谢贝贝,王文毓,聂鑫,刘万宇,谢海燕,杨冬,王凤君,黄莺

(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室,150046,哈尔滨)



超临界循环流化床锅炉水冷壁并联双通道内流动不稳定性数值分析

谢贝贝1,王文毓1,聂鑫1,刘万宇1,谢海燕1,杨冬1,王凤君2,黄莺2

(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室,150046,哈尔滨)

针对超临界循环流化床(CFB)锅炉环形炉膛水冷壁中可能出现的流动不稳定性,采用时域法建立了适用于并联双通道流动不稳定性分析的通用计算模型。通过对质量、动量及能量方程一阶迎风差分离散与求解,编写了以Fortran语言为基础的流动不稳定性数值计算程序Dynsys,采用Dynsys程序对并联双通道进行数值模拟,结果表明:并联双通道进口压力、温度、总质量流量不变时,在稳态基础上对并联双通道中的通道1施加1.2倍热负荷扰动,两通道的进口流量随时间变化呈反相脉动;通道内的进口流量与出口流量随时间脉动沿轴向存在180°的相位差,流量脉动的振幅随时间逐渐减小,最终恢复到稳态值;超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁并联双通道内流动是稳定的,与单通道内流动不稳定对比,环形炉膛锅炉水冷壁并联布置有利于提高系统的稳定性。

超临界循环流化床锅炉;并联双通道;流动不稳定性;数值分析

循环流化床(CFB)燃烧技术是一项近20年发展起来的清洁煤燃烧技术[1]。为了实现高效、低污染发电,CFB锅炉发电技术正朝着超临界、大容量方向发展。超临界CFB锅炉主要通过布置中隔墙膜式水冷壁或蒸发水冷屏来解决蒸发受热面布置困难的问题,由此也带来了炉膛过高、经济性差等问题。为此,中国科学院工程热物理所开发了水冷壁采用内圈与外圈并联布置的超临界CFB环形炉膛锅炉。为保证环形炉膛锅炉的安全运行,应避免水冷壁中发生流动不稳定现象。国内外学者对超临界流动不稳定性进行了广泛研究[2-5],涉及到的几何模型包括自然循环回路、强迫循环回路、单通道、双通道[6-9]等,但这些研究主要是针对超临界水冷堆的,而对超临界锅炉的研究很少。又由于并联双通道内热负荷分布、传热规律以及流量分配与单通道模型相比有很大不同,因此有必要对并联双通道内流动不稳定性进行新的探索与研究。

1 计算模型

1.1 并联双通道模型

图1 并联双通道流动结构示意图

基本并联双通道模型由下联箱、加热段和上联箱3部分组成。在基本并联双通道模型基础上,熊挺等搭建了并联双通道实验装置[10]。用Dynsys软件进行数值分析时需简化实验装置,建立图1中并联双通道流动不稳定性分析计算模型。由图1可知:加热段采用热构建进行模拟,使热负荷沿管长均匀分布;进口段与上升段采用节流装置模拟,保证管道进、出口节流系数不变。初始几何参数与热工参数如表1所示。与此同时,作出如下基本假设:①工质沿管道一维流动;②同一横截面上温度场与速度场分布均匀;③不考虑轴向热传导;④在能量守恒方程中忽略黏性耗散、动能和势能的影响;⑤不考虑金属管壁蓄热。

表1 计算模型参数

1.2 控制方程

并联双通道系统在进口处质量守恒,即

(1)

式中:M1,in、M2,in为通道1、2的进口质量流量。

对于并联双通道系统中的通道1与通道2,均有以下守恒方程。

质量守恒方程

(2)

动量守恒方程

(3)

能量守恒方程

(4)

状态方程

(5)

式中:L为管长;d为内径;A为横截面积;ρ为流体密度;h为比焓;M为质量流量;P为压力;θ为流动方向与水平面的角度;Kin为进口节流系数;Kout为出口节流系数;Kjb为局部阻力系数;f为摩擦阻力系数;δd为狄拉克函数;ql为线密度。

1.3 边界条件

对于并联双通道模型,设定边界条件:进口压力Pin为常数;进口温度Tin为常数;进口总质量流量Mt,in为常数;通道1的出口压力Pout,1与通道2的出口压力Pout,2相等;两通道的加热功率相等。

