水動(dòng)力回路分析法在自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力計(jì)算中的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)自然循環(huán)鍋爐時(shí)，確定熱態(tài)的水動(dòng)力特征非常重要?，F(xiàn)在，中國(guó)自然循環(huán)鍋爐的水動(dòng)力計(jì)算通常將熱態(tài)分為幾個(gè)管組，根據(jù)每個(gè)管組的平均吸熱量和幾何特性，通過圖法確定每個(gè)管組的水動(dòng)力工作點(diǎn)。該方法不僅計(jì)算過程復(fù)雜，而且圖法中存在固有的計(jì)算誤差，無法正確確定每個(gè)管的當(dāng)前流量，也無法正確預(yù)測(cè)自然循環(huán)鍋爐熱態(tài)的水動(dòng)力特征。因此，本文根據(jù)力學(xué)原理和鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法的基本原則，提出了一種新的方法，該方法直接計(jì)算自然循環(huán)鍋爐各回管的水動(dòng)力特征，即水動(dòng)力回路的分析方法。根據(jù)該方法，對(duì)每個(gè)自循環(huán)電路的等效波形圖和水力進(jìn)行了計(jì)算，并提供了數(shù)值解算方法。1發(fā)揮好工質(zhì)流及未知量的回路方法原理圖1是簡(jiǎn)化的鍋爐水循環(huán)圖及其管路等效圖.為計(jì)算Ga、Gb、Gc、Gd,假想在回路1、2和3中分別有回路工質(zhì)流G1、G2和G3沿回路流動(dòng),其方向如圖1中虛線箭頭所示.由于支路a只有G1流過,則Ga=G1,同理Gd=G3,支路b有兩個(gè)工質(zhì)流(G1,G2)同時(shí)通過,支路工質(zhì)流應(yīng)為G1和G2的代數(shù)和,即Gb=G1-G2,同理,支路c工質(zhì)流應(yīng)為G2和G3的代數(shù)和,即Gc=G2-G3.對(duì)圖1的3個(gè)回路列方程,有{G2aR1+G2bR2=E1-E2,-G2bR2+G2cR3=E2-E3,-G2cR3+G2dR4=E3-E4.(1)???????G2aR1+G2bR2=E1?E2,?G2bR2+G2cR3=E2?E3,?G2cR3+G2dR4=E3?E4.(1)式中:E為流動(dòng)勢(shì),E=ˉρgΗ.E=ρˉgH.式(1)為非線性方程組,考慮到工質(zhì)流動(dòng)的方向性和方便求解,可將G2改寫為G|G|,則有Ga|Ga|R1+Gb|Gb|R2=E1-E2,-Gb|Gb|R2+Gc|Gc|R3=E2-E3,-Gc|Gc|R3+Gd|Gd|R4=E3-E4.Ga|Ga|R1+Gb|Gb|R2=E1?E2,?Gb|Gb|R2+Gc|Gc|R3=E2?E3,?Gc|Gc|R3+Gd|Gd|R4=E3?E4.將支路工質(zhì)流用回路工質(zhì)流代替,得{G1(|G1|R1+|G1-G2|R2)-G2|G1-G2|R2=E1-E2,-G1|G1-G2|R2+G2(|G1-G2|R2+|G2-G3|R3)-G3|G2-G3|R3=E2-E3,-G2|G2-G3|R3+G3(|G2-G3|R3+|G3|R4)=E3-E4.(2)式(2)即為回路工質(zhì)流為未知量的回路方程.如果把各個(gè)回路的工質(zhì)流作為未知量,列出全部的回路方程,聯(lián)立求解即可.為了使所列的回路方程都能保證獨(dú)立,應(yīng)選獨(dú)立回路作為回路工質(zhì)流的環(huán)流路徑.回路工質(zhì)流量解出后,支路工質(zhì)流量則為有關(guān)回路工質(zhì)流量的代數(shù)和.