能源專業(yè)課小周鍋爐原理10-1

1、 第十章 自然循環(huán)基本工作原理：基本定義（物理量），基本工作原理：基本定義（物理量），蒸發(fā)受熱面安全、自然循環(huán)安全性、蒸發(fā)受熱面安全、自然循環(huán)安全性、提高安全措施、自然循環(huán)等計算。提高安全措施、自然循環(huán)等計算。兩相流計算兩相流計算不講，不講，自然循環(huán)的基本原理與基本方程自然循環(huán)的基本原理與基本方程一、基本原理一、基本原理左側壓力：左側壓力：下降管下降管右側壓力：右側壓力：上升管上升管循環(huán)推動力循環(huán)推動力影響因素：高度、飽和水與飽和汽密度差、影響因素：高度、飽和水與飽和汽密度差、上升管中含汽率。上升管中含汽率。gHp1gHph1)(DhshydHggHgHS 一、基本定義1. 循環(huán)流速循環(huán)流速上

2、升管開始沸騰處的飽和水速上升管開始沸騰處的飽和水速G流經上升管的質量流量流經上升管的質量流量 kg/s（包括水、汽（包括水、汽單位時間內流經單位截面的質量流量單位時間內流經單位截面的質量流量質量流速質量流速smFGWo/smkgFGWo2/ 2. 質量含汽率上升管中汽水混合物中蒸汽的質量份額3. 循環(huán)倍率進入上升管的循環(huán)水量與上升管出口產汽量之比自然循環(huán)鍋爐攜帶循環(huán)安全性的重要指標之一。 riiGDXccccXXDGDGK1建立基本方程組 流體力學問題，四個普遍物理定律：流體力學問題，四個普遍物理定律： 質量守恒定律質量守恒定律 牛頓第二定律牛頓第二定律 熱力學第一定律熱力學第一定律 熱力學第

3、二定律熱力學第二定律 定壓加熱過程定壓加熱過程 熱力學第一定律在鍋爐上的表達式熱力學第一定律在鍋爐上的表達式 Q=G(ic-ir) ic: 管子出口焓值；管子出口焓值；ir：管子入口焓值管子入口焓值 對于下降系統(tǒng)：對于下降系統(tǒng)： p p1+Hg g+12/2=p p2+22/2+p pxj 對于上升系統(tǒng)：對于上升系統(tǒng)： p p2+ 22/2 =p p1+Hh hg g+112/2 + p pss 上升系統(tǒng)壓差等于下降系統(tǒng)壓差上升系統(tǒng)壓差等于下降系統(tǒng)壓差 兩式聯(lián)立，得：兩式聯(lián)立，得： Hg - g - p pxj=Hh h g g +p pss 即：即： H( h h ) g - g - p p

4、ss =p pxj= S Syx 有效壓頭有效壓頭S Syx，在數(shù)值上等于循環(huán)推動力與上在數(shù)值上等于循環(huán)推動力與上升系統(tǒng)阻力之差，用來克服下降管阻力。升系統(tǒng)阻力之差，用來克服下降管阻力。 安全問題：結渣（灰）、高溫腐蝕、超溫安全問題：結渣（灰）、高溫腐蝕、超溫爆管爆管 、結垢等、結垢等 q只取決于只取決于Th，管壁溫度則只取決于工質側，管壁溫度則只取決于工質側對流放熱系數(shù)對流放熱系數(shù) 工質工質-汽水混合物，汽水混合物，水水汽汽 蒸汽分布蒸汽分布- -流型問題流型問題蒸發(fā)受熱面的安全工作問題蒸發(fā)受熱面的安全工作問題 阻力小阻力小-汽泡趨中效應汽泡趨中效應 質量含汽率質量含汽率X 小小大大 泡狀泡

5、狀 彈狀流型彈狀流型 柱狀流型柱狀流型 液霧流型液霧流型單相水的流動（A段）：水溫，未至飽和溫度，無蒸汽。過冷氣泡狀流動（B段）：緊貼管子內壁面的水溫至飽和并產生汽泡，管子中部水仍欠熱，平均水溫tg逐漸升高。飽和汽泡狀流動（C段）全部工質至飽和溫度，汽泡不再凝結，含汽量從x=0開始逐漸增大。彈狀流動（D段）隨著含汽量增大，汽泡聚合成彈狀，溫度保持飽和溫度。 環(huán)狀流動（環(huán)狀流動（E段）段）含汽量含汽量，汽，汽彈連接成柱，彈連接成柱， 形成環(huán)形成環(huán)狀流動。環(huán)狀流動后狀流動。環(huán)狀流動后期，中部汽流增加，期，中部汽流增加，流速升高，蒸汽開始流速升高，蒸汽開始攜帶水滴。攜帶水滴。 霧狀流動（霧狀流動（F

