大容量高參數角管式鍋爐的水動力特性分析

沈晨露，袁益超

（上海理工大學 能源與動力工程學院/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

角管式鍋爐是德國水動力專家Vorkauf 于1944 年發明的一種水循環性能獨特的鍋爐。自從20 世紀80 年代角管式鍋爐被引進以來，有關學者和工程技術人員已對其水動力特性進行了一定的研究［1］。楊明新等［2-3］曾對角管式鍋爐旗式受熱面結構及水循環特點進行了分析，提出了旗式受熱面水循環計算方法；并對強制循環角管式熱水鍋爐的水動力特性進行了分析。計德忠等［4］于1996 年給出了角管式熱水鍋爐側墻水冷壁的水動力計算方法，分析了進入側墻下集箱的工質流量對水冷壁水動力特性的影響；通過改變進入水冷壁下集箱的給水量，得出角管式鍋爐水冷壁水動力特性隨著給水量變化的關系；計算結果表明，隨著水冷壁下集箱給水量的增大，側墻水冷壁上、下集箱間壓差的偏差加大，引起水冷壁管中工質流量偏差增大，而且最大偏差管為靠近角管的水冷壁管，同時角管兩端工質靜壓差加大。孟昭鵬等［5-6］分析了影響再循環管工作特性的因素，主要有爐膛熱負荷、蒸汽引出管截面積和預分離集箱（本文所研究鍋爐的上集箱）結構；并對角管式鍋爐再循環管的工作特性進行了實驗研究，結果表明：隨著爐膛熱負荷的增加，再循環管內的工質流量先增加后減少；增加蒸汽引出管截面積可以減少再循環管帶汽，從而增加再循環管內的工質流量。

然而，對于不同壓力下角管式蒸汽鍋爐預分離系統內汽液混合物的分離情況，以及再循環管帶汽對角管式鍋爐水動力特性影響的研究還鮮有報道。本文旨在研究角管式鍋爐預分離系統內汽液混合物的分離情況，并且對再循環管帶汽情況下，不同循環回路布置以及鍋筒壓力變化對角管式蒸汽鍋爐水動力特性的影響進行分析，為大容量高參數角管式鍋爐的設計應用提供參考依據。

為研究角管式鍋爐在不同結構布置、不同工況下的水動力特性，本文以某角管式鍋爐為研究對象，假設其可在本文研究的不同壓力下運行，進而開展其預分離系統汽水分離特性的數值模擬及水動力特性的相關計算與分析。

1 鍋爐結構及工質流程分析

1.1 鍋爐結構

本文研究的角管式鍋爐為中溫中壓、無構架、單鍋筒縱向布置、自然循環燃氣鍋爐，爐膛為全膜式壁結構，正壓燃燒。鍋爐前墻布置旋流式燃燒器，燃燒生成的煙氣依次通過爐膛水冷壁、爐膛后部蒸發段、過熱器、省煤器和空氣預熱器。表1 為該角管式鍋爐的主要性能參數。

表 1 鍋爐主要性能參數Tab. 1 Main performance parameters of the boiler

1.2 工質流程

給水經省煤器進入鍋筒，由鍋筒下部的下降管引入下集箱，經四側水冷壁加熱后進入上集箱。上集箱與再循環管、引出管組成角管式鍋爐的預分離系統，如圖1 所示。進入上集箱的汽水混合物一部分由上集箱直接引入鍋筒，另一部分在預分離系統中汽水分離后，蒸汽由引出管引入鍋筒，而水則經由再循環管進入下集箱，繼續參與水循環。因此，進入下集箱的水一部分來自下降管，另一部分來自再循環管。此外，該鍋爐四側墻所對應的上集箱和下集箱均互相連通，即整臺鍋爐的四側墻共用上集箱和下集箱。該鍋爐蒸發受熱面水循環系統示意圖如圖2 所示。

圖 1 預分離系統結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the pre-separation system

圖 2 鍋爐蒸發受熱面水循環系統示意圖Fig. 2 Schematic diagram of water circulation system in the evaporating heating surface of boiler

2 水動力計算方法

根據該鍋爐水循環系統特點，在穩定流動的狀況下，有

式中：Pgt為鍋筒壓力，Pa； ρxj、 ρss分別為下降管、上升管中水、汽水混合物的密度，kg·m-3；ΔPxj、 ΔPss分別為下降管、上升管中工質的流動阻力，Pa；H為循環回路高度，m；g為重力加速度，m2·s-1。

