CN117852447A - 一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，属于热能工程领域。该方法包括采集水冷壁系统参数；对水冷壁系统进行回路与管段的划分；根据锅炉炉型和燃烧参数确认热负荷曲线；将采集的系统参数和热负荷值代入，按划分的管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程；将水冷壁系统各个管段的方程组成系统的非线性方程组；基于鲍威尔算法与MINPACK库结合构建通用的水动力计算模型与壁温计算模型；将非线性方程组代入水动力计算模型中计算得到个管段的工质参数；将工质参数代入壁温计算模型得到水冷壁的壁温分布结果。本发明采用鲍威尔算法与MINPACK库结合的方法能够快速准确的进行水动力与壁温计算。
Description
技术领域
本发明属于热能工程技术领域，具体涉及一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法。
背景技术
为实现我国“双碳”的目标，推动能源行业结构优化升级，现提出要加快实施煤电机组灵活性制造和灵活性改造。新建/现役煤电机组纯凝工况调峰能力一般化要求为最小发电出力达到35％额定负荷，在此基础上探索进一步降低机组最小发电出力的可靠措施。在燃煤机组深度调峰过程中，锅炉水冷壁内工质流动状况复杂，机组可能由于汽压降低、水动力不足、汽水两相物性差别大、流动不稳定等原因发生受热面热疲劳、局部超温爆管、热偏差大等安全问题，因此，研究一种可实现通用于不同负荷压力下的锅炉水冷壁水动力快速精准计算方法，对水冷壁的优化设计、保证锅炉安全可靠运行和提高机组深度调峰经济性具有至关重要的意义。
目前，传统的水动力计算方法包括弦截法、多项式拟合法和拟牛顿法，然而现有计算方法存在计算量大、计算过程较复杂或收敛困难的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，用于解决现有水动力计算方法存在的上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，包括如下步骤：
采集水冷壁系统参数；
对水冷壁系统进行回路与管段的划分；
根据锅炉炉型和燃烧参数确认热负荷曲线；
将采集的系统参数和热负荷值进行代入，按划分的管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程；
将整个水冷壁系统各个管段的方程组成系统的非线性方程组；
基于鲍威尔算法与MINPACK库结合构建通用的水动力计算模型与壁温计算模型；
将非线性方程组代入水动力计算模型中计算得到各管段的工质参数；
将工质参数代入壁温计算模型得到水冷壁的壁温分布结果。
进一步的，对水冷壁系统进行回路与管段的划分，具体包括：
将设定数量相邻的几何结构和吸热偏差相似的水冷壁管子划分为一个回路区域，以区域中间的水冷壁管子代表相应回路区域进行计算，同一回路区域内各管子所有工质参数和热负荷情况均相同，回路区域的总流量为该区域所有管子流量之和；
将各回路区域的代表管子按设定长度划分为若干管段。
进一步的，热负荷曲线至少包括：四角切圆热负荷曲线和前后墙对冲热负荷曲线。
进一步的，按划分的管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程，具体包括：
基于每一段管子内流动工质流动产生的压降确定质量守恒方程，基于管子内单位质量工质出口焓值等于进口焓值加该段管子内工质吸热量确定能量守恒方程，基于流进每根管子的工质流量与流出每根管子的工质流量相等，从进口联箱流入的总流量与所有管子汇聚与出口联箱的总流量相等确定动量守恒方程。
进一步的，质量守恒方程具体包括：单相流体和双相流体在管内流动的总压降，包括摩擦压降、局部压降、重位压降和加速压降四部分。
