大型直流鍋爐水冷壁兩相流瞬態(tài)傳熱規(guī)律的試驗(yàn)研究

本項(xiàng)目在8～25MPa壓力范圍內(nèi)，模擬超臨界壓力鍋爐水冷壁系統(tǒng)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)研究，確定了燃料率、壓力、流量及進(jìn)口溫度擾動(dòng)條件下水冷壁參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性，分別在亞臨界及超臨界壓力區(qū)域內(nèi)，建立了動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而能確定傳遞函數(shù)；在13～17MPa壓力條件下，研究了垂直管圈水冷壁內(nèi)螺紋管的傳熱特性，得出了發(fā)生傳熱惡化的臨界條件，提出了傳熱系數(shù)計(jì)算公式；在3～18MPa壓力條件下，進(jìn)行了垂直并聯(lián)管兩組流不穩(wěn)定性研究，得出了發(fā)生管間脈動(dòng)的條與規(guī)律，采用變密度模型，提出了密度波不穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型；并開(kāi)發(fā)了垂直管圈水冷壁水動(dòng)力計(jì)算程序及超臨界鍋爐啟動(dòng)特性優(yōu)化計(jì)算程序。研究工作在鍋爐實(shí)際參數(shù)條件下進(jìn)行，具有壓力高、難度大系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)，所得成果可用于工程設(shè)計(jì)。 2100433B

直流鍋爐的水冷壁中的工質(zhì)是靠水泵壓頭作強(qiáng)制流動(dòng)，不像自然循環(huán)鍋爐那樣總是布置成垂直上升管屏，而可以較自由地布置成各種型式，圖1所示為幾種基本型式。(a)水平環(huán)繞上升式；(b)一次上升式；(c)多次上升式；(d)U型下降上升式；(e)II型上升下降式；(f)多次上升下降式；(g)水平曲折上升式。

水平環(huán)繞上升式水冷壁(或稱螺旋管圈水冷壁)對(duì)爐膛四周吸熱不均性不很敏感，允許工質(zhì)焓增大(達(dá)1200 kJ/kg)。因無(wú)中間集箱，金屬耗量小些。但是，在安裝工地裝配的焊口多，安裝周期長(zhǎng)。這種型式的水冷壁在超臨界壓力和亞臨界壓力情況下均可應(yīng)用。水平曲折上升式水冷壁(圖1(g))對(duì)爐膛各面墻寬度的吸熱不均勻性也不敏感，易于組裝，但制造稍為復(fù)雜，阻力比前一種型式大。有許多彎頭，不易做成膜式水冷壁。 U型上升下降式、Ⅱ型上升下降式及多次上升下降管屏式水冷壁便于組裝，但不易疏水。因彎頭多，做膜式壁較麻煩。它們對(duì)沿寬度的吸熱不均性比較敏感。

多次上升式水冷壁(圖1(c))易于組裝，易做成膜式水冷壁，易疏水，工質(zhì)一次上升之后有混合，但因有較多的集箱和不受熱的下降管，金屬耗量較大。為了保證鍋爐水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工況條件下管壁溫度都不能超溫，并且管子之間(特別是相鄰管子之間)的管壁溫度相差不能太大，以避免產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力而造成破壞。

對(duì)垂直布置的水冷壁管而言，爐膛周界長(zhǎng)度、管子直徑、管間節(jié)距決定了它的質(zhì)量流速的大小。而管子直徑和節(jié)距的選擇都有一定的限制，例如管子的直徑過(guò)細(xì)會(huì)造成水冷壁管熱敏感性高，管子內(nèi)壁上的結(jié)垢和熱負(fù)荷的變化，使某些管子產(chǎn)生過(guò)大的管間流量偏差而使管子超溫。因此管子內(nèi)徑的選擇不宜過(guò)小。同時(shí)為了防止管間鰭片過(guò)熱燒損，管間節(jié)距不能太寬，一般以鰭端溫度與管子正面頂點(diǎn)溫度相等作為鰭片寬度選擇的原則。這樣一來(lái)，在一定的爐膛周界情況下，如果直流鍋爐采用垂直布置的水冷壁管，管子直徑不能過(guò)細(xì)，其管子根數(shù)基本固定，而為了保證水冷壁管子的安全，必須保證一定的工質(zhì)流量，所以垂直管圈的質(zhì)量流速大小是受到嚴(yán)格限制的。

爐膛周界尺寸的增加與鍋爐容量的增加是不成正比例的。容量較小的直流鍋爐水冷壁往往單位容量爐膛周界尺寸過(guò)大，水冷壁管子內(nèi)難以保證足夠的質(zhì)量流速。300 MW容量的鍋爐水冷壁不能設(shè)計(jì)成一次垂直上升型管圈；600 MW容量的鍋爐在負(fù)荷低于60%左右時(shí)質(zhì)量流速也顯得不足(這里指的是采用較粗的管子且無(wú)多次上升垂直管圈，即采用UP型一次上升水冷壁結(jié)構(gòu))。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，燃煤鍋爐水冷壁設(shè)計(jì)成一次上升垂直水冷壁管圈的極限容量最小應(yīng)該在為700 MW以上。