上升管系統的總阻力 ΔPss由引入管阻力ΔPyr、 加熱水段阻力 ΔPrs、 蒸發段阻力 ΔPzf、引出管阻力 ΔPyc和 汽水分離裝置阻力 ΔPf等l部分組成，即

從圖2 可以看出，流體通過每組引出管的阻力相等，即

式中，t為引出管數量。

上、下集箱之間上升管（水冷壁管、蒸發管）和再循環管的進、出口壓差相等，即

由式（4）～（9）及文獻[7]可進行該鍋爐的水動力特性計算。由式（6）～（7）可知，再循環管的重位壓頭和流動阻力均受管內工質密度 ρzxh和含汽率（帶汽量）xzxh的 影響，而密度 ρzxh也與再循環管內工質的含汽率有關。因此，再循環管內工質的帶汽量xzxh對鍋爐的水循環有著直接影響。而再循環管內工質的含汽率取決于預分離系統的汽水分離效果。

3 預分離系統汽水分離特性數值模擬

3.1 計算模型及網格劃分

為研究預分離系統的汽水分離效果，針對圖1所示的預分離系統，本文在Gambit 軟件平臺上建立預分離系統的二維模型，數值模擬計算區域如圖3 所示。由于在預分離系統中，汽液兩相流體的雷諾數較高，因此采用可實現κ-ε模型和歐拉- 歐拉方法求解。

圖 3 預分離系統數值模擬計算區域Fig. 3 Computational domain of the pre-separation system

采用四邊形網格對該計算區域進行劃分，網格分辨率為0.5 mm，網格數約為130 萬。在計算過程中，在管道銜接處、彎頭等湍流強度大的區域采用局部加密網格。每根管道均采用漸變網格：沿徑向貼近管壁處的網格較密、中心較疏；沿軸向管道出口處的網格較疏、遠離出口處較密。

3.2 邊界條件

（1）入口邊界條件：在計算區域內，采用速度入口。根據前文所述的水動力計算方法可得到不同工況下鍋爐的循環倍率、進入上集箱的汽水混合物的質量流量、干度和流速。

（2）出口邊界條件：采用壓力出口。在計算區域內共有三個出口，分別是引出管出口、上集箱出口和再循環管出口。引出管和上集箱皆連接鍋筒，所以其出口壓力均設置為鍋筒壓力，而再循環管連接下集箱，故其出口壓力設置為下集箱壓力，下集箱內工質壓力根據水動力計算得到。

（3）壁面邊界條件：采用標準壁面函數法作為管壁壁面邊界條件。標準壁面函數法定義為無速度滑移和無質量滲透邊界條件。所有壁面的近壁處均采用標準壁面函數法。

4 計算實例與結果分析

由于再循環管內工質的含汽率直接影響該鍋爐的水動力特性，故基于水動力計算與預分離系統汽水分離特性數值模擬的耦合結果，得到不同工況下該鍋爐的水動力特性。先假設再循環管帶汽量xzxh,1為0 進行水動力計算，得到鍋爐的循環倍率K1以 及上升管出口含汽率x1；并以此作為預分離系統的入口干度進行數值模擬，得到再循環管帶汽量xzxh,2；再根據此帶汽量進行水動力計算，得到鍋爐循環倍率K2以及上升管出口含汽率x2；再將其作為預分離系統入口干度進行數值模擬。如此反復，經過多次水動力計算與數值模擬，當前、后兩次水動力計算得到的循環倍率誤差小于3%時，則認為數值模擬結果與水動力計算結果一致。

4.1 鍋爐運行壓力對水動力特性的影響

表2 為循環回路高度為7 m、爐膛吸熱量Q相同時，不同壓力工況下該鍋爐循環倍率變化。從表中可知：鍋筒壓力從4.15 MPa 升高至8.15 MPa 的過程中，再循環管內工質的含汽量逐漸減小，鍋爐的循環倍率先增大后減小。這是因為：

