自然循環(huán)原理及計算

1、 第九章 自然循環(huán)原理及計算第一節(jié) 自然循環(huán)的基本原理一、自然循環(huán)概述由汽包、下降管、聯箱、上升管等組成的循環(huán)回路中，上升管在爐內受熱，管內的水被加熱到飽和溫度并產生部分蒸汽；而下降管在爐外不受熱，管內為飽和水或未飽和水。因此，上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，在下聯箱中心兩側將產生液柱的重位差，此壓差推動汽水混合物沿上升管向上流動，水沿下降管向下流動。工質在沿汽包、下降管、下聯箱、上升管、上聯箱、連接管道再到汽包這樣的回路中的運動是由其密度差造成的，而沒有任何外來推動力。因此將這種工質的循環(huán)流動稱為自然循環(huán)。二、自然循環(huán)回路的總壓差畫出簡單循環(huán)回路示意圖。下聯箱中心截面A-A兩側

2、將受到不同的壓力。截面左側管內工質作用在截面A-A的靜壓為： ( 9-1)截面右側管內汽水混合物作用在截面A-A的靜壓為： (9-2) 從式（9-1）和式（9-2）可以看出，由于，所以靜壓，表示截面A-A兩側所受壓力是不同的，此壓力差將推動聯箱內工質由左向右移動。循環(huán)回路中，工質流動時要克服磨擦阻力和局部阻力?，F根據流體流動的基本原理分析，流動狀態(tài)下聯箱中心處的壓力：1、下降管系統作用在聯箱中心處的壓力在流動時，下降管系統有流動阻力損失，水向下流動時在聯箱中心處的實際壓力要比靜壓小，即 （9-3）2、上升管系統作用在聯箱中心處的壓力由于上升管內工質流動是由下向上流動，聯箱中心處的壓力P2應能克

3、服上升管系統的總流動阻力和重位壓差，才能使工質進入汽包，因此 （9-4）3、總壓差（1）下降管系統的總壓差為： （9-5）（2）上升管系統的總壓差為： （9-6） 在穩(wěn)定流動時，聯箱中流體只有一個壓差值（與汽包壓力的差值），所以這兩個壓差值必須相等，即 （9-7）式（9-7）是用來計算鍋爐水循環(huán)的主要依據，這種方法稱為水循環(huán)計算中的壓差法。三、運動壓頭自然循環(huán)回路中的循環(huán)推動力稱為運動壓頭，以表示 （9-8）自然循環(huán)回路中的運動壓頭就是回路中循環(huán)的推動力，這一壓頭將耗用于克服下降管、上升管及汽水分離裝置的流動阻力，即 （9-9）運動壓頭扣除上升管系統的阻力、汽水分離裝置的阻力之后，剩余部分就稱

4、為有效壓頭，以表示 （9-10）循環(huán)回路的有效壓頭是用來克服下降管阻力的。因此，自然循環(huán)回路中，工質在穩(wěn)定流動情況下，有效壓頭應與下降管系統的阻力相等，即 （9-11）式（9-11）也可用來對鍋爐進行水循環(huán)的計算，這種方法稱為水循環(huán)計算中的壓頭法。四、影響循環(huán)推動力的因素運動壓頭的大小取決于飽和水與飽和汽的密度差、上升管中的含汽率和循環(huán)回路的高度，鍋爐的工作壓力，爐膛熱負荷，鍋爐負荷等。第二節(jié) 兩相流的流型和傳熱一、蒸發(fā)管中汽水兩相流的流型在管內兩相流中，汽和水不是均勻分布的，它們的流速也不一樣。由于管徑、混合物中的含汽率和流速不同，兩相組成的流型也不一樣。流型不同，兩相流體的流動阻力和傳熱機

