基于数值模拟的壁温测量集热块优化研究_张学军.pdf

I2 收稿日期：基金项目：浙江省能源集团有限公司科技项目（）作者简介：张学军（），男，浙江杭州人，工程师，长期从事电站生产安全管理工作。通讯作者：张光学（），男，中国计量大学能源工程研究所教授，博士，从事燃烧、传热及污染物控制方向研究，：。基于数值模拟的壁温测量集热块优化研究张学军，黄炜强，董 磊，赵宁宁，鲍 听，张光学（浙江浙能中煤舟山煤电有限责任公司，浙江 舟山；浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州；浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，浙江 杭州；中国计量大学 能源工程研究所，浙江 杭州）摘 要：为提高锅炉内过热器壁温测量的准确性，基于数值模拟方法对集热块参数设计和安装方式进行了研究，分析了多种参数对测温偏差的影响及作用机理。研究结果表明：集热块无保温时，测量温度与管壁 处偏差为 ，增加保温后，测量偏差降低至 ，说明保温作用能显著提升测量准确性。此外，集热块结构参数主要是通过改变传热效率影响测温准确性，其随集热块高度和焊接坡口尺寸增大而减小，随集热块厚度和孔径减小而增大。该研究可为集热块的设计与安装提供指导，在集热块安装时需做保温处理；而集热块结构参数对测量准确性的影响相对较小，此时应更多考虑集热块的结构强度和加工制造成本。关键词：壁温测量；集热块；参数优化；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，：；热能动力DOI:10.16189/ki.nygc.2023.02.002 年，第 期 I3 引 言随着碳达峰、碳中和目标的提出，煤电高效、清洁利用的趋势得到了进一步强化，提高锅炉蒸汽参数是煤电高效发展的主要趋势。但是，参数提高的同时也增加了锅炉运行的风险，例如由过热器超温导致的爆管。浙江某电厂数据统计显示，十年间由过热导致的锅炉“四管”爆管可以占到总事故的。一些案例也表明存在测点显示温度远低于报警值从而导致爆管的现象。同时，相关研究也进一步证实了准确测温的重要性，李凯等对 型布置锅炉的相关规定及测点布置进行了分析，证明了锅炉壁温测量的准确性不仅在预防爆管这类的事故上有着重要意义，还可以帮助发现锅炉设计制造上的缺陷。袁奕竑分析了火电厂锅炉受热面失效的原因，指出长期高温和短时超温是受热面失效的两个重要原因，重视温度的精确测量有利于预防锅炉受热面失效问题。因此，加强锅炉受热面的壁温监测，尤其是监测的准确性对于锅炉安全、稳定运行至关重要。目前，锅炉高温受热面通常采用热电偶进行温度测量，并通过集热块固定在外管壁上。一些学者的研究表明集热块对热电偶的测温精度有着不可忽视的影响。其中周世杰等分析了热电偶选型以及安装过程中的相关事项，强调了集热块与管壁紧密接触的重要性，指出减小集热块腔室内的温度与外管壁温度的差距，有助于提高测温精度。白杰等分析了铠装热电偶的测温误差及其影响因素，明确了热电偶的温度测量误差与金属护套直径有关。周殿广等分析了造成热电偶测量误差的主要因素，指出热电偶保护管材质以及热电偶的插入深度对热损耗造成的测量误差有显著影响。因此，为了保证测温的准确性，有必要研究不同参数下集热块对测温偏差的影响。但是目前未见对集热块设计参数进行单独研究的报道。为了解决这一问题，本文通过数值模拟方法，研究了集热块厚度、高度、孔径、焊接方式以及是否保温等情况对测温准确性和可靠性的影响。基于此，探究集热块相关参数的优化方案，使集热块既能准确反映受热面管壁温度，又能长期可靠运行。数值模拟方法 集热块结构设计本文设计的集热块，应用场景为浙江某电厂 超超临界电站锅炉末级过热器内壁面的温度测量。集热块采用与换热管同样的材质制作，以减少膨胀差；上部设有小孔，孔径略大于热电偶外径，热电偶通过小孔插到集热块内部中心，通过焊接与集热块合为一个整体。同时，集热块的左右及底部设有内倒角（焊接坡口），以便与换热管焊接，减少换热热阻，降低测量偏差。