進行建模，構建過熱器管壁溫度計算方法的數學模型將整個鍋爐的爐膛按照上下高度分為冷灰鬥區、燃燒器區、燃燒器上方區、屏式過熱器區四個區域，對於每個區域分別給定該區域的平均溫度，該平均溫度由爐膛熱力計算得出；對鍋爐的旋流燃燒器和鍋爐的爐膛進行單獨建模，將旋流燃燒器出口冷態模擬得到的結果作為爐膛入口的邊界條件，其中，模型邊界條件的設定為將屏區水冷壁設置為屏式過熱器管壁溫度的邊界條件，同時，對屏式過熱器在高度方向上以間隔0. 5m為間距將屏式過熱器劃分為若干管段，並且對應每一個管段設定不同的受熱面管壁溫度角標i表示屏式過熱器受熱面計算管段的第i管段，初始段為i=l。同時設置整個屏式過熱器壁面的初始溫度，在設置整個屏式過熱器壁面初始溫度時將整個屏式過熱器壁面溫度設為一個相同的溫度值tpl ；
步驟(2):對步驟(I)所建立的數學模型進行數值模擬，得到屏式過熱器計算區域附近的煙溫和煙速分布，選取計算數據，將計算數據作為屏式過熱器熱力計算和水動力計算的初始條件；步驟(3):利用熱力計算和水動力方法進行屏式過熱器壁溫計算通過步驟(I)所建立的模型以及步驟(2)所獲得的計算結果，進行屏式過熱器第i管段吸熱量計算、工質流量計算、工質焓增計算、工質溫度計算、管屏壁溫計算以及各個換熱係數程序將各個初始參數帶入計算，如果計算得出的第i管段的受熱面管屏的壁面溫度\與預選受熱面管屏壁面溫度^差值的絕對值小於5°C，則認為該管段的壁面溫度計算收斂，停止計算，否則=(繼續迭代計算，直到該管段的壁面溫度計算收斂，然後進行下一管段的壁面溫度的計算，直至屏式過熱器所有管段的受熱面的壁面溫度計算收斂，最後將所有管段的受熱面的壁面溫度所得到的計算值匯總集合，形成整個屏式過熱器的計算壁溫Lp2，步驟(4):對獲得的整個屏式過熱器的計算管壁進行校核計算，若整個屏式過熱器的初始設定壁溫tpl與計算所得到的壁溫tp2的差值的絕對值小於10°c，則認為整個屏式過熱器的壁溫計算收斂，停止計算，最終得到的屏式受熱面的壁溫分布結果為tp2，否則令tpl=tp2,繼續代入模型中進行模擬、計算,直至收斂；步驟(5):計算結果輸出當屏式過熱器的壁溫分布結果同時滿足上述兩個判定標準後，則認為屏式過熱器的壁溫計算完畢，將屏式過熱器受熱面壁溫的計算分布結果進行保存、輸出。與現有技術相比，本發明具有如下顯著效果(I)本發明為受熱面的壁溫計算提供了一條新途徑，通過該方法，數值模擬和熱力計算各自的優點得到了很好的結合和利用，避免了各自的缺點，不僅可以得到更加詳細的計算受熱面的壁溫分布，同時壁溫結果也具有較高的準確性。(2)通過將煙溫分布和煙速分布圖像轉換為excel格式，直接從excel中直接調取數據進行熱力計算。這種方法極大提高了計算速度，避免人工輸入引起的誤差。( 3)該壁溫計算考慮了沿受熱面或部件截面及沿管子周圍的吸熱不均勻性，沿管壁的熱量分流、部件管子的水力不均勻性和結構不均勻性，同時還考慮了沿爐膛寬度方向和沿爐膛高度方向上的吸熱不均勻性，最終得到的計算壁溫分布準確性較高。(4)此方法中涉及到兩個壁溫計算收斂的判定，通過這兩個判定，屏式受熱面管壁溫度得到不斷地修正，數值模擬中的壁面溫度設置越準確，數值模擬的準確性就會越高，最終得到的計算受熱面的壁溫結果就會越準確。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細說明。圖I是本發明鍋爐爐膛整體結構簡圖的主視圖；圖2是本發明鍋爐爐膛整體機構簡圖的左視
圖3是本發明計算方法流程框圖；附圖標記說明I、鍋爐前牆；2、屏式過熱器；3、爐膛出口 ；4、鍋爐後牆；5、燃燒器；6、冷灰鬥區；7、鍋爐左牆；8、鍋爐右牆；
