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超超临界发电机组选型2


超超临界发电机组技术选型研究
(水动力部分)

2002 年 11 月 20 日





1

1.2

1.3

1.4 2 2.1 2.2 2.3 2.4

国外对超临界锅炉的应用情况 .......

................................................................................2 1.1.1 结构形式 ...................................................................................................2 1.1.2 参数特点 ...................................................................................................3 日本超临界锅炉应用特点 .......................................................................................4 1.2.1 结构形式 ...................................................................................................4 1.2.2 参数特点 ...................................................................................................5 美国超临界锅炉应用特点 .......................................................................................6 1.3.1 结构形式 ...................................................................................................6 1.3.2 参数特点 ...................................................................................................7 小结...........................................................................................................................8 蒸发受热面水动力特性研究进展 ...................................................................................8 前言...........................................................................................................................8 水动力研究的方法和意义 .......................................................................................9 光管水动力特性 .....................................................................................................11 2.3.1 试验系统 .................................................................................................11 螺纹管水动力特性 .................................................................................................14 2.4.1 螺纹管结构 .............................................................................................14 2.4.2 试验结果 .........................................................................................................18

1 国外对超临界锅炉的应用情况
1.1 德国超临界锅炉应用特点
1.1.1 结构形式
德国超临界直流锅炉的特点是基本都采用炉膛下部为螺旋盘绕的管圈, 上部 为垂直水冷壁的本生锅炉炉型。水冷壁的根数少,质量流速高,不易产生膜态沸 腾,热偏差小,不需要使用节流圈和中间混合集箱,可以避免汽水混合物的不均

2

匀分配, 也能使用易结焦的煤种, 具有启动汽水分离器, 加装低负荷循环水泵后, 启动负荷可以低至 15%,而在负荷大于 30%时可以切除循环水泵,锅炉以纯直 流的方式运行,循环水泵有利于回收一部分热量,提高低负荷时的工质流速,水 冷壁安全运行;这种锅炉还可以快速滑压启动和运行,简化启动系统,减少阀门 的数量,对于启停的自动控制有利。可靠性好,经济型好,完全适应变压变负荷 运行和较宽的煤种。缺点是:水冷壁水阻力大,水冷壁热膨胀复杂,要求另用垂 直支吊结构和安装工时较大。但该炉型在国际上广泛应用。为了发展优势,发展 了塔式结构和炉底燃烧器, 以利于延长火焰行程, 减少燃煤锅炉的磨损和避免在 螺旋管圈上开供燃烧器用的大孔。炉底也有采用倾斜垂直管制造以减少工时的。

1.1.2 参数特点
德国的超临界锅炉是随着能源危机而发展起来的,由于能源紧张, 需要出现 高效率的发电机组,因此出现了主蒸汽参数 340bar/610℃的高参数锅炉,但由于 技术性能掌握不好,以及材料价格,运行经验等因素,曾经回落到 250bar/540 (580)℃的过程,目前。从热力系统上分析,将主蒸汽压力从 185bar 提高到 280bar 可以降低净热耗 2%,若进一步提高压力到 300bar 可以再降低 0.75%; 将主蒸汽温度由 530℃提高到 540℃约由 0.25%的好处,将气轮机的凝气压力由 0.08 降低到 0.065bar 可以降低热耗 1.2%,如果用一次再热改为二次再热,将 其热耗 1.5-2%,但德国动力界人士根据德国本国燃料以及机组成本考虑,明 确提出最佳机组参数再 28bar/593℃/593℃(一次再热)为最佳。 在德国近期投运的机组多为这种参数。图 1 为德国西门子机组参数示意图。
340

320

300

压 力(MPa)

280

260

240

220 1982 1984 1986 1988 19903 1992 1994 1996 1998 2000 2002



图 1 西门子机组压力参数
610 600 590

(oC) 主蒸汽温度

580 570 560 550 540 530 520 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002

