溫差式熱流計的傳熱特性分析及實驗研究

顧榮偉， 高繼錄， 董建勛， 龐開宇， 陳曉利，康 壯， 蒙晨瑋， 吳玉新

(1. 國家電力投資集團(tuán)公司， 北京 100033; 2. 遼寧中電投電站燃燒工程技術(shù)研究中心有限公司， 沈陽 110179；3. 清華大學(xué) 熱能工程系， 北京 100084)

溫差式熱流計的傳熱特性分析及實驗研究

顧榮偉1， 高繼錄2， 董建勛2， 龐開宇2， 陳曉利2，康 壯2， 蒙晨瑋3， 吳玉新3

(1. 國家電力投資集團(tuán)公司， 北京 100033; 2. 遼寧中電投電站燃燒工程技術(shù)研究中心有限公司， 沈陽 110179；3. 清華大學(xué) 熱能工程系， 北京 100084)

為獲得超臨界鍋爐壁面熱流密度，基于溫差法原理設(shè)計了超細(xì)高溫?zé)崃饔嫞瑸橄到y(tǒng)研究熱流計性能特性及優(yōu)化熱流計設(shè)計，對該熱流計進(jìn)行模擬研究以及實驗測量.通過建立熱流計一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，分析了熱流計導(dǎo)熱部件厚度和熱端溫度等參數(shù)變化對熱流計敏感性及響應(yīng)時間的影響.結(jié)果表明：隨著導(dǎo)熱部件厚度的增加，熱流計敏感性提高，同時響應(yīng)時間也增加.基于最優(yōu)敏感性及響應(yīng)時間可以確定熱流計最優(yōu)設(shè)計參數(shù).黑體爐標(biāo)定及現(xiàn)場測試均表明，測量結(jié)果與模型計算結(jié)果基本吻合，但實際響應(yīng)時間比理論響應(yīng)時間更長，主要是由于外界環(huán)境不是理想的穩(wěn)態(tài)邊界條件所致.

超臨界鍋爐； 熱流密度； 熱流計； 一維導(dǎo)熱模型

鍋爐結(jié)渣會降低水冷壁及對流受熱面的傳熱效率，嚴(yán)重影響鍋爐的正常運行[1-3].近年來，隨著我國準(zhǔn)東煤田的開發(fā)，易結(jié)渣煤種的應(yīng)用日益引起廣泛的重視，急需一種能夠準(zhǔn)確監(jiān)測爐內(nèi)結(jié)渣程度的工業(yè)裝置及自動控制系統(tǒng)，以保證鍋爐的安全穩(wěn)定運行.熱流計作為現(xiàn)場測量熱流密度的重要工具，可以直接反映鍋爐水冷壁面的熱流密度分布情況[4-6].基于溫差式的熱流計技術(shù)是通過直接測量鍋爐不同位置處(主要是燃燒器區(qū)域以及過熱器管屏區(qū)域)的熱流密度分布，預(yù)測出熱流計所在位置處的渣層厚度，并結(jié)合熱流計響應(yīng)狀況，通過智能預(yù)測系統(tǒng)預(yù)報鍋爐結(jié)渣程度.采用此技術(shù)可為鍋爐安全運行提供有效的優(yōu)化解決方案，從而達(dá)到檢測爐內(nèi)熱負(fù)荷分布特性和結(jié)渣程度的雙重目標(biāo)，保證鍋爐的安全運行，進(jìn)而降低機(jī)組運行維護(hù)成本[7].

在鍋爐結(jié)渣程度監(jiān)測技術(shù)中，開發(fā)適用于超臨界鍋爐的熱流計是其核心環(huán)節(jié).然而由于超臨界鍋爐自身的結(jié)構(gòu)特點，要求熱流計具有體積小、響應(yīng)迅速的特點，這樣才能在較低成本下獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù).為此，筆者基于溫差法原理設(shè)計了超細(xì)高溫?zé)崃饔?，可直接安裝在鍋爐水冷壁鰭片管上，而不必破壞水冷壁的結(jié)構(gòu).為了研究該熱流計的特性，并確定最佳性能參數(shù)，筆者基于溫差法原理設(shè)計了高溫?zé)崃饔?，基于商業(yè)軟件Ansys Fluent對熱流計進(jìn)行了CFD傳熱計算，建立了一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，并結(jié)合標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)，著重分析了設(shè)計參數(shù)對熱流計關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響，以期為設(shè)計適合于鍋爐現(xiàn)場測試的熱流計提供解決方案.

