第10章-鍋爐的水循環(huán)課件

第10章鍋爐的水循環(huán)鍋爐性能優(yōu)劣取決于鍋內過程和爐內過程能否良好配合。組織良好的鍋內過程，就是組織管內工質的合理流動，在各種參數(shù)條件下都能夠使工質從火焰或煙氣吸收足夠的熱量，并且要確保管壁得到充分冷卻。水和汽水混合物在鍋爐蒸發(fā)受熱面的閉合回路中作有規(guī)律的、連續(xù)的流動過程稱為水循環(huán)。依靠機械的力量(水泵)便汽水產(chǎn)生循環(huán)稱為強制循環(huán)。依靠水和汽水混合物的密度差形成的汽水循環(huán)稱為自然循環(huán)。第10章鍋爐的水循環(huán)111.1流型及流動參數(shù)

11.1.1鍋爐水循環(huán)方式鍋筒是特征水質要求低，易調節(jié)；臨界以下，P高金屬耗多，驅動力下降也稱輔助或控制循環(huán)管布置靈活，循環(huán)泵工作條件差各種壓力可用，超臨界惟一。阻力大強制與直流的結合產(chǎn)物11.1流型及流動參數(shù)

11.1.1鍋爐水循環(huán)方式鍋筒是2下降管布置在爐外不受熱。由上升管組成的水冷壁布置在爐膛內的四周，緊貼爐墻。上升管中的汽水混合物向上流動，進入鍋筒，在鍋筒中經(jīng)汽水分離(explainwhy)，汽水混合物中的汽進入蒸汽空間，由蒸汽引出管引出。而水則進入水空間，與送入鍋筒的給水混合再進入下降管，再次進行循環(huán)。10.1自然循環(huán)的基本概念1.循環(huán)流動與流型目前我國生產(chǎn)的工業(yè)鍋爐普遍采用自然循環(huán)。鍋爐的自然循環(huán)回路由鍋筒、下降管、水冷壁及聯(lián)箱組成。如圖所示。下降管布置在爐外不受熱。由上升管組成的水冷壁布置在爐膛內的四3在冷態(tài)下，鍋筒的下半部和鋼管內部都是水(圖中a)，此時鍋筒兩側水管里的水溫相同，水是靜止不動的。如果兩邊鋼管中間加以隔墻(圖中b)，同時對左側鋼管加熱，隨著水溫升高，管內水開始流動，水溫越高，流動越快。當管內水達到沸點，部分水開始汽化，管內便形成帶汽泡的汽水混合物。由于汽水混合物的重度大大低于右側管內水的重度，因而形成重度差。此重度差，迫使在連通器一側重度較小的汽水混合物不斷上升，而重度大的水不斷下降，這就形成了自然循環(huán)。在冷態(tài)下，鍋筒的下半部和鋼管內部都是水(圖中a)，此時鍋筒兩4汽液兩相流的流型

垂直管內汽液兩相流體主要流型圖11-2受熱垂直上升管汽液兩相流流型

圖11-3受熱垂直上升管中沸騰時的兩相流流型隨熱流密度增加而變化的示意圖1－汽泡狀沸騰開始線；2－汽泡狀沸騰終止線；3－蒸干線；4－過熱蒸汽線汽液兩相流的流型圖11-2受熱垂直上升管汽液兩相流流型5水平管內汽液兩相流體主要流型圖11-4受熱水平蒸發(fā)管汽液兩相流流型水平管內汽液兩相流體主要流型圖11-4受熱水平蒸發(fā)管汽液兩6正常情況下，垂直管內蒸汽形成的汽泡，呈乳狀懸浮在水中，同水一起向上流動(圖a)。當管壁附近流動阻力較大時，汽泡趨于阻力較小的管子中間部分，呈柱狀上升(圖b)。當循環(huán)流速較小甚至停滯時，即產(chǎn)生圖c中的流動情況。

圖中a、b兩種流動，使吸熱的管璧能及時將熱量傳給爐水，也使本身不斷得到冷卻。所以，爐內火焰溫度雖然很高(可高達1300C以上)，但管壁溫度仍然在允許范圍內。正常情況下，垂直管內蒸汽形成的汽泡，呈乳狀懸浮在水中，同水一7水循環(huán)好的鍋爐，爐水的升溫和汽化快，從點火到達到證常運行的時間就短，反之，水循環(huán)不好的鍋爐，從點火到達到正常運行的時間就長。所以改善鍋爐水循環(huán)，是保證鍋爐安全、經(jīng)濟運行的關鍵之一。

水循環(huán)好的鍋爐，爐水的升溫和汽化快，從點火到達到證常運行的時82．運動壓頭：圖2-3中，當左側鋼管加熱時，便形成循環(huán)流動。如果在下聯(lián)箱中加一塊隔板(見圖1-1截面)，把左右兩管隔開，此時兩側將受到不同的壓力，即可產(chǎn)生壓力差，這個壓力差叫運動壓頭。如果將隔板拿掉，水開始流動，水流動的方向是從冷管到熱管。冷管整個管里的水向下流動，把它叫下降管；熱管里的汽水混合物向上流動，叫上升管。爐水由鍋筒到下降管，經(jīng)下聯(lián)箱到上升管，形成汽水混合物再回到鍋筒，構成一個循環(huán)回路。2．運動壓頭：圖2-3中，當左側鋼管加熱時，便形成循環(huán)流動。93．有效壓頭：流體受熱后產(chǎn)生的運動壓頭，用來克服上升管和下降管的全部阻力損失。因此，運動壓頭克服了上升臂阻力損失后，剩余的壓頭去克服下降管內的阻力損失。這部分克服下降管阻力損失的壓頭，叫有效壓頭。3．有效壓頭：流體受熱后產(chǎn)生的運動壓頭，用來克服上升管和下降104．循環(huán)流速：鍋爐水冷壁或對流管簇工作的目的是，有足夠的水流經(jīng)這些受熱面，把熱量帶走。管內工質流速高，工質放熱系數(shù)大，就能更好地把管壁傳來的熱量帶走，反之，如果工質不流動或流動很慢，不能把管壁熱量很快帶走，管壁溫度就會升高，以致過熱燒壞。因此，鍋爐水循環(huán)的好壞，常用循環(huán)流速來判斷。進入上升管的水流量(容積流量)，除以上升管流通截面積所得的值，即為循環(huán)流速。4．循環(huán)流速：鍋爐水冷壁或對流管簇工作的目的是，有足夠的水流11