年 图 2 西门子机组主蒸汽温度参数

1.2 日本超临界锅炉应用特点

1.2.1 结构形式
日本是一个能源及其缺乏的国家,对于环境保护的要求较高, 所以从一开始 比较注意引进技术的先进性, 较早开始了高效超临界机组的引进和研究工作, 一 直到现在被认为是超临界机组的先进国。日本早期(1967 年)主要引进的是美 国(B&W)的超临界机组,三菱、石川岛播磨、川崎公司分别引进了美国 GE、 FW 和德国联合锅炉厂的技术,经过实践比较发现德国本生直流锅炉能经济的快 速启停和变负荷运行,而美国的技术不能适应该要求,70 年代决定该引进螺旋 盘绕水冷壁的驻留锅炉技术, 形成能变压运行的超临界机组, 由于采用及时改进 炉型和精心设计制造维修和运行, 日本的机组避免了美国对超临界锅炉的消极现 象。日本签订的 100 万 KW 机组的变压运行超临界机组,打破了螺旋盘绕水冷 壁锅炉不能适应超大容量机组的概念,将超临界推到超超临界机组。
4

日本引进技术但不是照搬, 他们在国内进行大量的试验研究工作, 在试验的 基础上引进有关整台机组以及相关技术, 因此虽然国内各个公司都引进了螺旋管 圈的变压运行技术,但如三菱重工仍然使用垂直管屏,采用四角切向燃烧,而日 立以及石川岛磨仍然采用漩流燃烧器。各个公司都形成了自己独特的技术风格。 80 年代初三菱公司与瑞士苏尔寿公司合作,采用内螺纹一次上升水冷壁, 炉膛没有中间联箱应用在 24.6Mpa/538/565℃,700MW 的机组上获得了成功, 在 90 年代以后三菱公司广泛应用此水冷壁形式于超临界锅炉上。 采用内螺纹管降低了 在锅炉变压运行和亚临界压力下的恶化区域水冷壁管的温度状况, 但为了避免垂 直一次上升管屏的热偏差, 需要较大的质量流速以达到管内旋转流体的作用, 从 而起到管内阻止膜态沸腾的作用。 在日本的公司重使用垂直管屏和螺旋管圈没有 容量上的限制, 但是从大规模调峰滑压运行机组仍然以选用螺旋管圈水冷壁加垂 直管屏为主尤其在机组为多种燃料时一般都是螺旋管圈为水冷壁形式, 定压运行 垂直一次上升管屏有优势。但在 1997 年日本也采用内螺纹管、能变压运行的垂 直水冷壁管的超临界锅炉。

1.2.2 参数特点
日本很早就对超临界锅炉进行了研究,在进行了一系列试验研究的基础上于 60 年代初确定了采用 246bar/538℃/538℃或者 246bar/538℃/566℃的参数, 一直 岛 83 年,日本的机组参数基本一样。在 80 年代后期,日本火力发电的燃料从以 油为主过渡到以煤为主,在节能方针引导下,采用变压运行机组,机组的参数也 向高参数方向变化,高参数提高了机组效率,也降低了对环境的影响,同时高参 数的获得也是由于新材料研发和成功试验应用而得到保证,图 3 和图 4 是 80 年 代至今日本使用的主蒸汽参数,主蒸汽温度从 90 年代初的 566℃提高到 595℃, 压力从 310bar 降回到 245bar。目前参数基本在 245bar/595℃/600℃。

610 600 590

汽温度 (oC)

580 570 560

5

图 3 日本三菱公司机组参数 主蒸汽温度

320

300

压 力 bar

280

260

240

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006



图 4 日本三菱公司主蒸汽压力参数

1.3 美国超临界锅炉应用特点

1.3.1 结构形式
美国是最早实现超临界机组设计和运行的国家。基本使用单炉体, 在 80 年代 以前主要使用垂直上升管屏,有三类管圈形式:即 UP 型、FW 型以及 CE 型复 合循环管圈, 由于设计上有缺陷以及运行经验不足, 美国的超临界机组可用率低 于亚临界锅炉,发展一度处于停顿阶段。对于烟气排放标准的严格限制,以及高
6

效率的要求,在 70 年代末对超临界机组的问题进行了研究,找到了运行机组可 用率的原因,超临界机组得到了发展,在 80 年代以后,变压运行以及燃料的多 样化基本使用的炉型是 BENSON 炉型,即螺旋管圈水冷壁形式。

1.3.2 参数特点
于 50 年代初,在参数上美国最早根据朗肯循环效率提出了 310bar/621℃ /566℃/538℃两次再热的 UP 型锅炉机组, 甚至制造了 344bar/649℃/566℃/566 ℃参数的机组,由于超临界机组还未成熟,所用参数超出了当时的技术
610 600 590

