考虑金属蓄热情况下超临界循环流化床锅炉水冷壁流动不稳定性数值分析

谢贝贝，　龙　俊，　茆凯源，　王文毓，　杨　冬,　夏良伟，　殷亚宁

(1． 西安交通大学 能源与动力工程学院， 多相流国家重点实验室， 西安 710049；2． 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室， 哈尔滨 150046)



考虑金属蓄热情况下超临界循环流化床锅炉水冷壁流动不稳定性数值分析

谢贝贝1，龙俊1，茆凯源1，王文毓1，杨冬1,夏良伟2，殷亚宁2

(1． 西安交通大学 能源与动力工程学院， 多相流国家重点实验室， 西安 710049；2． 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室， 哈尔滨 150046)

建立了考虑金属蓄热情况下超临界循环流化床(CFB)环形炉膛锅炉流动不稳定性分析的数学模型，采用交错网格对超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁流动不稳定性进行模拟，计算分析了对回路施加热负荷扰动后进、出口质量流量及金属壁温随时间的变化.结果表明：施加1.1倍、1.2倍和1.3倍热负荷扰动后，进、出口质量流量随时间呈反相脉动，最终进、出口质量流量相等且恢复到稳态值，金属壁温随时间波动后也维持在一常数值，表明该工况下水冷壁流动仍是稳定的.

超临界循环流化床锅炉； 环形炉膛； 金属蓄热； 水冷壁； 流动不稳定性； 数值分析

循环流化床(CFB)燃烧技术具有煤种适应性强、排放低、燃烧效率高等优点.为了实现高效低污染发电，CFB锅炉发电技术正朝着高参数和大容量方向发展.与亚临界CFB锅炉相比，超临界CFB锅炉的运行参数高，工质流动可能处于单相区，也可能处于汽水两相区，锅炉水动力不稳定性分析的主要目的是防止发生传热恶化.目前，国内外学者对两相流动不稳定性进行了广泛而深入的研究[1-5]，但对考虑金属蓄热的锅炉水冷壁流动不稳定性的研究却很少.由于金属蓄热会对锅炉炉膛的热流密度产生影响，进而影响炉膛的动态特性，因此对考虑金属蓄热的锅炉水冷壁流动不稳定性进行研究很有必要.笔者采用交错网格、集总参数法建立了考虑金属蓄热的超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁流动不稳定性分析与壁温计算的数学模型，编写了以Fortran语言为基础的水冷壁流动不稳定性分析和壁温计算程序.针对超临界CFB环形炉膛锅炉，采用单通道计算模型，选取水冷壁中最易发生流动不稳定性的回路作为研究对象，模拟了水冷壁中工质的流动状况，为锅炉的安全运行提供指导.

1　数学模型

通常采用的流动不稳定性数值分析方法有时域法[6]和频域法[7-8]2种，壁温计算可采用集总参数法或分布参数法.本文数值分析方法采用时域法，壁温计算采用集总参数法.

1.1基本假设

基本假设如下：(1) 工质沿管道一维轴向流动；(2) 同一横截面上温度场和速度场分布均匀；(3) 只考虑径向传热；(4) 在能量守恒方程中忽略黏性耗散、动能和势能的影响.

1.2控制方程

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程为

高寒沙区降水量少，风沙大，这样的恶劣环境下在沙丘(地)造林，成活率和成林率是技术上的难题。已往的造林常采用裸根苗或机械固沙这两种措施。裸根苗造林技术育苗周期长、沙丘上不易挖穴、栽植难度大、受造林季节限制，不适宜长期在高寒沙区推广使用。机械固沙措施采用麦草、粘土、草绳、石砾、尼龙网和PVC编织袋等材料做沙障，短期内可以达到固定流动沙丘的目的，然而其有效作用期限短，结合生物固沙措施才能发挥最佳治沙效果。

在招标文件的编制方面，甲方要根据项目特点和功能需要进行编制，应包括项目建设的所有实质性要求和条件。基建部门还应做好招标文件内容的审查工作，一是避免出现倾向性、地方保护性条款等违反规定的；二是招标文件中的合同条款的拟定应参照住建部门发布的示范文本，条款应具体明确，避免签订合同时发生争议或纠纷；三是对招标图纸与工程量清单进行严格的控制与审查，尽可能减少遗漏项，避免施工过程中的变更和增项过多；四是对招标单位的资质进行审核，选择整体素质高、社会效益好、业内信誉好、施工团队强的施工方，避免工程的再次转包。