6、段）段）含汽量很大，含汽量很大，壁面水膜蒸干，成為壁面水膜蒸干，成為蒸汽帶水滴霧狀流動。蒸汽帶水滴霧狀流動。溫度仍為飽和溫度。溫度仍為飽和溫度。 單相汽流動（單相汽流動（G段）段）全部蒸干，全部蒸干，x=1，蒸汽進，蒸汽進入過熱狀態(tài)。入過熱狀態(tài)。 隨 著 壓 力 增 加 ，隨 著 壓 力 增 加 ，10MPa以上，汽彈狀流以上，汽彈狀流動已不復存在。隨著工動已不復存在。隨著工質含汽量增加，由汽泡質含汽量增加，由汽泡狀流動直接轉變?yōu)槠鶢盍鲃又苯愚D變?yōu)槠鶢盍鲃印盍鲃印?一般，自然循環(huán)鍋爐一般，自然循環(huán)鍋爐正常工作時，其質量含正常工作時，其質量含汽率小于汽率小于20%，處于汽，處于汽泡狀流動工

7、況。泡狀流動工況。（三）（三）沸騰傳熱惡化沸騰傳熱惡化沸騰傳熱惡化分為第一類沸騰傳熱惡化和第二類沸騰傳熱惡化兩類。1.第一類沸騰傳熱惡化（發(fā)生在質量含汽率x較低處）概念：因管壁形成汽膜導致的沸騰傳熱惡化稱為第一類傳熱惡化，或稱膜態(tài)膜態(tài) 沸騰沸騰，它是由于熱負荷太高造成。此時，管壁溫度迅速上升，多數(shù)情況下管壁過熱而燒壞。開始發(fā)生核態(tài)沸騰偏離時的熱負荷稱臨界熱負荷。影響臨界熱負荷的因素分析：影響臨界熱負荷的因素分析：（1）質量流速質量流速對臨界熱負荷的影響有兩重性。質量含汽率不變時，質量流速，汽量，臨界熱負荷。另一方面，質量流速，攜帶蒸汽的速度，臨界熱負荷。高壓時后者起主要作用。 （2 2） 質量

8、含汽率質量含汽率 質量含汽率較大時，質量含汽率質量含汽率較大時，質量含汽率，臨，臨界熱負荷界熱負荷。 （3 3） 管子進口欠熱：管子進口欠熱： 在相同的質量流速在相同的質量流速 下，管子進口欠熱下，管子進口欠熱， 臨界熱負荷臨界熱負荷。 （4）管子內徑：）管子內徑： 管子內徑管子內徑，臨界熱負荷，臨界熱負荷。 （5）工質壓力）工質壓力 壓力壓力，臨界熱負荷，臨界熱負荷。 2. 2.第二類沸騰第二類沸騰傳熱惡化傳熱惡化( (發(fā)生發(fā)生在在x較高處較高處) ) 概念：因管壁概念：因管壁水膜被水膜被“蒸干蒸干”導致的沸騰傳導致的沸騰傳熱惡化稱為熱惡化稱為 第第二類沸騰傳熱二類沸騰傳熱惡化。惡化。 原因

9、：汽水混原因：汽水混合物中含汽率合物中含汽率太高所致。太高所致。 臨界含汽率的影響因素： （1）熱負荷 熱負荷與臨界含汽率關系不大,但臨界熱負荷，管壁溫度。（2）工質壓力工質壓力較小時，壓力，臨界含汽率；反之則相反。 （3）質量流速 質量流速，臨界含汽率。 （4）管徑 管徑， 臨界含汽率。對于超高壓及以下的自然循環(huán)鍋爐，在循環(huán)正常時，由于熱負荷和工質含汽率都較低，不會發(fā)生傳熱惡化。對于亞臨界壓力鍋爐，水冷壁的臨界熱負荷仍高于其局部最高熱負荷，不會發(fā)生第一類傳熱惡化。但界限含汽率隨壓力的上升而下降，有可能發(fā)生第二類傳熱惡化。例如：國產DG1000/170-型自然循環(huán)鍋爐，其水冷壁的最低界限含汽率

