專利名稱：一種自然循環(huán)熱水鍋爐水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自然循環(huán)熱水鍋爐水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法
背景技術(shù)：
自然循環(huán)熱水鍋爐具有水容量大，運(yùn)行水平要求較低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。但是，由于自然循環(huán)熱水鍋爐的上升管與下降管中工質(zhì)的密度差比較小，導(dǎo)致自然循環(huán)的有效壓頭小，如果再存在不合理的結(jié)構(gòu)，在使用過程中就容易發(fā)生爆管事故，因此在鍋爐設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)熱水鍋爐進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算。
我國(guó)目前的熱水鍋爐水動(dòng)力計(jì)算都依據(jù)JB/T8659-1997《熱水鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法》。此標(biāo)準(zhǔn)給出了熱水鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法，保證了鍋爐水循環(huán)的可靠性。不足的是這種計(jì)算方法是將鍋爐受熱面劃分成若干個(gè)管組，假定每個(gè)管組內(nèi)的各單管具有相同的熱負(fù)荷和結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后對(duì)各個(gè)管組進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，由于其計(jì)算原理的限制，該方法得到的是各個(gè)管組的平均水動(dòng)力參數(shù)，而不是受熱面內(nèi)的每個(gè)單管的水動(dòng)力參數(shù)，并通過圖解法求工作點(diǎn)，計(jì)算比較繁瑣，且不能準(zhǔn)確確定每根單管的工質(zhì)流量。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提供一種可以直接計(jì)算自然循環(huán)熱水鍋爐各循環(huán)回路中每根單管水動(dòng)力特性的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法。
本發(fā)明方法首先將自然循環(huán)熱水鍋爐的單管路進(jìn)行水動(dòng)力等效計(jì)算，基于在網(wǎng)狀管路中，流入任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量必定等于流出該節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量及任一回路內(nèi)各段管路工質(zhì)壓降的代數(shù)和為零的理論基礎(chǔ)對(duì)鍋爐水循環(huán)回路列方程組，通過求解方程組得到各單管的工質(zhì)流量。
具體步驟如下 1.單管路水動(dòng)力等效計(jì)算方法 如圖1所示，對(duì)各單管列動(dòng)量方程，并對(duì)各分、匯流點(diǎn)列連續(xù)性方程 P-壓力，Paρ-工質(zhì)平均密度，kg/m3 g——重力加速度，m/s2 ∑ζ管路總阻力系數(shù)，包括沿程與局部阻力系數(shù) W工質(zhì)流速，m/sf管子橫截面積，m2 (1)式右端第二項(xiàng)前的符號(hào)如圖1所示，當(dāng)工質(zhì)由截面2-2流向截面1-1時(shí)取正號(hào)；反之取負(fù)號(hào)。
對(duì)圖1所示單管路進(jìn)行等效計(jì)算，令 E＝ρgH U＝P2-P1 G＝ρwf 則(1)、(2)兩式可等效成 U＝E+RG2 (3) 式中 R-流阻E-流動(dòng)勢(shì)U-壓差G-工質(zhì)流量 單管路的水動(dòng)力等效圖為圖2。(3)式中G為矢量，符號(hào)如圖2所示，當(dāng)工質(zhì)向上流動(dòng)時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。
2.本方法的理論基礎(chǔ) (1)在網(wǎng)狀管路中，流入任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量必定等于流出該節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量，即∑G＝0。
(2)在網(wǎng)狀管路中任一回路內(nèi)各段管路工質(zhì)壓降的代數(shù)和為零，即∑ΔP＝0。
3.本方法的基本原理 圖3是簡(jiǎn)化的鍋爐水循環(huán)圖及其水動(dòng)力管路等效圖，現(xiàn)通過圖3來說明本方法的基本原理。
為計(jì)算圖3所示的支路工質(zhì)流Ga，Gb，Gc，Gd，假想在回路1、回路2和回路3中分別有回路工質(zhì)流G1、G2和G3沿回路流動(dòng)著，其方向如圖3中虛線箭頭所示。