进一步的，非线性方程组的求解量为各联箱和管子的焓值、压力与流量。
进一步的，壁温计算模型中，求解水冷壁的壁温分布结果具体包括如下步骤：
根据内外壁温计算式计算水冷壁内外壁温；
根据鳍根和鳍端温度计算式计算鳍根和鳍端温度；
根据内壁与介质放热系数计算式计算不同区域的内壁温和介质温度；
根据传热恶化计算式进行传热恶化计算。
进一步的，内壁温和介质温度的计算分别在超临界区和亚临界压力区进行，其中，在亚临界压力区，当管子内壁热负荷大于临界热负荷时，按欠热水区、蒸汽区和沸腾水区进行计算。
进一步的，将非线性方程组代入水动力计算模型中计算得到各管段的工质参数中，从MINPACK库获取水的物性参数变化，代入非线性方程组中，得到相应管段的工质参数。
进一步的，鲍威尔算法用于对非线性方程组进行求解。
综上，本发明提供了一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，包括采集水冷壁系统参数；对水冷壁系统进行回路与管段的划分；根据锅炉炉型和燃烧参数确认热负荷曲线；将采集的系统参数和热负荷值进行代入，按划分的管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程；将整个水冷壁系统各个管段的方程组成系统的非线性方程组；基于鲍威尔算法与MINPACK库结合构建通用的水动力计算模型与壁温计算模型；将非线性方程组代入水动力计算模型中计算得到个管段的工质参数；将工质参数代入壁温计算模型得到水冷壁的壁温分布结果。本发明采用鲍威尔算法与MINPACK库结合的方法能够快速准确的进行水动力与壁温计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的水动力计算模型计算流程图；
图2为本发明实施例提供的壁温计算模型计算流程图；
图3为本发明实施例提供的水冷壁回路与管段划分示意图；
图4为本发明实施例提供的四角切圆热负荷曲线图；
图5为本发明实施例提供的前后墙对冲热负荷曲线图；
图6为本发明实施例提供的任一管段未知数构成图；
图7为本发明实施例提供的螺旋水冷壁部分温度分布图；
图8为本发明实施例提供的垂直水冷壁温度分布图；
图9为本发明实施例提供的螺旋水冷壁外壁温分布图；
图10为本发明实施例提供的垂直水冷壁外壁温分布图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在传统的水动力计算方法中，弦截法适合用于自然循环锅炉简单回路水循环计算，由于其求解过程需要使非线性动量守恒方程达到二阶收敛，因此需要求解方程组的偏导数，计算量巨大，只适用于简单的回路问题。多项式拟合法则是通过大量的计算获得同一负荷下管回路在不同流量下的压降-流量拟合多项式，再通过一系列的简化得到水冷壁系统总压降与进口流量的关系，最后根据水冷壁进口流量反求出系统各回路的压降，但其对复杂的水冷壁管分布需要进行的简化过多，限制了其适用性和准确性。拟牛顿法则是基于具有相同进出口集箱的并联管两端的压差都相等为ΔP，根据各并联管各自的特征与流量列出相应的压降方程，使得未知数的个数与方程数相等，采用拟牛顿法求解以上得到的非线性方程组，随着计算机功能的强大，求解非线性方程组法可用于计算各种复杂回路，不受锅炉水循环回路结构的限制，但有时方程组的收敛会比较困难，可以根据实际情况调整松弛因子或者采用各种改良的方法求解。随着水动力计算的发展，有学者提出采用部件压力法作为水动力的基本方法，但其忽略了锅炉水冷壁吸热过程中工质热物性变化对阻力的影响且水冷壁壁温计算，也有学者针对超超临界锅炉参数提出一种超超临界锅炉通用水动力计算方法，通过回路与节点划分定义出系统的非线性方程组，预先判断管段的流体形态再采用相应的计算方法，求解时首先计算回路的焓增、压降和热物性参数，使其精度满足设定值1，再求解回路的总压降，使其精度满足设定值2，最后求解各节点进出流量差，使其精度满足设定值3，其中有任一环节不满足精度要求，均需要返回第一步重新计算，最后求解得到参数对所有精度要求均满足后，进一步进行壁温计算，得到水动力和壁温计算结果，该方法思路清晰，适应性强，可满足不同条件下的超超临界锅炉水动力计算，但计算过程较复杂，求解非线性方程组的方法为弦截法，计算量大，需要二阶收敛。