1 熱流計及測試系統(tǒng)設(shè)計

在鍋爐水冷壁熱流密度的測量中，熱流計的安裝是需要解決的重要問題.水冷壁鰭片管之間的間距較小，采用傳統(tǒng)熱流計往往需要通過讓管等方式安裝，破壞了水冷壁的整體性和穩(wěn)定性，同時增加了熱流計的測量成本.結(jié)合鍋爐的實際情況和現(xiàn)有熱流計的設(shè)計原理，采用一維軸向?qū)岬臏夭钍綗崃饔嬙O(shè)計更適合鍋爐水冷壁鰭片管結(jié)構(gòu)，在實際使用中可以取得較好的效果.溫差法測熱流密度的原理是營造一維導(dǎo)熱環(huán)境，根據(jù)導(dǎo)熱體熱端與冷端的溫差來計算熱流密度.測量的熱端為鍋爐爐膛表面，冷端則通過引入水冷冷卻裝置來建立.

為保證爐膛膜式壁的完整性，筆者設(shè)計了直徑小于10 mm的水冷式一維熱流計，其在鍋爐中的工作示意圖如圖1所示.

圖1 熱流密度采集系統(tǒng)工作示意圖

該熱流計測量段由一塊金屬導(dǎo)熱部件和2根K型鎧裝熱電偶組成，導(dǎo)熱部件內(nèi)部開有深度不同的微孔，分別放置熱電偶以測量熱端和冷端溫度，鎧裝熱電偶經(jīng)由熱電偶保護(hù)管引出，連接外部的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).在電廠中實際應(yīng)用時，可直接與電廠分散式控制系統(tǒng)(DCS)連接，實現(xiàn)對水冷壁熱流密度值的實時監(jiān)測.由于熱電偶直徑很小，其優(yōu)點是可直接在鰭片管上鉆孔進(jìn)行測試，而無需破壞局部水冷壁，但必須通過理論分析熱流計的一維導(dǎo)熱特性、響應(yīng)時間、測量精度等關(guān)鍵物理量，以最終確定設(shè)計參數(shù).

2 研究結(jié)果及分析

熱流計的穩(wěn)態(tài)溫度分布特征、熱流計對熱流密度的分辨率以及熱流計測量的響應(yīng)時間等參數(shù)是影響熱流計性能的重要指標(biāo).筆者通過數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式重點研究了上述參數(shù)對熱流計性能的影響.

2.1 熱流計的穩(wěn)態(tài)溫度分布特征

熱流計測量膜式壁熱流密度分布時的示意圖如圖2所示，圖中兩邊半圓形區(qū)域為水冷壁管，熱流計放置于膜式水冷壁中點，并與膜式水冷壁方向垂直，該熱流計前端與膜式壁內(nèi)壁面對齊，熱流計前端為導(dǎo)熱部件.

圖2 熱流計在實際測量中的示意圖

基于商業(yè)軟件Ansys Fluent，采用CFD方法建立了三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，其計算域為圖2所示的高溫?zé)崃饔?，熱流計熱端為定熱流密度邊界條件，周圍壁面為絕熱邊界條件，冷端入口為速度入口邊界條件，冷端出口為壓力出口邊界條件，入口工質(zhì)為室溫下的冷卻水，導(dǎo)熱部件與冷卻水界面采用流固耦合算法進(jìn)行模擬計算.

圖3為導(dǎo)熱部件在不同熱流密度條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度分布.由圖3可知，在不同熱流密度條件下，導(dǎo)熱部件的溫度分布近似為一維分布特征.數(shù)值模擬結(jié)果表明，冷卻水進(jìn)口溫度和出口溫度僅相差0.5 K，近似認(rèn)為不變，導(dǎo)熱部件最高溫度為430 K，不會發(fā)生燒蝕現(xiàn)象和超溫風(fēng)險.

(a) 熱流密度為100 kW/m2

(b) 熱流密度為300 kW/m2

Fig.3 Temperature distribution of the thermal conducting component's thickness under different heat flux conditions

2.2 熱流計一維導(dǎo)熱模型分析

由熱流計的穩(wěn)態(tài)溫度分布模擬結(jié)果可知，導(dǎo)熱部件內(nèi)溫度分布近似為一維分布特征.為深入了解該熱流計的關(guān)鍵參數(shù)對其性能的影響，通過建立一維導(dǎo)熱模型，對熱流計性能特性進(jìn)行分析.