具體實施例方式本發明一種利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法採用如圖I、圖2的鍋爐結構圖進行建模，其計算流程框圖如圖3所示，該計算方法包括如下步驟ansys 12. 0針對非結構性網格模型設計，是用有限元求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的軟體，對劃分的網格質量有一定的要求。跟整個爐膛相比，旋流燃燒器不僅尺寸非常小，結構不規則。如果建模時把旋流燃燒器和爐膛看做一個整體，劃分的網格質量較差，在模擬時能量守恆方程、質量守恆方程和動量守恆方程容易計算出錯，最終可能得不到使方程組守恆的結果，將會對最終模擬的結果產生較大的影響。如果將旋流燃燒器和爐膛進行單獨建模，將旋流燃燒器出口冷態模擬得到的結果作為爐膛入口的邊界條件，通過這種方法劃分的旋流燃燒器和爐膛的網格質量較高，數值模擬較容易得到比較滿意的守恆結。步驟(I):對包含屏式過熱器的整個鍋爐進行建模，構建過熱器管壁溫度計算方法的數學模型將整個鍋爐的爐膛按照上下高度分為冷灰鬥區、燃燒器區、燃燒器上方區、屏式過熱器區四個區域，對於每個區域分別給定該區域的平均溫度，該平均溫度由爐膛熱力計算得出；對鍋爐的旋流燃燒器和鍋爐的爐膛進行單獨建模，將旋流燃燒器出口冷態模擬得到的結果作為爐膛入口的邊界條件，其中，模型邊界條件的設定為將屏區水冷壁設置為屏式過熱器管壁溫度的邊界條件，同時，對屏式過熱器在高度方向上以間隔0. 5m為間距將屏式過熱器劃分為若干管段，並且對應每一個管段設定不同的受熱面管壁溫度角標i表示屏式過熱器受熱面計算管段的第i管段，初始段為i=l。同時設置整個屏式過熱器壁面的初始溫度，在設置整個屏式過熱器壁面初始溫度時將整個屏式過熱器壁面溫度設為一個相同的溫度值tpl ；屏式過熱器區域的特點是沿爐深和爐寬方向上煙溫比較均勻，但是沿爐高方向上煙溫變化較大，因此屏式過熱器高度方向上只需要將屏式過熱器劃分為若干單元，並分別設為不同的溫度。通過大量的數值模擬與熱力計算研究，以0. 5m為一個單元劃分高度方向的屏式過熱器，數值模擬得到的屏式過熱器附近的煙氣溫度誤差範圍基本在10° C之內，這樣既滿足計算受熱面壁溫分布的精度要求，同時數值模型的建立不會太複雜，數值模擬的可靠性有一定的保證。其中，過熱器管壁溫度計算方法的數學模型包括如下方程式數值模擬的數學模型主要建立一個煤粉在爐內燃燒，生成的高溫煙氣與周圍的受熱面形成換熱的過程。這一過程中呈現出明顯的規律性，包括宏觀的溫度場、速度場、濃度場、傳熱、傳質、流動等特性，可用數學方法描述。(I)基本控制方程數值模擬燃燒是一個三維穩態流動過程，遵循質量守恆方程、動量守恆方程和能量守恆方程。對於任一化學組分K，其組分的質量守恆方程為字+=(1-1) dt OXi動量守恆方程
「O(PUi) a /___、 a Ou1 — dphi、—— +—(pu；uj) = — H---pu,Uj -- + Pgi(1-2)
Ot OXjOXj OXiOXj能量守恆方程
c —— c「rT^ +^(pc^jT) = ^- A-PCpUjT +Sf+Srh
OtOXjOXj OXj狀態方程p = p(p, f)(1-4)式中SmSfSE——源相；u——三個坐標方向的平均速度；u』 一三個坐標方向的脈動速度；T——平均溫度；gi——i方向的重力加速度分量；u —分子熱運動而引起的動力粘度係數；p——密度；p——壓強。( 2)氣相湍流流動方程瑞流模型選擇帶有旋流修正的realizable k_ e模型,考慮了鏇潤流動的影響,可以較好地模擬旋流流動。