因此，本发明提出一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，将完整的管回路按实际情况划分成有限的管段，按管段分别列出其对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程，最后将整个系统各个管段的方程结合组成系统的非线性方程组，通过python编程语言开发适用于超超临界、超临界、亚临界及高中压力下，前后墙对冲炉与四角切圆炉的通用水动力计算程序与壁温计算程序，使用基于鲍威尔算法与MINPACK库结合的求解方法，实现大型非线性方程组的快速准确求解，同时求解出各管段的工质参数，进而代入壁温计算程序，得到水冷壁的壁温分布结果。
以下对本发明的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法的实施例进行详细的介绍。
请参阅图1-10，本实施例提供的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，包括如下步骤：
步骤一：采集水冷壁系统参数。
需要说明的是，根据锅炉水冷壁布置图纸，将水冷壁按前墙、后墙、侧墙或上下层等条件划分不同区域，并将区域内不同管子、联箱等进行编号，采集不同管子的参数信息，包括：
尺寸参数：管子直径(联箱直径)、管子长度、内螺纹及其管内粗糙度、弯头半径和角度(如有)、节流圈长度和半径(如有)、三通分支角度与通流面积(如有)。
布置参数：管口与锅筒连接方式(下降管)、引入和引出管排数(联箱)、管子与联箱连接方式(上升管)、管子倾角、弯管布置方式、位置参数(处于锅炉相对位置，包括高度和宽度)、归属墙体(前后墙、侧墙)、管间距。
步骤二：对水冷壁系统进行回路与管段的划分。
需要说明的是，将一定数量相邻的几何结构和吸热偏差基本相同的水冷壁管子划分为一个回路区域，以区域中间的水冷壁管子代表该回路区域进行计算，同一回路区域内各管子所有工质参数和热负荷情况均相同，回路区域的总流量为该区域所有管子流量之和。炉膛水平方向热负荷变化较大的区域回路划分可以适当加密。
将各回路区域的代表管子按一定长度划分为若干管段，炉膛垂直方向热负荷变化较大的区域管段划分可以适当加密。水冷壁回路与管段划分的过程如图3所示。
步骤三：根据锅炉炉型和燃烧参数确认热负荷曲线。
水冷壁热负荷分布与炉膛结构和燃烧参数有关，水冷壁单位表面积的平均吸热量按如下公式进行计算
其中，Bcal为燃料消耗量；
F为水冷壁总表面积；
为烟气在炉内的放热量，计算公式如下：
其中，θ为保热系数；
I″f为炉膛出口烟焓；
为炉内有效热，计算公式如下：
其中，Qf为每千克燃料带入锅炉的热量；
q3为化学未完全燃烧热损失；
q4为机械未完全燃烧热损失；
q6为其他热损失；
Qa为每千克燃料带入炉内的空气的热量。
根据典型炉型的热负荷分布曲线进行多项式拟合，可以得到热负荷分布系数关于任意管段所处墙体的相对高度与宽度的函数，计算时只需要将划分好的管段的位置信息输入就可得到相应的热负荷分布系数，如图4(分别对应燃烧器中心线高度0.2，0.25，0.3)和图5(分别对应前后墙，侧墙)所示。
步骤四：将采集的系统参数和热负荷值进行代入，按划分的管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程。