10、約0.4，而水冷壁的實際含汽率很接近，故有可能發(fā)生第二類傳熱惡化。沸騰傳熱的防護措施：沸騰傳熱的防護措施： 兩個途徑：防止沸騰傳熱惡化的發(fā)生；兩個途徑：防止沸騰傳熱惡化的發(fā)生； 把沸騰傳熱惡化發(fā)生位置把沸騰傳熱惡化發(fā)生位置 推移到熱負荷較低處，使推移到熱負荷較低處，使 其管壁溫度不超過許用值。其管壁溫度不超過許用值。（1）保證一定的質量流速（2）降低受熱面的局部熱負荷（3）管內結構措施 三、自然循環(huán)的安全性三、自然循環(huán)的安全性 （一）水冷壁安全工作的條件（一）水冷壁安全工作的條件 管壁溫度：管壁溫度： 在沸騰傳熱過程中，管子內壁溫度可在沸騰傳熱過程中，管子內壁溫度可按下式計算：按下式計算： C

11、 )/ 1( 2aqttgnb 水冷壁在正常運行情況下，管內水冷壁在正常運行情況下，管內壁處于核態(tài)沸騰傳熱，放熱系數(shù)壁處于核態(tài)沸騰傳熱，放熱系數(shù) 2很很大大 2=104105kW W/（m2） ，管內，管內壁金屬與工質的溫差只有壁金屬與工質的溫差只有2030，比金屬的許用溫度低得多，水冷壁的比金屬的許用溫度低得多，水冷壁的工作是足夠安全的。工作是足夠安全的。 例如亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐，例如亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐，水冷壁內工質壓力約水冷壁內工質壓力約19MPa，飽和溫，飽和溫度度369，管壁金屬溫度約管壁金屬溫度約390，水水冷壁為冷壁為20g鋼。鋼。 管內工質保持一定的流速，管內工質保持一定

12、的流速，蒸汽干度一定，管內壁清潔一定，管內壁清潔無垢，是保證核態(tài)沸騰傳熱無垢，是保證核態(tài)沸騰傳熱的必要條件。的必要條件。 循環(huán)倍率的選擇：循環(huán)倍率的選擇： 意義：上升管中每產生意義：上升管中每產生1kg蒸汽，需要進入蒸汽，需要進入上升管的循環(huán)水量；或上升管的循環(huán)水量；或1kg水全部變成蒸汽，在水全部變成蒸汽，在循環(huán)回路中需要循環(huán)的次數(shù)。循環(huán)回路中需要循環(huán)的次數(shù)。 K的倒數(shù)稱為上升管出口汽水混合物的干度的倒數(shù)稱為上升管出口汽水混合物的干度或質量含汽率，以符號或質量含汽率，以符號x表示，故有：表示，故有： x =1/K=D/G 循環(huán)倍率循環(huán)倍率K越大，含汽率越小，則上升管越大，含汽率越小，則上升管

13、出口汽水混合物中水的份額較大，管壁水膜穩(wěn)出口汽水混合物中水的份額較大，管壁水膜穩(wěn)定。但定。但K值過大，上升管中汽水量太少。汽水值過大，上升管中汽水量太少。汽水混合物混合物 的平均密度增大，運動壓頭減小。將使的平均密度增大，運動壓頭減小。將使循環(huán)水速降低，對水循環(huán)安全也是不利的。循環(huán)水速降低，對水循環(huán)安全也是不利的。 循環(huán)回路工作循環(huán)倍率應大于界限循環(huán)倍循環(huán)回路工作循環(huán)倍率應大于界限循環(huán)倍率才能保證水冷壁管屏每根管子均勻吸熱條件率才能保證水冷壁管屏每根管子均勻吸熱條件下的安全工作。即下的安全工作。即 KKj (6-7) 界限循環(huán)倍率與界限循環(huán)倍率與x有關，有關，K過小，可能產生過小，可能產生第一