（1）隨著鍋爐運行壓力的升高，水循環回路的運動壓頭減小，鍋爐的循環流速也減小，鍋爐循環倍率減??；

（2）鍋爐運行 壓力提高，汽液密度比減小，液滴的攜帶速度［8］Wb減小。

式中：dL為 液滴直徑，m； ξ為球形物體在汽流中運動的阻力系數。

（3）通過計算可知，隨著運行壓力的增大，工質流速與攜帶汽流速度的比值減小，即蒸汽向上攜帶液滴的能力隨著鍋爐運行壓力提高而降低，所以再循環管的帶汽逐漸減少。而隨著再循環管內工質含汽量的減少，再循環管與上升管組成的水循環回路的運動壓頭增大，鍋爐的循環流速也增大，鍋爐循環倍率增大。

因此，鍋爐的循環倍率受運行壓力變化和再循環管帶汽量變化的共同影響。

通過數值模擬可知，在壓力較低時，再循環管帶汽較多，因此再循環管與上升管組成的水循環回路的運動壓頭減小也較明顯，使鍋爐的循環倍率較??；隨著壓力的升高，再循環管帶汽越來越少，再循環管與上升管組成的水循環回路的運動壓頭逐漸增大，循環倍率的變化主要受壓力變化的影響。因此，隨著鍋爐運行壓力的升高，其循環倍率先增大后減小。

4.2 循環回路高度對水動力特性的影響

圖4 為不同壓力P下，在再循環管帶汽量相同情況下，循環回路高度分別為7、10 m 時的鍋爐循環倍率K變化。從圖中可知，在循環回路高度為10 m 時，循環倍率的變化情況與循環回路高度為7 m 時相同。這是因為，鍋爐的循環回路高度增加，導致運動壓頭增大，相應的流動阻力也會增加，但循環回路高度為7 m 時K的增加幅度大于循環回路高度為10 m 時，所以循環流量將變大，鍋爐的循環倍率增大。

4.3 再循環管布置與否對水動力特性的影響

圖5 為循環回路高度為7 m 時不同壓力下鍋爐有、無再循環管時循環倍率變化。從圖中可知：當鍋爐無再循環管時，循環倍率隨著壓力升高而減小。這是因為隨著壓力的升高，水循環回路的運動壓頭減小，鍋爐的循環流速減小，因此，循環倍率也隨之減小。

圖 4 不同壓力下循環回路高度分別為7、10 m 時循環倍率的變化Fig. 4 Relationship between circulation ratio and pressure at the circulation loop height of 7 m and 10 m

圖 5 循環回路高度為7 m 時不同壓力下鍋爐再循環管布置與否對循環倍率的影響Fig. 5 Effect of recycling pipe arrangement on the circulation ratio under different pressures when the circulation loop height was 7 m

當有再循環管時，隨著壓力的升高，循環倍率先增大后減少。這是因為，有再循環管時，鍋爐水循環的運動壓頭包含兩部分：一部分是再循環管與上升管組成的水循環回路的運動壓頭；另一部分是下降管與上升管組成的水循環回路的運動壓頭。當壓力較低時，由于再循環管內含汽量較大，再循環管與上升管組成的水循環回路的運動壓頭減小較明顯，使鍋爐水循環回路的總運動壓頭減小量大于無再循環管時的減小量。從圖5中可以看出：在壓力較低時，再循環管含汽時的循環倍率與無再循環管時的循環倍率相比減小約8%，對鍋爐運行的影響很??；在壓力提升后，再循環管含汽量不斷減小，再循環管與上升管組成的水循環回路的運動壓頭逐漸增大；在壓力超過5.8 MPa 后，有再循環管時的水循環回路的總運動壓頭減小量小于無再循環時的減小量，所以有再循環管時的循環倍率較大。

5 結 論

本文根據所研究的角管式鍋爐的水循環回路特點，提出了其水動力特性計算方法，并結合該鍋爐預分離系統中汽水分離特性的數值模擬，對不同工況下的水動力特性進行了計算與分析，得到如下結論：

（1）通過對鍋爐預分離系統進行數值模擬得出：隨著壓力的升高，蒸汽向上攜帶液滴的能力降低，預分離系統內汽水分離效果改善，再循環管帶汽量逐漸減少。

（2）若爐膛吸熱量不變，循環回路高度一定，隨著壓力的升高，循環倍率先增大后減??；若爐膛吸熱量相同、運行壓力也相同，隨著循環回路高度提高，循環倍率增大；若鍋爐不設再循環管，隨著壓力的升高，其循環倍率不斷減??；相較于帶有再循環管的情況，在壓力較低時，其循環倍率略高，當壓力大于一定值之后，其循環倍率小于帶有再循環管時的循環倍率。