超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁并聯(lián)雙通道內(nèi)流動不穩(wěn)定性數(shù)值分析

謝貝貝,王文毓,聶鑫,劉萬宇,謝海燕,楊冬,王鳳君,黃鶯

(1.西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室,150046,哈爾濱)

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超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁并聯(lián)雙通道內(nèi)流動不穩(wěn)定性數(shù)值分析

謝貝貝1,王文毓1,聶鑫1,劉萬宇1,謝海燕1,楊冬1,王鳳君2,黃鶯2

(1.西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室,150046,哈爾濱)

針對超臨界循環(huán)流化床(CFB)鍋爐環(huán)形爐膛水冷壁中可能出現(xiàn)的流動不穩(wěn)定性,采用時域法建立了適用于并聯(lián)雙通道流動不穩(wěn)定性分析的通用計算模型。通過對質(zhì)量、動量及能量方程一階迎風(fēng)差分離散與求解,編寫了以Fortran語言為基礎(chǔ)的流動不穩(wěn)定性數(shù)值計算程序Dynsys,采用Dynsys程序?qū)Σ⒙?lián)雙通道進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:并聯(lián)雙通道進口壓力、溫度、總質(zhì)量流量不變時,在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上對并聯(lián)雙通道中的通道1施加1.2倍熱負荷擾動,兩通道的進口流量隨時間變化呈反相脈動;通道內(nèi)的進口流量與出口流量隨時間脈動沿軸向存在180°的相位差,流量脈動的振幅隨時間逐漸減小,最終恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值;超臨界CFB環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁并聯(lián)雙通道內(nèi)流動是穩(wěn)定的,與單通道內(nèi)流動不穩(wěn)定對比,環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁并聯(lián)布置有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

超臨界循環(huán)流化床鍋爐;并聯(lián)雙通道;流動不穩(wěn)定性;數(shù)值分析

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)是一項近20年發(fā)展起來的清潔煤燃燒技術(shù)[1]。為了實現(xiàn)高效、低污染發(fā)電,CFB鍋爐發(fā)電技術(shù)正朝著超臨界、大容量方向發(fā)展。超臨界CFB鍋爐主要通過布置中隔墻膜式水冷壁或蒸發(fā)水冷屏來解決蒸發(fā)受熱面布置困難的問題,由此也帶來了爐膛過高、經(jīng)濟性差等問題。為此,中國科學(xué)院工程熱物理所開發(fā)了水冷壁采用內(nèi)圈與外圈并聯(lián)布置的超臨界CFB環(huán)形爐膛鍋爐。為保證環(huán)形爐膛鍋爐的安全運行,應(yīng)避免水冷壁中發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者對超臨界流動不穩(wěn)定性進行了廣泛研究[2-5],涉及到的幾何模型包括自然循環(huán)回路、強迫循環(huán)回路、單通道、雙通道[6-9]等,但這些研究主要是針對超臨界水冷堆的,而對超臨界鍋爐的研究很少。又由于并聯(lián)雙通道內(nèi)熱負荷分布、傳熱規(guī)律以及流量分配與單通道模型相比有很大不同,因此有必要對并聯(lián)雙通道內(nèi)流動不穩(wěn)定性進行新的探索與研究。

1 計算模型

1.1 并聯(lián)雙通道模型

圖1 并聯(lián)雙通道流動結(jié)構(gòu)示意圖

基本并聯(lián)雙通道模型由下聯(lián)箱、加熱段和上聯(lián)箱3部分組成。在基本并聯(lián)雙通道模型基礎(chǔ)上,熊挺等搭建了并聯(lián)雙通道實驗裝置[10]。用Dynsys軟件進行數(shù)值分析時需簡化實驗裝置,建立圖1中并聯(lián)雙通道流動不穩(wěn)定性分析計算模型。由圖1可知:加熱段采用熱構(gòu)建進行模擬,使熱負荷沿管長均勻分布;進口段與上升段采用節(jié)流裝置模擬,保證管道進、出口節(jié)流系數(shù)不變。初始幾何參數(shù)與熱工參數(shù)如表1所示。與此同時,作出如下基本假設(shè):①工質(zhì)沿管道一維流動;②同一橫截面上溫度場與速度場分布均勻;③不考慮軸向熱傳導(dǎo);④在能量守恒方程中忽略黏性耗散、動能和勢能的影響;⑤不考慮金屬管壁蓄熱。

表1 計算模型參數(shù)

1.2 控制方程

并聯(lián)雙通道系統(tǒng)在進口處質(zhì)量守恒,即

(1)

式中:M1,in、M2,in為通道1、2的進口質(zhì)量流量。

對于并聯(lián)雙通道系統(tǒng)中的通道1與通道2,均有以下守恒方程。

質(zhì)量守恒方程

(2)

動量守恒方程

(3)

能量守恒方程

(4)

