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1、. . . . 硕 士 学 位 论 文题 目：超超临界锅炉垂直管屏水冷壁流动特性研究英文题目：The Study for The Flow Characteristics of Vertical Tube Platen Water Cooled Wall in The Ultra-supercritical Boiler研究生： 专业：研 究 方向：电站热力设备状态监测与控制导 师 ：职称： / 摘 要本文对超临界锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁以与螺旋管圈水冷壁编制了水动力特性的各种计算程序，对两种类型的锅炉水冷壁在不同热负荷、热偏差、入口欠焓以与不同质量流速等条件下的水动力特性进行了对比分析，结果
2、验证了垂直管屏水冷壁在高质量流速下的强制流动特性，在低质量流速下的自然循环补偿特性，还有以上各种参量对于他们的具体影响,而螺旋管圈水冷壁则由于它的特殊结构型式，导致它在全负荷围都保持相对较大的摩阻压降，水动力特性不是很理想。此外，本文还对热负荷、质量流速以与入口欠焓等三个因素对水动力多值性的具体影响做出了一定的分析。关键词：超超临界锅炉，流动特性，垂直管屏，螺旋管圈，下辐射区水冷壁ABSTRACTIn this paper, a series of calculative program is compiled about thehydrodynamic characteristicsofth
3、evertical rifled tube platen water cooled walland spiral circle tube water cooled wall in the ultra-supercritical boiler. The flow characteristics of this two boilers water cooled wall in the condition of different heat loads, heat deviation, insufficient enthalpy of the entrance and mass flow rates
4、 are analyzed and studied contradistinctive. The result validates that thevertical tube platen water cooled wall has force flow characteristic in the condition of high mass flow rates and has natural circle characteristic in the condition of low mass flow rates and the specific impact ofall of the a
5、bove parameters to them,whereas the spiral tube circle Tube water cooled wall , because of its special structure , it will keep a higher friction pressure dropin all the load area, and the hydrodynamic characteristicsof it is not so good.Besides, This article has also done some meticulous analysis a
6、bout the influence that the heat load, mass flow rate and insufficient enthalpy of the entrance had done to the hydrodynamic different value characteristic.Cui Peng（Fluid Machinery and Engineering）Directed by Prof. Fan Quan-guiKEYWORDS:ultra-supercritical boiler，flow characteristic，vertical tube pla
7、ten，spiral circle tube ,water cooled walls lower radiation zone目 录中文摘要英文摘要第一章引言11.1 课题研究的背景与意义11.2 超临界锅炉的发展动态与研究成果11.3本论文的主要研究容21.3.1 水冷壁水动力特性的计算研究方案21.3.2 螺纹管水冷壁的水动力特性的影响因素31.3.3 水动力多值性方面的理论研究31.4 小结3第二章超临界锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁简介42.1 超超临界锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁与其特点42.2 螺纹管的工作原理与传热特性72.3 小结8第三章超临界直流锅炉水冷壁运行方式与其特性分析93.1
8、超临界机组水冷壁水动力特性的定性分析93.1.1 螺纹管垂直管屏水冷壁水动力特性分析103.1.2 螺纹管螺旋管圈水冷壁水动力特性分析123.2小结13第四章超临界锅炉水动力计算所应用的数学模型144.1汽液两相流简介144.1.1 汽液两相流的定义与应用144.1.2 汽液两相流的研究模型144.2 单相流体各种压降的计算方法154.2.1 单相流体的加速压降计算方法154.2.2 单相流体的摩阻压降计算方法164.2.3 单相流体的重位压降计算方法184.3 两相流体压降的计算方法184.3.1 两相流体的加速压194.3.2 两相流体的摩阻压降计算方法194.3.3 两相流体的重位压降计
