超超临界锅炉流动不稳定性的形成机理及研究进展

作者

朱超吴鹏举王永庆郁翔欧阳诗洁杨冬
单位

国网陕西省电力公司电力科学研究院西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室
摘要

以煤炭为主要能源的国家火电机组，尤其是煤电机组持续低负荷运行或深度调峰在未来几年将成为常态。在深度调峰过程中，机组负荷多数偏离设计工况，很有可能产生流动不稳定问题。笔者主要研究了现代机组运行的流动不稳定性形成机理及影响因素，分析超超临界机组的流动不稳定性的研究方法。按发生特性归类，流动不稳定性可分为静态不稳定性和动态不稳定性。而在超超临界锅炉系统变负荷运行过程中，主要存在密度波型流动不稳定性、压力降型流动不稳定性和热力型流动不稳定性，几种不稳定现象都影响系统的正常运行。流动不稳定性的主要影响因素包括热负荷分布、管道结构及系统流动参数等。由于分析和计算工具的发展，流动不稳定性的发生条件及其变化规律能较准确预测，大量试验及数值研究表明，热流密度越小，系统压力越大，进口节流系数越大，出口节流系数越小，则系统越趋于稳定。从管道结构上来看，加热长度越短，管道内径越大，则系统越稳定，且具有交叉连接的系统比没有交叉连接的系统和单通道系统更稳定。针对超超临界水流动不稳定性的研究，主要有试验和数值模拟2种方法。试验方法的优势在于可以有针对性地以实际物理系统为研究对象，为相应的数值模拟研究提供有价值的参考。考虑到水在超超临界压力和温度下的流动不稳定试验系统极为复杂，所需费用庞大，数值模拟就成为一种重要的研究手段，其可以借鉴成熟的两相沸腾研究成果，能够方便分析各种参数对流动不稳定性的影响规律。针对超超临界流体系统的流动不稳定性的数值模拟研究，其分析方法通常可分为频域法和时域法。频域分析方法的缺点在于不能很好地解决非线性问题，为有效解决频域分析方法非线性效应消失的问题，可通过Hopf分岔技术来确定极限环的振幅。时域法作为用于分析诸如振荡周期和混沌等非线性效应的最常用方法，结合一系列无量纲数，能在保留动态变化的同时，有效地描述亚临界及超超临界流体的流动不稳定边界。
关键词

超超临界锅炉形成机理时域法数值模拟流动不稳定性
基金项目(Foundation)

国家重点研发计划资助项目(2018YFB0604400)
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图表

静态水动力曲线

不同壁面热导率对应的系统稳定边界

不同管道内径对应的系统稳定边界

入口压力对临界不稳定热流密度的影响

并联管试验系统

进出口流量随时间的变化

加热功率分布形式对稳定边界的影响