狀態(tài)方程

(5)

式中:L為管長;d為內(nèi)徑;A為橫截面積;ρ為流體密度;h為比焓;M為質(zhì)量流量;P為壓力;θ為流動方向與水平面的角度;Kin為進口節(jié)流系數(shù);Kout為出口節(jié)流系數(shù);Kjb為局部阻力系數(shù);f為摩擦阻力系數(shù);δd為狄拉克函數(shù);ql為線密度。

1.3 邊界條件

對于并聯(lián)雙通道模型,設(shè)定邊界條件:進口壓力Pin為常數(shù);進口溫度Tin為常數(shù);進口總質(zhì)量流量Mt,in為常數(shù);通道1的出口壓力Pout,1與通道2的出口壓力Pout,2相等;兩通道的加熱功率相等。

2 數(shù)值計算

2.1 離散方法

采用內(nèi)節(jié)點法沿工質(zhì)流動方向?qū)νǖ?與通道2進行網(wǎng)格劃分,將速度與壓力均存于同一套網(wǎng)格節(jié)點上并對控制方程進行離散。

質(zhì)量守恒方程

(6)

能量守恒方程

(7)

動量守恒方程

(8)

狀態(tài)方程

(9)

2.2 求解與驗證

選取時間步長Δt為0.02 s、空間步長Δz為0.01 m進行數(shù)值計算。對離散方程穩(wěn)態(tài)求解時,令方程組中的有關(guān)時間導(dǎo)數(shù)項為0;瞬態(tài)求解時,在穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果上施加熱負荷擾動。具體求解流程如圖2所示。

圖2 并聯(lián)雙通道流動不穩(wěn)定性數(shù)值計算流程

圖3 66.1 kW時并聯(lián)雙通道進口流量動態(tài)響應(yīng)曲線

圖4 69.9 kW時并聯(lián)雙通道進口流量動態(tài)響應(yīng)曲線

圖5 71.1 kW時并聯(lián)雙通道進口流量動態(tài)響應(yīng)曲線

采用固定進口邊界條件、改變加熱功率的方法求并聯(lián)雙通道發(fā)生流動不穩(wěn)定時的界限功率,并將并聯(lián)雙通道進口流量的動態(tài)響應(yīng)特性作為系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷的依據(jù)。在加熱功率為66.1、69.9、71.1 kW的3種情況下,可得通道1、通道2進口流量隨時間的變化情況,如圖3～5所示。由圖3可知,流量脈動衰減振蕩,表明在加熱功率為66.1 kW時系統(tǒng)是穩(wěn)定的。由圖4可知,流量脈動等幅振蕩,此時加熱功率69.9 kW為流動不穩(wěn)定發(fā)生的界限功率。由圖5可知,流量脈動振幅隨時間增大,系統(tǒng)發(fā)散振蕩,可知在加熱功率為71.1 kW時,流動是不穩(wěn)定的。由Dynsys程序計算所得界限功率(69.9 kW)與實驗所得界限功率(68 kW)的相對誤差為2.79%,由此說明Dynsys程序用來模擬并聯(lián)雙通道內(nèi)超臨界流動具有一定的可靠性。

3 超臨界CFB鍋爐流動不穩(wěn)定性分析

3.1 水冷壁結(jié)構(gòu)

超臨界CFB環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁采用內(nèi)圈和外圈并聯(lián)方式,這不僅解決了蒸發(fā)受熱面、二次風(fēng)和給料系統(tǒng)布置困難的問題,還減小了爐膛高度,降低了泵損耗,從而提高了經(jīng)濟效益。爐膛外圈前墻回路1中水冷壁管繞過旋風(fēng)分離器為最長管且處于受熱最小的區(qū)域,回路6為受熱最強的回路,故可選典型回路1與6并聯(lián)作為流動不穩(wěn)定性分析的并聯(lián)通道1與通道2,如圖6所示。爐膛沿高度熱負荷分布情況由爐膛結(jié)構(gòu)擬定而成,如圖7所示。表2給出了并聯(lián)雙通道在穩(wěn)態(tài)的初始參數(shù)。

表2 并聯(lián)雙通道穩(wěn)態(tài)時初始參數(shù)

圖6 并聯(lián)雙通道結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 熱負荷沿高度分布圖

圖8 通道1進、出口流量動態(tài)響應(yīng)曲線

3.2 并聯(lián)雙通道內(nèi)流動不穩(wěn)定性分析

圖9 通道2進、出口流量動態(tài)響應(yīng)曲線

圖10 并聯(lián)雙通道進口流量動態(tài)響應(yīng)曲線

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上,對并聯(lián)雙通道中的通道1在0～11 s內(nèi)施加1.2倍熱負荷擾動,通道1進、出口流量動態(tài)響應(yīng)曲線如圖8所示,通道2內(nèi)進、出口流量動態(tài)響應(yīng)曲線如圖9所示,并聯(lián)雙通道系統(tǒng)進口流量動態(tài)響應(yīng)特性,如圖10所示。通道1、通道2的進口流量與出口流量隨時間波動沿軸向存在明顯的相位差,在穩(wěn)定之前進出口相位差約為180°。最終,進口流量與出口流量均恢復(fù)穩(wěn)定值,說明通道1與通道2內(nèi)工質(zhì)流動是穩(wěn)定的。