解決爐膛周界和質(zhì)量流速之間矛盾的方法一般有如下幾種：采用小管徑和多次混合的水冷壁(如上鍋300 MW的UP型鍋爐，采用內(nèi)徑11 mm的管子)；水冷壁采用工質(zhì)再循環(huán)(低倍率和復(fù)合循環(huán)鍋爐)；采用多次上升管圈型水冷壁(FW型鍋爐)；采用螺旋管圈型水冷壁。得到廣泛采用的是螺旋管圈水冷壁。例如，國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界壓力直流鍋爐采用的就是螺旋管圈水冷壁。

螺旋管圈的一大特點(diǎn)就是能夠在爐膛周界尺寸一定的條件下，通過(guò)改變螺旋升角來(lái)調(diào)整平行管的數(shù)量，保征容量較小的鍋爐并列管束數(shù)量較小，從而獲得足夠的工質(zhì)質(zhì)量流速，使管壁得到足夠的冷卻。消除傳熱惡化對(duì)水冷壁管子安全的威脅。這樣水冷壁的設(shè)計(jì)就可避免采用熱敏感性太大的直徑過(guò)細(xì)的管子。

設(shè)計(jì)螺旋管圈水冷壁的另一個(gè)要素就是螺旋管圈盤(pán)繞的圈數(shù)。這與螺旋角和爐膛高度有關(guān)。圈數(shù)太少會(huì)部分喪失螺旋管圈在減少吸熱偏差方面的效益；圈數(shù)太多會(huì)增加水冷壁的阻力從而增加水泵功耗，而且在減少吸熱偏差的效益方面增益不大，合理的盤(pán)繞圈數(shù)的推薦值是1.5～2.5圈左右。

首先建立完善的汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況動(dòng)態(tài)模型，包括進(jìn)排氣特征模型、油膜蒸發(fā)模型等。然后模擬汽油機(jī)實(shí)際工作時(shí)的加速狀態(tài)，對(duì)其燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)及其變化率與燃燒參數(shù)的關(guān)系；探討燃燒參數(shù)的瞬態(tài)特性；研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下的進(jìn)氣、噴油及放熱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下排放指標(biāo)的最敏感參數(shù)（空燃比）的變化規(guī)律以及油膜變化對(duì)其影響規(guī)律。最后針對(duì)實(shí)際瞬態(tài)空燃比控制過(guò)程中，氧傳感器存在傳輸時(shí)滯，常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢，無(wú)法適用于實(shí)時(shí)性要求極高的瞬態(tài)空燃比控制等問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于混沌優(yōu)化的復(fù)合自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器優(yōu)化汽油機(jī)加速瞬態(tài)空燃比，進(jìn)而研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下的燃燒規(guī)律，證實(shí)其控制方法的有效性。該項(xiàng)目旨在為尋找汽油機(jī)加速瞬態(tài)燃燒規(guī)律、優(yōu)化瞬態(tài)空燃比和降低排放奠定理論基礎(chǔ)，為提高汽油機(jī)燃油利用率，降低排放量提供新的原理和方法，具有較大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及垂直管屏與螺旋管圈的過(guò)渡形式可分為兩類(lèi)：垂直管圈冷灰斗加分叉管過(guò)渡的型式和螺旋冷灰斗加中間混和集箱過(guò)渡的型式。經(jīng)常采用的是后一種組合型式。因?yàn)槁菪浠叶返奈鼰崞钚?，在水冷壁進(jìn)口不裝配節(jié)流圈的情況下也能保證很小的工質(zhì)出口溫差，中間混合集箱過(guò)渡又能在低負(fù)荷時(shí)獲得均勻的汽水兩相分配，而且結(jié)構(gòu)上下部螺旋管圈和上部垂直管屏的轉(zhuǎn)換根數(shù)之比沒(méi)有限制。圖2為采用這種組合的DGl900/25．4-Ⅱ1型鍋爐的水冷壁總體圖布置。

冷灰斗螺旋水冷壁的結(jié)構(gòu)如圖3所示。過(guò)渡段水冷壁的結(jié)構(gòu)如圖4所示。螺旋盤(pán)繞水冷壁前墻、兩側(cè)墻出口管全部抽出爐外，后墻出口管則是4抽1根(或3抽1根)管子直接上升成為垂直水冷壁后墻凝渣管，另3根抽出到爐外，抽出爐外的所有管子均進(jìn)入螺旋盤(pán)繞水冷壁出口集箱，由連接管從螺旋盤(pán)繞水冷壁出口集箱引入位于鍋爐左右兩側(cè)的兩個(gè)混合集箱混合后，再通過(guò)連接管從混合集箱引入到垂直水冷壁進(jìn)口集箱，然后由垂直水冷壁進(jìn)口集箱引出光管形成垂直水冷壁管屏，垂直光管與螺旋管的管數(shù)比為3：1。這種結(jié)構(gòu)的過(guò)渡段水冷壁可以把螺旋盤(pán)繞水冷壁的荷載平穩(wěn)地傳遞到上部水冷壁。2100433B