主蒸汽温度 (OC)

580 570 560 550 540 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010


图 5 Babcock 公司主蒸汽温度参数

水平,运行重出现了很多问题,后蒸汽初温降到了 607℃。到 50 年代末,随 着运行经验的积累,按照当时的水处理、材料、辅助设备的实际水平,提出 了 246bar/538℃/538℃一次再热,如为二次再热参数为 246bar/552℃/566 ℃,图 5 和图 6 是 Babcock 公司主蒸汽参数示意图。这样的参数一直延续到

274 272 270 268 266

7

力 bar

264 262

图 6 Babcock 公司主蒸汽压力参数

90 年代中期, 在以后蒸汽温度和压力都有所提高, 压力基本在 255-270bar, 温度在 570℃-600℃之间,最多使用的参数为 259bar/571℃/595℃

1.4 小结
以上几个国家代表了国际目前超临界机组的先进技术,在水冷壁的形式上看 基本都使用的是螺旋管圈的本生炉型,垂直管屏由于使用内螺纹管、 节流装置以 及更佳的循环控制方式, 因为其结构简单, 制造不复杂, 仍然有研究发展的空间。 在参数上由比较具有“开拓性”的参数降低到比较适当的水平,随着经验积累、 新材料应用,成本控制,温度参数提高幅度大于压力提高幅度。由于温度提高而 带来的经济效益是非常客观的,我国超临界机组起步晚,但是起点高,可以在先 进技术的基础上进一步研究,找到适用我国国情的炉型和机组参数。

2 蒸发受热面水动力特性研究进展

2.1 前言
对于超临界机组来说,蒸发受热面所吸收的热量占整个锅炉吸热量的 40% 左右,蒸发受热面处于炉膛热负荷最高的区域,而且工质从液相(微欠热)进口 到过热蒸汽出口, 经历了从液相到气液两相共存以及气相的多种存在形式, 是整
8

个机组水动力安全问题的关键所在。 蒸发受热面的水动力问题解决得如何直接运 行机组得安全运行,同样对蒸发受热面水动力问题得研究可以对机组参数选择、 机组设计、电厂系统设计以及运行提供可靠得保证,日本是这方面得典范。日本 从美国引进当时最先进得机组技术后,对其展开了一系列的研究,建立了包括 350bar/650 ℃试验 2t/h 锅炉,350bar/470℃2t/h 复合循环试验装置和 5t/h 350bar/650℃超临界复合循环试验装置,在这些试验装置上进行了管内传热、 水 动力特性以及各部温度分布, 管内壁结垢情况以及水质影响, 启动以及运行特性, 自动控制特性, 材料的持久强度等。 在这些试验装置上摸清了超临界机组的一些 主要特点, 所以尽管日本的技术来自于美国, 但他避开了美国超临界机组的不良 影响,使得超临界机组技术在日本得到高速稳定发展。 目前各个研究机构对蒸发受热面的水动力研究对象主要是对光管、 内螺纹管 以及螺旋管, 由于螺旋管主要也是光管和内螺纹管围绕而成, 对螺旋管的研究仍 然以光管和螺纹管为基础。 为了与实际使用情况相似, 在试验研究中采用半周加 热方式,在不同的负荷、流量和压力下进行了系列研究,许多的试验数据来自于 工业性试验,对我们的研究工作有一定的借鉴作用。

2.2 水动力研究的方法和意义
所谓水动力特性是指在一定的负荷条件下, 直流锅炉蒸发受热面中工质流量 G 与流动阻力ΔP 的关系。在温度状态时,G 与ΔP 是一一对应的,当一个ΔP 出现二个以上的 G(G1,G2 等)时,则为不稳定现象,对于锅炉来说,在进出口 联箱压差一定时出现了不同的流量。一旦出现这样的流动不温度性, 由于管组总 的流量是不变的, 某根管子中的流量出现非周期性的流量变化, 其他并联的管子 的流量也会发生相应的非周期性变化, 引发蒸发点波动, 可能引起金属疲劳损坏, 不稳定的水动力特性, 还会使并联管中出口工质的状态参数不同, 有的是单相而 有的是汽水混合物,甚至有的会是过热蒸汽,管子会由于过热而损坏。 在机组中使用的载热工质为水,水在不同的压力和温度下有着不同的性能, 尤其在临界点附近的物性变化很大, 这种物性的变化会在锅炉的滑压运行中产生 不可轻视的影响。 图 8 是水在近临界点的物性变化图。 从图 8 上可以看出在临界
40 35 500 30 400 25 20 200

600

?