内外两侧的圆弧与换热管同心，以便更好地贴合换热管表面，同样可以减少热阻。安装时将集热块内侧圆弧面紧靠换热管，通过三条焊接坡口，采用与换热面同样材质的焊接材料，将集热块牢固地安装于换热管表面。此外，为了降低高温烟气温度对测温元件的影响，对集热块进行了保温处理，采用保温棉，将集热块与高温烟气隔绝。结构设计及安装方式如图 所示。图 集热块结构设计及安装方式 几何模型与网格为了研究测温装置的表现，探索集热块各种设计参数的影响，将换热管和集热块放置于较小的计算区域中，高温烟气自左向右冲刷测温装置；换热管内外是高温烟气，温度为 ，内部是蒸汽介质，通过比较换热管 壁厚的温度与热电偶端部测温点温差，考察测温的准确性。采用 将网格划分为多面体网格，并在热电偶及集热块部分区域进行局部加密，整体网格数量为 万。几何模型及网格分布如图 和图 所示。热能动力 I4 图 计算域几何模型图 过热器及测温组件网格分布 理论模型及计算条件流体力学三大定律在 中以控制方程形式进行描述，通过有限差分法实现流体各离散点上的微分方程精确求解。控制方程包括连续性方程、运动方程以及能量方程。其中，连续性方程是流体运动中遵循的质量守恒定律的数学表达式，在求解流场的速度、压力等物理量的分布时，常采取微分方程形式。本文采取微元体积控制分析法来说明连续性方程，表达式为：（）（）式中：为流体密度；为时间；为流体速度。牛顿第二定律表明，作用在单位微元体上的合力等于流体速度随时间的变化率。本文采用微元控制体分析法描述运动方程，表达式为：（）（）（）（）式中：为静压力；为应力张量；和 分别为重力和外力。能量守恒定律表明，微元体内总能量的时间变化率等于单位时间外力所做功与外界传给它的热量之和，本文描述能量方程的表达式为：|()（）式中：为有效导热率；为湍流导热率；为扩散通量；为包含体积热源以及化学反应的热速率。考虑到模拟对象具有强湍流特性，根据精度和计算量，本文选用的湍流模型为可实现的 模型，包含湍动能及其耗散率的方程。湍动能运输方程是通过精确的方程推导得到，耗散率方程式通过物理推导，数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性影响可以忽略。可实现的 模型的动能 和湍流耗散 的输运方程为：（）（）|（）（）（）|（）（）式中：表示由层流速度梯度而产生的湍动能项；是由浮力产生的湍动能项；表示在可压缩流动中湍流脉动膨胀到全局流程中对耗散率的贡献项；、是常量；和 是 方程和 方程的湍流 数；和 是用户定义的湍流耗散源项。湍流黏性 由下式确定：（）式中：为常数。表示湍流动能，精确的 方程将其定义为：（）此外，考虑到 辐射模型适用于气体和固体颗粒间的辐射换热，不仅能兼顾壁面发射率和散射的影响，而且计算量较小，更适合锅炉燃烧计算，选择了 辐射模型作为本文的辐射换热模型。为了探究合适的设计参数，本文对不同参数下的集热块进行了数值模拟。表 为集热块主要计算工况参数的选择。表 计算工况参数选择研究变量参数选择保温条件有、无厚度、高度、孔径、热能动力 年，第 期 I5 导热系数（）、结果与讨论 保温条件的影响本文首先研究了集热块保温对壁温测量准确性的影响。图 是无保温和有保温情况下，水平截面温度分布对比情况。结果表明，加上保温后，换热管及集热块的温度相比无保温时更低，且温度均匀性更好。此外，有保温时，热电偶所测温度与 壁厚处的温差减小，说明有保温时测量更加准确。从图 可以看出，不加保温时，测量偏差为 ；增加保温后，测量偏差降低至 。针对上述现象，从传热机理角度进行分析：加上保温层后可以减小高温烟气与换热器的辐射换热和对流换热，因此温度较低。除了降低测温偏差，保温层还可以防止高温烟气及其携带颗粒物对测温元件的冲刷磨损等问题，能够有效延长使用寿命。图 有无保温时，横截面温度分布对比图 保温条件对测温偏差的影响 集热块厚度及高度的影响研究有无保温情况下集热块厚度和高度对壁温测量准确性的影响。图（）为集热块厚度对测量准确性的影响，结果表明，随着集热块厚度的增加，测温偏差呈现上升趋势。