非线性方程组的求解量为各联箱和管子的焓值、压力与流量，根据其关系，每根管子包含未知数为焓值、流量(压力由其进出口联箱压力决定)，每个联箱包含未知数焓值和压力(流量由其所有进口管子相加可得)。方程组包括动量守恒方程、能量守恒方程和质量守恒方程，水冷壁进口参数压力Pin、流量Gin、温度Tin作为已知条件，某个管段所包含的未知数如图6所示。
以下对管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程进行分别介绍。
1.动量守恒方程
即压降方程，每一段管子内流动工质流动产生的压降，单相流体和双相流体在管内流动的总压降均可由摩擦压降、局部压降、重位压降和加速压降四部分组成。
1.1摩擦压降
1)单相流体的摩擦压降
2)多相流体的摩擦压降
其中，ψ为修正系数；
λ为摩擦系数；
G为流量通量；
l为管长；
D为管子内径；
x为管内流体干度；
ρ′、ρ″分别为汽水混合物中饱和水和饱和蒸汽的密度。
修正系数ψ的计算公式如下：
ψ＝1，G＝1000kgm-2s-1
摩擦系数λ的计算公式如下：
其中，k为绝对粗糙度；碳钢的k值为6×10-5；奥氏体钢为8×10-6。
1.2局部压降
1)单相流体的局部压降
其中局部阻力系数ξjb主要包括：锅筒进入大直径下降管的入口阻力系数、联箱进入管子的入口阻力系数、管子进入锅筒或联箱的出口阻力系数、节流圈阻力系数、弯头阻力系数、三通局部阻力系数，可通过《电站锅炉水动力计算方法》-JB/Z201-83中获得。
2)多相流体的局部压降
其中局部阻力系数ξ′jb与ξjb类似，可通过《电站锅炉水动力计算方法》-JB/Z201-83获得。
1.3重位压降
1)单相流体的重位压降
ΔPzw＝ρgΔh
2)多相流体的重位压降
其中，为计算管段的平均截面含汽率，计算方法如下：
对于垂直上升管段的截面含汽率：
其中，为计算管段内容积含汽率；
S为滑速比，表示蒸汽实际速度和水实际速度之比：
对于倾斜角为α的上升管段的截面含汽率：
其中，Kα为相对于水平倾角的修正系数：
若则取Kα＝1；
若则Kα计算公式如下：
其中，y为转换系数，计算公式如下：
其中，D*为管子界限内径，m，计算公式如下：
其中，σ为饱和水的表面张力系数，kg/m。
若D*＞D，则取D*＝D。
对于汽水混合物在垂直下降管流动，其下降流动截面含汽率与界限容积含汽率相关：
当β≤β*时：
若P≤6.865MPa，则
若P＞6.865MPa，则
当β＞β*时：
其中，
其中，
1.4加速压降
1)对于单相流体：
ΔPjs＝(ρW)2(υc-υj)
2)对于多相流体：
ΔPjs＝(ρW)2(υ″-υ′)(xc-xj)
2.能量守恒方程
管子内单位质量工质出口焓值等于进口焓值加该段管子内工质吸热量：
其中，hout为出口焓值；
hin为进口焓值；
q′为该区域平均热负荷；
s为管间距；
Gm为质量流量。
3.质量守恒方程
流进每根管子的工质流量与流出每根管子的工质流量相等，从进口联箱流入的总流量与所有管子汇聚与出口联箱的总流量相等。
综上所述，假设水冷壁中划分了i个回路，每个回路划分了j个管段，则可列出的方程数为各个管段的动量守恒方程i*j个，能量守恒方程i*j个和各个回路的质量守恒方程i个，共(2*i*j+i)个，未知数的个数为各管段数进出口参数2*2*i*j个与各回路的流量i个，共为(4*i*j+i)个，其中，某一管段的出口参数即为下一个管段的进口参数，因此未知数的个数可简化为(2*i*(j+1)+i)个，由于边界条件，进口压力，进口焓值和给水总流量已知，因此未知数可减少2*i个，此时未知数为(2*i*j+i)个，与方程数相等，满足非线性方程组的求解条件。
步骤五：将整个水冷壁系统各个管段的方程组成系统的非线性方程组。
步骤六：基于鲍威尔算法与MINPACK库结合构建通用的水动力计算模型与壁温计算模型。
