[发明专利]利用数值模拟辅助超超临界锅炉屏式过热器管壁温度的计算方法

权利要求书

1.一种利用数值模拟辅助超超临界锅炉屏式过热器管壁温度的计算方法，该方法包括如下步骤：

步骤（1）：对包含屏式过热器的整个锅炉进行建模，构建过热器管壁温度计算方法的数学模型

将整个锅炉的炉膛按照上下高度分为冷灰斗区、燃烧器区、燃烧器上方区、屏式过热器区四个区域，对于每个区域分别给定该区域的平均温度，该平均温度由炉膛热力计算得出；对锅炉的旋流燃烧器和锅炉的炉膛进行单独建模，将旋流燃烧器出口冷态模拟得到的结果作为炉膛入口的边界条件，其中，模型边界条件的设定为将屏区水冷壁设置为屏式过热器管壁温度的边界条件，同时，对屏式过热器在高度方向上以间隔0.5m为间距将屏式过热器划分为若干管段，并且对应每一个管段设定不同的受热面管壁温度t_i，角标i表示屏式过热器受热面计算管段的第i管段，初始段为i=1；同时设置整个屏式过热器壁面的初始温度，在设置整个屏式过热器壁面初始温度时将整个屏式过热器壁面温度设为一个相同的温度值t_p1；

步骤（2）：对步骤（1）所建立的数学模型进行数值模拟，得到屏式过热器计算区域附近的烟温和烟速分布，选取计算数据，将计算数据作为屏式过热器热力计算和水动力计算的初始条件；

步骤（3）：利用热力计算和水动力方法进行屏式过热器壁温计算

通过步骤（1）所建立的模型以及步骤（2）所获得的计算结果，进行屏式过热器第i管段吸热量计算、工质流量计算、工质焓增计算、工质温度计算、管屏壁温计算以及各个换热系数程序将各个初始参数带入计算，如果计算得出的第i管段的受热面管屏的壁面温度t_i与预选受热面管屏壁面温度差值的绝对值小于5℃，则认为该管段的壁面温度计算收敛，停止计算，否则令继续迭代计算，直到该管段的壁面温度计算收敛，然后进行下一管段的壁面温度的计算，直至屏式过热器所有管段的受热面的壁面温度计算收敛，最后将所有管段的受热面的壁面温度所得到的计算值汇总集合，形成整个屏式过热器的计算壁温t_p2；

步骤（4）：对获得的整个屏式过热器的计算管壁进行校核计算，若整个屏式过热器的初始设定壁温t_p1与计算所得到的壁温t_p2的差值的绝对值小于10℃，则认为整个屏式过热器的壁温计算收敛，停止计算，最终得到的屏式受热面的壁温分布结果为t_p2，否则令t_p1=t_p2，继续代入模型中进行模拟、计算，直至收敛；

步骤（5）：计算结果输出

当屏式过热器的壁温分布结果同时满足上述两个判定标准后，则认为屏式过热器的壁温计算完毕，将屏式过热器受热面壁温的计算分布结果进行保存、输出。

2.根据权利要求1所述的利用数值模拟辅助超超临界锅炉屏式过热器管壁温度的计算方法，其特征在于：所述步骤（1）中过热器管壁温度计算方法的数学模型包括如下方程式：

（1）基本控制方程

数值模拟燃烧是一个三维稳态流动过程，遵循质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，对于任一化学组分K，其组分的质量守恒方程为：