模型采用的假設(shè)如下：(1) 熱流計冷端溫度不變，且為室溫；(2) 熱流計熱端為黑體輻射壁面，滿足黑體輻射定律；(3) 熱流計導(dǎo)熱部件內(nèi)的傳熱為一維導(dǎo)熱，滿足傅里葉導(dǎo)熱定律.

根據(jù)以上假設(shè)列出如下離散化導(dǎo)熱方程，其中對時間項采用顯格式向前差分，對導(dǎo)熱項采用中心差分.

熱流計熱端面方程為：

(1)

熱流計冷端面方程為：

(2)

式(2)可寫為：

(3)

熱流計導(dǎo)熱部件內(nèi)方程為：

(4)

通過對式(1)～式(4)進(jìn)行迭代計算，可獲得每一時刻下導(dǎo)熱部件各位置的溫度分布，當(dāng)響應(yīng)時間足夠長時，可以得到熱流計的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱結(jié)果，從而可進(jìn)一步分析熱流計的性能參數(shù)能否滿足實際應(yīng)用的需求.

2.3 熱流計性能計算分析

測量分辨率是熱流計的重要性能指標(biāo)，直接影響測量精度和誤差波動范圍.利用已建立的一維導(dǎo)熱模型對熱流計的性能進(jìn)行計算分析.

圖4給出了熱流計熱端溫度隨導(dǎo)熱部件厚度及熱流密度的變化.由圖4可知，熱流密度每增加1×105W/m2，金屬導(dǎo)熱部件厚度為3 mm時，熱端溫度升高13 K；而金屬導(dǎo)熱部件厚度為12 mm時，熱端溫度升高29 K.在熱電偶具有相同溫度測量精度時，導(dǎo)熱部件厚度增加，其測量熱流密度的誤差就會減小，即熱流計對熱流密度變化的分辨率越高.

熱流計金屬導(dǎo)熱部件熱阻不僅影響熱流計分辨率，也決定了熱流計的響應(yīng)時間.利用一維導(dǎo)熱模型計算分析了熱流計熱端溫度、冷端溫度及熱流密度等關(guān)鍵變量在不同響應(yīng)時間下的預(yù)測結(jié)果，如表1所示，此時熱流計的導(dǎo)熱部件厚度為8 mm.

圖4 熱流計設(shè)計靈敏度曲線

表1 熱流計關(guān)鍵變量隨響應(yīng)時間的變化

由表1可知，熱流計熱端溫度、冷端溫度及熱流密度的變化趨勢基本相同，當(dāng)其中一項接近穩(wěn)態(tài)值時，另外2項也近似達(dá)到穩(wěn)態(tài)值.因此，取熱端溫度是否變化作為熱流計測量是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確定熱流計的響應(yīng)時間.

圖5給出了熱流計冷熱端溫差在不同導(dǎo)熱部件厚度以及高溫?zé)煔鉁囟认马憫?yīng)時間的變化規(guī)律.由圖5可知，高溫?zé)煔鉁囟葘崃饔嫷捻憫?yīng)時間并無顯著影響；熱流計的響應(yīng)時間隨著導(dǎo)熱部件厚度的增加而增加.當(dāng)導(dǎo)熱部件厚度為6 mm和8 mm時，熱流計達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的響應(yīng)時間(取熱端溫度與穩(wěn)態(tài)值誤差小于1 K為響應(yīng)時間)分別為25 s和48 s；而導(dǎo)熱部件厚度為10 mm時，熱流計響應(yīng)時間超過了60 s.由此可見，導(dǎo)熱部件厚度的確定需要綜合考慮熱流計的分辨率和響應(yīng)時間.

圖5 熱流計響應(yīng)時間曲線

2.4 熱流計標(biāo)定與計算結(jié)果的比較

熱流計的實際使用環(huán)境并非嚴(yán)格的一維導(dǎo)熱環(huán)境，且由于結(jié)構(gòu)精密，加工誤差也會對熱流計的測量值產(chǎn)生較大影響，不同熱流計的溫差-熱流密度轉(zhuǎn)換系數(shù)不同.因此，需要驗證一維模型預(yù)測熱流計的準(zhǔn)確性.筆者分別通過黑體爐標(biāo)定以及現(xiàn)場測試結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果的比較，分析一維模型預(yù)測熱流計性能的能力.