如图1和2所示，通用的水动力计算模型与壁温计算模型用于适用于超超临界、超临界、亚临界及高中压力下，前后墙对冲炉与四角切圆炉的水动力计算与壁温计算。该模型使用基于鲍威尔算法与MINPACK库结合的求解方法，实现大型非线性方程组的快速准确求解，同时求解出各管段的工质参数，进而代入壁温计算程序，得到水冷壁的壁温分布结果。
其中，鲍威尔算法是在无约束优化共扼方向，从某个初始点出发，求目标函数在这些方向上的极小值点，然后以该点为新的出发点，取复这一过程直到获得满意解，其特点是不必计算目标函数的梯度就可以在有限步内找到极值点。其优点是相对于其他无约束优化算法，具有更快的收敛速度和更高的精度，在处理非线性约束问题时具有很好的稳定性和可靠性，不需要求解导数，大大降低计算复杂度和所需储存空间，其缺点是对初始值比较敏感，初始值偏离较大可能导致算法收敛变慢甚至无法收敛，而在水动力计算的应用中，方程的初始值可根据所需要计算的工况的给定条件很好地大致确定，因此基于MINPACK库开源软件工具上开发的鲍威尔算法十分适用于锅炉水动力特性计算。
步骤七：将非线性方程组代入水动力计算模型中计算得到个管段的工质参数。
需要说明的是，通用的水动力计算模型涵盖了水在不同物性参数下的水动力求解公式，根据实际的需求所提供的边界条件，通过自动查询IAPWS-IF97物性数据库，不断获得迭代计算过程中水的物性参数变化，因此该模型可准确适用于超超临界、超临界、亚临界及高中压力下的水动力计算，并且本实施例包含四角切圆炉以及前后墙对冲炉这两种当前应用最广泛的锅炉炉膛结构的水冷壁热负荷分布曲线。因此，在实际应用过程中，可满足不同炉膛结构，不同物性参数下的锅炉水动力特性计算，从而体现其通用性。
步骤八：将工质参数代入壁温计算模型得到水冷壁的壁温分布结果。
需要说明的是，壁温计算模型中壁温计算的流程具体包括：
1.内外壁温计算
对于光管水冷壁和膜式管屏的内壁温，可通过下式计算：
其中，t为计算点处管内介质温度，可由管内水动力计算结果得到；
β为外径与内径之比d/dn；
Jn为计算点处正面外壁辐射热负荷，根据毕渥数查取，通过查线算图获得；
α2为内壁与介质放热系数，计算方法在下一节。
对于光管水冷壁和膜式管屏的外壁温，可通过下式计算：
其中，δ为管壁厚度；
λ为管子金属导热系数，可通过查图获取；
为管子正面沿厚度方向上的平均热量均流系数，通过查图获得。
2.鳍根和鳍端温度计算
对于膜式管壁，还需要计算其鳍根和鳍端温度，对于鳍根可通过下式计算：
其中，K为通过鳍根的平均热负荷与管子正面外壁热负荷的比值，根据管子节距s、鳍根厚度s2、外径d从线算图查取；
Jn1、Jn2为鳍片部分热流，管子部分热流对鳍片部分内壁均流系数，根据Bi、s2、β查取；
为鳍片部分热流，管子部分热流对鳍片部分平均均流系数，根据Bi、s2、β查取。
对于鳍端可通过下式计算：
其中，s1为鳍端厚度；
s2为鳍根厚度；
h为鳍片高度，
λ′为鳍片部分金属导热系数，根据线算图查取。
对于用管子和扁钢焓成的膜式壁，管子和扁钢应充分焊透，焊缝高出母材部分，不应作为鳍片管结构尺寸计算。
3.内壁与介质放热系数计算
1)超临界区
分别按垂直上升管、垂直下降管、水平管及倾斜管查取线算图获得。
2)亚临界压力区
在亚临界压力(19～22.1MPa)附近，流动传热过程比较复杂，流动传热过程中可能发生传热恶化，如果发生传热恶化则通过下式计算：
其中，下标g和l表示气相和液相；
下标cr表示临界条件下。
通过比较管子内壁热负荷与临界热负荷，可判断是否发生传热恶化。临界热负荷与临界质量流速Gcr有关。临界质量流速的计算公式如下：
Gcr＝800.45+223.871n(22.115-p)
当G＜Gcr时，临界热负荷的计算公式如下：
qcr＝3343.93(22.115-p)0.4091×G-0.3835(1-x)0.6792
当G＞Gcr时，临界热负荷的计算公式如下：
qcr＝2.2669(22.115-p)0.1007×G0.7385(1-x)0.1888