9、算方法204.4 亚临界压力下工质状态转变点位置确定的重要性214.5 小结21第五章超超临界锅炉水冷壁水动力特性的定量计算与对比分析235.1 水动力特性计算模型的建立235.2 各种类型水冷壁计算结果与分析275.2.1 玉环电厂超临界锅炉垂直管屏水冷壁的水动力特性分析275.2.2 邹县电厂超临界锅炉螺旋管圈水冷壁的水动力特性分析355.3 超临界锅炉水冷壁水动力多值性的几个影响因素分析425.3.1 热负荷对多值性的影响425.3.2 入口欠焓对多值性的影响435.3.3 质量流速对多值性的影响445.4 小结45第六章结论与展望466.1 结论466.1.1 玉环电厂在不同工况下的水
10、冷壁水动力特性466.1.2 与邹县电厂水冷壁在水动力特性方面的对比476.1.3 锅炉水冷壁水动力多值性的计算486.1.4 工质大比热特性对水动力的影响486.2 展望49参考文献50致53在学期间发表的学术论文和参加科研情况54第一章 引 言能源是人类进行生产和赖以生存的重要物质基础，随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，对能源的需求也随之越来越大。因此，合理开发能源，提高能源利用的综合效益就显得越发重要。因此，为节约能源消耗和减轻环境污染，我们应当大力发展洁净煤技术，而这项技术中的一项主要容就是超临界与超超临界技术，超临界机组的主要设备是以处于超临界状态的水蒸汽为工质的锅炉和汽轮
11、机，它是一种节能、高效、大型的火力发电机组12。它的最主要的特点即发电煤耗低，效率高，可实现变压运行等，可见他十分满足我国在能源高效利用方面的要求，我们应当予以重视。1.1 课题研究的背景与意义超临界是一个热力学概念，而超临界机组是指蒸汽压力达到超临界状态的发电机组。超临界与超超临界机组的最大优势是能够大幅度提高循环热效率，降低发电煤耗。但相应的也需要提高金属材料的档次和金属部件的焊接工艺水平。全世界主要的工业国家十分重视发展超临界和超超临界技术，前联境超临界机组数量与总容量居世界首位。在美国、德国、日本等国家也具有相当数量的超临界机组。目前，日本是世界上超临界机组技术最先进的国家，技术先进的
12、主要体现是变压运行技术成熟，发电煤耗低等方面。日本目前正在开发更加适合于超临界机组的高强度耐热金属材料，并实现了采用螺纹管垂直管屏水冷壁完成变压运行的新一代技术。超临界机组的蒸汽参数大于临界压力，蒸汽和水的密度基本一样，没有明显分界，首先受影响的是锅炉的水冷壁。超临界锅炉水冷壁不能采用传统汽包锅炉的自然循环方式，而必须采用强制流动方式，即以直流运行方式为主，也可采用部分复合循环方式。超临界锅炉的水冷壁结构设计主要出现了两种型式：一种是采用螺旋管圈的水冷壁，另一种是采用垂直管屏的水冷壁34。两种水冷壁各有利弊，需要结合实际情况选用。一般认为，采用垂直管屏水冷壁的直流锅炉不适合变压运行，但是采用了
13、一些新兴技术的垂直管屏水冷壁实现变压运行也是可能的。例如螺纹管垂直管屏变压运行技术已经有部分实践应用的例子。我在这个背景下开展论文课题，希望能够对超临界与超超临界锅炉在实际设计与安全运行中提供一定的参考。1.2 超临界锅炉的发展动态与研究成果美国是发展超临界技术最早的国家。早在50年代初，美国就开始了探索性的试验研究。美国第一台超临界机组的蒸汽参数就高达3lMPa ，在技术研发的过程中不顾工业实力，技术水平，片面追求高效率，并为此付出了不小的代价。此外，由于美国煤价较低，效率提高的意义不如想象中明显，再加上超临界机组变负荷调峰能力较差等因素的共同作用，造成超临界机组的运行经济效益并不突出。发展
14、超临界机组技术最为果断的是前联。经过综合技术经济对比和理论分析，前联明确了发展超临界机组的战略和方向，虽然在此过程中并不顺利，遭遇很多困难，但是依然坚持300MW以上的各种类型火电机组全部采用超临界参数。前联发展的超临界机组，基本上都是立足于本国技术，与世界的交流不足，技术的发展和更新周期较长，表现为工艺粗糙、锅炉笨重、金属性能与检验手段都有待提高，在自控系统、辅机、阀门、吹灰装置等方面比之其它发达国家还有较大差距。超临界机组技术在日本起步较晚，但采用引进、仿制与创新相结合的战略思想 ，取得了良好的发展态势。目前以机组的效益好、效率高、煤耗低、技术更新周期短而一跃成为发展超临界机组技术的领先国
15、家之一。日本发展超临界机组的方略与联形成明显对比，日本的发展模式，避免了在研制超临界机组技术过程中的许多必要挫折，汲取了国际上的成熟经验，实现了跨越式的技术发展，为我国超临界技术的发展提供了一定的参考5。随着近些年来我国在超临界锅炉领域的发展进步，国学者做出了许多工作。尤其是在螺纹管传热以与水动力特性的研究等67方面，交通大学的听宽教授等人以动力工程多相流国家重点实验室为平台，做了许多有关于超临界锅炉螺纹管流动特性与传热特性的实验研究，试验得出了在不同参数、不同条件下的壁温分布、单相与两相对流放热系数、发生传热恶化的临界条件、干涸后放热系数以与螺纹管的摩擦压降等重要数据，并且总结提出了计算关联式，为超临界锅炉水冷壁的设计提供了重要参考8。在对超临界锅炉垂直管屏水冷壁变压运行特性的研究方面，樊泉桂教授针对1000MW超临界机组锅炉螺纹管垂直管屏水冷壁进行了比较详尽的理论分析。并且重点分析了低质量流速下的热偏差对变压运行水冷壁水动力特性的各方面影响，为我国超临界锅炉水冷壁技术的发展进步提供了很有价值的借鉴9。1.3本论文的主要研究容1.3.1 水冷壁水动力特性的计算研究方案本文主要参考电站锅炉水动力