這種計(jì)算方法即為水動(dòng)力回路分析法.2計(jì)算描述s13g首先,定義各支路流量的絕對(duì)值與本身水阻的乘積為該支路的當(dāng)量流阻,符號(hào)為Ri′,對(duì)于圖1所示回路,R1′=|Ga|R1=|G1|R1,R2′=|Gb|R2=|G1-G2|R2,R3′=|Gc|R3=|G2-G3|R3,R4′=|Gd|R4=|G3|R4,則式(2)經(jīng)整理可得(R1′+R2′)G1-R2′G2=E1-E2,-R2′G1+(R2′+R3′)G2-R3′G3=E2-E3,-R3′G2+(R3′+R4′)G3=E3-E4.設(shè)R11′、R22′和R33′分別為回路1、2和3的自阻,(R11′=R1′+R2′,R22′=R2′+R3′,R33′=R3′+R4′);設(shè)R12′、R21′為回路1和2的互阻,它們的絕對(duì)值等于回路1和2的公共當(dāng)量流阻(|R12′|=|R21′|=R2′).R23′、R32′為回路2和3的互阻,其絕對(duì)值等于回路2和3的公共當(dāng)量流阻(|R23′|=|R32′|=R3′);其中負(fù)號(hào)的出現(xiàn)是因?yàn)镚2在R2′中的方向與回路1的(也是G1的)參考方向相反,故有R12′=R21′=-R2′,R23′=R32′=-R3′.為了使回路方程的一般形式整齊,把壓降的正負(fù)號(hào)包含在它們有關(guān)的互阻中,則上列回路方程可寫成{R11′G1+R12′G2+R13′G3=E11,R21′G1+R22′G2+R23′G3=E22,R31′G1+R32′G2+R33′G3=E33.(3)式(3)即是三回路工質(zhì)流的回路方程的一般形式.式中:E11=E1-E2,E22=E2-E3,E33=E3-E4.具有n個(gè)獨(dú)立回路的水循環(huán)回路,其回路方程的一般形式可由式(3)推廣而得,即{R11′G1+R12′G2+R13′G3+?+R1n′Gn=E11,R21′G1+R22′G2+R23′G3+?+R2n′Gn=E22,??????Rn1′G1+Rn2′G2+Rn3′G3+?+Rnn′Gn=Enn.(4)此方程是非線性方程組,且R′和E是G的函數(shù),故本方法的解法如下:1)首先假設(shè)各回路的初始回路工質(zhì)流量G(i),確定迭代精度ε,計(jì)算支路工質(zhì)流量G′,則得到當(dāng)量水阻R′和E;2)求解線性方程組(4),解得各回路工質(zhì)流量G1(i),判斷|(G(i)-G1(i))/G(i)|<ε是否滿足,若滿足則G1(i)即為所求;若不滿足則采用迭代法G(i)=G1(i)+α(G1(i)-?G(i))重新計(jì)算,直至滿足|(G(i)-G1(i))/G(i)|<ε.3)各回路的回路工質(zhì)流解出后,即可計(jì)算得到各支路工質(zhì)流.3每個(gè)周期的等效管道圖3.1水冷壁循環(huán)回路及水動(dòng)力回路分析1)由鍋筒、布置在分配集箱單側(cè)端部的下降管、分配集箱、多根并聯(lián)水冷壁上升管、匯集集箱以及布置在匯集集箱單側(cè)端部的熱水引出管所組成的第Ⅰ類水冷壁循環(huán)回路圖及水動(dòng)力回路分析法等效管路圖見圖2.2)由鍋筒、布置分配集箱單側(cè)端部的下降管、分配集箱、多根并聯(lián)水冷壁上升管、直接引入鍋筒的匯集集箱所組成的第Ⅱ類水冷壁循環(huán)回路圖及水動(dòng)力回路分析法等效管路圖見圖3.3)由鍋筒、布置分配集箱單側(cè)端部的下降管、分配集箱、直接引入鍋筒的多根并聯(lián)水冷壁上升管所組成的第Ⅲ類水冷壁循環(huán)回路圖及水動(dòng)力回路分析法等效管路圖見圖4.4)由鍋筒、布置分配集箱雙側(cè)端部的下降管、分配集箱、多根并聯(lián)水冷壁上升管、匯集集箱、布置在匯集集箱單側(cè)端部的熱水引出管所組成的第Ⅳ類水冷壁循環(huán)回路圖及水動(dòng)力回路分析法等效管路圖見圖5.5)由鍋筒、布置在分配集箱中部的下降管、分配集箱、多根并聯(lián)水冷壁上升管、匯集集箱、布置在匯集集箱中部的熱水引出管組成的第Ⅴ類水冷壁循環(huán)回路圖及水動(dòng)力回路分析法等效管路圖見圖6.