当管子内壁热负荷大于临界热负荷时，DNB发生，传热恶化。以下分区计算放热系数，包含欠热水区、蒸汽区和沸腾水区。
(1)欠热水区
若P≤17.65197MPa，则按下式计算：
若17.65197MPa≤P≤22.1MPa，则按下式计算：
取按介质温度和内壁温算出的较小值Pr。
(2)蒸汽区
α2＝Kα0
其中，K值根据内壁温和介质温度的平均值所算的雷诺数Remo查取；
α0根据线算图查取。
(3)沸腾水区
查取线算图获得。
4.传热恶化计算
传热恶化开始时的临界含汽率为Xlj，壁温达到最高值，放热系数α2处于最小值时的含汽率为最高壁温含汽率Xmax。根据水冷壁管径大小分为大管径传热恶化区(P≤19.6133MPa，dn≥15mm)和小管径(P≤19.6133MPa，dn≤15mm)传热恶化区，其计算过程有所不同，根据水冷壁管特征按光管和内螺纹管进行不同的计算修正。
传热恶化计算过程按垂直管、倾斜管和水平管不同进行计算，分别根据压力，热负荷，质量流量等参数将传热分为四个区域，通过查线算图获得分区结果、临界含汽率和最小放热系数等。
以下以上述水动力计算方法应用于某600MW超临界参数变压直流锅炉，该炉为前后墙对冲燃烧方式，BMCR工况锅炉蒸发量1950t/h，额定蒸汽压力25.4MPa，额定蒸汽温度571℃，再热蒸汽温度569℃。应用本文提出的水动力计算方法分别计算其在满负荷(598MW)与30％额定负荷(180MW)下的水动力和壁温分布。水动力计算过程螺旋水冷壁共3466个非线性方程，垂直水冷壁共870个非线性方程，采用普通笔记本电脑的求解时间分别约为1900s，壁温计算无需进行大型非线性方程组求解，采用普通笔记本电脑的求解时间约为70s，实现了锅炉水冷壁水动力及壁温的快速求解。
其满负荷工况下的进口条件如下表1，水动力及壁温计算结果如下图7-图10所示.
表1满负荷工况进口条件
压降计算结果显示锅炉水冷壁出口压力为26.64MPa，表盘水冷壁出口集箱压力为26.52MPa，计算值与其偏差约为0.45％，计算结果比较准确。
图7中多段曲线为超临界流体分界线，位于水冷壁中部相对高度约为0.25的位置，温度计算结果显示水冷壁平均出口温度为407.28℃，与表盘中显示的397.6℃误差约2.38％。
比对螺旋水冷壁与垂直水冷壁出口外壁温计算值与某一时刻的表盘值，整体平均误差总的来说偏差较小，壁温计算较为准确。
与现有技术相比，本发明提供的通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法具有如下优点：
1)现有技术均是针对某种压力工况下或某种炉型的水动力计算，本案的计算程序具有通用性，即本发明可准确适用于超超临界、超临界、亚临界及高中压力下的水动力计算，并包含四角切圆炉以及前后墙对冲炉这两种当前应用最广泛的锅炉炉膛结构的水冷壁热负荷分布曲线。
2)本发明可采用python语言开发，具有开源、面向对象、功能库强大等优势，使用基于鲍威尔算法与MINPACK库结合的求解方法，在保证精度的前提下，具有较高的求解速度，为锅炉快速变负荷时的水动力与壁温更新计算提供条件。
3)计算流程不同，本案对划分的有限管段进行动量守恒方程、能量守恒方程与质量守恒方程同时求解，可直接得到每一管段的温度、压力、焓值、流量、流速等参数结果，简化了以往计算过程中按热平衡、压降、流量的顺序迭代的繁杂计算过程，提高计算效率。
4)本案计算方法设计灵活，可针对不同锅炉水冷壁独有的几何特征和布置特点，方便地根据实际情况对热负荷变化剧烈或局部压降明显的部分进行加密处理，也可以针对现有结果，通过三通阀、节流圈、弯头等手段进行水冷壁结构改造，或者根据不同燃烧方式输入不同的热负荷曲线，并计算不同条件对水动力特性的影响，得到不同工况下炉内工质分布的直观全面分析。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集水冷壁系统参数；