5．循環(huán)倍率：在上升管中每產(chǎn)生1kg的蒸汽，需要由下端進入鋼管的水量為多少kg，也可以說，進入上升管的水流量與同時產(chǎn)生的蒸汽量的比值即為循環(huán)倍率。循環(huán)倍率大，表示上升管出口段汽水混合物中水的份額大，這樣就能保證管壁有足夠的水膜來冷卻，不致過熱燒壞。自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)倍率，可按表2-4選取。

表2-4自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)倍率5．循環(huán)倍率：在上升管中每產(chǎn)生1kg的蒸汽，需要由下端進入1210.2常見的水循環(huán)故障1．循環(huán)停滯：當某根上升管由于管壁結渣而受熱較弱，這時管內的汽水混合物不流動，或流動很慢(圖2-5)，此時管內只有汽泡上升，而爐水停滯不動，管內上部，幾乎沒有水，使管壁沒有足夠的水膜來冷卻，導致管壁燒壞。當發(fā)生循環(huán)停滯時，管內產(chǎn)生的蒸汽量等于進入管內的水量，循環(huán)倍率為1。如果上升管從鍋筒水面下接入時，管內隨時充滿水，發(fā)生循環(huán)停滯，甚至倒轉，也不致發(fā)生水管過熱燒壞。當上升管從鍋筒水面上接入又發(fā)生循環(huán)停滯時，水管上部幾乎無水，水管極易過熱燒壞。因此，自然循環(huán)鍋爐中，除非迫不得已的情況，都將上升管從鍋筒水面以下接入。圖2-5管外壁結渣引起循環(huán)停滯及倒流

10.2常見的水循環(huán)故障因此，自然循環(huán)鍋爐中，除非迫不得已132．自由水面，上升管從鍋筒水面以上接入時，水面至上升管最高點之間的高度，使上升管增加一個提升流阻損失。如果發(fā)生循環(huán)停滯時，上升管下端水供應不足，而管內的水不斷蒸發(fā)，鋼管上部只有汽，沒有水，并出現(xiàn)一個水面(圖2-6)。這個水面叫做自由水面，水面附近的管壁，受汽、水交替接觸，管壁溫渡發(fā)生交替變易使管璧強度減弱而造成破裂。圖2-6水循環(huán)不正常流動情況

2．自由水面，上升管從鍋筒水面以上接入時，水面至上升管最高點143．循環(huán)倒流：循環(huán)倒流是指原來工質向上流的上升管，變成工質自上向下流動的下降管(見圖2-5)，它發(fā)生在上升管或上聯(lián)箱自鍋筒水面以下接入的鍋爐中。此時，如果自上向下流動的爐水量多，管壁仍可得到冷卻，而不致過熱燒壞。但當工質倒流時，流速很低，流量小，汽泡有向上流動的趨勢，而水有往下流的趨勢，結果使汽泡處在不上不下的狀態(tài)(圖2-6a)，這些汽泡附著在管壁上，就可能導致管壁過熱而燒壞。產(chǎn)生循環(huán)倒流的原因是，下降管的流阻過大、下流水量不能滿足上升管的需要，或者由于循環(huán)回路的有效壓頭升高。而受熱弱的部分上升管流動壓頭減小，水流最也逐漸減小，以至發(fā)生倒流，這時受熱弱的上升管便成了下降管。當水沿著上升管向下流動時，也要產(chǎn)生一部分蒸汽泡。此蒸汽泡要往上流，即產(chǎn)生兩相運動。如果蒸汽泡的流動速度趨近于零時，可能附著在某處管壁，引起管壁過熱燒壞。3．循環(huán)倒流：循環(huán)倒流是指原來工質向上流的上升管，變成工質自154.汽水分層：當汽水溫合物在水平或傾斜度小的管中流動時，受汽水重度差的作用，蒸汽傾向于在管內上部流動，爐水傾向于在管內下部流動。當循環(huán)速度很低時，會產(chǎn)生清晰的分界面，這個現(xiàn)象叫汽水分層(圖2-7)。在垂直管里一般不會發(fā)生汽水分層。當汽水混合物流速較大時，即使在傾斜管段上，由于汽水相互攪動的作用，也不致產(chǎn)生汽水分層。當管內出現(xiàn)汽水分層時，由于處在分界面上部的蒸汽導熱系數(shù)很小，管璧得不到冷卻，有可能過熱燒壞。處在分界面下部的管壁，由于爐水的冷卻，不致燒壞。處在汽水分界面的管壁，由于受到汽水交替接觸，易使金屬發(fā)生疲勞而造成損壞。4.汽水分層：當汽水溫合物在水平或傾斜度小的管中流動時，受1610.3自然循環(huán)回路的水動力基本方程1.循環(huán)回路循環(huán)回路一般由下降管、上升管、鍋筒、集箱及其他部件所組成。循環(huán)回路通常可分為簡單回路和復雜回路。10.3自然循環(huán)回路的水動力基本方程171.循環(huán)回路圖12-2復雜循環(huán)回路1一下降管；2一引入管；3一后墻水冷壁；4一防渣管；5一引出管；6一前墻水冷壁；7一側墻水冷壁圖12-1簡單循環(huán)回路并聯(lián)的一組（根）下降管，一組（根）幾何結構尺寸及吸熱相同的上升管，及其他部件所組成的獨立循環(huán)系統(tǒng)

由一系列回路所組成，各回路之間相互有聯(lián)系，共用其中的某一環(huán)節(jié)(如上升管，下降管，鍋筒)1.循環(huán)回路圖12-2復雜循環(huán)回路圖12-1簡單循環(huán)182.簡單回路的水動力基本方程穩(wěn)定流動條件下，回路中任意一個截面上的作用力是平衡的。上升管壓差Sss