熱流計標(biāo)定采用 MIKRON公司生產(chǎn)的M330高溫黑體爐.熱流計標(biāo)定時從1 000 ℃黑體輻射溫度逐漸升高至1 500 ℃.標(biāo)定過程中先伸入被測熱流計，等到示數(shù)穩(wěn)定之后記錄冷熱端溫差；之后再利用標(biāo)準(zhǔn)熱流計獲得黑體爐的實際熱流密度.

圖6為3支不同熱流計冷熱端溫差隨熱流密度變化的規(guī)律.由圖6可見，熱流計冷熱端溫差與熱流密度的變化線性度良好，符合一維導(dǎo)熱特征.不同熱流計的標(biāo)定曲線斜率存在較大差異，這主要是由于熱流計加工過程中熱電偶埋入深度差異造成的.此外，通過標(biāo)定得到3支熱流計的標(biāo)定系數(shù)，可以使溫差轉(zhuǎn)化為實際熱流密度值，以反映鍋爐內(nèi)部的熱流密度分布情況.

圖6 熱流計冷熱端溫差隨熱流密度的實際變化情況

圖7為3支熱流計冷熱端溫差在同一熱流密度條件下隨響應(yīng)時間的變化規(guī)律以及3號熱流計在現(xiàn)場測試中的響應(yīng)時間曲線.由圖7可知，熱流計實際響應(yīng)時間約為70 s，大于理論計算所得到的50 s響應(yīng)時間，其主要原因在于實際操作時熱流計前端無法瞬間處于高溫輻射之中.標(biāo)定時使用步進(jìn)電機(jī)逐漸送入的方式和現(xiàn)場測試中從測孔伸入的方式，都會導(dǎo)致響應(yīng)時間曲線最開始上升較緩慢.在實際測量中，應(yīng)對理論計算所得到的響應(yīng)時間留出預(yù)估余量，以保證熱流計示數(shù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值.

圖7 熱流計標(biāo)定曲線

3 結(jié) 論

(1) 熱流計導(dǎo)熱部件溫度分布近似為一維分布特征，導(dǎo)熱部件冷端溫度變化可以忽略.

(2) 導(dǎo)熱部件厚度增加，熱流計靈敏度上升，響應(yīng)時間增加，因此需要綜合兩者性能來確定導(dǎo)熱部件厚度.

(3) 導(dǎo)熱部件厚度為8 mm左右時，熱流計理論計算所得響應(yīng)時間為50 s，而實驗標(biāo)定及現(xiàn)場測試所得實際響應(yīng)時間約為70 s，這主要是由于熱流計外界環(huán)境不能保證穩(wěn)定所造成的.

(4)一維導(dǎo)熱模型可以有效評估熱流計性能，熱流計線性度良好，可通過冷熱端溫差準(zhǔn)確獲得熱端熱流密度.

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Modeling Analysis and Experimental Study of a Temperature-difference Type Heat Flux Meter

GURongwei1,GAOJilu2,DONGJianxun2,PANGKaiyu2,CHENXiaoli2,KANGZhuang2,MENGChenwei3,WUYuxin3

(1.State Power Investment Corporation, Beijing 100033, China; 2. Liaoning CPI Power Plant Combustion Engineering Technology Research Center Co., Ltd., Shenyang 110179, China; 3. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Based on temperature difference method, an ultra-fine high-temperature heat flux meter was designed to measure the heat flux on wall surface of a supercritical boiler, which is able to accurately acquire the heat flux without retrofitting the water wall. To further investigate the heat-transfer characteristics of the meter and optimize its design, modeling analysis and experimental study were conducted to analyze the effects of the thermal conducting component's thickness and hot end temperature on the sensitivity and response time of the heat flux meter via a one-dimensional transient heat-transfer model. Results show that, with the rise of the thickness of relevant thermal conducting components, both the sensitivity and response time increase, thus optimal design parameters can be obtained for the heat flux meter under the premise of optimum sensitivity and response time. Through the calibration of a black-body furnace and field tests, the calculation results are proved to agree well with actual measurements; however, the real response time is longer than calculated one, due to the external environment being not the ideal steady-state boundary condition in calibration.

supercritical boiler; heat flux; heat flux meter; one-dimensional heat-transfer model

2016-05-27

2016-07-18

國家電力投資集團(tuán)公司科技資助項目(CPI[2015]07-23-197)

顧榮偉(1981-)，男，浙江德清人，工程師，碩士，主要從事電力科技管理方面的研究. 高繼錄(通信作者)，男，高級工程師，碩士，電話(Tel.)：13704007869; E-mail: gaojilu@126.com.

1674-7607(2017)05-0356-05

TK224

A 學(xué)科分類號：470.20