400

9
300

(kg ℃ )

g/m

3

r

图 7 水在临界点的物性曲线图
30 28

超临 界 压 力区

水 冷 壁 入 口 压 力 (MPa)

26 24 22 20 18 16 14 12 0 20 40 60 80 100

临 界 压 力区

亚 临 界 压 力区

负 荷 (% )

图 8 水冷壁入口压力和负荷的关系

处存在一个大比热区, 密度变化也很大, 在水冷壁中如果遇到这样的将会产生一 系列的不稳定现象, 如果不有效的防止将会导致难以预料的后果, 及时在超临界 压力中由于启动和变压都避不开该区域, 对近临界区的了解可以更为准确反映在 整个运行过程中的水动力和传热问题。图 9 是机组滑压运行的压力负荷对应关 系,所以对最不安全的近临界区的研究是超临界机组水动力的关键。 对近临界区一般分成两个压力区进行研究即亚临界区(21-22.5Mpa)和超 临界区(22.5-24Mpa) 。对超临界水动力的研究主要是解决以下问题:水动力的 多值性;热偏差;膜态沸腾;脉动;停滞;含汽率分配不均匀;汽水分层;流量 分配不均匀等研究以上这些问题的主要目的是为了防止壁面温度超温而烧坏管

10

子,造成事故。因此以下的试验研究是在极限条件下测量避免的温度变化情况。 找出避免传热恶化的结构和流动、加热条件,为设计和运行管理提供技术支持。

2.3 光管水动力特性

2.3.1 试验系统
在高压试验台上建立了光管和不同规格内螺纹管为试验件的实验系统,试验 系统如图 9 所示,光管的规格为Φ24×4mm,由于机组一般处于滑压运行,在
10 水箱 加热段 9

7 5 4 2 11 3 4 12 2 4 4 4 5 8

13 4

图 9 试验系统图

为了保证实验数据稳定和准确,舍弃了能够较快获得临界干度的变热负荷 法,坚持以定热负荷法为主,即固定试验段热负荷,逐步增加预热段加热功率, 提高试验段进口干度, 直到发生传热恶化后壁温飞升值超过报警上限、 热功率加 满或者工质已经完全过热这三种情况之一发生为止。 本试验共采用 103 个通道作 为监测和采集测点,共使用 6 块 IMP 数据采集卡(以前均为 1~2 块) ,并因此特 T T p,?p ?p 意编制了 IMP for Windows 数据采集程序,实现了高温高压下多测点数据的监控 和采集。进行重复试验,增加数据量,最终的试验数据量达到 200 多兆。
7×100 mm 40 210mm 1000 mm 1500 mm 4×60 mm 210mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

11

1~4 , 9~13 截面 测点分布

5 截面测点分布

6 截面测点分布

7 截面测点分布

8 截面测点分布

该试验系统采用封闭式的控制循环系统, 系统内工质通过循环泵的压头进行 循环;经过预热段加热,达到所需要的蒸汽干度,进入试验管段。试验管出口的 汽水混合物经汽水分离器分离;蒸汽进入给水加热器加热给水(即补充水),最后 进入蒸汽冷凝器; 冷凝水利用自身的重位压头下降, 与分离器内分离的饱和水混 合,通过流量孔板进入循环泵重复循环。试验管辐射加热炉的炉膛呈椭圆型,由 两个半径为 117.5 毫米的半圆组成, 两圆心距炉膛中心分别为 35 毫米和 10 毫米, 炉膛高度为 700 毫米,炉膛四周炉壁、炉顶和炉底均采用刚玉砖,厚度为 57.5 毫米,炉芯外围炉体采用轻质耐火砖砌成,其直径为 0.8 米。 试验管两边加焊了厚5毫米,高10毫米的绪片,垂直布置于试验炉中。 为隔离试验管背面热量的传入,在试验管的后面安装隔热槽钢, 在槽钢的两 端焊有φ12×2的冷却管,位于试验管鳍片的后面。试验时,冷却管内通有冷凝 水,以吸收隔热槽钢的热量,模拟锅炉炉膛水冷壁管半圆周辐射加热。 炉膛内可放置11根U型的二硅化钼加热元件,加热元件直径9毫米,长600毫 米。本次试验采用9根,分三组,每组3根串联,分别接于三台l00kW调压变压器 上,试验时,改变电压,以改变电源和加热功率。 预热段的加热方式采用低电压大电流直接对 lCri8Ni9Ti 不锈钢管加热。 由一 台 400kVA 三相调压变压器调节三台 180KVA 低电压大电流单相变压器。用改 变 400KVA 调压变压器的输出电压而同时改变三台 180KVA 变压器对预热段的 加热功率。光管半周加热压力与壁温关系试验结果 图 11 和图 12 是超临界区和亚临界区光管在半周加热条件下随压力变化壁 温的变化关系。
700 650 600 550