由于回路工質(zhì)流是沿著回路流動(dòng)的工質(zhì)流量，對(duì)任一節(jié)點(diǎn)來說，回路工質(zhì)流既流進(jìn)該節(jié)點(diǎn)又流出該節(jié)點(diǎn)，所以回路工質(zhì)流在所有節(jié)點(diǎn)處都自動(dòng)滿足水動(dòng)力回路分析法的理論基礎(chǔ)(1)。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，把各個(gè)回路的回路工質(zhì)流設(shè)為未知量，那么根據(jù)本方法的理論基礎(chǔ)(2)對(duì)圖3的三個(gè)回路列方程，有 方程中各項(xiàng)代數(shù)式正負(fù)號(hào)的確定規(guī)定順著回路繞行方向看，若工質(zhì)的水壓降落則為正，反之則為負(fù)。式(5)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 由于支路a只有G1流過，因此Ga＝G1，支路d只有G3流過，因此Gd＝G3，支路b則有兩個(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。將支路工質(zhì)流用回路工質(zhì)流代替，得 式(6)即為回路工質(zhì)流為未知量的回路方程?；芈饭べ|(zhì)流量解出后，支路工質(zhì)流量(即為各單管內(nèi)工質(zhì)流量)則為有關(guān)同路工質(zhì)流量的代數(shù)和。



圖1是鍋爐單管示意圖 圖2是本發(fā)明的單管水動(dòng)力等效圖 圖3是簡(jiǎn)化的鍋爐水循環(huán)圖及本發(fā)明的水動(dòng)力等效管路圖 圖4是典型鍋爐水冷壁水循環(huán)回路圖及本發(fā)明的水動(dòng)力等效管路圖 圖5是鍋爐對(duì)流管束回路的水循環(huán)圖及本發(fā)明的水動(dòng)力等效管路圖
具體實(shí)施例方式 下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
1.本方法對(duì)自然循環(huán)熱水鍋爐水冷壁回路進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，可得到每根單管的工質(zhì)流量。
作為示例的自然循環(huán)熱水鍋爐水冷壁循環(huán)回路，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水循環(huán)回路的水循環(huán)回路圖及水動(dòng)力等效管路圖如圖4所示，有n個(gè)獨(dú)立回路，各假想回路繞行方向設(shè)逆時(shí)針繞行為正。根據(jù)本方法的基本原理列方程 Ej-(E1+Es)＝G1[|G1|(Rj+Rx1+Rs+Rs1)+|G1′|R1]-G2|G1′|R1 Ei-Ei+1＝Gi+1[|Gi+1|(Rx(i+1)+Rs(i+1))+|Gi′|Ri+|G(i+1)′|R(i+1)]-Gi|Gi′|Ri-Gi+2|G(i+1)′|R(i+1)i＝1、2....n-2 En-1-En＝Gn[|Gn|(Rxn+Rsn)+|Gn-1′|Rn-1+|Gn′|Rn]-Gn-1|Gn-1′| Rn-1 式中G1＝GjGi′＝Gi-Gi+1i＝1、2......n-1Gn＝Gn′ 式中Gi(i＝1，2…n)-第i個(gè)回路的回路工質(zhì)流量；Gj-下降管中工質(zhì)流量；Gi′(i＝1，2…n)-第i根水冷壁管中工質(zhì)流量；Rj-下降管的流阻；Rx1-第一根水冷壁管與下降管間的流阻；Ri-每根水冷壁管的流阻；Rxi(i＝2…n)-分配集箱中第i-1與第i根水冷壁管間的流阻；Rsi-匯集集箱中第i-1與第i根水冷壁管間的流阻；Rs1-第一根水冷壁管與引出管間的流阻；Rs-引出管流阻；Ei＝(i＝1，2…n)-第i根水冷壁管的流動(dòng)勢(shì)；Ej-下降管流動(dòng)勢(shì)；Es-引出管的流動(dòng)勢(shì)。
原方程可改寫為 Ej-(E1+Es)＝G1[|G1|(Rj+Rx1+Rs+Rs1)+|G1-G2|R1]-G2|G1-G2|R1 Ei-Ei+1＝[-|Gi-Gi+1|Ri]Gi+[|Gi+1|(Rx(i+1)+Rs(i+1))+|Gi-Gi+1|Ri+|Gi+1-Gi+2|Ri+1]Gi+1+(-|Gi+1-Gi+2|Ri+1)Gi+2 i＝1、2...n-2 En-1-En＝(-|Gn-1-Gn|Rn-1)Gn-1+[|Gn|(Rxn+Rsn)+|Gn-1-Gn|Rn-1+|Gn|Rn]Gn 此方程中，E和R都是G的函數(shù)，則此方程組是非線性方程組，解法如下 1)假設(shè)各根管子的初始流量G0(i)，帶入方程中的絕對(duì)值項(xiàng)； 2)假設(shè)下降管的入口溫度t0，計(jì)算E和R； 3)此非線性方程組則改寫為線性方程組； 4)求解線性方程組得到G1(i)，判斷是否滿足，若滿足則G1(i)即為所求；若不滿足則采用迭代法G1(i)(n)＝G0(i)(n-1)+α(G1(i)(n)-G0(i)(n-1))重新計(jì)算直至滿足 5)各回路流量求出后則可求出各支路流量即為每根管子的工質(zhì)流量。
