水冷壁溫差影響因素研究

邵磊，李峰，褚衍偉，馮仁海，隋鑫，葛琥

（1.華電國(guó)際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277103；2.中科軟科技股份有限公司，北京 100080）

1 研究背景

隨著煤價(jià)大幅波動(dòng)和供電緊張情況的加劇，我國(guó)超臨界機(jī)組燃用煤種頻繁波動(dòng)，經(jīng)常會(huì)偏離鍋爐設(shè)計(jì)煤種范圍和負(fù)荷范圍，造成嚴(yán)重的鍋爐水冷壁積灰、結(jié)渣問(wèn)題，對(duì)超臨界機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，與此同時(shí)，還會(huì)造成水冷壁熱流密度分配不均，降低水冷壁壽命，甚至導(dǎo)致安全運(yùn)行事故。

水冷壁溫差監(jiān)測(cè)法是一種常用的對(duì)鍋爐爐膛熱流密度監(jiān)測(cè)手段。目前，常用的手段還有熱流計(jì)法、灰污特征系數(shù)法等。

黑龍江紅光爐排廠曾研發(fā)一種高溫?zé)犭娕?。該熱電偶直接穿過(guò)水冷壁進(jìn)入爐膛內(nèi)，并使用圓柱形不繡鋼管孔和絕熱材料制成熱遮罩，保證熱輻射誤差盡可能小。使用該熱電偶，測(cè)得了循環(huán)流化床鍋爐給定位置爐膛截面的溫度。但在使用中發(fā)現(xiàn)，熱電偶?jí)勖鄬?duì)較短，并且在爐膛插入的深度需要嚴(yán)格控制，較為煩瑣。

廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院經(jīng)過(guò)研究指出，為了提高插入爐膛的熱電偶精度，可以采用雙層遮熱罩結(jié)構(gòu)。不使用遮熱罩測(cè)溫測(cè)量相對(duì)誤差達(dá)20%，使用單層遮熱罩后相對(duì)誤差約為5%，實(shí)際使用雙層遮熱罩相對(duì)誤差可以縮小到2%以?xún)?nèi)。此外，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃，否則會(huì)有較大誤差，因此需要進(jìn)一步增大熱電偶尺寸，保證接線處溫度不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，顯得更加笨重。

華北電力大學(xué)的祝欣慰等采用灰污特征法，使用電廠DCS提供的數(shù)據(jù)，構(gòu)建污染監(jiān)測(cè)模型。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，吹灰器附近吹灰后受熱面清潔因子有較大增加，但吹灰停止后，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，受熱面污染的增加，清潔因子又逐漸恢復(fù)至正常值。受熱面清潔系數(shù)的變化與鍋爐實(shí)際吹灰情況相吻合，表明該污染監(jiān)測(cè)模型在一定程度上能夠正確反映受熱面的實(shí)際污染狀況。

華北電力大學(xué)的楊斌等使用了類(lèi)似的方法，以支持向量機(jī)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了一套燃煤電站鍋爐水冷壁以及對(duì)流受熱面污染的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電廠人員使用吹灰器進(jìn)行了指導(dǎo)。

盡管以上學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了大量研究，結(jié)果也表明，水冷壁溫差與熱流密度間存在明顯的線性關(guān)系，然而，由于溫差還同時(shí)受到爐膛輻射角系數(shù)、內(nèi)壁溫分布、結(jié)渣形態(tài)等因素的影響，就會(huì)導(dǎo)致該方法在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確、難以定量分析各影響因素的困難。為此，本文對(duì)這些量進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

2 水冷壁溫差影響因素分析

2.1 分析方法

本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法建立二維數(shù)值傳熱模型進(jìn)行分析。水冷壁在水平方向上由結(jié)構(gòu)相同的鰭片管單元組成，且數(shù)量較多；而爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔庑纬傻妮椛錈崃髟谖覀冄芯康姆秶鷥?nèi)變化不大，在各周期單元內(nèi)的影響基本一致。由此水冷壁實(shí)際上可以視為一個(gè)二維周期邊界的傳熱結(jié)構(gòu)。因此，只需截取一個(gè)周期的水冷壁進(jìn)行分析，即可得到所需數(shù)據(jù)。

由此選定相鄰的兩個(gè)鰭片的中線之間的部分（包括管道、兩個(gè)半鰭片、管上和鰭片上的渣層，以及覆蓋的保溫層）作為一個(gè)傳熱單元，在CFD中構(gòu)建模型計(jì)算，如圖1所示。

圖1 二維計(jì)算區(qū)域

本模型中，主要參數(shù)有以下幾個(gè)：爐膛輻射強(qiáng)度、渣層厚度、工質(zhì)及管內(nèi)壁溫度、渣層物性、水冷壁物性、保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)、環(huán)境溫度等。而主要觀測(cè)的參數(shù)為水冷壁鰭片重點(diǎn)的熱點(diǎn)溫度和水冷壁鰭片管中部的冷點(diǎn)溫度，以及兩者的溫差。

