第十四章超超临界锅炉水动力特性.doc

超超临界锅炉水动力特性 超临界锅炉的一些问题是由于工质特性的变化引起的，要理解超临界锅炉的特点，首先要对超临界压力时工质的特性变化有较多的了解。由于汽水密度差在超临界压力时消失，所以无法进行汽水分离，决定了超临界压力不能使用带汽包的具有水循环的锅炉。只能使用直流锅炉或其它类似于直流锅炉的锅炉。 另外，超临界压力锅炉在低负荷运行时将在临界压力以下工作，因此，亚临界锅炉常常出现的一些问题，超临界压力锅炉也无法避免。 随着工质压力的升高，饱和温度升高，汽化潜热减小，当压力升高至22.12MPa时，水在374.15℃直接变为蒸汽，汽化潜热为零，该相变点温度称为临界温度。工质压力超过临界压力后，相变点温度相应升高，与压力对应的相变点温度称拟临界温度。工质低于拟临界温度时为水，高于拟临界温度时为汽。汽、水在相变点的热物理性质全都相同。 超临??压力下，对应一定的压力，存在一个大比热容区。进入该区后，比热容随温度的增加而飞速升高，在拟临界温度处达到极限值，然后迅速降低。压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热容特性逐渐减弱。在超临界压力的大比热容区内，工质比体积、粘度、导热系数等也都剧烈变化，离开大比热容区后则变化趋缓。除了比热容以外，上述参数的变化都是单方向的，随着温度的升高，比体积增大，粘度、导热系数降低。 锅炉受热面的管壁温度 1.管壁温度计算 当炉管壁有热量传递时，沿壁厚各点的金属温度将不同。校核元件是否超过材料的允许氧化极限速度时，应按外壁温度(当热量向内传递时)计算，而校核元件强度时，则应按沿壁厚温度的平均值计算，因强度计算是按壁厚的平均应力考虑的。圆筒形炉管沿壁厚的温度分布呈抛物线形状，但为了简化计算，取元件内外壁温的算术平均值，称为“计算壁温”，来选取材料强度特性或许用应力以进行强度计算。由传热学可知，对于均匀受热的圆筒形炉管的壁温： 式中twb、tnb－管壁外壁与内壁温度，℃； tg－水垢层内壁温度，℃； tj－介质度，℃； q—炉管外壁单位面积热负荷，kW／m2； Dw、Dn—炉管外径，内径，m； β＝Dw/Dn—炉管外径与内径的比值； Sg—水垢层的厚度，m； λ、λg一管壁金属及水垢的导热系数，kW／m．℃。 可以得到炉管外壁及计算管壁温度的计算公式： 忽略水垢层的影响，可以得到简化的计算公式： 上述炉管壁温计算公式只适用于沿管子圆周方向管外受热均匀和管子内工质没有温度偏差，在管壁中只存在径向热流的情况。实际炉管的受热情况与此存在较大差距，首先，高温烟气对管子的冲刷以及辐射都具有一定的方向性，沿着管子周界各点存在着热流密度的偏差，管子圆周各点壁温不相等。 在管壁中除了径向导热外，还存在着沿圆周方向的导热。所以在不均匀内受热的情况下，最大热负荷处管壁的径向热流密度总是小于均匀受热只存在径向导热时的热流密度。其次，各炉管之间存在着受热不均与工质流速不均匀，各管的管外热流密度与管内工质温度存在着差别。 管壁温度的计算应考虑最恶劣的工作条件，热负荷取沿周界的最大热负荷。因热量由最大热负荷处向其它部位散流引起的壁温下降，用热量均流系数作相应的修正。工质温度取为平均温度时，还应加上温度偏差值。这样得到管壁温度计算公式为： 式中Δtgz—考虑管间工质温度偏离平均值的偏差，℃； qmax—热负荷最大管子的最大管外热流密度，Kw/m2； μ—热量均流系数。 对于薄壁圆筒，β接近1，此时有： 可以得到我国锅炉受压元件强度计算标准中管子壁温计算公式： 式中S—金属壁厚度，m。 由于电站锅炉水质经过严格处理，并定期检查热负荷最高处水冷壁管内水垢量，必要时进行清洗。在我国锅炉受压元件强度计算标准中管壁温度的计算中没有考虑水垢的影响。 水垢的存在改变管壁温度的分布，使管壁温度上升，另外因水垢热阻很大，还使热负荷有明显的下降。 对于水冷壁蒸发管和省煤器管，在正常情况下，管内侧对流换热系数很大，使管壁温度与工质温度相差不大，可以采用简单估算。例如，自然循环锅炉当水冷壁最大热负荷不超过300×103kcal／m2.h时，或压力不超过13.7MPa的多次强制循环锅炉当最大热负荷不超过300×103kcal／m2.h时，水冷壁管的计算壁温可以取为： tb＝tgz＋60℃ 对于超临界压力锅炉的炉管，当热负荷很大时，壁厚的增加可能引起壁温明显增高，反而造成炉管强度下降，此时，应作几个材料和壁厚的计算，以选取最佳材料和壁厚。 根据我国水管锅炉受压元件强度计算标准给出的许用应力，按不同计算壁温偏差Δtb换算出的最小需要壁厚差值△S。如果壁温取的不正确，会使计算出的受压元件最小所需壁厚产生较大的偏差，温度越高影响越大，特别是在接近材料许用温度限附近。 2. 超临界压力锅炉水冷壁壁温 在亚临界压力以下压