2.本方法對(duì)對(duì)流管束回路進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，可得到每根單管的工質(zhì)流量，并能夠準(zhǔn)確判斷倒流管的數(shù)量及位置。
本方法可以對(duì)每排排管中的各單管分別進(jìn)行計(jì)算，由于對(duì)流管束同路的水管數(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)回路圖及等效管路圖如圖5所示。
如圖5，設(shè)虛擬回路逆時(shí)針繞行方向?yàn)檎鶕?jù)本方法的基本原理列方程 E0-E1＝G1[|G1|R0+|G1′|R1]-G2|G1′|R1 Ei-Ei+1＝Gi+1[|Gi′|Ri+|Gi+1′|Ri+1]-Gi|Gi′|Ri-Gi+2|Gi+1′|Ri+1i＝1，2…n-2 En-1-En＝Gn(|Gn-1′|Rn-1+|Gn′|Rn)-Gn-1|Gn-1′|Rn-1 式中G0＝G1 Gi′＝Gi-Gi+1 i＝1，2…n-1Gn＝Gn′ 原方程可改寫為 E0-E1＝[|G1|R0+|G1-G2|R1]G1+(-|G1-G2|R1)G2 Ei-Ei+1＝(-|Gi-Gi+1|Ri)Gi+(|Gi-Gi+1|Ri+|Gi+1-Gi+2|Ri+1)Gi+1+(-|Gi+1-Gi+2|Ri+1)Gi+2 i＝1，2…n-2 En-1-En＝(-|Gn-1-Gn|Rn-1)Gn-1+(|Gn-1-Gn|Rn-1+|Gn|Rn)Gn 此方程中，E和R都是G的函數(shù)，則此方程組是非線性方程組，解法如下 1)假設(shè)下降管、上升管的初始溫度t0、ts，假定第一根上升管的位置k。
2)假設(shè)每個(gè)回路的流量G0(i)，帶入方程組的絕對(duì)值項(xiàng)中，此非線性方程組則轉(zhuǎn)化為線性方程組。
3)解此線性方程組，求得各回路流量G1(i)，并計(jì)算第一根上升管的位置k1。
4)如果并且k＝k1則所得到的G1(i)即為所求；若不滿足則采用迭代法G1(i)n+1＝G0(i)n+α(G1(i)n-G0(i)n)，并且k＝k1，計(jì)算上升管的入口水溫即為每根下降管出口水溫與流量的加權(quán)平均，把這三個(gè)值重新帶入計(jì)算，直至并且k＝k1為止。
5)各回路流量求出后則可求出各支路流量即為每根管子的工質(zhì)流量。
3.本方法對(duì)全爐水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，可直接求得全爐下降管入口水溫、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。
本方法進(jìn)行全爐水動(dòng)力計(jì)算是通過迭代的方法求全爐工作點(diǎn)。具體步驟如下 (1)假設(shè)下降管入口水溫t0。
(2)計(jì)算各回路中各單管的局部阻力系數(shù)。
(3)選擇水冷壁回路形式，進(jìn)行各水冷壁回路水動(dòng)力計(jì)算，在計(jì)算時(shí)需進(jìn)行摩擦阻力系數(shù)和水冷壁吸熱量分配計(jì)算。
(4)如果鍋爐回路形式中有對(duì)流管束回路，則需進(jìn)行對(duì)流管束回路水動(dòng)力計(jì)算，在計(jì)算時(shí)需進(jìn)行摩擦阻力系數(shù)和對(duì)流管束吸熱量分配計(jì)算。
(5)計(jì)算各回路的循環(huán)流量，然后計(jì)算全爐循環(huán)倍率，最后求得下降管入口溫度t0′。
(6)若時(shí)，則采用迭代法t0＝t0′，重復(fù)計(jì)算步驟(2)-(5)，再進(jìn)行判斷，直至滿足本文取ε＝10-4。
4.本方法可以對(duì)任何結(jié)構(gòu)形式的自然循環(huán)熱水鍋爐進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，本方法完全可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序化，計(jì)算準(zhǔn)確、效率高，避免了圖解法中曲線擬合產(chǎn)生的誤差。
5.本方法對(duì)保證熱水鍋爐水動(dòng)力安全性具有重要的意義。
6.本方法可作為熱力管網(wǎng)和水力管網(wǎng)水動(dòng)力計(jì)算的基本方法。
權(quán)利要求
1.一種自然循環(huán)熱水鍋爐水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于將自然循環(huán)熱水鍋爐的單管路進(jìn)行水動(dòng)力等效計(jì)算，基于在網(wǎng)狀管路中，流入任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量必定等于流出該節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量及任一回路內(nèi)各段管路工質(zhì)壓降的代數(shù)和為零的理論基礎(chǔ)對(duì)鍋爐水循環(huán)回路列方程組，通過求解方程組得到各單管的工質(zhì)流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述計(jì)算方法的基本原理其特征在于對(duì)鍋爐水循環(huán)回路進(jìn)行水動(dòng)力管路等效，并列水動(dòng)力計(jì)算數(shù)學(xué)方程組，通過求解方程組得到各單管的工質(zhì)流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基本原理其特征在于選獨(dú)立回路作為回路工質(zhì)流的環(huán)流路徑，把各個(gè)回路的回路工質(zhì)流設(shè)為未知量，規(guī)定順著回路繞行方向，若工質(zhì)的水壓降落則代數(shù)式為正，反之則為負(fù)，并將G2寫為G|G|。