基本上，參數(shù)采用分段線性擬合的方式設(shè)定。其中管內(nèi)壁溫度較為特殊，采用UDF文件定義。其中爐膛輻射強(qiáng)度主要影響傳入模型的熱流量，從而改變表面的壁面溫差。需要說(shuō)明的是，模型的角系數(shù)對(duì)此有一定影響，但是，渣層的形狀不規(guī)則，難以直接計(jì)算，具體的影響在2.2節(jié)說(shuō)明。

渣層厚度影響模型整體的熱阻，進(jìn)而改變熱流密度。因?yàn)樵鼘拥臒嶙枰哂谒浔冢浜穸确e累變大后，就會(huì)迅速增大熱阻，導(dǎo)致熱流密度變化，壁面溫差異常。

此外，渣層的物性（主要是導(dǎo)熱系數(shù)）也會(huì)隨著溫度變化，并隨之改變熱流密度和壁面溫差。因此，在CFD中設(shè)置了分段擬合的渣層導(dǎo)熱系數(shù)。水冷壁的物性（主要是導(dǎo)熱系數(shù)）對(duì)熱流密度的影響原理也類(lèi)似，取300℃、400℃和500℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為47.6W/（m·K），43.9W/（m·K）和37.8W/（m·K）。其他溫度采用線性插值方法獲得。

保溫材料則主要減少熱流對(duì)外的損失，來(lái)改變熱流密度。環(huán)境溫度類(lèi)似，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，其降低時(shí)會(huì)使傳熱單元對(duì)大氣環(huán)境的熱流增大，進(jìn)而導(dǎo)致溫溫差變化。

通過(guò)對(duì)某電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，確定了上述影響因素的范圍分別是：輻射熱流密度100～400kW/m2；渣層厚度2～12mm；渣層導(dǎo)熱系數(shù)2～6W/（m·K）；水冷壁材料導(dǎo)熱系數(shù)25～50W/（m·K）；保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0～0.08W/（m·K）。下面通過(guò)敏感性分析方法確定各因素對(duì)結(jié)果的影響程度。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)CFD計(jì)算的結(jié)果，分別分析了熱流密度、渣層厚度、水冷壁熱物性等重要參數(shù)對(duì)冷熱點(diǎn)測(cè)量溫差的影響規(guī)律。下面分別闡述。

首先，輻射熱流密度是導(dǎo)致水冷壁冷、熱點(diǎn)出現(xiàn)溫差的決定性因素，水冷壁冷、熱點(diǎn)溫度都隨著熱流密度的增加而線性增長(zhǎng)，但熱點(diǎn)增長(zhǎng)的幅度比較明顯，冷點(diǎn)的變化很小，其主要原因在于冷點(diǎn)位置與冷卻工質(zhì)距離更近，因此，主要受到工質(zhì)水的溫度影響；計(jì)算表明，在600K內(nèi)壁溫下，輻射熱流密度每增加100kW/m2，熱點(diǎn)溫度增加約11K。而冷待內(nèi)溫度僅增加約0.25K，且接近于內(nèi)壁溫。當(dāng)內(nèi)壁溫為700K和800K時(shí)，冷、熱點(diǎn)溫度隨熱流密度變化的趨勢(shì)與內(nèi)壁溫600K的結(jié)果基本一致。由此可見(jiàn)，在研究的內(nèi)壁溫度和渣層厚度范圍內(nèi)，冷熱點(diǎn)溫差與輻射熱流密度基本成線性關(guān)系，其斜率就是被測(cè)量對(duì)輻射熱流密度的敏感度。據(jù)此，定義該斜率為傳熱特性系數(shù)r，表征冷熱點(diǎn)之間的熱量傳遞能力，r越小能力越差，等效熱阻越高。

渣層厚度對(duì)水冷壁冷、熱點(diǎn)溫差的影響結(jié)果如圖2所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，渣層厚度變化時(shí)，結(jié)果依然保持著很好的線性，渣層厚度增大時(shí)，不僅溫差下降，而且溫差隨著熱流密度變化的敏感度也在下降。

圖2 水冷壁溫差隨渣層厚度變化趨勢(shì)

渣層的導(dǎo)熱系數(shù)λa對(duì)溫差的影響較小。λa增大時(shí)，熱點(diǎn)溫度減小，冷點(diǎn)溫度幾乎不變。計(jì)算表明λa每增加1W/（m·K）時(shí)，溫差約減小0.077K，由此可見(jiàn)，可忽略渣層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)冷、熱點(diǎn)溫差的影響。

水冷壁（碳鋼）的導(dǎo)熱系數(shù)（λs）隨著溫度顯著變化，會(huì)直接影響水冷壁的傳熱系數(shù)，因此，冷、熱點(diǎn)溫度都隨著λs上升而下降，而溫差則隨著λs的下降而增加，但兩者的乘積也有所下降，也就是λs增大到2倍，溫差會(huì)下降到原來(lái)的1/2以下。分析其原因主要是根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，λs和溫差的乘積應(yīng)該與冷點(diǎn)到熱點(diǎn)流過(guò)的熱流成正比，而內(nèi)壁也會(huì)吸走一部分熱流，λs越大，從內(nèi)壁處流走的熱流就越多，總輻射熱流一定的情況下，相對(duì)地冷熱點(diǎn)之間的熱流就會(huì)減小。