G=400 kg/m s q=300 kW /m P=21.5 MPa 半 周 加 热 P=22 M Pa 半 周 加 热

2

2

twi / ℃

500 450 400 350 300 1400 1600 1800 x=0 0 22M Pa 1
21.5MPa

1

12 -1 h f / kJ.kg

2000

2200

2400

2600

2800

图 11 超临界压力区压力与壁温关系
550

G=400 kg/m s q=300 kW /m P=13 MPa 半 周 加 热 P=19 MPa 半 周 加 热

2

2

500

450

twi / ℃

400

350 0 300 x=0 250 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
13M Pa 19M Pa

1 1

h f / kJ.kg

-1

图 12 亚临界压力区压力与壁温关系

在临界区的亚临界压力下, 虽然质量流量提高了一倍, 但恶化飞升很严重尤其在 约接近临界点时。 1.2 光管半周加热热负荷与壁温关系试验结果 图 13 和图 14 分别是超临界压力和亚临界压力下热负荷与壁温的关系。热负

600

550

P=22.5 MPa G=600 kg/m s 2 q=250 kW /m 2 q=400 kW /m

2

500

twi / ℃

450

22.5MPa 大 比 热 区

400

tf
350

300 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200

h f / kJ.kg

-1

550

P=24 MPa G=400 kg/m s 2 q=150 kW /m 2 q=350 kW /m

2

500

13
twi / ℃
450

400

tf

图 13 超临界压力下热负荷与壁温关系

荷升高,壁温升高,在临界点时,壁温不仅升高而且壁温值较大,有可能会 超过管子的允许壁温,当压力升高,壁温飞升减弱。在亚临界压力区,壁温 飞升非常严重,而且在低负荷区发生。壁温反复变化将会引起管子的热疲劳 损伤,减少管子的使用寿命。
P=21.5 MPa G=400 kg/m s 2 q=150 kW /m 2 q=400 kW /m
2

550

500

twi / ℃

450

400

tf
350

x=0

x=1

21.5MPa
300 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200

h f / kJ.kg

-1

图 14 亚临界区热负荷对壁温的影响

2.4 螺纹管水动力特性

2.4.1 螺纹管结构
试验系统如图 7 所示,试验件为以下几种规格:
14

第一种规格:φ 28 × 6 ,外径 27.9mm ,当量内径 15.24mm ,最小内径 14.38 mm,最大内径 16.0mm,螺纹头数 4,导程 82 mm,螺纹宽度 9mm,螺纹

高度 0.81mm 螺距 21mm,螺纹上升角 61.15°,材料 12Cr1MoV 第二种规格:φ63.5×7 方槽内螺纹管,其结构见图 15 第三种规格:φ63.5×7.5 园弧槽型内螺纹管,其结构见图 16 内螺纹管由于其对传热恶化的抑制作用明显被应用在蒸发受热面的高热负 荷区域,在垂直管屏水冷壁管种基本都是内螺纹管形式,在螺旋管圈中,在局部 热流密度高工质参数也高的场所也采用内螺纹管, 在本报告中针对国内三大锅炉 厂常用的内螺纹管结构进行了分析研究,其中φ63.5×7.5 园弧槽型内螺纹管和 φ63.5×7 方槽型内螺纹管为东方锅炉厂提供,φ28×6 为哈尔滨锅炉厂提供, 上海锅炉厂的水冷壁管规格与哈尔滨锅炉厂相似。在 900MW 的机组中,哈尔滨 锅炉厂采用 44.45mm 外径和 8.1mm 壁厚的螺旋管圈, 垂直管屏采用外径 31.8mm, 壁厚 6.0mm,由于数据不足,在对性能评价时采用推论的方法。