n\pk) o(pku:) d , Li , rk ^~- 二 ——O + ■—) — +Gk— ps(1-5) dt Sxi Dxj ak Dxj華.^= ^(/. I 卜 PC: Ss - P。^( 1-6)
dt ox. Bxj (jek +C1 = max 0.43, ^( 1-7)
L Tf+ 5_n = Sk/e(1-8)
式中k-瑞流能；e——耗散率；U t——瑞流粘性係數；0 k和O E—分別是湍流能及其耗散率的湍流普朗特數；Gk—表示由於平均速度梯度引起的湍流能產生項；C2——常數；S-平均應變率；
V—分子運動粘性係數。(3)輻射模型對於煤粉燃燒，本模型採用了 P-I輻射模型。輻射熱流=-—(-V—^~V(r(1'9)
Ma + os ) - ( <7.式中G——入射輻射；C-線性各相異性相位函數係數；a——吸收係數；O s——擴散係數。引入參數r 「=^~\ r (1_i0)
外/ -!■- Gs ；- ( O(式9)可簡化為qr = -I V (( 1-11 )G的運輸方程為- V(rVG)-aG + 4aoT4 = 0(1-12)式中a——史蒂芬-斯波茲曼常數。使用P-I模型時，求解這個方程以得到當地輻射強度。聯立(式2-11)和(式2-12),得到等式-Vgr=a.G — .4aaT4(1-13)-▽見.的表達式可以直接帶入能量方程，從而得到由於輻射所引起的熱量源。(4)揮發分析出模型揮發分析出採用兩步競爭析出模型，反應方程為
「 ndV dVi +dV2 / p,,.-=-+ 2)(1-14 )
dt dt
AC / ,— =-[K^K2Y:C1-15) dt式中
ai、a2——實驗確定係數；C—剩餘的碳中未反應煤的百分數；KpK2——常數。(5)焦炭燃燒模型焦炭燃燒採用動力/擴散表面反應速率模型。焦炭燃燒總體速率常數為
ks = AcTn exp [-Ec/ (RT) ] (1-17)kd = (J)ShD0/Sp(1-18)式中ks-動力學常數；kd—容積擴散常數；Ac——指前因子；Ec——活化能；(J)-化學當量因子；Sh-顆粒傳質係數；D0——擴散係數；Sp-顆粒直徑。(6)非預混燃燒模型非預混燃燒模型是用於研究模擬進行快速化學反應的紊態擴散火焰的模擬方法，燃燒被簡化為一個混合問題，並且可以避免與近非線性平均反應率相關的困難允許預測中間(基本)組分、溶解效應和嚴格的紊流化學禍合。在非預混燃燒中，燃料和氧化劑以相異流進入反應區。在其發生反應之前，兩者的接觸必須達到分子水平。當混合時間尺度比反應時間尺度大得多時，必須詳細考慮湍流混合過程，但可以假設是瞬時化學反應快速化學反應，採用化學平衡假設來計算反應過程。流體的瞬時熱化學狀態與一個守恆量，即混合分數f相關。混合分數可根據原子
質量分數定義為
Z- — Zi/ = --(1-19)
^ i, fuel —乙 \m式中Zi—元素i的元素質量分數；下標0X—氧化劑流入口處的值；下標fuel-燃料流入口處的值。如果所有組分的擴散係數相等，(式1-19)對所有元素都是相同的且混合分數定義是唯一的。因此，混合分數就是由來源於燃料流的元素質量分數，表示所有成分中已經燃燒和未燃燒的燃料流成分的質量分數。混合分數法的優點就是其他任何守恆量都是混合分數的函數。本文採用雙混合分數法，即燃料流(ffuel)和揮發份流(pse。)，可以提高精度。混合分數f (ffUel和Pm。)的時均值和脈動分量均方值的傳輸方程如下

權利要求