下降管壓差Sxj

簡單回路的水動力基本方程，這種計算方法稱為壓差法運動壓頭Syd

總阻力運動壓頭是循環(huán)回路中產(chǎn)生的水循環(huán)動力。以該式為基礎進行水動力計算的方法稱為運動壓頭法

有效壓頭Syx

下降管的流動阻力

有效壓頭法2.簡單回路的水動力基本方程穩(wěn)定流動條件下，回路中任意一個193.自然循環(huán)的重要特征參數(shù)循環(huán)流速、循環(huán)流量、質量含汽率和循環(huán)倍率等循環(huán)倍率K是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的重要指標之一。每根蒸發(fā)管、每組管屏，每個循環(huán)回路以及整臺鍋爐都有各自的循環(huán)倍率，其數(shù)值并不一定相等。循環(huán)倍率小意味著上升管中的蒸汽含量大而循環(huán)流量小，相應的循環(huán)流速w0也就小。當循環(huán)倍率小于某一界限值Kjx時，由于水速很低而可能出現(xiàn)傳熱惡化，甚至循環(huán)流速等于零或幾乎為零，水循環(huán)發(fā)生停滯或形成自由水位，從而可能導致蒸發(fā)管過燒損壞。3.自然循環(huán)的重要特征參數(shù)循環(huán)流速、循環(huán)流量、質量含汽率和2010.4循環(huán)回路的壓差特性在一定的熱負荷及結構特性下，壓差S和管內流量G（或質量流速ρw）的關系稱為壓差特性或水動力特性，相應曲線稱為壓差特性曲線或水動力特性曲線。用途：分析自然循環(huán)回路的工作原理及其影響因素，確定回路的工作狀態(tài)。10.4循環(huán)回路的壓差特性在一定的熱負荷及結構特性下，壓差211.簡單回路的壓差特性圖12-3簡單回路的壓差特性及工作狀態(tài)1.簡單回路的壓差特性圖12-3簡單回路的壓差特性及工作狀222.實際循環(huán)回路的壓差特性圖12-4上升管壓差與吸熱量的關系2.實際循環(huán)回路的壓差特性圖12-4上升管壓差與吸熱量的關233.自補償能力

由運動壓頭法：圖12-5上升管循環(huán)流量和吸熱量的關系q較低、x較小、循環(huán)倍率K較大時，隨著q的增加，φ的增加大于x的增加，Syd的增加大于總阻力∑ΔP的增加，回路中的動力大于阻力，使得循環(huán)流量G0相應增加。當K大于某一界限循環(huán)倍率Kjx時，循環(huán)回路具有因上升管吸熱量q增加而使循環(huán)流量G0隨之增加的能力，稱為自然循環(huán)回路的自補償能力。

3.自補償能力由運動壓頭法：圖12-5上升管循環(huán)流量和吸2412.1.3循環(huán)回路工作點的確定方法1.確定循環(huán)回路工作點的圖解法圖12－6確定工作點的圖解法

12.1.3循環(huán)回路工作點的確定方法1.確定循環(huán)回路工作252.復雜回路的壓差特性曲線和工作點其主要步驟為：①利用簡單回路繪制壓差特性曲線的方法，通過計算作出各管組或管子在一定條件下的壓差特性曲線；②尋找所有回路的共同部分，將各曲線合成，得出整個系統(tǒng)的總特性曲線，并求出回路的總工作點；③再按相反的秩序或通過分析，從總工作點反推求得各管組或管子壓差特性曲線的工作點。壓差特性曲線的合成基于工質的物質平衡和作用于工質上的力平衡兩個基本原理。其合成規(guī)律為：穩(wěn)定工況下，串聯(lián)回路時的流量相等，在相同流量下壓差迭加；并聯(lián)回路的兩端壓差相等，在相同壓差下流量迭加。2.復雜回路的壓差特性曲線和工作點其主要步驟為：①利用簡單26（1）并聯(lián)回路圖12-7并聯(lián)回路及其特性曲線（1）并聯(lián)回路圖12-7并聯(lián)回路及其特性曲線27（2）串聯(lián)回路

圖12-8串聯(lián)回路及其特性曲線（2）串聯(lián)回路圖12-8串聯(lián)回路及其特性曲線28(3)具有共同引入管不同引出管的復雜回路圖12-9有共同引入管不同引出管的回路及其特性曲線(3)具有共同引入管不同引出管的復雜回路圖12-9有共同引2910.5自然循環(huán)水動力計算

10.5.1水動力計算的目的和內容目的：為鍋爐設計或循環(huán)系統(tǒng)變動較大的改裝鍋爐確定最佳的回路結構，校核鍋爐受熱面的工作可靠性，并提出提高可靠性的措施。內容和原則：①確定循環(huán)流量或流速，循環(huán)倍率，循環(huán)回路的各種壓差以及可靠性指標；②計算時的受熱狀況，工質流速，壓差等參數(shù)均為管組或回路的平均值，但在進行安全性校驗時，需按條件最差的管子進行；③鍋爐在通常的負荷變化范圍內對水循環(huán)特性影響不大，通常只對額定參數(shù)進行計算；④對結構特性和受熱狀況基本相同的回路，可選其中一個回路進行計算。所需要的原始數(shù)據(jù)分回路的結構特性和熱力數(shù)據(jù)兩類。10.5自然循環(huán)水動力計算

10.5.1水動力計算的目的3010.5.2循環(huán)回路的壓降計算1.下降系統(tǒng)壓差的計算單相流體力學問題2.上升系統(tǒng)壓差的計算單相及兩相流體力學問題各種阻力（摩擦、局部）的確定。10.5.2循環(huán)回路的壓降計算1.下降系統(tǒng)壓差的計算3110.5.3水動力計算方法和步驟根據(jù)熱力計算結果及結構數(shù)據(jù)等假定循環(huán)倍率，計算鍋筒水的欠焓確定工作點求出循環(huán)倍率及鍋筒水欠焓，與假定值比較進行水循環(huán)可靠性校驗，提出改進措施。10.5.3水動力計算方法和步驟根據(jù)熱力計算結果及結構數(shù)據(jù)3210.6自然水循環(huán)的可靠性