∂ρ∂t=∂ρu‾i∂xi=Sm---(1-1)]]>

动量守恒方程：

∂(ρu‾i)∂t+∂∂xj(ρu‾iu‾j)=∂∂xj[μ∂u‾i∂xj-ρui′uj′‾]-∂p∂xi+ρgi---(1-2)]]>

能量守恒方程：

∂(ρcpT‾)∂t+∂∂xj(ρcpujT‾)=∂∂xj[λ∂T‾∂xj-ρcpuj′T′‾]+Sf+SR---(1-3)]]>

状态方程：

ρ=ρ(p,T‾)---(1-4)]]>

式中：

S_mS_fS_R——源相；

——三个坐标方向的平均速度；

u′——三个坐标方向的脉动速度；

——平均温度；

g_i——i方向的重力加速度分量；

μ——分子热运动而引起的动力粘度系数；

ρ——密度；

p——压强；

（2）气相湍流流动方程

湍流模型选择带有旋流修正的realizable k-ε模型，考虑了漩涡流动的影响，可以较好地模拟旋流流动，

∂(ρk)∂t+∂(ρkui)∂xi=∂∂xj[(μ+μtσk)∂k∂xj]+Gk-ρϵ---(1-5)]]>

∂(ρϵ)∂t+∂(ρϵui)∂xi=∂∂xj(μ+μtσϵ)+ρC1Sϵ-ρC2ϵ2k+vϵ---(1-6)]]>

C1=max[0.43,ηη+5]---(1-7)]]>

η＝Sk/ε                                            （1-8）

式中：

k——湍流能；

ε——耗散率；

μ_t——湍流粘性系数；

σ_k和σ_ε——分别是湍流能及其耗散率的湍流普朗特数；

G_k——表示由于平均速度梯度引起的湍流能产生项；

C₂——常数；

S——平均应变率；

v——分子运动粘性系数；

（3）辐射模型

对于煤粉燃烧，本模型采用了P-1辐射模型，

辐射热流：

qr=-13(a+σs)-Cσs▿G---(1-9)]]>

式中：

G——入射辐射；

C——线性各相异性相位函数系数；

a——吸收系数；

σ_s——扩散系数；

引入参数Г：

Γ=13(a+σs)-Cσs---(1-10)]]>

（式9）可简化为：

qr=-Γ▿G---(1-11)]]>

G的运输方程为：

-▿(Γ▿G)-aG+4aσT4=0---(1-12)]]>

式中：

σ——史蒂芬-斯波兹曼常数；

使用P-1模型时，求解这个方程以得到当地辐射强度；

联立（式2-11）和（式2-12），得到等式：

-▿qr=aG-4aσT4---(1-13)]]>

的表达式可以直接带入能量方程，从而得到由于辐射所引起的热量源；

（4）挥发分析出模型

挥发分析出采用两步竞争析出模型，反应方程为：

dVdt=dV1+dV2dt(a1K1+a2K2)---(1-14)]]>

dCdt=-(K1+K2)C---(1-15)]]>

式中：

a₁、a₂——实验确定系数；

C——剩余的碳中未反应煤的百分数；

K₁、K₂——常数；

（5）焦炭燃烧模型

焦炭燃烧采用动力/扩散表面反应速率模型，焦炭燃烧总体速率常数为：

k=11/ks+1/kd---(1-16)]]>

k_s＝A_cT^N exp[-E_c/(RT)]                            （1-17）

k_d＝φShD₀/δ_p                                    （1-18）

式中：

k_s——动力学常数；

k_d——容积扩散常数；

A_c——指前因子；

E_c——活化能；

φ——化学当量因子；

Sh——颗粒传质系数；

D₀——扩散系数；

δ_p——颗粒直径；

（6）非预混燃烧模型

非预混燃烧模型是用于研究模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的模拟方法，燃烧被简化为一个混合问题，并且可以避免与近非线性平均反应率相关的困难允许预测基本组分、中间组分、溶解效应和严格的紊流化学祸合，在非预混燃烧中，燃料和氧化剂以相异流进入反应区，在其发生反应之前，两者的接触必须达到分子水平，流体的瞬时热化学状态与一个守恒量，即混合分数f（f_fuel和p_sec）相关，混合分数根据原子质量分数定义为：