Kinδd(z)+Koutδd(z-L)+

(2)

能量守恒方程为

(3)

状态方程为

(4)

金属蓄热方程为

(5)

工质对流侧传热方程为

(6)

在全面提升服务的同时，黑龙江销售还紧盯油品质量不松懈。“油品出库时有铅封、编号，保证无其他油品混入。经化验的油品到达油库后，将进行再次检测并且留样。在油品配送过程中，各分公司实行统一配送、全程监控、规定路线、规定时间的方式，确保秋收农业用油品质。”张文兴告诉记者。

2　数值计算方法

2.1离散方法

的确，作为一个专精于打造全地形SUV的品牌，路虎一直做得很出色。但如果仅仅依靠简单可靠的卫士系列和身价有些高不可攀的揽胜家族，这个品牌也绝对发展不到今天的规模。在上世纪80年代末，一个在野外和公路，实用与舒适之间平衡得恰到好处的全新车型的面世，让路虎品牌有了长足的发展和进步，也让更多消费者体验到了SUV这个在当时还算新颖的概念的独到之处。

图1　网格划分

将方程离散化，对主控制体以及速度方向控制体进行研究，可得到以下方程.

质量守恒方程为

(7)

能量守恒方程为

(8)

对于沿流动方向的U控制体，则有

动量守恒方程为

检查患者的循环系统以及呼吸系统的相关功能，以保障氧气的足够供给，是患者成功进行手术的必要条件和基础。如果患者存在心肺功能的相关问题，会在一定程度上阻碍氧气的吸入，导致患者出现缺氧。

Kinδd(z)+Koutδd(z-L)+Kjbδd(z-zjb)]

(9)

金属蓄热方程为

3.绩效考核体系具有客观公正性，因此可以很好的区分职工工作状态是高效还是低效，根据不同职工工作水平决定他们不同的工资和福利待遇，合理的分配奖金和晋升机会，这样才能可以对员工起到激励作用。

(10)

传热方程为

(11)

状态方程为

采用控制容积法沿流动方向进行离散化，沿管长方向将受热管均匀划分成n个固定网格，利用交错网格划分的回路见图1.

编者按：非洲是全球竹资源集中分布区之一，竹林面积约占全球竹林面积的11%。非洲竹资源利用及产业发展落后，资源优势未能转化为经济优势。为促进非洲竹资源合理开发，实现绿色可持续发展，2018年9月3日在中非合作论坛北京峰会开幕式上，习近平主席宣布在埃塞俄比亚首都成立“中非竹子中心”，帮助非洲开发竹藤产业。鉴于竹藤领域的这一重大事项，为使读者更多地了解非洲竹资源及竹产业发展状况，本刊特邀请国际竹藤组织东非地区办事处主任、驻埃塞俄比亚办公室主任傅金和博士撰写专稿，本刊也将持续报道非洲竹产业的发展状况，并跟踪“中非竹子中心”的建设进展，以飨读者。

式中：L为管长，m；d为内径，m；A为横截面积，m2；ρ为流体密度，kg/m3；h为比焓，J/kg；qm为质量流量，kg/s；p为压力，Pa；θ为流动方向与水平面的角度；Kin为进口节流系数；Kout为出口节流系数；Kjb为局部阻力系数；f为摩擦阻力系数；δd为狄拉克函数；qL、q1、q2为线密度，W/m；α为工质对流传热系数,W/(m2·K)；Tj为壁温，℃；Tf为工质温度，℃；cj为金属比热容，J/(kg·K)；mj为单位管长金属质量，kg/m；t为时间，s；F2为单位管长的受热面积，m2；z为管长方向的轴向坐标,m；zJb为弯头处管子的轴向坐标,m.

(12)

在保证计算精度下，传热方程可简化为

(13)

2.2边界条件和数值计算步骤

数值计算的边界条件如下：(1)整个回路进、出口的压降差为一定值；(2)进口压力与进口焓值不随时间变化.

对回路施加热负荷扰动后，数值计算步骤如下：

(1) 求解稳态时工质的物性参数,包括压力、焓值、密度、质量流量、温度以及进、出口压降.

