大型直流锅炉水冷壁两相流瞬态传热规律的试验研究

本项目在8～25MPa压力范围内，模拟超临界压力锅炉水冷壁系统，进行了动态特性的试验研究，确定了燃料率、压力、流量及进口温度扰动条件下水冷壁参数的动态特性，分别在亚临界及超临界压力区域内，建立了动态数学模型，从而能确定传递函数；在13～17MPa压力条件下，研究了垂直管圈水冷壁内螺纹管的传热特性，得出了发生传热恶化的临界条件，提出了传热系数计算公式；在3～18MPa压力条件下，进行了垂直并联管两组流不稳定性研究，得出了发生管间脉动的条与规律，采用变密度模型，提出了密度波不稳定性数学模型；并开发了垂直管圈水冷壁水动力计算程序及超临界锅炉启动特性优化计算程序。研究工作在锅炉实际参数条件下进行，具有压力高、难度大系统复杂等特点，所得成果可用于工程设计。 2100433B

直流锅炉的水冷壁中的工质是靠水泵压头作强制流动，不像自然循环锅炉那样总是布置成垂直上升管屏，而可以较自由地布置成各种型式，图1所示为几种基本型式。(a)水平环绕上升式；(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。

水平环绕上升式水冷壁(或称螺旋管圈水冷壁)对炉膛四周吸热不均性不很敏感，允许工质焓增大(达1200 kJ/kg)。因无中间集箱，金属耗量小些。但是，在安装工地装配的焊口多，安装周期长。这种型式的水冷壁在超临界压力和亚临界压力情况下均可应用。水平曲折上升式水冷壁(图1(g))对炉膛各面墙宽度的吸热不均匀性也不敏感，易于组装，但制造稍为复杂，阻力比前一种型式大。有许多弯头，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组装，但不易疏水。因弯头多，做膜式壁较麻烦。它们对沿宽度的吸热不均性比较敏感。

多次上升式水冷壁(图1(c))易于组装，易做成膜式水冷壁，易疏水，工质一次上升之后有混合，但因有较多的集箱和不受热的下降管，金属耗量较大。为了保证锅炉水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工况条件下管壁温度都不能超温，并且管子之间(特别是相邻管子之间)的管壁温度相差不能太大，以避免产生太大的热应力而造成破坏。

对垂直布置的水冷壁管而言，炉膛周界长度、管子直径、管间节距决定了它的质量流速的大小。而管子直径和节距的选择都有一定的限制，例如管子的直径过细会造成水冷壁管热敏感性高，管子内壁上的结垢和热负荷的变化，使某些管子产生过大的管间流量偏差而使管子超温。因此管子内径的选择不宜过小。同时为了防止管间鳍片过热烧损，管间节距不能太宽，一般以鳍端温度与管子正面顶点温度相等作为鳍片宽度选择的原则。这样一来，在一定的炉膛周界情况下，如果直流锅炉采用垂直布置的水冷壁管，管子直径不能过细，其管子根数基本固定，而为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的。

炉膛周界尺寸的增加与锅炉容量的增加是不成正比例的。容量较小的直流锅炉水冷壁往往单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速。300 MW容量的锅炉水冷壁不能设计成一次垂直上升型管圈；600 MW容量的锅炉在负荷低于60%左右时质量流速也显得不足(这里指的是采用较粗的管子且无多次上升垂直管圈，即采用UP型一次上升水冷壁结构)。根据国外经验，燃煤锅炉水冷壁设计成一次上升垂直水冷壁管圈的极限容量最小应该在为700 MW以上。

解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有如下几种：采用小管径和多次混合的水冷壁(如上锅300 MW的UP型锅炉，采用内径11 mm的管子)；水冷壁采用工质再循环(低倍率和复合循环锅炉)；采用多次上升管圈型水冷壁(FW型锅炉)；采用螺旋管圈型水冷壁。得到广泛采用的是螺旋管圈水冷壁。例如，国产600 MW超临界压力直流锅炉采用的就是螺旋管圈水冷壁。

螺旋管圈的一大特点就是能够在炉膛周界尺寸一定的条件下，通过改变螺旋升角来调整平行管的数量，保征容量较小的锅炉并列管束数量较小，从而获得足够的工质质量流速，使管壁得到足够的冷却。消除传热恶化对水冷壁管子安全的威胁。这样水冷壁的设计就可避免采用热敏感性太大的直径过细的管子。

设计螺旋管圈水冷壁的另一个要素就是螺旋管圈盘绕的圈数。这与螺旋角和炉膛高度有关。圈数太少会部分丧失螺旋管圈在减少吸热偏差方面的效益；圈数太多会增加水冷壁的阻力从而增加水泵功耗，而且在减少吸热偏差的效益方面增益不大，合理的盘绕圈数的推荐值是1.5～2.5圈左右。

首先建立完善的汽油机加速瞬态工况动态模型，包括进排气特征模型、油膜蒸发模型等。然后模拟汽油机实际工作时的加速状态，对其燃烧特性进行试验研究。研究汽油机加速瞬态工况下的运转参数及其变化率与燃烧参数的关系；探讨燃烧参数的瞬态特性；研究汽油机加速瞬态工况下的进气、喷油及放热的动态响应；研究汽油机加速瞬态工况下排放指标的最敏感参数（空燃比）的变化规律以及油膜变化对其影响规律。最后针对实际瞬态空燃比控制过程中，氧传感器存在传输时滞，常规神经网络收敛速度慢，无法适用于实时性要求极高的瞬态空燃比控制等问题，设计基于混沌优化的复合自适应神经网络控制器优化汽油机加速瞬态空燃比，进而研究汽油机加速瞬态工况下的燃烧规律，证实其控制方法的有效性。该项目旨在为寻找汽油机加速瞬态燃烧规律、优化瞬态空燃比和降低排放奠定理论基础，为提高汽油机燃油利用率，降低排放量提供新的原理和方法，具有较大的理论意义和实用价值。

螺旋管圈水冷壁按冷灰斗的管圈型式以及垂直管屏与螺旋管圈的过渡形式可分为两类：垂直管圈冷灰斗加分叉管过渡的型式和螺旋冷灰斗加中间混和集箱过渡的型式。经常采用的是后一种组合型式。因为螺旋冷灰斗的吸热偏差小，在水冷壁进口不装配节流圈的情况下也能保证很小的工质出口温差，中间混合集箱过渡又能在低负荷时获得均匀的汽水两相分配，而且结构上下部螺旋管圈和上部垂直管屏的转换根数之比没有限制。图2为采用这种组合的DGl900/25．4-Ⅱ1型锅炉的水冷壁总体图布置。

冷灰斗螺旋水冷壁的结构如图3所示。过渡段水冷壁的结构如图4所示。螺旋盘绕水冷壁前墙、两侧墙出口管全部抽出炉外，后墙出口管则是4抽1根(或3抽1根)管子直接上升成为垂直水冷壁后墙凝渣管，另3根抽出到炉外，抽出炉外的所有管子均进入螺旋盘绕水冷壁出口集箱，由连接管从螺旋盘绕水冷壁出口集箱引入位于锅炉左右两侧的两个混合集箱混合后，再通过连接管从混合集箱引入到垂直水冷壁进口集箱，然后由垂直水冷壁进口集箱引出光管形成垂直水冷壁管屏，垂直光管与螺旋管的管数比为3：1。这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋盘绕水冷壁的荷载平稳地传递到上部水冷壁。2100433B