5、理是不同的。流速的大小和傳熱的強弱又影響到兩相流型。用圖9-2各區(qū)域的流型和傳熱特點。二、蒸發(fā)管中汽水兩相流的傳熱如果熱負荷增加，則蒸干點會提前出現，環(huán)狀流動結構會縮短甚至消失，沸騰傳熱惡化可能提前在汽泡狀流型區(qū)域發(fā)生。這時由于汽化核心密集，要管壁形成連續(xù)汽膜，將水壓向管子中部，由于汽膜導熱性很差，導致沸騰傳熱惡化。一般稱這種因管壁形成汽膜導致的沸騰傳熱惡化為第一類沸騰傳熱惡化，或膜態(tài)沸騰，它是由于管外局部熱負荷太高造成的。因管壁水膜被蒸干導致的沸騰傳熱惡化稱為第二類沸騰傳熱惡化，它是因汽水混合物中含汽率太高所致。騰傳熱惡化是一種傳熱現象，表現為管壁對吸熱工質的放熱系數急劇下降，管壁溫度隨之迅

6、速升高，且可能超過金屬材料的極限允許溫度，致使壽命縮短，材質惡化，甚至即刻超溫燒壞。第三節(jié) 兩相流的特性參數及流動阻力一、兩相流的特性參數描述汽水兩相流流動特性的物理量稱為汽水兩相流的特性參數。（一）兩相流的流速1、質量流速單位時間內流經單位流通截面的工質質量稱為質量流速，用表示，并用下式計算： (9-12) 2、循環(huán)流速循環(huán)回路中水在飽和溫度下按上升管入口截面計算的水流速度稱為循環(huán)流速，用表示，即 （9-13）式中飽和水的密度，。3、折算流速汽水混合物是由汽和水兩相組成的，兩者的流速不同。為計算方便常采用所謂折算流速。假定流過的汽水混合物中某相工質占有管子全部截面時計算所得的流速稱為該相的折

7、算流速。顯然有蒸汽折算流速和水的折算流速之分，它們可分別用下式計算： m/s （9-14） m/s （9-15）在受熱蒸發(fā)管內，當工質質量流量G一定時，不同截面處的蒸汽流量是變化的，管段的平均蒸汽折算流速可根據管段入口和出口截面的蒸汽質量流量和，用下式計算： （9-16）蒸發(fā)管段中水的平均折算流速為 （9-17）在循環(huán)回路中，根據循環(huán)流速的定義，循環(huán)水流量等于流過工質的總流量，而工質總流量又等于流過的水流量與蒸汽流量之和，即或即 （9-18）水和汽的折算流速實際上是不存在的，折算流速只是反映水或汽的流量，故屬于流量參數。4、混合物流速流經管子截面的汽水混合物容積等于流過的水容積與蒸汽容積之和。

8、混合物的平均流速為 (9-19)將（9-18）式中的代入上式，得： (9-20)5、真實流速設管子截面積為A的截面上，水和汽所占管子截面的面積分別為和，即，則該截面上水的真實流速為 (9-21)而汽的真實流速為 (9-22)兩相真實流速之差稱為相對流速： 。（二）含汽率1、質量含汽率在汽水混合物中，流過蒸汽的質量流量D與流過工質總的質量流量G之比稱為質量含汽率，用表示： （9-23）已知某截面上工質的焓，可用下式計算該截面上的質量含汽率： （9-24）式中截面上工質的焓；飽和水的焓；水的汽化潛熱。若已知某管段入口水的焓，則可用下式計算任一截面上的質量含汽率： (9-25)式中管段吸熱率，;管段

9、入口水的欠焓，。對于沿管長均勻受熱的管段，可根據入口和出口質量含汽率和用下式計算其平均含汽率： (9-26)如將（9-23）式代入（9-20）式，則可得： (9-27)當要求計算某一管段中混合物的平均流速時，以代替公式（9-20）中的，或以代替公式（9-27）中的即可。2、容積含汽率流經管子某一截面的蒸汽容積流量與汽水混合物總容積流量之比稱為該截面上的容積含汽率，用表示。即： (9-28)將公式（9-23）代入，則得： (9-29)與的關系取決于壓力和（見附錄1）。低壓時由于飽和汽的密度小，即使較小時值也較大。在任何壓力下，隨的增大值的變化逐漸緩慢。3、截面含汽率截面含汽率又稱真實含汽率，用表