对水冷壁系统进行回路与管段的划分；
根据锅炉炉型和燃烧参数确认热负荷曲线；
将采集的系统参数和热负荷值进行代入，按划分的管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程；
将整个水冷壁系统各个管段的方程组成系统的非线性方程组；
基于鲍威尔算法与MINPACK库结合构建通用的水动力计算模型与壁温计算模型；
将所述非线性方程组代入所述水动力计算模型中计算得到各管段的工质参数；
将所述工质参数代入所述壁温计算模型得到水冷壁的壁温分布结果。
2.根据权利要求1所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，对水冷壁系统进行回路与管段的划分，具体包括：
将设定数量相邻的几何结构和吸热偏差相似的水冷壁管子划分为一个回路区域，以区域中间的水冷壁管子代表相应回路区域进行计算，同一回路区域内各管子所有工质参数和热负荷情况均相同，回路区域的总流量为该区域所有管子流量之和；
将各回路区域的代表管子按设定长度划分为若干管段。
3.根据权利要求1所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，所述热负荷曲线至少包括：四角切圆热负荷曲线和前后墙对冲热负荷曲线。
4.根据权利要求1所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，按划分的管段确定对应的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程，具体包括：
基于每一段管子内流动工质流动产生的压降确定所述质量守恒方程，基于管子内单位质量工质出口焓值等于进口焓值加该段管子内工质吸热量确定所述能量守恒方程，基于流进每根管子的工质流量与流出每根管子的工质流量相等，从进口联箱流入的总流量与所有管子汇聚与出口联箱的总流量相等确定所述动量守恒方程。
5.根据权利要求4所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，所述质量守恒方程具体包括：单相流体和双相流体在管内流动的总压降，包括摩擦压降、局部压降、重位压降和加速压降四部分。
6.根据权利要求1所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，所述非线性方程组的求解量为各联箱和管子的焓值、压力与流量。
7.根据权利要求1所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，所述壁温计算模型中，求解水冷壁的壁温分布结果具体包括如下步骤：
根据内外壁温计算式计算水冷壁内外壁温；
根据鳍根和鳍端温度计算式计算鳍根和鳍端温度；
根据内壁与介质放热系数计算式计算不同区域的内壁温和介质温度；
根据传热恶化计算式进行传热恶化计算。
8.根据权利要求7所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，所述内壁温和介质温度的计算分别在超临界区和亚临界压力区进行，其中，在所述亚临界压力区，当管子内壁热负荷大于临界热负荷时，按欠热水区、蒸汽区和沸腾水区进行计算。
9.根据权利要求1所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，将所述非线性方程组代入所述水动力计算模型中计算得到各管段的工质参数中，从所述MINPACK库获取水的物性参数变化，代入所述非线性方程组中，得到相应管段的工质参数。
10.根据权利要求1所述的一种通用的锅炉水冷壁快速精准水动力及壁温计算方法，其特征在于，所述鲍威尔算法用于对所述非线性方程组进行求解。
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