1.一種利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法，該方法包括如下步驟 步驟(1):對包含屏式過熱器的整個鍋爐進行建模，構建過熱器管壁溫度計算方法的數學模型 將整個鍋爐的爐膛按照上下高度分為冷灰鬥區、燃燒器區、燃燒器上方區、屏式過熱器區四個區域，對於每個區域分別給定該區域的平均溫度，該平均溫度由爐膛熱力計算得出；對鍋爐的旋流燃燒器和鍋爐的爐膛進行單獨建模，將旋流燃燒器出口冷態模擬得到的結果作為爐膛入口的邊界條件，其中，模型邊界條件的設定為將屏區水冷壁設置為屏式過熱器管壁溫度的邊界條件，同時，對屏式過熱器在高度方向上以間隔0. 5m為間距將屏式過熱器劃分為若干管段，並且對應每一個管段設定不同的受熱面管壁溫度角標i表示屏式過熱器受熱面計算管段的第i管段，初始段為i=l ;同時設置整個屏式過熱器壁面的初始溫度，在設置整個屏式過熱器壁面初始溫度時將整個屏式過熱器壁面溫度設為一個相同的溫度值 tpl ； 步驟(2):對步驟(I)所建立的數學模型進行數值模擬，得到屏式過熱器計算區域附近的煙溫和煙速分布，選取計算數據，將計算數據作為屏式過熱器熱力計算和水動力計算的初始條件； 步驟(3):利用熱力計算和水動力方法進行屏式過熱器壁溫計算 通過步驟(1)所建立的模型以及步驟(2)所獲得的計算結果，進行屏式過熱器第i管段吸熱量計算、工質流量計算、工質焓增計算、工質溫度計算、管屏壁溫計算以及各個換熱係數程序將各個初始參數帶入計算，如果計算得出的第i管段的受熱面管屏的壁面溫度\與預選受熱面管屏壁面溫度^差值的絕對值小於5°C，則認為該管段的壁面溫度計算收斂，停止計算，否則令f = !繼續迭代計算，直到該管段的壁面溫度計算收斂，然後進行下一管段的壁面溫度的計算，直至屏式過熱器所有管段的受熱面的壁面溫度計算收斂，最後將所有管段的受熱面的壁面溫度所得到的計算值匯總集合，形成整個屏式過熱器的計算壁溫tp2 ； 步驟(4):對獲得的整個屏式過熱器的計算管壁進行校核計算，若整個屏式過熱器的初始設定壁溫tpl與計算所得到的壁溫tp2的差值的絕對值小於10°C，則認為整個屏式過熱器的壁溫計算收斂，停止計算，最終得到的屏式受熱面的壁溫分布結果為tp2，否則令tpl=tp2，繼續代入模型中進行模擬、計算，直至收斂； 步驟(5):計算結果輸出 當屏式過熱器的壁溫分布結果同時滿足上述兩個判定標準後，則認為屏式過熱器的壁溫計算完畢，將屏式過熱器受熱面壁溫的計算分布結果進行保存、輸出。
2.根據權利要求I所述的利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法，其特徵在於所述步驟(I)中過熱器管壁溫度計算方法的數學模型包括如下方程式 (1)基本控制方程 數值模擬燃燒是一個三維穩態流動過程，遵循質量守恆方程、動量守恆方程和能量守恆方程，對於任一化學組分K，其組分的質量守恆方程為
全文摘要
本發明公開了利用數值模擬輔助超超臨界鍋爐屏式過熱器管壁溫度的計算方法，該方法包括步驟(1)對包含屏式過熱器的整個鍋爐進行建模，構建過熱器管壁溫度計算方法的數學模型；步驟(2)對步驟(1)所建立的數學模型進行數值模擬，得到屏式過熱器計算區域附近的煙溫和煙速分布，選取計算數據，將計算數據作為屏式過熱器熱力計算和水動力計算的初始條件；步驟(3)利用熱力計算和水動力方法進行屏式過熱器壁溫計算；步驟(4)對獲得的整個屏式過熱器的計算管壁進行校核計算；步驟(5)計算結果輸出。該計算方法能兼顧數值模擬和熱力計算的優點，不僅可以得到爐內詳細的壁溫分布，同時壁溫結果的準確性也得到了提高。
文檔編號G06F19/00GK102799775SQ20121023417
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月6日 優先權日2012年7月6日
發明者宋景慧, 李兵臣, 闞偉民, 周少祥, 肖小清 申請人:廣東電網公司電力科學研究院, 華北電力大學