10、示。它是管道斷面上蒸汽所占截面與管子總截面A之比，即： (9-30)此外，由此可得： (9-31)令，則得 (9-32)在定義和時，都把它們看作流量參數，也就是并沒有考慮兩相之間的速度差別。實際兩相流體中，兩相間存在速度差別。例如，在上升流動時，因而，所以。即；下降流動時，及，所以，。如取汽和水的流速相等，即，則，這時。比例系數C是混合物流速與蒸汽真實流速之比，因而也就考慮到蒸汽和水的相對流速。隨壓力的升高，汽和水的相對流速減小，在接近臨界壓力時C1，而。C值是由綜合試驗數據求得的。附錄2給出了垂直上升管中C的數值，附錄2（a）是當、時的C值；當時，則應用附錄2（c）；當時，對于直流鍋爐值按附

11、錄2（b）查得。（三）兩相流的密度1、流量密度在汽水兩相流中，混合物的質量流量與體積流量之比稱為流量密度，用表示。 (9-33)流量密度是由流量參數G、V得到的，沒有考慮汽水的相對滑動，故實際上流量密度是不存在的。它用于流動阻力、動量、質量流速等以流量特性為基礎的各項目的計算。2、真實密度某段管段中汽水混合物實際存在的密度稱為真實密度，用表示。如汽水混合物充滿高度為、總截面積為A的管段中，水和汽所占截面分別為和，則有: 則真實密度為： (9-34)真實密度用以計算管子中兩相流的質量、重位壓頭及必需考慮非均相流的各項目。在上述各特性參數中，、及是以工質流量或每一相的流量為基礎來表示的參數，故又稱

12、之為流量參數。流量參數可用于流體的質量流量、容積流量等的計算。而真實流動特性參數、及是以汽水兩相流實際流動情況為基礎的流動參數，即考慮了汽、水流速不同的差異。真實流動特性參數用于管內兩相流的質量、重位壓頭等的計算。二、兩相流的流動阻力設有一任意放置的受熱管段，兩相流體流經1-2兩個截面時（如圖9-6所示），其壓力降可用下式表示： (9-35)1、流體加速壓降某一管段中工質的加速壓降等于管段出口截面的動量與管段進口截面動量之差： （9-36）根據等截面管道中質量流速不變的原理可知：。若分別對管子進口截面（其干度為）和出口截面（其干度為）應用公式（9-37），代入（9-36）式整理后，可得： （9

13、-37）2、重位壓差當兩截面間的高度差為h時，重位壓差為： （9-38）式中管段內工質的平均真實密度，由式（9-34）可知： （9-39）3、摩擦阻力對于均勻混合物的汽水混合物，可按混合物流速和混合物密度來計算管段中的摩擦阻力： （9-40）在穩(wěn)定流動時，由循環(huán)流速的定義可知：。將（9-27）式代入上式可得： （9-41）如將式（9-20）代入式（9-40）而不用式（9-27）則可得摩擦阻力的另一表達式： （9-42）考慮到兩相流結構對的影響，在計算中加入一修正系數。當管段中汽水混合物含汽率沿管長不變時，摩擦阻力損失按下式計算： （9-43）式中的修正系數由附錄3（b）查取。當管段中汽水混合物

14、的含汽率沿管長變化時，按下式計算摩擦阻力損失： （9-44）管段的平均修正系數按下式計算： （9-45）、分別為管段出口、入口截面的平均修正系數，由附錄3（a）查取。4、局部阻力由局部阻力所引起的壓力損失，按下式計算： （9-46）第四節(jié) 自然水循環(huán)的可靠性指標及計算方法一、自然水循環(huán)工作的可靠性指標1、質量流速和循環(huán)流速質量流速和循環(huán)流速的定義式參見（9-12）、（9-13）式。循環(huán)流速是一個流量參數，雖然它能反映水流速度的快慢，能判斷水循環(huán)的安全性，但它是按上升管入口水量計算得到的。對于受熱不同的上升管，即使循環(huán)流速相同，但由于產汽量不同，在上升管出口處的汽水混合物中含水量就不同。對受熱強