f=Zi-Zi,oxZi,fuel-Zi,ox---(1-19)]]>

式中：

Z_i——元素i的元素质量分数；

下标ox——氧化剂流入口处的值；

下标fuel——燃料流入口处的值；

混合分数f（f_fuel和p_sec）的时均值和脉动分量均方值的传输方程如下：

∂∂t(ρf‾)+∂∂xi(ρuif‾)=∂∂xi(μtδt∂f‾∂xi)+Sm---(1-20)]]>

∂∂t(ρf′2‾)+∂∂xi(ρuif′2‾)=∂∂xi(μtδt∂f′2‾∂xi)+cgμt(∂f‾∂xi)-cd∈kf′2---(1-21)]]>

非绝热系统瞬态函数的时均传输方程为：

∂∂t(ρH′‾)+∂∂xi(ρuiH′‾)=∂∂xi(ktcp∂H′‾∂xi)+Tlk∂ui∂xk+Sh---(1-22)]]>

任一标量的时均值：

φ＝φ(f_fuel，p_sec,H′)                            （1-23）

φ‾=∫01∫01φ(ffuel,psec,H′‾)p1(ffuel)p2(psec)dffueldpsec---(1-24)]]>

式中：

S_m——由颗粒质量传递到气相引起的源相；

S_h——由辐射、壁面换热、二次相热交换引起的源相；

μ_t——混合粘性系数；

p₁、p₂——概率密度函数；

δ_t、c_g、c_d——常数；

所述步骤（3）中热力计算采用如下方程式：

屏式过热器位于炉膛上部的中间位置，其受热面吸收热量的方式包括辐射换热和对流换热两种，屏式过热器受热面计算管段吸热量用下列公式计算:

