鍋爐原理第10章強制流動鍋爐及水動力特性

第十章強制流動鍋爐及水動力特性熱能與動力工程強制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐出現(xiàn)的原因

1P升高，汽水密度差下降，自然循環(huán)推動力下降，所以需要采用強制流動；2由于壓力提高，汽包體積大，壁厚，存在厚鋼板供應困難，和制造工藝困難。3給水處理技術(shù)落后，鍋內(nèi)腐蝕嚴重。熱能與動力工程直流鍋爐也是大容量鍋爐發(fā)展方向之一。特別是采用超臨界參數(shù)的鍋爐，直流鍋爐是唯一能采用的鍋爐型式。熱能與動力工程一、直流鍋爐工作原理及過程工質(zhì)依靠給水泵的壓頭一次通過預熱、蒸發(fā)、過熱各受熱面而加熱成為過熱蒸汽。給水流量G＝蒸發(fā)量D給水泵省煤器水冷壁過熱器

第一節(jié)直流鍋爐熱能與動力工程熱能與動力工程熱能與動力工程二、直流鍋爐的特點

本質(zhì)特點無汽包工質(zhì)一次通過各受熱面，強迫流動受熱面無固定界限水冷壁中工質(zhì)流動特點受熱不均對流動影響水動力多值性有脈動現(xiàn)象給水泵壓頭大；熱能與動力工程傳熱過程特點在水冷壁中工質(zhì)干度x

由0一＞1，因此第二類傳熱惡化一定出現(xiàn)熱化學過程特點要求給水品質(zhì)高控制調(diào)節(jié)過程特點直流鍋爐對自動控制系統(tǒng)要求高，原因如下負荷變動時，直流鍋爐的蓄熱能力較低，依靠自身爐水和金屬蓄熱或放熱來減緩汽壓波動的能力較低

直流鍋爐必須同時調(diào)節(jié)給水量和燃料量，以保證物質(zhì)平衡和能量平衡，才能穩(wěn)定汽壓和汽溫。所以直流鍋爐對燃料量和給水量的自動控制系統(tǒng)要求高。熱能與動力工程啟動過程特點設有啟動旁路啟動速度快在啟動過程中，有工質(zhì)膨脹現(xiàn)象啟動一開始，必須建立啟動流量和啟動壓力熱能與動力工程設計、制造、安裝特點直流鍋爐適用于任何壓力蒸發(fā)受熱面可以任意布置節(jié)省金屬制造方便熱能與動力工程三、蒸發(fā)受熱面主要形式（一）、早期采用的形式本生型，即多次串聯(lián)垂直上升管屏式蘇爾壽式，即多行程迂回管屏式拉姆辛型，即水平圍繞上升管圈式式

熱能與動力工程垂直上升管屏式

1-垂直管屏；2-過熱器；3-外置式過渡區(qū)；4-省煤器；5-空氣預熱器；6-給水如口；7-過熱蒸汽出口；8-煙氣出口熱能與動力工程回帶管屏式

1-水平回帶管屏；2-垂直回帶管屏；3-過熱蒸汽出口；4-過熱器；5-外置式過渡區(qū)；6-省煤器；7-給水入口；8-空氣預熱器；9-煙氣出口熱能與動力工程水平圍繞管圈式

1-省煤器；2-爐膛進水管；3-水分配集箱；4-燃燒器；5-水平圍繞管圈；6-汽水混合物出口集箱；7-對流過熱器；8-壁上過熱器；9-外置式過渡區(qū)；10-空氣預熱器熱能與動力工程（二）、現(xiàn)代直流鍋爐采用的形式