2 数值计算

2.1 离散方法

采用内节点法沿工质流动方向对通道1与通道2进行网格划分,将速度与压力均存于同一套网格节点上并对控制方程进行离散。

质量守恒方程

(6)

能量守恒方程

(7)

动量守恒方程

(8)

状态方程

(9)

2.2 求解与验证

选取时间步长Δt为0.02 s、空间步长Δz为0.01 m进行数值计算。对离散方程稳态求解时,令方程组中的有关时间导数项为0;瞬态求解时,在稳态计算结果上施加热负荷扰动。具体求解流程如图2所示。

图2 并联双通道流动不稳定性数值计算流程

图3 66.1 kW时并联双通道进口流量动态响应曲线

图4 69.9 kW时并联双通道进口流量动态响应曲线

图5 71.1 kW时并联双通道进口流量动态响应曲线

采用固定进口边界条件、改变加热功率的方法求并联双通道发生流动不稳定时的界限功率,并将并联双通道进口流量的动态响应特性作为系统稳定性判断的依据。在加热功率为66.1、69.9、71.1 kW的3种情况下,可得通道1、通道2进口流量随时间的变化情况,如图3～5所示。由图3可知,流量脉动衰减振荡,表明在加热功率为66.1 kW时系统是稳定的。由图4可知,流量脉动等幅振荡,此时加热功率69.9 kW为流动不稳定发生的界限功率。由图5可知,流量脉动振幅随时间增大,系统发散振荡,可知在加热功率为71.1 kW时,流动是不稳定的。由Dynsys程序计算所得界限功率(69.9 kW)与实验所得界限功率(68 kW)的相对误差为2.79%,由此说明Dynsys程序用来模拟并联双通道内超临界流动具有一定的可靠性。

3 超临界CFB锅炉流动不稳定性分析

3.1 水冷壁结构

超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁采用内圈和外圈并联方式,这不仅解决了蒸发受热面、二次风和给料系统布置困难的问题,还减小了炉膛高度,降低了泵损耗,从而提高了经济效益。炉膛外圈前墙回路1中水冷壁管绕过旋风分离器为最长管且处于受热最小的区域,回路6为受热最强的回路,故可选典型回路1与6并联作为流动不稳定性分析的并联通道1与通道2,如图6所示。炉膛沿高度热负荷分布情况由炉膛结构拟定而成,如图7所示。表2给出了并联双通道在稳态的初始参数。

表2 并联双通道稳态时初始参数

图6 并联双通道结构示意图

图7 热负荷沿高度分布图

图8 通道1进、出口流量动态响应曲线

3.2 并联双通道内流动不稳定性分析

图9 通道2进、出口流量动态响应曲线

图10 并联双通道进口流量动态响应曲线

在系统稳态基础上,对并联双通道中的通道1在0～11 s内施加1.2倍热负荷扰动,通道1进、出口流量动态响应曲线如图8所示,通道2内进、出口流量动态响应曲线如图9所示,并联双通道系统进口流量动态响应特性,如图10所示。通道1、通道2的进口流量与出口流量随时间波动沿轴向存在明显的相位差,在稳定之前进出口相位差约为180°。最终,进口流量与出口流量均恢复稳定值,说明通道1与通道2内工质流动是稳定的。

由图10可知:对通道1在0～11 s内施加1.2倍热负荷扰动后,通道1进口流量因热负荷的突然增加而有所减小,这是由于通道1内工质吸热增加的缘故;通道1与通道2的进口流量呈反相脉动,且脉动振幅随时间衰减,最终两通道的进口流量回到初始值,表明并联双通道内流动是稳定的。

3.3 单通道内流动不稳定性分析

对于单通道模型,设定边界条件:整个通道进、出口的压降差为一定值;进口压力与进口焓值不随时间变化。在与并联双通道相同的初始条件与热负荷扰动下,采用单通道模型对通道1进行流动不稳定分析。两种模型所得的进、出口流量随时间波动如图11所示。由图11可知,进、出口流量发散振荡,说明通道1内工质流动是不稳定的。图12给出了两种模型计算得到的通道进口流量动态响应规律。由图12可知,在单通道模型下系统流动是不稳定的,而在双通道模型下系统流动则是稳定的,这说明环形炉膛锅炉水冷壁采用并联方式有利于提高系统的稳定性。

