单相区上升管差压为:
∃ P dxss=
Θ′gH +
ΚL
Θ′Ξ2 2
+
ΦΘ′2Ξ2
(3)
单管模型是一切其它模型的基础。 根据管流
双相区上升管两端的压差可用 (4) 式来表示:
方向、管内工质的状态又可以分为下降管与上升 管, 单相管与双相管。但各个具体的管种都可以用 图 3 所示的迭代算法进行计算, 只是差压计算时 有不同的计算方法。
水动力计算的任务包括各个回路中各个部件
循环流速、循环裕量及锅炉的循环倍率的计算以
及循环停滞、循环倒流的校验等几部分内容, 主要
以下降管、底部联箱、炉水循环泵、上升管屏、汽水
引出管及汽包汽水分离器等部件组合而成的管路
的压力流量平衡的计算为核心。 这些部件的计算
是不同的, 但共同的特点是均以其出入口差压的
(Q )、重力、阻力等因素, 出口参数变为 P 2、T 2、
X 2。 出入口差压 ∃P 由式 (1) 表示:
∃P = ΘgH ± (∃P j+ ∃P s+ ∃P js)
(1)
水动力计算在锅炉设计与校核中非常重要, 但由于锅炉结构形式与参数的变化繁多, 涉及到 很多变量、图表、复杂的逻辑与大规模的迭代计 算, 手工计算工作量大且精度低, 非常容易出错。 通用水动力计算软件的开发关键在于: 寻求便于 通过软件实现的, 锅炉各部件拓扑流程的统一描 述方法, 与“流量压力”整体平衡自动迭代求解的 算法。 本文提出了一种可以把水动力计算中沿程 各部件, 包括管道、汽包、循环泵都抽象成一种“抽 象管”的计算模型, 并以其为单元描述了整个水动 力“流量压力”平衡的结构, 给出自动求解的算法 与控制策略, 形成一套通用的水动力计算模型。依 照“面向对象编程 (OO P ) ”的思想方法开发出了 通用的计算程序, 并于 2002 年对北京大唐张家口 发电厂 3 号炉进行了计算应用, 获得了华北电力 集团公司的“科技成果奖”。
该管吸热量, G 为该管质量流量, H 1 表示本管入 口标高, 其余符号同式 (1)。
图 3 单管模型的计算方法
11111 下降管 下降管一般不吸收热量, 工质为单相水, 其压
饱和点的确定是非常重要的, 它决定了汽水 两相流动的长度, 所以它对于上升管的流动阻力 影响很大。由于饱和点可能在第一个管段内, 也有 可能在第二个管段内, 或在其后的管段, 这不但与
,
沿程阻力
∃P
s=
ΚL
Θ′Ξ2 2
,
而加速阻力
∃P
js 为
零。 所以, 式 (1) 变为式 (2) :
∃ P dx= Θ′gH -
ΚL
Θ′Ξ2 2
-
ΦΘ′2Ξ2
(2)
式中, Κ为摩擦阻力系数; L 为管长; Φ为局部
阻力系数; Θ′和 Ξ 为水的密度及流速; H 为汽包 水容积高度与下降管出口之间的高度差。
N o. 12 2004 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER 1
·试验研究·
水动力计算的通用模型
U n ive rsa l M ode l fo r H yd rodynam ic ca lcu la t ion
值。
11114 其它部件
循环泵、汽水分离器虽然不是真正的管道, 但
也可以把它们抽象为管道, 对于循环泵来说, 不用
计算, ∃P 为其扬程, 对于汽水分离器来, ∃P 也有 单独的算法。此外, 汽水引出管为不受热的双相管
流, 可视为 Q = 0 的上升管。
并联管的压差计算方法为: 假定各管流量分 配, 分别计算各管压差, 如果各管压差相等, 则计 算所得的压差为管屏的压差, 停止计算, 反之, 修 正各管的压差后再次进行计算。
2 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER N o. 12 2004
管屏流动时的磨擦力引起, 在单相管与双相管内 有不同的计算方法; 加速阻力仅存在于双相区, 因 水蒸汽与水之间的流速差而引起。
由于部件本身的特性及其布置组合的不同,“抽 象管”可具体化为“单管”与“组合管”模型。“单管”又 可以具体化为“下降管”、“上升管”、“汽水引出管”等 部件,“组合管”包括“并联管”与“串联管”。其中, 单 管是整个计算中最为基本的内容, 所有的计算必须 最终转化为单管的计算, 而由单管组合而成的组合 管则大大地方便了程序的调度与逻辑设计。
计算为中心。为了简化计算过程的调度, 本文把所
有这些部件都抽象成图 1 所示的抽象管模型。 其 中, 进口汽水工质为 P 1、T 1、X 1, 沿 途 由 于 吸 热
图 2 压差与流量的关系