(Qpg)i=(Qpgf)i+(Qpgd)i---(2-1)]]>

式中：

——屏式过热器受热面第i管段辐射吸热量，w；

——屏式过热器受热面第i管段对流吸热量，w；

（1）屏式过热器受热面第i管段辐射吸热量

(Qpgf)i=(Apg′)i×(qpgf)i---(2-2)]]>

式中：

(A′_pg)_i——计及曝光不均匀的屏面积，m²；

——屏式过热器受热面第i管段辐射热强度，w/m²；

（a）计及曝光不均匀的屏面积

(A′_pg)_i＝(A_pg)_i×x×z_pg                                    （2-3）

式中：

(A_pg)_i——第i管段屏面积，m²；

x——整个炉膛的平均角系数；

z_pg——屏的曝光不均匀系数；

（b）整个炉膛的平均角系数

x=2×Ac×xc+Aq×xq+Ah×xh+Ach×xch+Ald×xld+Apg×xpg2×Ac+Aq+Ah+Ach+Ald+Apg---(2-4)]]>

式中：

c——侧墙；

q——前墙；

h——后墙；

ch——炉膛出口烟窗；

ld——炉顶包覆过热器；

pg——屏式过热器；

（c）屏的曝光不均匀系数

z_pg＝a_pg/a_zy                                            （2-5）

式中：

a_pg——屏的黑度；

a_zy——自由容积的火焰有效黑度；

（d）自由容积的火焰有效黑度

a_zy＝1-e^-kps                                            （2-6）

式中：

p——炉膛压力，MPa；

s——烟气的有效辐射层厚度，s=0.9d(4πs1s2d2-1);]]>

k——辐射减弱系数，1/m·Mpa；

（e）辐射减弱系数

k＝k_qr+k_hμ_h                                            （2-7）

式中：

k_q——烟气中三原子气体的辐射减弱系数，1/m.MPa；

r——烟气中三原子气体的总容积份额；

k_h——烟气中悬浮灰粒的辐射减弱系数，1/m.MPa；

μ_h——烟气中飞灰的无因次浓度；

（f）屏式过热器受热面第i管段辐射热强度

(qpg)i=ηpg×qlpj---(2-8)]]>

式中：

η_pg——屏式过热器辐射吸热分布系数；

——炉内平均辐射热强度，W/m²；

（g）炉内平均辐射热强度计算公式为：

qlpj=Bj×Qlf/(3600×Alq)---(2-9)]]>

式中：

B_j——计算燃料消耗量，kg/h；

A_lq——炉墙及其受热面总面积，m²；

——炉膛辐射吸热量，kj/kg；

（2）屏式过热器受热面第i管段对流吸热量

(Qpgd)i=(ad)i(Hpg)i[(θy)i-(thw)i]Bj×10-3---(2-10)]]>

式中：

(a_d)_i——相对于屏式过热器受热面第i管段的对流放热系数；

(H_pg)_i——屏式过热器计算受热面面积；

(θ_y)_i——屏式过热器计算受热面管段附近的烟气温度；

(t_hw)_i——屏式过热器计算受热面管外壁灰污沉积层温度；

（a）对流放热系数a_d计算公式为：

(ad)i=0.2CSCZλdi[(ωy)idiv]0.65Pr0.33---(2-11)]]>

式中：

C_S——管束几何布置方式的修正系数，与管子的相对节距有关；

C_Z——沿烟气行方向管子排数的修正系数，决定于计算管束各个管组的平均排数z₂；

λ——气流平均温度下介质的导热系数，W/(m²·K)；

v——气流平均温度下介质的运动粘度，m²/s；

P_r——气流平均温度下普朗特准则数；

d_i——屏式过热器受热计算受热面第i管段的当量直径，m；

(ω_y)_i——计算受热面第i管段附近的烟气速度，m/s；

（3）计算受热面第i管段管内工质的流量

(Dj)i=Dρrmρr3Mηj---(2-12)]]>

式中：

η_j——由联箱引出的平行并行管子的数量；

D——部件内介质的流量，kg/s；

——屏的水力偏差系数；

——同屏管间的水力偏差系数；

（4）屏式过热器各个管段内工质焓增

Δip=ηπ(Qpg)iBj(Dj)i---(2-13)]]>

式中：

η_π——沿烟道宽度部件吸热不均匀系数；

（5）屏式过热器某一管段内工质出口焓值计算

对分段的各管段进行传热计算，得到该管段的焓增，再加上该管段工质的初始焓，可以得到工质的出口焓；然后，对应工质的出口焓以及出口压力，查表得到工质的出口温度；将上一段蒸汽的出口温度作为下一段工质的进口温度，重复上述步骤完成从入口至出口的叠加计算，得到沿全管长的蒸汽温度分布，其中，单段工质焓的具体计算方法为：

i＝i'+Δi_p                                        （2-14）

式中：

i'——某段工质的进口焓值，kJ/kg；

i——某段工质的出口焓值，kJ/kg；

（6）屏式过热器第i管段金属壁面计算温度的确定

ti=ti0+δtT+βμ(qmax)i103(δλM11+β+1α2)---(2-15)]]>

式中：

t_i——计算壁温，是屏式过热器第i管段金属壁面的平均壁温，℃；

——计算截面中部件的平均介质温度，℃；

δt_T——计算管段中工质的出口温度与工质平均温度的差值，℃；

μ——热量分流系数；

δ——管壁厚度，m；

β——管子外径与内径之比；

(q_max)_i——第i管段最大单位吸热量，kw/m²；

α₂——管内壁对加热介质的放热系数，w/(m²·k)；

λ_M——管壁金属导热系数，w/(m·k)；

计算管段中工质的出口温度与工质平均温度的差值：

δt_T＝t_i″-t_i                            （2-16）

式中：

t_i＂——第i管段工质的出口温度，℃；

计算管段最大单位吸热量：

(q_max)_i＝η_πη_Tη_cT(q_pg)_i               （2-17）

式中：

η_T——计算管段沿炉膛宽度吸热不均匀系数；

η_cT——各炉墙吸热不均匀系数；

(q_pg)_i——第i管段平均单位吸热量。