由于鍋爐向大容量、高參數(shù)發(fā)展；采用了膜式水冷壁；滑參數(shù)運行和給水處理技術(shù)發(fā)展。因此直流鍋爐形式有了很大的變化。

一次垂直上升管屏式（UP型）爐膛下部多次上升、爐膛上部一次上升管屏式（FW型）螺旋圍繞上升管屏式

熱能與動力工程一次垂直上升管屏式（UP型）熱能與動力工程兩次垂直上升管屏式FW型熱能與動力工程螺旋圍繞上升管屏式熱能與動力工程（三）螺旋管圈型水冷壁使用螺旋管圈水冷壁的原因在—定的爐膛周界情況下，如采用垂直布置的水冷壁管，其管子根數(shù)基本固定，管子直徑不能過細，為了保證水冷壁管子的安全，必須保證一定的工質(zhì)流量，所以垂直管圈的質(zhì)量流速大小是受到嚴格限制的。容量較小的直流鍋爐水冷壁往往存在著單位容量爐膛周界尺寸過大，水冷壁管子內(nèi)難以保證足夠的質(zhì)量流速

熱能與動力工程解決爐膛周界和質(zhì)量流速之間矛盾的方法一般有下述四種：（1）采用小管徑和多次混合的水冷壁（2）水冷壁采用工質(zhì)再循環(huán)（低倍率和復合循環(huán)鍋爐）（3）采用多次上升垂直管圈型水冷壁（4）采用螺旋管圈型水冷壁。熱能與動力工程螺旋管圈型水冷壁關(guān)鍵參數(shù)：管子根數(shù)式中：N—并列管子根數(shù)；L—爐膛周界

α—螺旋管上升角；T—水冷壁管子節(jié)距

熱能與動力工程熱能與動力工程螺旋管圈型水冷壁關(guān)鍵參數(shù)：上升角度盤旋圈數(shù)（圈數(shù)太少會部份喪失螺旋管圈在減少熱偏差方面的效益；圈數(shù)太多會增加阻力而增加給水泵功耗。推薦值：1.5~2.5圈熱能與動力工程采用螺旋管圈水冷壁的優(yōu)點能根據(jù)需要獲得足夠的質(zhì)量流速，保證水冷壁的安全運行；管間吸熱偏差??；抗燃燒干擾能力強；可以不設水冷壁進口的分配節(jié)流環(huán)；適應于鍋爐變壓運行的要求。熱能與動力工程第二節(jié)控制循環(huán)鍋爐工質(zhì)在蒸發(fā)管中做多次強制循環(huán)流動，仍然用于亞臨界壓力范圍內(nèi)，故又稱為多次強制循環(huán)鍋爐。熱能與動力工程

可以采用更細的管子；

蒸發(fā)受熱面的垂直布置，比較自由；

鍋筒、汽水分離器尺寸小，金屬耗量少，但循環(huán)水泵的投資和運行費用均較大。

增加了數(shù)臺循環(huán)水泵，關(guān)鍵設備一、特點熱能與動力工程二、強制循環(huán)鍋爐的水動力特點由于同直流鍋爐一樣，同為強制流動，因而，在蒸發(fā)受熱面的可靠性方面，與對直流鍋爐水動力特性的分析一樣，存在著：1．水動力特性不穩(wěn)定性問題（多值性）；2．流體脈動；3．熱偏差。熱能與動力工程三、工作特點D，%G，%給水流量水冷壁管中流量（循環(huán)水泵流量）循環(huán)倍率K>1，但較低（3~5或更小），因而循環(huán)水量小，循環(huán)推動力大。由于循環(huán)水泵的特性，水冷壁中工質(zhì)的流量變化不大。與自然循環(huán)鍋爐相比，控制循環(huán)鍋爐啟動、停爐和變負荷速度更快。運行耗電量較大，費用高（強制循環(huán)泵）。熱能與動力工程復合循環(huán)鍋爐：低負荷時能保證必需的質(zhì)量流速，高負荷時質(zhì)量流速又不過大，是適合于亞臨界和超臨界壓力的一種比較理想的鍋爐型式。第三節(jié)復合循環(huán)鍋爐熱能與動力工程工作原理熱能與動力工程復合循環(huán)3845611—循環(huán)泵；2—鍋筒；3—省煤器；4—爐膛水冷壁

