超临界直流锅炉炉内热负荷分布参数检测及建模研究

本课题利用数字图像处理技术和辐射传热分析方法，研究超(超)临界直流锅炉炉内热负荷分布参数检测及建模，包括：①根据炉内燃烧介质颗粒及气体辐射特性等参数分布特点，采用辐射图像处理技术，在线检测炉内热负荷分布；并通过现场试验，建立炉内热负荷分布随锅炉负荷、燃料、风量及配风等因素变化的分析模型。②研究炉内热负荷分布与直流炉多变量耦合非线性特性，建立并仿真研究表征直流锅炉的运行状态的蒸汽压力、蒸汽流量和中间点温度与炉内热负荷分布之间的动态模型。③针对不同辐射区水冷壁的吸热和炉膛热负荷分布的变化规律，提出直流锅炉水冷壁安全性预警策略。本项研究对于开展以洁净煤燃烧的超(超)临界煤粉锅炉低碳经济运行有重要的理论和应用价值。

探寻炉膛燃烧和锅内传热之间分布参数模型，对锅炉的高效运行有重要意义。本文利用炉内温度场信息，对不同炉型的直流锅炉蒸发系统进行分布参数建模；结合现场实测数据和仿真结果分析了蒸发系统的受热情况，给出了壁面热流、壁温和质量含汽率分布；应用模型的计算结果分析了水冷壁事故的原因，提出了相应的防范措施。. 将蒸发系统分布参数模型优化后应用到某亚临界双炉膛直流锅炉进行仿真研究。获得了典型工况下双炉膛直流炉四面墙的热力参数分布特性，以及前墙在不同工况下的壁面热流、壁温以及质量含汽率的分布特性，分析了水冷壁的水动力特性。双炉膛直流炉的热流和壁温分布均呈现单峰特性，质量含汽率的变化呈现出“W”型分布，采用低质量流速内螺纹管使得水冷壁具有正流量响应特性。. 针对超临界螺旋管圈水冷壁模型，将炉内垂直方向的烟气网格转化成锅内螺旋方向的壁面网格。研究发现在临界含汽率附近，螺旋管圈水冷壁的热流分布比垂直管圈显得更合理。同时还注意到超临界条件下最大对流换热系数出现在拟临界点，且随着压力的增大，工质大比热特性减弱，最大对流换热系数会降低。另外，水动力特性表明螺旋管圈水冷壁表现出明显的负流量响应特性。. 分析了W型火焰锅炉的结构和燃烧特点。获得了超临界W型炉前墙和左墙各种工况下热力参数的分布特性，研究表明受一、二、三次风喷口位置的影响，前墙存在三个高热流区；其壁温分布随着负荷的增加最大高温区有下移趋势，且W型炉前墙冷灰斗处同一宽度方向温差较大，会对前墙冷灰斗中间水冷壁形成左、右相反方向的应力作用。单根管的分析表明该炉膛在近临界区避免了管内壁换热系数的最高点与区段热负荷的最高区的重合，且随着负荷的增加，最大比热区有慢慢趋近于最大热流密度区的趋势。在此基础上，利用炉膛三维燃烧检测系统提供的实时检测信息，研究了W型炉在发生事故期间水冷壁的热力参数分布特性，结合炉内燃烧、锅内换热以及现场的实际情况分析了产生事故的主要原因，并提出了防止措施。. 本课题创新的将炉侧燃烧信息与锅侧热力系统结合起来，所建立的模型能准确地评价锅炉运行的安全性和可靠性，在揭示受热面的热力参数二维分布特性方面体现出了独特的优越性，模型所获得的蒸发系统各个热力参数的分布对实际运行有一定的指导作用，本课题的研究为锅炉水冷壁的设计及运行优化等实际问题提供了有益的指导。