15、的上升管，由于產汽量較多，出口水量較少，管子內壁四周可能維持不住連續(xù)流動的水膜。同時，汽水混合物比容增大、流速提高，可能撕破很薄的水膜，造成第二類沸騰傳熱惡化，使管壁超溫。因此，循環(huán)流速不是反映水循環(huán)安全的唯一指標。2、循環(huán)倍率K循環(huán)倍率的定義為：循環(huán)回路中，進入上升管的循環(huán)水量G與上升管出口蒸汽量D之比，稱為循環(huán)倍率，用符號K表示，其數學表達式為 (9-47)循環(huán)倍率K的意義是上升管中每產生1kg蒸汽需要進入上升管的循環(huán)水量，或1kg水全部變成蒸汽在循環(huán)回路中需要循環(huán)的次數。循環(huán)倍率K與質量含汽率x互為倒數關系。循環(huán)倍率K愈大，含汽率x愈小，則上升管出口汽水混合物中水的份額較大，管壁水膜穩(wěn)定

16、，對管壁冷卻作用較好。所以，經常循環(huán)倍率來評定鍋爐水循環(huán)是否安全。但K值過大，上升管產汽量太少，上升管內工質的平均密度增大，循環(huán)回路的運動壓頭減小，將使循環(huán)流速降低，對水循環(huán)安全不利。3、自補償能力和界限含汽率隨著受熱面熱負荷增大，上升管的產汽量增加，質量含汽量x增大，一方面運動壓頭增大；另一方面上升管的流動阻力也隨著增大。循環(huán)流速是增大還是減小取決于這兩個因素中變化較大的一個。當x不太大時，運動壓頭的增加大于流動阻力的增加。因此，隨著x的增大，循環(huán)流速增大。當x增大到一定數值后，繼續(xù)增大x，由于流動阻力與工質流速的平方成正比，將出現流動阻力的增加大于運動壓頭增加的狀況，這時隨著x的增大，循環(huán)

17、流速反而下降。循環(huán)流速與上升管質量含汽率x的關系如圖9-7所示。圖中最大循環(huán)流速所對應的上升管質量含汽率x，稱為界限含汽率。界限含汽率的倒數則稱為界限循環(huán)倍率。在上升管含汽率小于界限含汽率范圍內，自然循環(huán)回路上升管受熱增強時，循環(huán)水量和循環(huán)流速也隨之增大，這種循環(huán)特性稱自補償性或自補償能力。若熱負荷太大，上升管含汽率超過界限含汽率，這時隨著受熱面吸熱增強，循環(huán)水量和循環(huán)流速反而減小，則失去自補償能力。為了保證自然循環(huán)回路的工作安全，鍋爐應始終在自補償范圍內。因此，上升管的含汽率必須始終小于界限含汽率，而循環(huán)倍率則應始終大于界限循環(huán)倍率。二、自然水循環(huán)的計算方法（一）循環(huán)回路的分段簡介（二）自然

18、循環(huán)的計算方法自然水循環(huán)的計算方法有壓差法和壓頭法兩種。我國電站鍋爐水動力計算方法推薦用壓差法進行計算，即下降管系統的總壓差等于上升管系統的總壓差。1、壓差法按圖9-8可寫出自汽包水位面至下聯箱中心之間的下降管系統總壓差和上升管系統總壓差分別為： (9-49) (9-50)由本章第一節(jié)分析可知，自然循環(huán)在穩(wěn)定流動時，上升管系統和下降管系統的總壓差必須相等，即。這就是壓差法的基本方程。2、壓頭法運動壓頭扣除上升管系統的阻力和汽水分離裝置的阻力之后，剩余部即為有效壓頭： 自然循環(huán)在穩(wěn)定流動時。這就是用壓頭法計算自然循環(huán)的基本方程式。（三）循環(huán)回路的特性曲線及工作點自然水循環(huán)的計算過程可歸納為建立基