14、類傳熱惡化。第一類傳熱惡化。 自補償特性：在上升管含汽率小于界限自補償特性：在上升管含汽率小于界限含汽率范圍內，當受熱面熱負荷增加，自然循含汽率范圍內，當受熱面熱負荷增加，自然循環(huán)回路上升管受熱增強時，循環(huán)水量和循環(huán)水環(huán)回路上升管受熱增強時，循環(huán)水量和循環(huán)水速也隨著增大進行補償，這種循環(huán)特性稱為自速也隨著增大進行補償，這種循環(huán)特性稱為自補償性或自補償能力。補償性或自補償能力。自然循環(huán)回路作工安全的條件：鍋爐應始終工作在自補償范圍內。即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。對于汽包壓力大于17MPa的鍋爐，上升管出口含汽率還應受到不發(fā)生“蒸干”傳熱惡化的限制。

15、（二）影響水冷壁安全運行（二）影響水冷壁安全運行的主要因素的主要因素 管內的影響因素有： 水質不良導致的水冷壁管內結垢與腐蝕； 水冷壁受熱偏差影響導致的個別或部分管子出現(xiàn)循環(huán)流動的停滯或倒流； 水冷壁熱負荷過大導致的管子內壁面附近出現(xiàn)膜態(tài)沸騰； 汽包水位過低引起水冷壁中循環(huán)流量不足，甚至發(fā)生更為嚴重的“干鍋”。 管外的影響因素有：燃燒產生的腐蝕性氣體對管壁的高溫腐蝕；結渣和積灰導致的對管壁的侵蝕；煤粉氣流或含灰氣流對管壁的磨損。 管內的影響因素一般導致管子金屬內壁面上的連續(xù)水膜被破壞，出現(xiàn)傳熱惡化，引起管壁工作溫度超過金屬材料的允許溫度。超溫嚴重時管子強度下降，承壓能力下降。這時由于管內的工質

16、壓力的作用，可導致管子局部“鼓包”、裂口，以致發(fā)生爆管事故。 管外的因素則是一般直接導致管子的管壁減薄或金屬管壁超溫，同樣使管子承壓能力下降，引起爆管或泄漏。 （三）蒸發(fā)管內的停滯、倒流（三）蒸發(fā)管內的停滯、倒流 1.停滯 水冷壁是將幾百根管子并聯(lián)組合成多個獨立的循環(huán)回路，循環(huán)推動力不同：吸熱強度偏差：由于爐膛中溫度場分布不均和不斷變化引起。流量分配偏差：導致每根管子和管屏間的阻力不同。 在管內工質不流動的情況下，汽泡容易聚集在管子的彎頭和焊縫處，由于管子受熱和汽泡合并，可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就會過熱超溫。 水循環(huán)停滯現(xiàn)象主要發(fā)生在受熱弱的管子上。 2.倒流 在并聯(lián)工作的水冷壁管

17、子之間，由于受熱不均，上升管之間形成了自然循環(huán)回路。這時，有的管中工質向上流，有的管中工質向下流，工質向下流的管子就叫“倒流管”。從而倒流現(xiàn)象的定義就是：本來應該是工質向上流的上升管，變成了工質向下流的下降管。 當水冷壁受熱不均比較嚴重時，受熱最差的管子有時可能出現(xiàn)停滯，有時可能出現(xiàn)倒流。所以，同一根管子出現(xiàn)停滯和倒流以及向上流動的機會并不是固定的，而是隨管外吸熱狀態(tài)和管內工質密度的變化而變化的。四、影響循環(huán)安全性的主要運行因素四、影響循環(huán)安全性的主要運行因素自然循環(huán)發(fā)生不安全的原因有 循環(huán)倍率過低 水冷壁管屏受熱偏差管的停滯 水冷壁管屏受熱偏差管的自由水位 水冷壁管屏受熱偏差管的倒流 下降管

18、進口汽化或帶汽 （1）水冷壁受熱不均或受熱強度過高爐內火焰偏斜水冷壁局部結渣和積灰 受熱很弱的管子容易出現(xiàn)停滯或倒流，受熱很強的管子可能出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，其結果都是導致管子局部發(fā)生傳熱惡化，管壁溫度升高。（2 2）下降管帶汽或自汽化）下降管帶汽或自汽化 下降管入口產生旋渦漏斗時，旋渦中心將有部分蒸汽被水流抽吸進入下降管。 防止下降管帶汽的辦法：在下降管入口安裝隔柵外運行時，應注意維持正常的汽包水位。水位過低，下降管入口不但容易產生旋渦漏斗，而且下降管入口處的靜壓力降低，容易產生水的自汽化。（3 3）水冷壁管內壁結垢）水冷壁管內壁結垢 鍋爐運行水質不合格，含鹽量超標，當水在管內受熱蒸發(fā)時，鹽分從水中