10.6.1上升管內工質的流動停滯和倒流考察上升管組引入鍋筒水空間時的情況。由于并聯(lián)上升蒸發(fā)管組的各管均在同一工作點的壓差S0下工作，即S0是一個常數(shù)，則若存在并聯(lián)管的吸熱不均勻性，在鍋爐的自補償能力范圍內，當某管受熱弱時，該管中工質的平均密度增大，其重位壓降也增大；由于工作點S0不變，則該管的流動阻力減小，即流量減小。當該管的重位壓降剛好等于S0時，則偏差管內工質的流速為零；當該管的重位壓降大于S0時，則工質的流動改變方向，成為受熱的下降流動管。Z為結構特參數(shù)，向上流動取正號，向下流動取負號。

10.6自然水循環(huán)的可靠性

10.6.1上升管內工質的流33圖12-13全壓差特性曲線由上式可得全壓差特性曲線圖12-13全壓差特性曲線由上式可得全壓差特性曲線341.停滯當某管內工質的重位壓頭增加到等于工作點壓差時，該管內流速為零。稱為流動停滯。此時，管內水幾乎不動，蒸汽靠浮泡流動進入鍋筒。即進口水流量G與出口蒸發(fā)時D相等，K=1。壓差特性曲線在流量G＝0～D的區(qū)間為流動不穩(wěn)定區(qū)域。因為流量極低時，產(chǎn)生的蒸汽在管內積聚，使平均密度急劇減小，重位壓降減小而S0不變，即循環(huán)動力增加，因此流量增加；而流量增加后含汽率又減小，平均密度大，重位壓差增大而使流量又減小，這使得流量一直處于波動狀態(tài)。當上升管引入鍋筒的蒸汽空間時，循環(huán)停滯時將在受熱弱的上升管中形成自由水面。

1.停滯當某管內工質的重位壓頭增加到等于工作點壓差時，該管352.倒流當受熱上升管內的工質改變流動方向而向下流動時，稱為倒流。不穩(wěn)定工作點2.倒流當受熱上升管內的工質改變流動方向而向下流動時，稱為3610.6.2循環(huán)可靠性校驗1.水循環(huán)可靠性指標自然水循環(huán)可靠性指標是保證所有的水冷壁管子都具有足夠流量且得到正常和充分的冷卻。排除危險工況：①循環(huán)停滯或自由水面。②循環(huán)倒流。③下降管內的工質帶汽或汽化。④循環(huán)倍率過小，有可能出現(xiàn)沸騰傳熱惡化。⑤鍋爐的水質成分不合格，含鹽量過高。10.6.2循環(huán)可靠性校驗1.水循環(huán)可靠性指標372.停滯、倒流壓差校驗不發(fā)生停滯的條件不發(fā)生自由水面的條件不發(fā)生倒流的條件2.停滯、倒流壓差校驗不發(fā)生停滯的條件38小結水循環(huán)故障總是出現(xiàn)在受熱弱的管子中上升管引入水空間時，停滯時水速為零，但有一定產(chǎn)汽量上升管引入汽空間時，發(fā)生自由水面上升管引入水空間時，可能發(fā)生倒流，若能帶走汽泡，工作是安全的，但不允許上升管引入汽空間時，不會發(fā)生倒流小結水循環(huán)故障總是出現(xiàn)在受熱弱的管子中3910.6.3水循環(huán)可靠性分析

1.循環(huán)可靠性的影響因素（1）壓力的影響低壓時(S2)，重位壓差小而流阻大，倒流壓差低，停滯比倒流易發(fā)生。壓力提高(S1)，重位壓差增大而流阻減小，在正流量區(qū)壓差的變化非常有限；而倒流壓差增大較多，與低壓壓差曲線間的差距較大，則倒流較易發(fā)生。壓力提高，汽水間密度差減小，循環(huán)倍率和循環(huán)流速均下降，且循環(huán)倍率的變化幅度比循環(huán)流速的變化幅度大。圖12－15壓力及熱負荷對循環(huán)可靠性的影響10.6.3水循環(huán)可靠性分析

1.循環(huán)可靠性的影響因素（40（2）熱負荷的影響由于q不均勻，工作在同一S0下，受熱最弱管中流量最小，其工作點最接近停滯壓差或最大倒流壓差，最易發(fā)生停滯、自由水位或倒流。受熱弱管的S1比受熱強管曲線S2的工作可靠性要差。高q時，倒流曲線比較平緩，甚至沒有最高點，因此停滯比倒流更易發(fā)生。當q降低時，重位壓差增加而流動阻力減小，使得壓差曲線向上移，向上流動的壓差變化較小；而負流量區(qū)壓差增加很快，且曲線的彎曲較大，最大倒流壓頭可能比停滯壓頭大，即倒流較易發(fā)生。圖12－15壓力及熱負荷對循環(huán)可靠性的影響（2）熱負荷的影響圖12－15壓力及熱負荷對循環(huán)可靠性的影41（3）回路阻力的影響循環(huán)回路的流動阻力主要包括三部分，下降管的阻力、水冷壁的阻力及汽水引出管道阻力。圖12－16下降管阻力對循環(huán)可靠性的影響圖12－17水冷壁阻力對循環(huán)可靠性的影響圖12－18汽水引出管阻力對循環(huán)可靠性的影響

（3）回路阻力的影響圖12－16下降管阻力對循環(huán)可靠性的影42（4）下降管含有蒸汽的影響下降管含汽，密度減小，重位壓頭下降，回路運動壓頭降低；變成兩相流動而阻力增大。當下降管內水速較小時，不易帶走蒸汽泡。帶汽的可能原因：①進入下降管的水發(fā)生自汽化。②鍋筒水空間含的蒸汽被直接帶入下降管。③旋渦斗將蒸汽吸入下降管中。④下降管受熱產(chǎn)生蒸汽。（4）下降管含有蒸汽的影響432.提高水循環(huán)可靠性的措施（1）設計時，必須保證受熱弱管的工作點壓差大于停滯、自由水面及最大倒流壓差。（2）根據(jù)熱負荷的強弱劃分循環(huán)回路。（3）減小循環(huán)回路的流動阻力。（4）防止下降管帶汽。