下降管和引出管都在第n/2(若是奇數(shù)根取整)與第n/2+1根水冷壁之間引入和引出.3.2兩管等效管的確定水動(dòng)力回路分析法可以對(duì)每排排管中的各單管分別進(jìn)行計(jì)算,由于對(duì)流管束回路的水管數(shù)量大,但每排水管的各單管熱量和幾何尺寸相差很小,因此,為了提高計(jì)算效率,可以把每排排管等效為一根單管,等效管的工質(zhì)流通截面積等于每排水管的工質(zhì)截面積.對(duì)流管束回路的水循環(huán)回路圖及水動(dòng)力回路分析法等效管路圖見圖7.4流量計(jì)算及力參數(shù)確定根據(jù)水動(dòng)力回路分析法的計(jì)算原理和各個(gè)回路的水動(dòng)力計(jì)算數(shù)學(xué)方程組可以對(duì)自然循環(huán)熱水鍋爐全爐的水動(dòng)力進(jìn)行直接數(shù)值計(jì)算,最終可求得全爐的水動(dòng)力工作點(diǎn),其主要水動(dòng)力參數(shù)為下降管入口水溫、全爐循環(huán)倍率、全爐循環(huán)流量、各單管的循環(huán)倍率、各單管的流量和流速.具體步驟如下:1)假設(shè)下降管入口水溫t0,確定迭代精度ε;2)計(jì)算各回路中各單管的局部阻力系數(shù)和吸熱量;3)根據(jù)水循環(huán)回路形式,計(jì)算各回路的工質(zhì)循環(huán)流量和流速;4)計(jì)算全爐循環(huán)倍率和下降管入口溫度t0′;5)若|(t0-t0′)/t0|>ε時(shí),則采用迭代法t0=t0′,重復(fù)計(jì)算步驟2)-4),再進(jìn)行判斷,直至滿足|(t0-t0′)/t0|≤ε,本文取ε=10-4.5水動(dòng)力回路分析法與圖解法的比較為了驗(yàn)證水動(dòng)回路分析法的正確性和實(shí)用性,本文采用水動(dòng)力回路分析法對(duì)一臺(tái)SHL14-1.25/130/70-AII型自然循環(huán)熱水鍋爐進(jìn)行水動(dòng)力特性計(jì)算分析,并將其計(jì)算結(jié)果與按照J(rèn)B/T8659-1997《熱水鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法》的圖解法分析結(jié)果進(jìn)行比較分析.該鍋爐的結(jié)構(gòu)特性及各受熱面熱量分配數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn).采用水動(dòng)力回路分析法及圖解法兩種方法計(jì)算出的各回路平均流量、循環(huán)倍率和下降管入口溫度的相對(duì)差值均小于3%,這驗(yàn)證了水動(dòng)力回路分析法的正確性.圖8～10給出了采用水動(dòng)力回路分析法及圖解法兩種方法計(jì)算得出的前墻、后墻及側(cè)墻水冷壁回路各單管工質(zhì)流速分布.圖11給出了采用上述兩種方法計(jì)算得出的對(duì)流管束回路各排管工質(zhì)流速分布.從圖8～11中可以看出,采用水動(dòng)力回路分析法可以計(jì)算得到各回路的單根的流速,能夠確定單管最高及最低流速,最高及最低流速的相對(duì)差值均>30%.從圖11中可以看出,采用水動(dòng)力回路分析法計(jì)算得到對(duì)流管束回路中有51排倒流管,可準(zhǔn)確確定倒流管的具體位置.與圖解法只能給出管組的平均工質(zhì)流速的特點(diǎn)相比較,水動(dòng)力回路分析法可以直接計(jì)算出各受熱面回路各單管的工質(zhì)流速,得到各受熱面單管的最低工質(zhì)流速和最高工質(zhì)流速管及其出現(xiàn)