无保温时，该参数对测温偏差的影响较大。厚度为 时，测量偏差仅 ；当厚度提高至 时，测量偏差就高达 。加上保温层，集热块的厚度的影响就会大幅降低。从传热角度分析，厚度对测温偏差的影响主要是由于厚度增加，降低了热传导效率，导致集热块内部与换热管温差增大，从而提高了测温偏差。但是考虑到较厚的集热块有利于热电偶安装，且实际使用都有保温，因此选择 厚度的集热块比较合理。图 集热块厚度及高度的影响图（）为集热块高度对测量准确度的影响，结果表明，测温偏差总体与集热块高度呈负相关。无保温时，测温偏差最大为 ，随着高度增加，测量偏差下降 。有保温时，集热块高度增加热能动力 I6 导致的偏差减小明显放缓。高度对测温偏差的影响主要是由于集热块高度的增加增大了导热面积，从而增强了传热，减小了集热块内部与换热管温差，进而减小了测温偏差。集热块孔径、坡口尺寸的影响此外，本文还研究了集热块孔径大小和焊接坡口尺寸对壁温测量准确性的影响。图（）为集热块孔径对测温准确性的影响，当集热块孔径变化时，需要同时更改热电偶的尺寸，使之匹配。根据计算结果，无保温时，测温偏差随着孔径增大有所增大，偏差总体在 以内；加上保温后，孔径对测量偏差几乎没有影响。孔径对偏差的影响主要是由于随着孔径增大，热电偶的尺寸以及与烟气的接触面积相应增大，对流换热加强，从而增大了测温偏差。考虑到过细的热电偶容易在炉膛高温、高尘环境下损坏，采用 孔径的集热块比较合理。图 集热块孔径和坡口尺寸的影响图（）是集热块焊接坡口尺寸对测温准确性的影响。从图中可以看出，焊接坡口尺寸对测温偏差的影响较小，坡口尺寸的增大可以少量降低测量偏差。这一现象主要是由于焊接坡口尺寸的增大可以降低测温元件与换热管之间的热阻，从而减小集热块与换热管之间的温差，提高测温准确性。结 论本文采用数值模拟方法，对集热块的设计参数，如集热块厚度、高度、孔径、焊接坡口以及是否保温等情况进行了研究，具体结果如下：）探明了集热块保温对测温准确性的影响。无保温时，集热块与管壁 处测量偏差为；增加保温后，测量偏差降低至 ，测量准确度显著提升。这是由于保温层能减小高温烟气与管壁之间的辐射和对流换热，从而减小集热块与管壁的温度梯度。）分析了集热块厚度、高度、孔径大小以及焊接坡口尺寸对测温偏差的影响。研究结果发现测量准确性随集热块厚度减小以及高度增大而增加，随着孔径减小以及坡口尺寸增大而增加。）本研究可为集热块的设计与安装提供指导，在集热块安装时需做保温处理；而集热块结构参数对测量准确性的影响相对较小，此时应更多考虑集热块的结构强度和加工制造成本。参考文献：邹 磊大力促进煤电清洁高效低碳发展中国电力企业管理，（）：石凯军，郝晓明高参数蒸汽锅炉在垃圾焚烧发电厂的应用分析绿色科技，（）：阎维平超临界蒸汽参数发电技术发展评述电力科学与工程，（）：刘建超垃圾焚烧发电厂高参数蒸汽的应用分析节能与环保，（）：赵中赫，刘光奎，梁宝琦，等某电厂锅炉屏式过热器爆管原因分析中国特种设备安全，（）：衣 力某超临界机组锅炉后屏过热器爆管事故分析中国特种设备安全，（）：王 荣，魏广鸿，刘 吉，等 机组锅炉屏式再热器爆管原因分析及预防对策东北电力技热能动力 年，第 期 I7 术，（）：郭 飞，宋宝军，张鑫莆某 超临界机组锅炉后烟道侧墙爆管数值模拟分析电站系统工程，（）：金敏华，刘献良，赖云亭，等 高温过热器爆管失效分析 电力科技与环保，（）：，：，（）：，（），：李兆祥，吴祥国，林开俊，等超超临界塔式锅炉 末级过热器失效原因分析盐城工学院学报（自然科学版），（）：李 凯，刘征远，周元超，等 型布置电站锅炉壁温采样、测量与处理技术 河南电力，（）：袁奕竑基于火电厂锅炉受热面失效原因及防治措施研究内蒙古煤炭经济，（）：尚明峰锅炉金属壁温热电偶安装技术安装，（）：周世杰，徐同社超超临界锅炉金属壁温的设计及安装华东电力，（）：白杰，陈昭，王伟热电偶温度测量的误差及影响因素分析机床与液压，（）：周殿广，樊鲜美，陈琪，等热电偶测量误差分析新型工业化，（）：（责任编辑 杨启岳）（上接第 页）朱继梅，金庆铭，翁蓓蕾大型电