[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

说明书

技术领域

本发明涉及锅炉内过热器管壁的计算方法，具体是指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。

背景技术

在我国，电站锅炉运行中，过热器爆管的事故时有发生，且原因多样，大致归纳为：过热器区域整体长期超温过热；管内工质流量偏低，流量不均造成的局部过热；过热器附近烟温、烟速分布不均匀等。对于过热系统而言，爆管大多是因为管壁超温所致。过热器处于高温的环境下，管壁内外温度相差较大，有时可能达到100°C，这种环境容易造成过热器爆管现象的发生。

过热器的管壁温度是衡量锅炉能否安全运行的重要指标之一，准确地预测高温受热面哪些管道的哪些部位处于相对恶劣的环境，采取针对性的对应措施，减少超温爆管事故的发生显得尤为重要，所以如何准确地确定过热器管壁温度具有重要的意义。

目前对于炉内管壁温度的计算尚缺乏有效手段，通用的方法有两种：1、通过锅炉热力计算得到炉内管壁温度；2、利用数值模拟的方法计算得到炉内管壁温度的方法。但是这两种方法都存在各自的缺点。表1是两种方法的对比分析。

表1热力计算方法与数值模拟方法的对比分析

由于过热器的壁温分布由烟气入口截面温度与受热面本身结构特点决定。受热面本身结构已在设计安装时确定，要得到较准确的管壁温度首先要精确地知道管壁附近烟气的温度、速度分布。数值模拟虽然可以模拟出详细的烟温和烟速分布，但是由于模拟建模的限制，不能很好地考虑到管内工质和管壁传热的影响，最终得到的壁温结果可能误差较大；而热力计算考虑了金属管壁的传热以及管内工质吸热等影响，但由于无法得到详细的烟温分布和烟速分布，限制了壁温分布的精确性。通过表1比较可以得出，两种方法的相同点在于两者都需要知道管壁附近烟温和烟速的分布。利用数值模拟得到的烟温和烟速分布作为热力计算的初始条件，最终得出炉内的壁温分布，通过将两种方法的优点进行结合，壁温分布的准确性得到了提高，也为炉内管壁温度计算提供了一种新方法。

至今为止，国内一些学者提出过相关的方法，其特点为将屏式过热器视为热源，吸收周围烟气的辐射和对流热量，模拟时以单个管屏作为一个单位，设置为壁面边界条件，通过逐步增加热流密度得到屏区附近的烟温和烟速分布，然后将得到的热负荷分布作为热力计算的初始条件进行迭代计算，最终计算出屏式过热器的管壁温度分布。

但是现有技术存在如下缺点：

缺点1：屏式过热器壁面边界条件设定问题。

屏式过热器管外壁的换热方式分为辐射换热和对流换热两种。辐射换热是两个互不接触且温度不同的物体之间通过电磁波进行的换热过程，与物体温度有关；而对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递过程，受流体流动、相变、流态以及固体几何等因素影响。

在现有技术数值模拟过程中，屏式过热器壁面设定为热流密度的边界条件，屏式过热器总换热量全部转换为对流换热量进行模拟，虽然这种方法降低了模型的复杂性，利于模拟的进行，但是壁面对辐射换热过程和对流换热过程的特点不同，为保证模拟结果的准确性，在模拟过程中，尽量不要将两种换热方式进行转换。

缺点2：计算受热面附近烟温和烟速分布的读取问题。模拟完毕后，热力计算所用到的烟温和烟速分布，仅仅是通过人工读取和输入，由于数值总量较多，人工读取数值时存在误差性，工作量较大，对壁温的计算速度和计算准确度具有较大的影响。

缺点3：现有方法的壁温计算仅考虑了沿管道圆周对流放热吸热不均匀性、屏间以及同屏管内的水力不均匀性，使得最终计算得到的壁温分布结果与真实温度存在较大的误差。

缺点4：受热面壁温反复校核和修正问题。模拟中使用的热流密度是通过热力计算得到的平均值，但是屏区每一点的吸热量都是不同的，故各点热流密度也不一样。由于热力计算是零维模型，无法得到每一点的吸热量，只能计算得到整个屏区的平均温度，因此屏区的边界条件只能设置为一个相同的热流密度，模拟得到的屏区附近的烟温和烟速分布会存在较大的误差，用此结果作为热力计算的初始参数后，将较大影响了壁温分布最终结果的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供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，该计算方法能兼顾数值模拟和热力计算的优点，通过这种方法的计算，不仅可以得到炉内详细的壁温分布，同时壁温结果的准确性也得到了提高，准确地预测高温受热面哪些管道的哪些部位处于相对恶劣的环境，及时采取针对性的对应措施，减少超温爆管事故的发生。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：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：