由圖10可知:對通道1在0～11 s內(nèi)施加1.2倍熱負荷擾動后,通道1進口流量因熱負荷的突然增加而有所減小,這是由于通道1內(nèi)工質(zhì)吸熱增加的緣故;通道1與通道2的進口流量呈反相脈動,且脈動振幅隨時間衰減,最終兩通道的進口流量回到初始值,表明并聯(lián)雙通道內(nèi)流動是穩(wěn)定的。

3.3 單通道內(nèi)流動不穩(wěn)定性分析

對于單通道模型,設(shè)定邊界條件:整個通道進、出口的壓降差為一定值;進口壓力與進口焓值不隨時間變化。在與并聯(lián)雙通道相同的初始條件與熱負荷擾動下,采用單通道模型對通道1進行流動不穩(wěn)定分析。兩種模型所得的進、出口流量隨時間波動如圖11所示。由圖11可知,進、出口流量發(fā)散振蕩,說明通道1內(nèi)工質(zhì)流動是不穩(wěn)定的。圖12給出了兩種模型計算得到的通道進口流量動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。由圖12可知,在單通道模型下系統(tǒng)流動是不穩(wěn)定的,而在雙通道模型下系統(tǒng)流動則是穩(wěn)定的,這說明環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁采用并聯(lián)方式有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖11 單通道模型進、出口流量動態(tài)響應(yīng)曲線

圖12 兩種模型下通道進口流量動態(tài)響應(yīng)對比

4 結(jié) 論

(1)建立了適用于并聯(lián)雙通道內(nèi)超臨界流動不穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)計算模型,并編寫了計算程序Dynsys。Dynsys程序計算所得的流動不穩(wěn)定邊界與已有實驗結(jié)果符合良好,表明Dynsys程序能有效地預(yù)測并聯(lián)雙通道內(nèi)流動不穩(wěn)定邊界。

(2)采用雙通道模型對超臨界CFB環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁的流動不穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:在進口壓力、溫度、總質(zhì)量流量不變的情況下,施加1.2倍熱負荷擾動,兩通道的進口流量反相相脈動,最終流量恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值,表明超臨界CFB環(huán)形爐膛鍋爐并聯(lián)雙通道內(nèi)水動力流動是穩(wěn)定的。

(3)采用單通道模型對超臨界CFB環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁的流動不穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬,并與雙通道模型計算結(jié)果對比,可得環(huán)形爐膛鍋爐水冷壁采用并聯(lián)布置方案有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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(編輯 趙煒 荊樹蓉)

Numerical Analysis on the Flow Instability of Parallel Channels in Water-Cooling Wall of Supercritical CFB Boiler

XIE Beibei1,WANG Wenyu1,NIE Xin1,LIU Wanyu1,XIE Haiyan1,YANG Dong1,WANG Fengjun2,HUANG Ying2

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-Fired Utility Boilers, Harbin Boiler Co. Ltd., Harbin 150046, China)

Aiming at the flow instability problem occurring in the water-cooling wall of a supercritical circulating fluidized bed (CFB) boiler with annular furnace, a general calculation model based on the time-domain method was established for the analysis of flow instability in parallel channels. By employing first-order upwind scheme, the governing equations of mass, momentum and energy were discretized and solved, then the numerical computational program Dynsys was developed in Fortran language. The typical parallel channels were simulated by Dynsys, and the results showed that under the condition of invariable inlet pressure, temperature and total mass flow rate, applying 1.2 times heat load disturbance on the parallel channels, there occurred an out-of-phase fluctuation of inlet flow rate in two channels and there was a phase difference of 180° along the axial direction between the flow pulsations of inlet and outlet in each channel. The amplitude of flow pulsation decreased with time and eventually returned to the steady state, suggesting that the flow in the parallel channels of supercritical CFB boiler with annular furnace was stable. Compared with the flow instability in single channel, it was confirmed that the parallel-arranged channels in water-cooling wall could improve the stability in a boiler with annular furnace.

supercritical circulating fluidized bed boiler; parallel channels; flow instability; numerical analysis

2015-12-31。 作者簡介:謝貝貝(1991—),女,碩士生;楊冬(通信作者),男,教授。 基金項目:“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2015BAA03B01-01)。

時間:2016-04-21

10.7652/xjtuxb201607008

TK122

A

0253-987X(2016)07-0045-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160421.1043.006.html