2.提高水循環(huán)可靠性的措施（1）設計時，必須保證受熱弱管的44流動壓頭的大小，決定于水和汽水混合物的重度差與回路的高度。因此，在鍋爐設計中，應避免出現(xiàn)受熱死角，同時，又要保證回路的高度。當鍋爐工作壓力在8個大氣壓以下時，高度不得小于2m，當鍋爐工作壓力在13個大氣壓時，高度不得小于3.5m。流動壓頭的大小，決定于水和汽水混合物的重度差與回路的高度。因452．增加流動壓頭，可提高循環(huán)流速。因此，在鍋爐設計中，要考慮在各種情況下，循環(huán)流速不低于0.4m/s

。一般要求直接引入鍋筒的水冷壁，循環(huán)流速應為0.5～1.5m/s；有上聯(lián)箱的水冷壁的循環(huán)流速應為0.2～1.0m/s

，小容量鍋爐水冷璧的循環(huán)流速應為0.2～0.8m/s

；對流管簇要求為0.2～1.7m/s

。循環(huán)倍率是保證水循環(huán)正常的重要因素，在設計時可按表2-4選取。2．增加流動壓頭，可提高循環(huán)流速。因此，在鍋爐設計中，要考慮463.要減少回路中的阻力，回路布置要合理。例如，上升管或上聯(lián)箱汽水引出管，要盡可能從鍋筒水面以下引入。如果必須超過水面時，超出高度盡可能小，以減少循環(huán)停滯的可能性。要布置足夠的下降管，使下降管的總截面積為上升管總截面積的20～30%。下降管應由鍋筒的最下方引出。引出管的位置，離鍋筒內水面要保證有足夠的高度，并應避免蒸汽被抽進下降管的可能。為了避免引出管口的汽塞現(xiàn)象，可將引出管口適當加粗，然后，再與下降管連接。下降管不應受熱，從爐墻外接至下聯(lián)箱，如果放在墻里，要有絕對可靠的保溫。上升管應盡量采取垂直布置，在必須傾斜的地方，應避免水平或接近水平布置，傾角一般應大于300，最小不得低于150，以避免出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象。上升管的布置要避免受熱不均引起流動不均現(xiàn)象，因此，盡可能將上升管分成多組獨立回路，使同一回路中上升智的長度和受熱情況盡可能一樣。3.要減少回路中的阻力，回路布置要合理。例如，上升管或上聯(lián)474.在鍋爐運行中，應做到以下幾點，盡可能保持負荷均勻，汽壓穩(wěn)定，燃燒正常，防止火焰偏斜，保證給水品質，防止受熱面結垢；合理排污，按時對受熱面進行吹灰，合理選擇燃料，強化燃燒，避免受熱面結焦等，這些都是保證水循環(huán)的重要因素。4.在鍋爐運行中，應做到以下幾點，盡可能保持負荷均勻，汽48第10章鍋爐的水循環(huán)鍋爐性能優(yōu)劣取決于鍋內過程和爐內過程能否良好配合。組織良好的鍋內過程，就是組織管內工質的合理流動，在各種參數(shù)條件下都能夠使工質從火焰或煙氣吸收足夠的熱量，并且要確保管壁得到充分冷卻。水和汽水混合物在鍋爐蒸發(fā)受熱面的閉合回路中作有規(guī)律的、連續(xù)的流動過程稱為水循環(huán)。依靠機械的力量(水泵)便汽水產(chǎn)生循環(huán)稱為強制循環(huán)。依靠水和汽水混合物的密度差形成的汽水循環(huán)稱為自然循環(huán)。第10章鍋爐的水循環(huán)4911.1流型及流動參數(shù)

11.1.1鍋爐水循環(huán)方式鍋筒是特征水質要求低，易調節(jié)；臨界以下，P高金屬耗多，驅動力下降也稱輔助或控制循環(huán)管布置靈活，循環(huán)泵工作條件差各種壓力可用，超臨界惟一。阻力大強制與直流的結合產(chǎn)物11.1流型及流動參數(shù)

11.1.1鍋爐水循環(huán)方式鍋筒是50下降管布置在爐外不受熱。由上升管組成的水冷壁布置在爐膛內的四周，緊貼爐墻。上升管中的汽水混合物向上流動，進入鍋筒，在鍋筒中經(jīng)汽水分離(explainwhy)，汽水混合物中的汽進入蒸汽空間，由蒸汽引出管引出。而水則進入水空間，與送入鍋筒的給水混合再進入下降管，再次進行循環(huán)。10.1自然循環(huán)的基本概念1.循環(huán)流動與流型目前我國生產(chǎn)的工業(yè)鍋爐普遍采用自然循環(huán)。鍋爐的自然循環(huán)回路由鍋筒、下降管、水冷壁及聯(lián)箱組成。如圖所示。下降管布置在爐外不受熱。由上升管組成的水冷壁布置在爐膛內的四51在冷態(tài)下，鍋筒的下半部和鋼管內部都是水(圖中a)，此時鍋筒兩側水管里的水溫相同，水是靜止不動的。如果兩邊鋼管中間加以隔墻(圖中b)，同時對左側鋼管加熱，隨著水溫升高，管內水開始流動，水溫越高，流動越快。當管內水達到沸點，部分水開始汽化，管內便形成帶汽泡的汽水混合物。由于汽水混合物的重度大大低于右側管內水的重度，因而形成重度差。此重度差，迫使在連通器一側重度較小的汽水混合物不斷上升，而重度大的水不斷下降，這就形成了自然循環(huán)。在冷態(tài)下，鍋筒的下半部和鋼管內部都是水(圖中a)，此時鍋筒兩52汽液兩相流的流型

垂直管內汽液兩相流體主要流型圖11-2受熱垂直上升管汽液兩相流流型

圖11-3受熱垂直上升管中沸騰時的兩相流流型隨熱流密度增加而變化的示意圖1－汽泡狀沸騰開始線；2－汽泡狀沸騰終止線；3－蒸干線；4－過熱蒸汽線汽液兩相流的流型圖11-2受熱垂直上升管汽液兩相流流型53水平管內汽液兩相流體主要流型圖11-4受熱水平蒸發(fā)管汽液兩相流流型水平管內汽液兩相流體主要流型圖11-4受熱水平蒸發(fā)管汽液兩54正常情況下，垂直管內蒸汽形成的汽泡，呈乳狀懸浮在水中，同水一起向上流動(圖a)。當管壁附近流動阻力較大時，汽泡趨于阻力較小的管子中間部分，呈柱狀上升(圖b)。當循環(huán)流速較小甚至停滯時，即產(chǎn)生圖c中的流動情況。