19、本方程式和解基本方程式?；痉匠淌降慕夥ㄓ刑匦郧€圖解法兩種。在用壓頭法計算自然循環(huán)的過程中，上升管系統和下降管系統的總壓差的計算與循環(huán)流速有關。而在水循環(huán)計算未完成之前又無法確定實際的循環(huán)流速。所以須采用試算法，即先假定一個循環(huán)流速。分別計算出下降管系統和上升管系統的總壓差。如果兩者不相等，再在原循環(huán)流速的基礎上增加（或減少）一個附加量，依次算下去，直到兩者相等（或達到所要求的精度）為止。下面就采用壓頭法計算自然循環(huán)的特性曲線圖解法進行說明。1、簡單回路自然循環(huán)特性曲線圖解法2、復雜回路自然循環(huán)特性曲線圖解法（1）串聯各部分管內工質質量流量相同；（2）系統總壓差是各部分各自的特性曲線在流量相

20、同時壓差的疊加值。并聯系統的特點是：（1）并聯的各上升系統壓差相等；（2）總流量是在等壓差下各系統流量的總和。第五節(jié) 自然循環(huán)常見故障及提高安全性措施 一、自然循環(huán)的常見故障一般常見的故障有：循環(huán)停滯、循環(huán)倒流、出現自由水面、汽水分層等。1、循環(huán)停滯2、循環(huán)倒流3、汽水分層防止汽水分層的措施是盡可能避免布置水平或傾角小于15的沸騰管。如在結構上不可避免時，要盡可能提高管內汽水混合物的流速。二、下降管含汽當下降管含有蒸汽時，管內工質平均密度減小，運動壓頭減小，而工質的體積流量將增大，致使下降管的流動阻力增加。這樣能克服的上升管阻力減小，循環(huán)流速和循環(huán)倍率降低，使得受熱弱的上升管更容易發(fā)生循環(huán)停滯

21、等故障。鍋爐下降管含汽的原因主要有：下降管受熱產生蒸汽；水在下降管入口自汽化；水進入下降管時帶汽；由于鍋爐壓力突然下降引起鍋水自汽化等等。三、大型自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)安全問題對于高參數大容量自然循環(huán)鍋爐，由于各上升管內工質的含汽率增大，回路高度提高及大直徑集中下降管的采用等，循環(huán)推動力（即運動壓頭）增大。因此，如采用合理的設計布置，在亞臨界壓力下仍可采用自然循環(huán)鍋爐，如國產DG-1000/16.8 自然循環(huán)鍋爐。對于這類鍋爐其產生循環(huán)停滯和倒流的可能性很小。對亞臨界壓力的自然循環(huán)鍋爐，理論計算和經驗證明，水冷壁安全運行的主要任務之一是防止沸騰傳熱惡化。高參數大容量自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)的主要危害在

22、于受熱最強管子的傳熱惡化。四、提高水循環(huán)安全性的措施影響水循環(huán)安全性的常見因素有：并列上升管吸熱不均勻，下降管帶汽，下降管、汽水引出管和汽包內分離裝置阻力過大，以及壓力變化速度等。1、蒸發(fā)管吸熱不均如果吸熱有顯著差別的管子并聯在一組上升管系統內，則受熱弱的管內就可能發(fā)生水循環(huán)故障。為減小并列蒸發(fā)管吸熱不均，現代鍋爐在結構和布置上常用的措施有：（1）按受熱情況劃分循環(huán)回路，將每面墻的水冷壁按受熱強弱情況劃分為若干個獨立的循環(huán)回路，每一回路中并列管子的受熱情況與結構尺寸差異不大。（2）改善爐膛四角管子的受熱情況，由于爐膛四角布置的管子吸熱最弱，因此四角最好不布置管子，或將爐膛截面切角形成八角爐膛。另外，布置在爐膛四角的一些吸熱差的管子最好劃分成單獨的獨立循環(huán)回路。（3）采用平爐頂結構用平爐頂取代前斜壁頂柵，可使兩側墻水冷壁吸熱區(qū)段的高度基本相同，減少吸熱不勻。為減小并列管吸熱不均，在運行方面應注意以下幾點：（1）保持爐膛火焰中心位置，避免火焰偏斜。（2）保持水冷壁清潔，防止局部結渣積灰。（3）避免鍋爐長時間