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11112 上升管
上升管是比较复杂的, 因为受热, 使管内工质
汽化, 成为汽水混合物。但由于由省煤器中出来的
水具有一定的欠焓, 所以上升管中的水并不马上
就开始产汽, 而是经过一段加热后才达到饱和。所
以, 上升管有可能是单相管, 有可能是双相管, 也
有可能是过渡管, 即一段是单相管, 经过饱和点后
变为双相管。
加速阻力系数, Φ为局部阻力系数, 其余符号与式
(1) 中相同。 式 (3) 与式 (4) 在计算时要展开, 参见
文献[ 2 ]、[ 3 ]。
任意一根上升管子都可以通过图 4 表示的算
法进行计算。其中, 是否存在欠焓可以根据入口的
焓值与当地的饱和焓比较得出。 判断是否存在饱
和点可以通过比较其出口焓值与出口压力下的饱
差呈动力特性, 是锅炉自然循环流动的动力。根据 管子的排列组合有关, 还与计算时管段划分的长
《水动力计算标准》, 下降管中局部阻力 ∃P j= Φ 短有关。 本文用下面的方法把它自然地转化到管
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华北电力科学研究院有限责任公司 (北京 100045) 赵振宁
摘 要: 提出水动力计算的改进模型, 形成了一套 通用的水动力计算算法, 并在此基础上开发通用的 水动力计算软件, 在 2002 年北京大唐张家口发电 厂 3 号炉应用, 获得了华北电力集团公司的奖励。 关键词: 水动力; 计算; 锅炉; 通用模型 中图分类号: TV 13 文献标识码: A 文章编号: 100329171 (2004) 1220001204
抽象串联管 getD P ( )
循环泵 下降管
getD P getD P
()
()
含饱和点 双相
汽水
出汽管
上升管 上升管
分离器
getD P ( ) getD P ( ) getD P ( ) getD P ( )
图 6 抽象管继承结构图
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流压力计算的内部, 可以大大增加对象的独立性。
输入流量、入口压力、焓
存在欠焓
是
判断是否存在
饱和点
否 ↓
双相管计算压差
否 ↓
单相管计算压差
↓ 压差 = 饱和点前压差 + 饱和点后压差
图 4 上长管压差计算
11113 入口焓值的确定
由于下降管是锅炉水动力计算的起点, 所以
入口焓从下降管开始就要正确计算。 通过能量平
衡可知, 下降管入口的欠焓即为炉水欠焓 ∃ igl=
i′K
i sm
,
i′为汽包压力下的饱和水焓。
此后, 各部件入口焓都为上一部件的出口焓
抽象管
抽象复合管
getD P ( )
getD P11211 并联管模型
并联管如图 5 所示, n 根管子共享一个入口 联箱与出口联箱, 在这种情况下, 所有管子两端的 压差都相等, 总流量为各管流量之和。
抽象单管 getD P ( )
抽象并联管 getD P ( )
上升管中的工质吸热汽化是整个锅炉水循环 的主要动力。但对于水动力计算中, 它只是静态的 边际条件, 计算中可以按照《水动力计算标准》中 各种锅炉沿宽度及高度的受热不均系数和各管或 管屏所在的位置, 把炉膛中的辐射热量分配到每 一管上去, 或是用热流计实际测量炉内热量分布 系数。 111 单管模型
Θ′Ξ2 2
1 抽象管的计算模型
图 1 抽象管模型
式中, 第一项表示重力引起的压差; 第二项为 流动阻力。对于下降系统来说, 重力与阻力作用方 向相反, 取负号, 这时 ∃P 是促使工质流动的, 象 安置一台泵一样, 呈动力特性; 上升系统中, 重力 与阻力方向相同, 取正号, 由于这时重力与阻力的 方向都与工质流动方向相反, 所以这时的 ∃P 呈 阻力特性。在静压及其受热稳定的情况下, 下降系 统压差 ∃P xj和上升系统压差 ∃P ss主要由流速决 定, 可以写成 ∃P = f (G )。呈动力特性的 ∃P 变化 与流量 G 变化方向相反, 而呈阻力特性的 ∃P 变 化与流量 G 同向增减, 单管压差与流量的关系如 图 2 所示。 流动阻力包括局部阻力 ∃P j、沿程阻力 ∃P s、与加速阻力 ∃P js3 项。 局部阻力由管屏出入口 截面变化、节流、弯头等引起; 沿程阻力由于汽水沿
4 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER N o. 12 2004
2 程序总体控制策略
由于本文把水动力计算中所有的部件都抽象