圖中a、b兩種流動，使吸熱的管璧能及時將熱量傳給爐水，也使本身不斷得到冷卻。所以，爐內火焰溫度雖然很高(可高達1300C以上)，但管壁溫度仍然在允許范圍內。正常情況下，垂直管內蒸汽形成的汽泡，呈乳狀懸浮在水中，同水一55水循環(huán)好的鍋爐，爐水的升溫和汽化快，從點火到達到證常運行的時間就短，反之，水循環(huán)不好的鍋爐，從點火到達到正常運行的時間就長。所以改善鍋爐水循環(huán)，是保證鍋爐安全、經(jīng)濟運行的關鍵之一。

水循環(huán)好的鍋爐，爐水的升溫和汽化快，從點火到達到證常運行的時562．運動壓頭：圖2-3中，當左側鋼管加熱時，便形成循環(huán)流動。如果在下聯(lián)箱中加一塊隔板(見圖1-1截面)，把左右兩管隔開，此時兩側將受到不同的壓力，即可產(chǎn)生壓力差，這個壓力差叫運動壓頭。如果將隔板拿掉，水開始流動，水流動的方向是從冷管到熱管。冷管整個管里的水向下流動，把它叫下降管；熱管里的汽水混合物向上流動，叫上升管。爐水由鍋筒到下降管，經(jīng)下聯(lián)箱到上升管，形成汽水混合物再回到鍋筒，構成一個循環(huán)回路。2．運動壓頭：圖2-3中，當左側鋼管加熱時，便形成循環(huán)流動。573．有效壓頭：流體受熱后產(chǎn)生的運動壓頭，用來克服上升管和下降管的全部阻力損失。因此，運動壓頭克服了上升臂阻力損失后，剩余的壓頭去克服下降管內的阻力損失。這部分克服下降管阻力損失的壓頭，叫有效壓頭。3．有效壓頭：流體受熱后產(chǎn)生的運動壓頭，用來克服上升管和下降584．循環(huán)流速：鍋爐水冷壁或對流管簇工作的目的是，有足夠的水流經(jīng)這些受熱面，把熱量帶走。管內工質流速高，工質放熱系數(shù)大，就能更好地把管壁傳來的熱量帶走，反之，如果工質不流動或流動很慢，不能把管壁熱量很快帶走，管壁溫度就會升高，以致過熱燒壞。因此，鍋爐水循環(huán)的好壞，常用循環(huán)流速來判斷。進入上升管的水流量(容積流量)，除以上升管流通截面積所得的值，即為循環(huán)流速。4．循環(huán)流速：鍋爐水冷壁或對流管簇工作的目的是，有足夠的水流59

5．循環(huán)倍率：在上升管中每產(chǎn)生1kg的蒸汽，需要由下端進入鋼管的水量為多少kg，也可以說，進入上升管的水流量與同時產(chǎn)生的蒸汽量的比值即為循環(huán)倍率。循環(huán)倍率大，表示上升管出口段汽水混合物中水的份額大，這樣就能保證管壁有足夠的水膜來冷卻，不致過熱燒壞。自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)倍率，可按表2-4選取。

表2-4自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)倍率5．循環(huán)倍率：在上升管中每產(chǎn)生1kg的蒸汽，需要由下端進入6010.2常見的水循環(huán)故障1．循環(huán)停滯：當某根上升管由于管壁結渣而受熱較弱，這時管內的汽水混合物不流動，或流動很慢(圖2-5)，此時管內只有汽泡上升，而爐水停滯不動，管內上部，幾乎沒有水，使管壁沒有足夠的水膜來冷卻，導致管壁燒壞。當發(fā)生循環(huán)停滯時，管內產(chǎn)生的蒸汽量等于進入管內的水量，循環(huán)倍率為1。如果上升管從鍋筒水面下接入時，管內隨時充滿水，發(fā)生循環(huán)停滯，甚至倒轉，也不致發(fā)生水管過熱燒壞。當上升管從鍋筒水面上接入又發(fā)生循環(huán)停滯時，水管上部幾乎無水，水管極易過熱燒壞。因此，自然循環(huán)鍋爐中，除非迫不得已的情況，都將上升管從鍋筒水面以下接入。圖2-5管外壁結渣引起循環(huán)停滯及倒流

10.2常見的水循環(huán)故障因此，自然循環(huán)鍋爐中，除非迫不得已612．自由水面，上升管從鍋筒水面以上接入時，水面至上升管最高點之間的高度，使上升管增加一個提升流阻損失。如果發(fā)生循環(huán)停滯時，上升管下端水供應不足，而管內的水不斷蒸發(fā)，鋼管上部只有汽，沒有水，并出現(xiàn)一個水面(圖2-6)。這個水面叫做自由水面，水面附近的管壁，受汽、水交替接觸，管壁溫渡發(fā)生交替變易使管璧強度減弱而造成破裂。圖2-6水循環(huán)不正常流動情況