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法和權(quán)利要求2、3的基本原理對(duì)水冷壁循環(huán)回路進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，其特征在于假設(shè)各根管子的初始流量G0(i)，帶入方程中的絕對(duì)值項(xiàng)，迭代結(jié)果可得到每根單管的工質(zhì)流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法和權(quán)利要求2、3的基本原理對(duì)對(duì)流管束回路進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，其特征在于假設(shè)下降管、上升管的初始溫度t0、ts，假定第一根上升管的位置k；假設(shè)每個(gè)回路的流量G0(i)，帶入方程組的絕對(duì)值項(xiàng)中；求解方程組，求得各回路流量G1(i)，并計(jì)算第一根上升管的位置K1；如果并且k＝k1則所得到的Gi(i)即為所求；若不滿足則采用迭代法G1(i)n+1＝G0(i)n+α(G1(i)n-G0(i)n)，并且k＝k1，計(jì)算上升管的入口水溫即為每根下降管出口水溫與流量的加權(quán)平均，把這三個(gè)值重新帶入計(jì)算，直至并且k＝k1為止，可得到每根單管的工質(zhì)流量并能夠準(zhǔn)確判斷倒流管的數(shù)量及位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4、5的計(jì)算方法對(duì)全爐水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，其特征在于
1)假設(shè)下降管入口水溫t0，計(jì)算各回路中各單管的局部阻力系數(shù)；
2)進(jìn)行水冷壁回路水動(dòng)力計(jì)算，在計(jì)算時(shí)需進(jìn)行摩擦阻力系數(shù)和水冷壁吸熱量分配計(jì)算；
3)如果鍋爐回路形式中有對(duì)流管束回路，則需進(jìn)行對(duì)流管束回路水動(dòng)力計(jì)算，在計(jì)算時(shí)需進(jìn)行摩擦阻力系數(shù)和對(duì)流管束吸熱量分配計(jì)算；
4)計(jì)算各回路的循環(huán)流量，然后計(jì)算全爐循環(huán)倍率，最后求得下降管入口溫度t0′；
5)若對(duì)，則采用迭代法t0＝t0′，重復(fù)計(jì)算步驟(2)-(4)，再進(jìn)行判斷，直至滿足本文取ε＝10-4；
可直接求得全爐下降管入口水溫、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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自然循環(huán)熱水鍋爐的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法。本方法將自然循環(huán)熱水鍋爐的單管路進(jìn)行水動(dòng)力等效計(jì)算，基于在網(wǎng)狀管路中，流入任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量必定等于流出該節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)流量及任一回路內(nèi)各段管路工質(zhì)壓降的代數(shù)和為零的理論基礎(chǔ)對(duì)鍋爐水循環(huán)回路列方程組，通過求解方程組得到各單管的工質(zhì)流量。本發(fā)明給出了自然循環(huán)熱水鍋爐水冷壁和對(duì)流管束循環(huán)回路的水動(dòng)力等效管路圖、計(jì)算數(shù)學(xué)方程組及相應(yīng)的求解方法，并介紹了全爐水動(dòng)力工作點(diǎn)的計(jì)算方法及運(yùn)算步驟。采用本方法，對(duì)保證熱水鍋爐水動(dòng)力安全性具有重要意義，由于該方法采用計(jì)算機(jī)數(shù)值求解，計(jì)算效率得到明顯提高，且可作為熱力管網(wǎng)和水力管網(wǎng)水動(dòng)力計(jì)算的基本方法。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101493861SQ20091007127
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者徐艷英, 芃 董, 明 翟 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)