保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)（λc）增大時(shí)，冷點(diǎn)溫度增大而熱點(diǎn)溫度減小。λc每增加0.02W/（m·K），溫差約增大0.08K。λc越大，保溫層熱阻越小，從背火側(cè)壁面流走的熱流越大，冷熱點(diǎn)間溫差增大，而總體來(lái)說(shuō)，保溫材料由于厚度較大，整體熱阻較高，因此，溫差受保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響不大。

在以往研究中，鰭片管內(nèi)壁溫通常采用等溫分布的假設(shè)，但根據(jù)清華大學(xué)李舟航等人的研究，發(fā)現(xiàn)由于鍋爐水冷壁屬于典型的半周受熱情況，因此，無(wú)論是熱流密度還是水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)溫度在周向分布都是不均勻的。由前述分析可知，在內(nèi)壁溫均值一定的情況下，熱點(diǎn)溫度受內(nèi)壁溫分布的影響很小，可認(rèn)為熱點(diǎn)溫度主要取決于內(nèi)壁均溫。而冷點(diǎn)溫度主要受內(nèi)壁最低溫度的影響，會(huì)隨著壁溫分布的不均勻性增大有明顯下降，導(dǎo)致溫差迅速增大。因此，采用余弦分布假設(shè)考慮水冷壁管周向溫度分布不均特征：

式中，T1、T2和α分別為管內(nèi)工質(zhì)的平均溫度、最高、最低工質(zhì)間的1/2溫差以及管周向的角度。根據(jù)式(1)，即可算出任何角度下的工質(zhì)周向溫度。將此溫度作為CFD計(jì)算中的冷端邊界條件，得到測(cè)量點(diǎn)熱端溫度TA、冷端溫度TB以及溫差△T受到周向溫度影響如表1所示。

表1 內(nèi)壁溫度分布對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

在均值一定的情況下，熱點(diǎn)溫度受內(nèi)壁溫分布的影響很小，可認(rèn)為熱點(diǎn)溫度主要取決于內(nèi)壁均溫。而冷點(diǎn)溫度主要受內(nèi)壁最低溫度的影響，會(huì)隨著壁溫分布的不均勻性增大有明顯下降，導(dǎo)致溫差迅速增大。

2.3 模型及熱流計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用2.2的分析結(jié)果，可建立測(cè)點(diǎn)溫差隨各關(guān)鍵變量的變化關(guān)系，并進(jìn)一步編制了超臨界機(jī)組水冷壁熱流密度及結(jié)渣程度預(yù)測(cè)算法，并應(yīng)用于某電廠超臨界機(jī)組中。所用裝置為清華大學(xué)自主研發(fā)的高精度水冷壁背火側(cè)熱流計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫元件采用高精度鎧裝熱電偶，并使用研發(fā)的彈簧壓緊結(jié)構(gòu)固定，保證壓緊力處在設(shè)計(jì)區(qū)間。通信設(shè)備采用智能前端和配套卡件，保證較高的數(shù)據(jù)取樣頻率和較好的通信質(zhì)量。后處理采用高性能獨(dú)立服務(wù)器，保證處理程序高效運(yùn)行，并將輸出數(shù)據(jù)制作成廠內(nèi)網(wǎng)站，供廠內(nèi)工作人員瀏覽。

目前，系統(tǒng)上線時(shí)間超過(guò)3個(gè)月，通過(guò)大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練服務(wù)器內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，取得了初步成果。目前，能夠給廠內(nèi)人員提供實(shí)時(shí)的水冷壁熱流密度云圖、溫度云圖以及結(jié)渣位置警告。根據(jù)廠內(nèi)需求，目前在開(kāi)發(fā)對(duì)接吹灰方面的程序，未來(lái)功能上線后，將實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、結(jié)渣警報(bào)、吹灰建議的信息鏈，使工作人員能過(guò)夠更方便地完成吹灰器調(diào)度工作。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水冷壁開(kāi)展二維CFD傳熱計(jì)算，系統(tǒng)分析了熱物性、工質(zhì)溫度分布、渣層厚度等條件對(duì)測(cè)點(diǎn)溫差隨熱流密度變化關(guān)系的影響，得到以下結(jié)論。

（1）水冷壁冷熱測(cè)點(diǎn)溫差隨熱流密度呈線性變化關(guān)系，基本上滿(mǎn)足傅里葉導(dǎo)熱定律。

（2）水冷壁測(cè)點(diǎn)溫差受多種因素影響，其中灰渣層厚度增大時(shí)，主要影響熱端測(cè)點(diǎn)溫度降低，從而導(dǎo)致溫差降低；導(dǎo)熱系數(shù)增大也會(huì)導(dǎo)致溫差降低。

（3）水冷壁管內(nèi)工質(zhì)分布不均會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)溫差造成顯著影響，但工質(zhì)在余弦分布條件下，可通過(guò)模型修正溫差與熱流之間的關(guān)系。

（4）所開(kāi)發(fā)模型得到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了CFD計(jì)算得到的趨勢(shì)和結(jié)論。