15

图 15 方型槽内螺纹管结构图

16

图 16 园弧型槽内螺纹管结构图

17

2.4.2 试验结果
1)φ28×6 内螺纹管的压力与壁温试验结果

图 17 和图 18 为φ28×6 内螺纹管的压力与壁温试验结果,在离开临界点区 域壁温升高幅度大的区域移到高含汽率甚至已经到了过热区,只有在临界点
500

G=400 kg/m s q=300 kW /m P=22.5 MPa 半 周 加 热 P=23 MPa 半 周 加 热 P=24 MPa 半 周 加 热

2

2

450

twi / ℃
400

22.5MPa 大 比 热 区 23M Pa 大 比 热 区 24M Pa 大 比 热 区

350 1400

1600

1800

2000

2200

2400
-1

2600

2800

3000

图 17 超临界压力区内螺纹管压力对壁温影响
550

h f / kJ.kg

500

G=400 kg/m s q=300 kW /m P=13 MPa 半 周 加 热 P=19 MPa 半 周 加 热 P=21 MPa 半 周 加 热

2

2

450

twi / ℃

400

350 0 300 x=0 250 1400 0
21MPa 19MPa 13MPa

1 1 1

1600

1800

2000

2200

2400
-1

2600

2800

3000

h f / kJ.kg

图 18 亚临界区压力对内螺纹管壁温的影响

18

500

G=400 kg/m s q=300 kW /m P=21.5 MPa 半 周 加 热 P=22 MPa 半 周 加 热

2

2

450

twi / ℃
400 0 x=0 350 1600 1800 2000 2200
-1

22MPa 21.5MPa

1 1

2400

2600

2800

h f / kJ.kg

图 18 亚临界压力区压力对内螺纹管壁温的影响

温度变化幅度大,但壁温的值已经较之于光管下降近 80℃,因此即使发生不稳 定,仍然保持在运行的管子许用温度内。 2)φ28×6 内螺纹管的质量流量与壁温试验结果

图 19 和图 20 是φ28×6 内螺纹管的压力与壁温试验结果,质量流量的提高
500

P=22.5 MPa q=550 kW/m 2 G=400 kg/m s 2 G=600 kg/m s 2 G=800 kg/m s

2

450

twi / ℃

400

tf

350

22.5MPa 大 比 热 区

300 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200

h f / kJ.kg

-1

图 19 临界点内螺纹管质量流量对壁温的影响

19

500

450

P=21 MPa q=550 kW /m 2 G=400 kg/m s 2 G=600 kg/m s 2 G=800 kg/m s

2

twi / ℃

400

tf

350

x=0

21MPa

x=1

1400

1600

1800

2000

2200

2400
-1

2600

2800

3000

h f / kJ.kg

图 20 亚临界区域内螺纹管质量流量对壁温的影响

改善了水动力条件, 尤其在接近临界点时质量流量太小会导致壁温飞升, 即使对 于内螺纹管,在低干度(x=0.37)时发生温度急剧升高,最小质量流量与运行压 力有关,在低负荷和启动时尤其应该注意保证管内流速大于最小极限流速。 3)φ28×6 内螺纹管的热负荷与壁温试验结果

图 21 和图 22 是φ28×6 内螺纹管的质量流量与壁温试验结果,在超临界下, 温
P=24 MPa G=600 kg/m s 2 q=400 kW/m 2 q=500 kW/m 2 q=600 kW/m
2

500

450

twi / ℃

tf
400

24MPa 大 比 热 区
350

300 1400 1600 1800 2000 2200 2400
-1

2600

2800

3000

3200

h f / kJ.kg

图 21 超临界压力区热负荷对内螺纹管壁温影响
20

480 460 440 420

P=19.0 M Pa G=600 kg/m s 2 q=400 kW /m 2 q=500 kW /m 2 q=700 kW /m

2

twi / ℃

400 380 360 340 320 300 1200

tf

x=0

19MPa

x=1

1400

1600

1800

2000

2200
-1

2400

2600

2800

h f / kJ.kg

图 22 亚临界区热负荷对内螺纹管壁温的影响

度随热负荷的提高稳定上升, 而在亚临界区,当热负荷超过一定值时在高干度处 出现温度飞升现象,飞升达到 70℃,而在低干度区没有温度飞升现象,内螺纹 有效抑制了 DNB 的发生, 4)φ24×4 光管和φ28×6 内螺纹管的比较 图 23 是φ24×4 光管和φ28×6 内螺纹管的在不同的压力条件下的比较。