19、析出，沉積在管壁上，形成鹽垢。 結垢的管子管壁溫度就升高。這種破壞決不亞于停滯、倒流和膜態(tài)沸騰的影響。 水冷壁管內結垢時，流動阻力也隨著增大，容易引起停滯或倒流。（5 5）變負荷速度過快或低負荷）變負荷速度過快或低負荷運行時間過長運行時間過長 鍋爐低負荷運行時，蒸發(fā)量減少，水冷壁管內工質密度增大，使水冷壁重位壓差減小，循環(huán)回路的運動壓頭減小，循環(huán)流速就會降低，因而低負荷運行時的水循環(huán)安全性較差。 在快速變負荷，尤其是在快速降負荷時，循環(huán)系統(tǒng)內由于壓力降低，工質的自汽化過程加快，循環(huán)安全性大幅降低。 控制變負荷速度是保證水循環(huán)系統(tǒng)安全工作的重要條件之一。五、提高自然循環(huán)安全性的措施五、提高自然循

20、環(huán)安全性的措施 水冷壁平行管存在著熱偏差，個別管子的循環(huán)流速與循環(huán)倍率不同程度地小于平均情況下的數(shù)值，可能發(fā)生循環(huán)停滯、倒流或傳熱惡化等循環(huán)事故。1.水冷壁管徑（二）循環(huán)回路中水冷壁管屏的寬度一般，爐膛一面墻的水冷壁分成34個或更多的管屏組成。（三）下降管和導汽管自然循環(huán)特性的計算 計算目的：計算目的： 1。新設計鍋爐，結構是否合理。新設計鍋爐，結構是否合理 2。改造鍋爐較大時。改造鍋爐較大時 3。對運行鍋爐水循環(huán)有懷疑時。對運行鍋爐水循環(huán)有懷疑時 計算內容：計算內容： 1。各個回路的平均循環(huán)流速、回路循環(huán)倍。各個回路的平均循環(huán)流速、回路循環(huán)倍率率 2。鍋爐總循環(huán)倍率。鍋爐總循環(huán)倍率 3。檢驗

21、循環(huán)可靠性。檢驗循環(huán)可靠性 范圍：額定負荷和額定壓力，選擇一個從范圍：額定負荷和額定壓力，選擇一個從受熱均勻性、熱負荷和結構特點來看工作受熱均勻性、熱負荷和結構特點來看工作特點最差的回路。特點最差的回路。簡單循環(huán)回路和復雜循環(huán)回路 簡單循環(huán)回路：由一根下降管（或一組結簡單循環(huán)回路：由一根下降管（或一組結構基本相同的下降管）與一個管屏（或一構基本相同的下降管）與一個管屏（或一組結構、位置、流動方向和熱負荷基本相組結構、位置、流動方向和熱負荷基本相同的管屏）連接而成的回路同的管屏）連接而成的回路 區(qū)分獨立循環(huán)回路。區(qū)分獨立循環(huán)回路。 具體計算回路的劃分。受熱最弱或阻力最具體計算回路的劃分。受熱最弱或阻力最大、受熱最強的上升管個別進行計算大、受熱最強的上升管個別進行計算上升管區(qū)段的劃分 1。熱水段要分開計算，下聯(lián)箱到沸騰點是。熱水段要分開計算，下聯(lián)箱到沸騰點是熱水段，采用單相流動計算公式熱水段，采用單相流動計算公式 2。熱后段是否分出，熱后段長度大于上升。熱后段是否分出，熱后段長度大于上升管總長度管總長度10%，要分開進行計算，要分開進行計算 3。含汽段分段。含汽段分段。熱負荷的分配 1。根據爐內換熱計算結果進行計算。根據爐內換熱計算結果進行計算 爐膛總吸熱量減去過熱器在爐膛中的吸熱爐膛總吸熱量減去過熱器在爐膛中的吸熱量，再除以水冷壁的吸熱