1.3.2 葡萄糖标准曲线的绘制。精密称取干燥恒重的标准葡萄糖10 mg，定容于100 mL容量瓶中，配制成浓度为0.1 mg/mL的葡萄糖标准溶液。精密移取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL的葡萄糖标准品溶液，分别置于具塞试管中，依次加水定容至2 mL，另取2.0 mL蒸馏水作空白对照。然后加入1.0 mL浓度5%的苯酚溶液，摇匀，迅速加入5 mL浓硫酸，摇匀后待试管冷却至室温即可。在波长490 nm处测定吸光值，以所测吸光值为纵坐标，标准葡萄糖浓度为横坐标，绘制标准曲线，并求出线性回归方程及相关系数。

在我们的观察中有3例不成功，在鼻内镜下吻合口可见瘢痕过度生长，考虑为创面的过度增殖所致，我们总结在年轻患者及术后复查吻合口过度肉芽组织生长的患者中可在吻合口填塞的海绵中使用5-FU以减轻瘢痕形成。

2.3程序验证

卓别林有一句很幽默的名言：“人们为我欢呼，是因为他们对我了如指掌；人们为爱因斯坦欢呼，是因为没人弄得懂他。”的确，电影不同于高深的物理理论，卓别林用最直接的方式向不同层次的观众们传达着自己想要表达的观点，这是人们喜欢他的原因。

The authors are grateful to CINVESTAV del I.P.N. for providing the resources to carry out this work.

随着城镇经济社会发展，京津冀、长三角和珠三角城市群的居民生活用电量逐渐上升，用电量差距越来越大。京津冀、长三角和珠三角城市群的居民生活用电量及变化率见图1。

采用国外商业软件Dynastab计算所得600 MW超临界W火焰锅炉的数据，来验证本文所建立的数学模型与计算方法在模拟超临界锅炉水冷壁流动不稳定性时的可靠性.Dynastab软件由西门子公司开发，已转让给国内相关锅炉制造企业，但只有可执行文件，其应用受到很大限制.在相同的几何结构、热负荷及热力参数条件下，对600 MW超临界W火焰锅炉的水冷壁流动不稳定性进行了模拟.图2～图4给出了本文程序计算结果与Dynastab软件计算结果的对比.

由图2可知，施加1.2倍热负荷扰动后，本文程序计算所得进口质量流量随时间的变化曲线与Dynastab软件计算所得进口质量流量随时间的变化曲线在整体趋势上一致，说明利用本文程序来模拟超临界W焰锅炉水冷壁流动不稳定性是可靠的.由图3和图4可知，在两相区与单相区本文程序计算出的工质温度与Dynastab软件计算所得工质温度的相对误差均为0.04%，而壁温的相对误差均为0.2%，均在误差允许范围内，因此利用本文程序对工质温度与壁温进行模拟计算是合理的.

图2　进口质量流量随时间的变化

图3　两相区工质温度与壁温随时间的变化

图4　单相区工质温度与壁温随时间的变化

3　超临界CFB锅炉水冷壁流动不稳定性分析

3.1环形炉膛锅炉水冷壁结构

受热面布置困难是超临界CFB锅炉在大型化过程中的一个难题.为解决此问题，可采用环形炉膛即内圈与外圈并联的布置方案，这种结构不仅可以布置更多的水冷壁来获得足够的换热面积，而且可以降低炉膛高度，降低循环泵的功耗.所研究超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁外圈前墙6回路的热负荷Q沿炉膛高度的分布情况与管路结构见图5.从进口到出口的总长度为55.6 m，光管规格为直径32 mm、壁厚6.5 mm.根据热负荷分布将水冷壁分为33个管组，每个管组内的热负荷相等，取空间网格长度为0.1 m左右，可将回路划分为560个管段.

图5　水冷壁结构示意图(6回路)

3.2水冷壁动态特性

炉膛动态不稳定时，水冷壁中工质流量波动在某些情况下会导致壁温频繁剧烈变化，可能引起管壁金属材料疲劳失效，应避免这种情况出现.

在考虑金属蓄热情况下对超临界CFB环形炉膛锅炉施加热负荷扰动，并进行数值模拟.图6给出了施加1.2倍热负荷扰动后进、出口质量流量随时间的波动趋势.由图6可以看出，当进口质量流量增大时，出口质量流量减小，当进口质量流量减小时，出口质量流量增大，即进、出口质量流量随时间呈反相脉动；进、出口质量流量脉动的振幅随时间延长逐渐减小直至消失，最终进、出口质量流量相等，恢复到稳定状态，这表明在1.2倍热负荷扰动下水动力流动是稳定的.图7给出了不同热负荷扰动下进口质量流量随时间的波动趋势.由图7可以看出，随着热负荷扰动倍数的增加，进口质量流量脉动的振幅逐渐增大，但随时间变化的趋势是一致的.