2．自由水面，上升管從鍋筒水面以上接入時，水面至上升管最高點623．循環(huán)倒流：循環(huán)倒流是指原來工質向上流的上升管，變成工質自上向下流動的下降管(見圖2-5)，它發(fā)生在上升管或上聯(lián)箱自鍋筒水面以下接入的鍋爐中。此時，如果自上向下流動的爐水量多，管壁仍可得到冷卻，而不致過熱燒壞。但當工質倒流時，流速很低，流量小，汽泡有向上流動的趨勢，而水有往下流的趨勢，結果使汽泡處在不上不下的狀態(tài)(圖2-6a)，這些汽泡附著在管壁上，就可能導致管壁過熱而燒壞。產(chǎn)生循環(huán)倒流的原因是，下降管的流阻過大、下流水量不能滿足上升管的需要，或者由于循環(huán)回路的有效壓頭升高。而受熱弱的部分上升管流動壓頭減小，水流最也逐漸減小，以至發(fā)生倒流，這時受熱弱的上升管便成了下降管。當水沿著上升管向下流動時，也要產(chǎn)生一部分蒸汽泡。此蒸汽泡要往上流，即產(chǎn)生兩相運動。如果蒸汽泡的流動速度趨近于零時，可能附著在某處管壁，引起管壁過熱燒壞。3．循環(huán)倒流：循環(huán)倒流是指原來工質向上流的上升管，變成工質自634.汽水分層：當汽水溫合物在水平或傾斜度小的管中流動時，受汽水重度差的作用，蒸汽傾向于在管內上部流動，爐水傾向于在管內下部流動。當循環(huán)速度很低時，會產(chǎn)生清晰的分界面，這個現(xiàn)象叫汽水分層(圖2-7)。在垂直管里一般不會發(fā)生汽水分層。當汽水混合物流速較大時，即使在傾斜管段上，由于汽水相互攪動的作用，也不致產(chǎn)生汽水分層。當管內出現(xiàn)汽水分層時，由于處在分界面上部的蒸汽導熱系數(shù)很小，管璧得不到冷卻，有可能過熱燒壞。處在分界面下部的管壁，由于爐水的冷卻，不致燒壞。處在汽水分界面的管壁，由于受到汽水交替接觸，易使金屬發(fā)生疲勞而造成損壞。4.汽水分層：當汽水溫合物在水平或傾斜度小的管中流動時，受6410.3自然循環(huán)回路的水動力基本方程1.循環(huán)回路循環(huán)回路一般由下降管、上升管、鍋筒、集箱及其他部件所組成。循環(huán)回路通?？煞譃楹唵位芈泛蛷碗s回路。10.3自然循環(huán)回路的水動力基本方程651.循環(huán)回路圖12-2復雜循環(huán)回路1一下降管；2一引入管；3一后墻水冷壁；4一防渣管；5一引出管；6一前墻水冷壁；7一側墻水冷壁圖12-1簡單循環(huán)回路并聯(lián)的一組（根）下降管，一組（根）幾何結構尺寸及吸熱相同的上升管，及其他部件所組成的獨立循環(huán)系統(tǒng)

由一系列回路所組成，各回路之間相互有聯(lián)系，共用其中的某一環(huán)節(jié)(如上升管，下降管，鍋筒)1.循環(huán)回路圖12-2復雜循環(huán)回路圖12-1簡單循環(huán)662.簡單回路的水動力基本方程穩(wěn)定流動條件下，回路中任意一個截面上的作用力是平衡的。上升管壓差Sss

下降管壓差Sxj

簡單回路的水動力基本方程，這種計算方法稱為壓差法運動壓頭Syd

總阻力運動壓頭是循環(huán)回路中產(chǎn)生的水循環(huán)動力。以該式為基礎進行水動力計算的方法稱為運動壓頭法

有效壓頭Syx

下降管的流動阻力

有效壓頭法2.簡單回路的水動力基本方程穩(wěn)定流動條件下，回路中任意一個673.自然循環(huán)的重要特征參數(shù)循環(huán)流速、循環(huán)流量、質量含汽率和循環(huán)倍率等循環(huán)倍率K是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的重要指標之一。每根蒸發(fā)管、每組管屏，每個循環(huán)回路以及整臺鍋爐都有各自的循環(huán)倍率，其數(shù)值并不一定相等。循環(huán)倍率小意味著上升管中的蒸汽含量大而循環(huán)流量小，相應的循環(huán)流速w0也就小。當循環(huán)倍率小于某一界限值Kjx時，由于水速很低而可能出現(xiàn)傳熱惡化，甚至循環(huán)流速等于零或幾乎為零，水循環(huán)發(fā)生停滯或形成自由水位，從而可能導致蒸發(fā)管過燒損壞。3.自然循環(huán)的重要特征參數(shù)循環(huán)流速、循環(huán)流量、質量含汽率和6810.4循環(huán)回路的壓差特性在一定的熱負荷及結構特性下，壓差S和管內流量G（或質量流速ρw）的關系稱為壓差特性或水動力特性，相應曲線稱為壓差特性曲線或水動力特性曲線。用途：分析自然循環(huán)回路的工作原理及其影響因素，確定回路的工作狀態(tài)。10.4循環(huán)回路的壓差特性在一定的熱負荷及結構特性下，壓差691.簡單回路的壓差特性圖12-3簡單回路的壓差特性及工作狀態(tài)1.簡單回路的壓差特性圖12-3簡單回路的壓差特性及工作狀702.實際循環(huán)回路的壓差特性圖12-4上升管壓差與吸熱量的關系2.實際循環(huán)回路的壓差特性圖12-4上升管壓差與吸熱量的關713.自補償能力

由運動壓頭法：圖12-5上升管循環(huán)流量和吸熱量的關系q較低、x較小、循環(huán)倍率K較大時，隨著q的增加，φ的增加大于x的增加，Syd的增加大于總阻力∑ΔP的增加，回路中的動力大于阻力，使得循環(huán)流量G0相應增加。當K大于某一界限循環(huán)倍率Kjx時，循環(huán)回路具有因上升管吸熱量q增加而使循環(huán)流量G0隨之增加的能力，稱為自然循環(huán)回路的自補償能力。

3.自補償能力由運動壓頭法：圖12-5上升管循環(huán)流量和吸7212.1.3循環(huán)回路工作點的確定方法1.確定循環(huán)回路工作點的圖解法圖12－6確定工作點的圖解法

12.1.3循環(huán)回路工作點的確定方法1.確定循環(huán)回路工作732.復雜回路的壓差特性曲線和工作點其主要步驟為：①利用簡單回路繪制壓差特性曲線的方法，通過計算作出各管組或管子在一定條件下的壓差特性曲線；②尋找所有回路的共同部分，將各曲線合成，得出整個系統(tǒng)的總特性曲線，并求出回路的總工作點；③再按相反的秩序或通過分析，從總工作點反推求得各管組或管子壓差特性曲線的工作點。壓差特性曲線的合成基于工質的物質平衡和作用于工質上的力平衡兩個基本原理。其合成規(guī)律為：穩(wěn)定工況下，串聯(lián)回路時的流量相等，在相同流量下壓差迭加；并聯(lián)回路的兩端壓差相等，在相同壓差下流量迭加。2.復雜回路的壓差特性曲線和工作點其主要步驟為：①利用簡單74（1）并聯(lián)回路圖12-7并聯(lián)回路及其特性曲線（1）并聯(lián)回路圖12-7并聯(lián)回路及其特性曲線75（2）串聯(lián)回路