475

450

p=19.0 MPa 2 2 G=400 kg/m s q=300 kW/m 光管 内 螺 纹管

425

400

twi / ℃

375

tf
350

x=0
325

1

300 1200

1400

1600

1800

2000

2200
-1

2400

2600

2800

3000

h f / kJ.kg

21

550

500

p=21.5 MPa 2 G=400 kg/m s 2 q=300 kW /m 光管 内 螺 纹 管

twi / ℃

450

400

tf
350

x=0

1

300 1300 1500 1700 1900 2100
-1

2300

2500

2700

h f / kJ.kg

550

500

p=22.0 MPa 2 2 G=400 kg/m s q=300 kW/m 光管 内 螺 纹 管

450

twi / ℃

400

tf
350

x=0

1

300 1400 1600 1800 2000 2200 2400
-1

2600

2800

3000

h f / kJ.kg

图 23 φ24×4 光管和φ28×6 内螺纹管近临界区的性能比较

22

由图 23 可以看出在低于临界压力区光管在较低的干度下就开始发生传热恶化, 而内螺纹管可以延长恶化至高干度区甚至到过热区,并且没有温度的急剧飞升, 温度最高值下降很多。 5)63×7.5 方型槽内螺纹管的质量流量与壁温试验结果 图 24 是 φ 63 × 7.5 方 型 槽 内 螺 纹 管 的 质 量 流 量 与 壁 温 试 验 结 果 , 当 G=300kg/m2s 时,发生传热恶化时的临界含汽率随热负荷 q 的增大而减小,在 q=600kw/m2s时其临界含汽率为0.55; 当G=450kg/m2s时,在q=600kW/m2时其临界含汽率为0.65; 当 G=600kg/m2s 时,试验的含汽率将>0.7。 6)63×7 园弧型槽内螺纹管的质量流量与壁温试验结果 图25是φ63×7园弧型槽内螺纹管的质量流量与壁温试验结果, G=300kg/m2s,单位面积热负荷为600kW/m2时,当X=0.2时,壁温开始较快地上 升,至X=0.35左右时,壁温最高达到530℃以上。 当单位热负荷为450kW/m2时,虽然壁温也有升高,但最高壁温t<500℃。当 G=450kg/m2s,600kW/m2时,虽然壁温在X=0.25也有上升,但均未超过500℃。 当 G=600kg/m2s 时,X<0.3 以下,在所有单位热负荷下,壁温均不超过 500℃。 7)φ63×7 园弧型槽内螺纹管的和φ63×7.5 光管的比较 图26是φ63×7园弧型槽内螺纹管的和φ63×7.5光管的比较,圆弧型内螺纹 管比之光管有较好的传热特性和控制传热恶化的特性。 弧型内螺纹管当重量流速 达到450kg/m2s时,在所有的试验单位面积热负荷下均未发生传热恶化。只有当 G=300kg/m2s,单位面积热负荷为450kW/m2,600kW/m2情况下,在X=0.2时,壁 温发生较小的飞升。光管在单位面积热负荷600KW/m2时,G=300kg/m2s, 450kg/m2s,均发生传热恶化。当G=600kg/m2s时,光管、圆弧型内螺纹管均可得 到良好的传热效果, 壁温低于500℃。 圆弧槽型内螺纹管具有与光管相同的传热 恶化的特性, 但因弧槽型内螺纹管具有压制壁温升高的作用, 最高壁温远低于光 管,当传热恶化时,随G的增大,临界含汽率变小。 8)φ63×7 园弧型槽内螺纹管的和φ63×7.5 方型槽内螺纹管的比较 图 27 表示了方槽型内螺纹管与圆弧槽型内螺纹管传热特性的比较,从中可以 看出,方槽型内螺纹管具有推迟传热恶化的作用。

23


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