图6　考虑金属蓄热时进、出口质量流量随时间的变化

图7　不同热负荷扰动下进口质量流量随时间的变化

3.3考虑金属蓄热时的环形炉膛锅炉水冷壁壁温分析

在未施加热负荷扰动时，回路初始稳态进口压力为10.16 MPa，进口焓值为1 343.097 kJ/kg，进口质量流量为0.065 257 kg/s.稳态时各管组的平均工质温度与壁温以及施加热负荷扰动后4.1 s(热负荷最大，进口质量流量最小)时和13.1 s(进口质量流量最大，热负荷恢复到初值)时各管组的平均壁温见图8.图9和图10分别给出了回路中第275管段(两相区)和第560管段(出口管段，单相区)的温度变化.图8中，各曲线拐点处即为相变点，如稳态时2个拐点分别在第8管组与第26管组处，说明在第1～第7管组中工质均为单相液体，在第8～第26管组中工质处于两相区，此后工质为过热蒸汽；在单相液体区与两相区，壁温只比工质温度高1～3 K.由图9和图10可知，工质温度和壁温先随时间波动，最终维持在一常数值而不再随时间变化，最高壁温为434.88 ℃，处于允许范围内，因此该工况下锅炉运行是安全可靠的.

图8　各管组温度分布

图9　第275管段温度随时间的变化

图10　第560管段温度随时间的变化

4　结　论

(1) 建立了适用于考虑金属蓄热的超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁流动不稳定性分析的通用数学模型，并编写了数值计算程序.在相同的参数条件下，与实际工况的数据进行了对比，计算结果较吻合，表明本文数学模型与计算方法用于模拟超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁流动不稳定性和壁温计

算是可靠的.

(2) 在考虑金属蓄热情况下对回路施加热负荷扰动后，最终进、出口质量流量相等且恢复到稳态值，金属壁温在允许范围内，且随时间波动后也维持在一常数值，表明该工况下水冷壁流动仍是稳定的.

文中共有50组有效PPG序列参与回归模型的建立，每组序列时长为5 s，含有2 000个样本点，且各组序列对应一组真实血压值。实际上每个脉搏波即可对应一组血压值，考虑到算法的实用性与准确性，本文针对同一种特征值在一个测试序列中，先求出每个脉搏波的特征值，再取平均值作为最终特征值。假设一个测试序列有m个脉搏波，对于任意特征值v，本文在第i个脉搏波中取出特征值，i=1,2,...,m，并通过式（8）求出该组序列的特征值v的最终数值kv。

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Numerical Analysis on Flow Instability of Supercritical CFB Boiler Water Wall Considering Metallic Heat Storage

XIEBeibei1,LONGJun1,MAOKaiyuan1,WANGWenyu1,YANGDong1,XIALiangwei2,YINYaning2

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow, School of Energy and Power Engineering, Xi'anJiaotong University, Xi'an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Utility Boilers for Clean & Efficient Utilization of Coal, Harbin Boiler Co., Ltd., Harbin 150046, China)

A mathematical model was established for analysis on flow instability in annular furnace of a supercritical CFB boiler considering metallic heat storage, with which the flow instability was simulated using staggered grids, so as to calculate and analyze the variation of inlet and outlet mass flow as well as tube wall temperature along with time under thermal load disturbance on the loop. Results show that once the loop was applied by 1.1, 1.2 and 1.3 times of thermal load disturbance, the inlet and outlet mass flow would fluctuate reversely along with time, both of which would finally get equivalent at the value of steady state; besides, the wall temperature would also fluctuate with time and finally get stable at a constant value, indicating that the flow condition is still stable.

supercritical CFB boiler; annular furnace; metallic heat storage; water wall; flow instability; numerical analysis

2015-09-22

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2015BAA03B01-01)

谢贝贝(1991-)，女，河南郑州人，硕士研究生，研究方向为锅炉水动力流动不稳定性数值分析.电话(Tel.)：029-82668393；

E-mail：bbeixie@163.com.

1674-7607(2016)08-0589-05

TK122

A学科分类号：470.20