圖12-8串聯(lián)回路及其特性曲線（2）串聯(lián)回路圖12-8串聯(lián)回路及其特性曲線76(3)具有共同引入管不同引出管的復雜回路圖12-9有共同引入管不同引出管的回路及其特性曲線(3)具有共同引入管不同引出管的復雜回路圖12-9有共同引7710.5自然循環(huán)水動力計算

10.5.1水動力計算的目的和內容目的：為鍋爐設計或循環(huán)系統(tǒng)變動較大的改裝鍋爐確定最佳的回路結構，校核鍋爐受熱面的工作可靠性，并提出提高可靠性的措施。內容和原則：①確定循環(huán)流量或流速，循環(huán)倍率，循環(huán)回路的各種壓差以及可靠性指標；②計算時的受熱狀況，工質流速，壓差等參數(shù)均為管組或回路的平均值，但在進行安全性校驗時，需按條件最差的管子進行；③鍋爐在通常的負荷變化范圍內對水循環(huán)特性影響不大，通常只對額定參數(shù)進行計算；④對結構特性和受熱狀況基本相同的回路，可選其中一個回路進行計算。所需要的原始數(shù)據(jù)分回路的結構特性和熱力數(shù)據(jù)兩類。10.5自然循環(huán)水動力計算

10.5.1水動力計算的目的7810.5.2循環(huán)回路的壓降計算1.下降系統(tǒng)壓差的計算單相流體力學問題2.上升系統(tǒng)壓差的計算單相及兩相流體力學問題各種阻力（摩擦、局部）的確定。10.5.2循環(huán)回路的壓降計算1.下降系統(tǒng)壓差的計算7910.5.3水動力計算方法和步驟根據(jù)熱力計算結果及結構數(shù)據(jù)等假定循環(huán)倍率，計算鍋筒水的欠焓確定工作點求出循環(huán)倍率及鍋筒水欠焓，與假定值比較進行水循環(huán)可靠性校驗，提出改進措施。10.5.3水動力計算方法和步驟根據(jù)熱力計算結果及結構數(shù)據(jù)8010.6自然水循環(huán)的可靠性

10.6.1上升管內工質的流動停滯和倒流考察上升管組引入鍋筒水空間時的情況。由于并聯(lián)上升蒸發(fā)管組的各管均在同一工作點的壓差S0下工作，即S0是一個常數(shù)，則若存在并聯(lián)管的吸熱不均勻性，在鍋爐的自補償能力范圍內，當某管受熱弱時，該管中工質的平均密度增大，其重位壓降也增大；由于工作點S0不變，則該管的流動阻力減小，即流量減小。當該管的重位壓降剛好等于S0時，則偏差管內工質的流速為零；當該管的重位壓降大于S0時，則工質的流動改變方向，成為受熱的下降流動管。Z為結構特參數(shù)，向上流動取正號，向下流動取負號。

10.6自然水循環(huán)的可靠性

10.6.1上升管內工質的流81圖12-13全壓差特性曲線由上式可得全壓差特性曲線圖12-13全壓差特性曲線由上式可得全壓差特性曲線821.停滯當某管內工質的重位壓頭增加到等于工作點壓差時，該管內流速為零。稱為流動停滯。此時，管內水幾乎不動，蒸汽靠浮泡流動進入鍋筒。即進口水流量G與出口蒸發(fā)時D相等，K=1。壓差特性曲線在流量G＝0～D的區(qū)間為流動不穩(wěn)定區(qū)域。因為流量極低時，產(chǎn)生的蒸汽在管內積聚，使平均密度急劇減小，重位壓降減小而S0不變，即循環(huán)動力增加，因此流量增加；而流量增加后含汽率又減小，平均密度大，重位壓差增大而使流量又減小，這使得流量一直處于波動狀態(tài)。當上升管引入鍋筒的蒸汽空間時，循環(huán)停滯時將在受熱弱的上升管中形成自由水面。

1.停滯當某管內工質的重位壓頭增加到等于工作點壓差時，該管832.倒流當受熱上升管內的工質改變流動方向而向下流動時，稱為倒流。不穩(wěn)定工作點2.倒流當受熱上升管內的工質改變流動方向而向下流動時，稱為8410.6.2循環(huán)可靠性校驗1.水循環(huán)可靠性指標自然水循環(huán)可靠性指標是保證所有的水冷壁管子都具有足夠流量且得到正常和充分的冷卻。排除危險工況：①循環(huán)停滯或自由水面。②循環(huán)倒流。③下降管內的工質帶汽或汽化。④循環(huán)倍率過小，有可能出現(xiàn)沸騰傳熱惡化。⑤鍋爐的水質成分不合格，含鹽量過高。10.6.2循環(huán)可靠性校驗1.水循環(huán)可靠性指標852.停滯、倒流壓差校驗不發(fā)生停滯的條件不發(fā)生自由水面的條件不發(fā)生倒流的條件2.停滯、倒流壓差校驗不發(fā)生停滯的條件86小結水循環(huán)故障總是出現(xiàn)在受熱弱的管子中上升管引入水空間時，停滯時水速為零，但有一定產(chǎn)汽量上升管引入汽空間時，發(fā)生自由水面上升管引入水空間時，可能發(fā)生倒流，若能帶走汽泡，工作是安全的，但不允許上升管引入汽空間時，不會發(fā)生倒流小結水循環(huán)故障總是出現(xiàn)在受熱弱的管子中8710.6.3水循環(huán)可靠性分析

1.循環(huán)可靠性的影響因素（1）壓力的影響低壓時(S2)，重位壓差小而流阻大，倒流壓差低，停滯比倒流易發(fā)生。壓力提高(S1)，重位壓差增大而流阻減小，在正流量區(qū)壓差的變化非常有限；而倒流壓差增大較多，與低壓壓差曲線間的差距較大，則倒流較易發(fā)生。壓力提高，汽水間密度差減小，