图11 单通道模型进、出口流量动态响应曲线

图12 两种模型下通道进口流量动态响应对比

4 结 论

(1)建立了适用于并联双通道内超临界流动不稳定性分析的数学计算模型,并编写了计算程序Dynsys。Dynsys程序计算所得的流动不稳定边界与已有实验结果符合良好,表明Dynsys程序能有效地预测并联双通道内流动不稳定边界。

(2)采用双通道模型对超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁的流动不稳定性进行数值模拟,结果表明:在进口压力、温度、总质量流量不变的情况下,施加1.2倍热负荷扰动,两通道的进口流量反相相脉动,最终流量恢复到稳态值,表明超临界CFB环形炉膛锅炉并联双通道内水动力流动是稳定的。

(3)采用单通道模型对超临界CFB环形炉膛锅炉水冷壁的流动不稳定性进行数值模拟,并与双通道模型计算结果对比,可得环形炉膛锅炉水冷壁采用并联布置方案有利于提高系统的稳定性。

[1] YANG Dong, PAN Jie. Experimental investigation on heat transfer and frictional characteristics of vertical upward rifled tube in supercritical CFB boiler [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011, 35(2): 291-300.

[2] 李捷. 超临界水堆流动不稳定性研究现状 [J]. 科技视野, 2015(25): 257-258. LI Jie. The research status of flow instability in supercritical water reactor [J]. Science & Technology Vision, 2015(25): 257-258.

[3] 张震, 杨星团, 姜培学. 超临界水在垂直管内换热及流动不稳定性研究 [J]. 原子能科学技术, 2015, 49(11): 2011-2016. ZHANG Zhen, YANG Xingtuan, JIANG Peixue. Study on the heat transfer and flow instability of supercritical water in vertical tube [J]. Atomic Energy Science and Technology, 2015, 49(11): 2011-2016.

[4] 李妍, 陆道纲, 曾小康, 等. APROS程序在超临界水流动不稳定性分析中的适用性研究 [J]. 核动力工程, 2014, 35(5): 70-73. LI Yan, LU Daogang, ZENG Xiaokang, et al. Research on the applicability of APROS program in the analysis of supercritical water flow instability [J]. Nuclear Power Engineering, 2014, 35(5): 70-73.

[5] OMEROGLU G, COMAKLI O, KARAGOZ S, et al. Experimental research of dynamic instabilities in the presence of coiled wire inserts on two-phase flow [J]. The Scientific World Journal, 2013 [2015-12-12]. http:∥dx.doi.org/10.1155/2013/714180.

[6] JAIN V, NAYAK A, VIJAYAN P, et al. Experimental investigation on the flow instability behavior of a multi-channel boiling natural circulation loop at low-pressures [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, 34(6): 776-787. .

[7] SHEN Zhi, YANG Dong, MAO Kaiyuan, et al. Heat transfer characteristics of water flowing in a vertical upward rifled tube with low mass flux [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2016, 70: 341-353.

[8] 沈艳荣, 杨冬, 王龙, 等. 600 MW超临界W火焰锅炉流动不稳定性数值分析 [J]. 西安交通大学学报, 2015, 49(5): 68-72. SHEN Yanrong, YANG Dong, WANG Long, et al. Numerical analysis of flow instability in 600 MW supercritical W flame boiler [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015, 49(5): 68-72.

[9] DUTTA G, ZHANG Chao, JIANG Jin. Analysis of parallel channel instabilities in the CANDU supercritical water reactor [J]. Annals of Nuclear Energy, 2015, 83: 264-273.

[10]XIONG Ting, YAN Xiao, HUANG Shanfang, et al. Modeling and analysis of supercritical flow instability in parallel channels [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 57(2): 549-557.

(编辑 赵炜 荆树蓉)

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。 作者简介:谢贝贝(1991—),女,硕士生;杨冬(通信作者),男,教授。 基金项目:“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2015BAA03B01-01)。

时间:2016-04-21

10.7652/xjtuxb201607008

TK122

A

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

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160421.1043.006.html