5—節(jié)流閥；6—分配集箱；7—給水泵；8—混合器熱能與動力工程再循環(huán)量給水量水冷壁流量10050050100流量100%7A全負荷復合循環(huán)鍋爐負荷/100%123456亞臨界壓力復合循環(huán)熱能與動力工程1234576再循環(huán)量給水量10050050100水冷壁流量B部分負荷復合循環(huán)鍋爐負荷/%1—水冷壁；2---汽水分離器；3---省煤器；4---混合器；5---循環(huán)泵；6---控制閥；7---節(jié)流閥熱能與動力工程第三節(jié)水動力特性一、水動力不穩(wěn)定性（多值性）水動力特性：在一定熱負荷條件下，直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中，工質(zhì)流量G與流動阻力Δp之間的關(guān)系當蒸發(fā)受熱面進出聯(lián)箱兩端壓差一定的條件下，管內(nèi)可能出現(xiàn)多種不同的流量，即水動力特性出現(xiàn)多值性，這樣的流動特性就是不穩(wěn)定的。流量小的管子，管內(nèi)對流換熱系數(shù)小，冷卻差，管壁溫度高，有可能造成爐管失效損壞。

水平管圈特性方程

在一定的熱負荷下，管屏的壓差與質(zhì)量流量的關(guān)系式。熱能與動力工程管內(nèi)工質(zhì)流動阻力ΔP=ΔPlz=ΔPrs+ΔPzf推導可得熱能與動力工程水動力特性曲線132abc在此圖中，1，3線為單值特性曲線2線為多值特性曲線。但在實際中會出現(xiàn)那種圖形，取決于特性方程式中，A,B,C這三個參數(shù)的取值。如果出現(xiàn)曲線2所示圖形，就表在一個壓差下，對應有2~3個流量，即水動力成多值性。

熱能與動力工程

水動力多值性的具體表現(xiàn)是：對于一根管子，流量有時大有時小；對于并聯(lián)工作的一組管子，有的管中流量大，有的管中流量小。這些現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，水冷壁就處在不安全的運行狀態(tài)。熱能與動力工程產(chǎn)生原因在某區(qū)段（如曲線2的cd段），隨著ρw增加，Lrs增加，Lzf減小，使得D減小，相應的x也減?。欢襵減小影響程度比ρw增加影響程度大。因此，隨著ρw增加，ΔPrs

增加的值比

ΔPzf減小的值少。熱能與動力工程單值性條件熱能與動力工程影響直流鍋爐水動力多值性的因素鍋爐運行時，影響水動力多值性的具體因素比較復雜，主要因素有:1）工質(zhì)壓力熱能與動力工程蒸發(fā)管進口的工質(zhì)壓力對水動力多值性的影響起主要作用。當壓力降低時，汽水密度差增大，水動力趨于不穩(wěn)定。但是，壓力對水動力多值性的影響具有多重性。即壓力降低時，汽水比容差增大，水動力多值性加??；但壓力降低，工質(zhì)汽化潛熱也隨之增大，在吸熱量一定時，蒸發(fā)量減少；壓力降低，還會使受熱面進口水欠焓相應減小，這又會減弱水動力多值性。但是，壓力降低使汽水比容差變化得較多，因而其綜合影響是加劇了水動力多值性。圖13-11的試驗曲線表明了壓力對水動力特性的影響。熱能與動力工程2）質(zhì)量流速直流鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)的質(zhì)量流速隨負荷而變，鍋爐負荷越低，越容易發(fā)生水動力多值性。因為質(zhì)量流速越小，工質(zhì)流量分配越不均勻。從式(13-7)來看，質(zhì)量流速越小，各項系數(shù)的影響作用就越大，越容易發(fā)生水動力多值性。熱能與動力工程3）蒸發(fā)管進口水欠焓熱水段的存在說明蒸發(fā)管進口工質(zhì)欠焓。在熱負荷一定的條件下，工質(zhì)欠焓越大，Lrs就越大，Lzf就越小，雖然熱水段阻力△Prs有所增大，但由于受Lzf減小，尤其是受汽水混合物平均速度降低的影響，蒸發(fā)段阻力△Pzf降低的更多，使壓降△P隨流量G的增加出現(xiàn)多值性。工質(zhì)欠焓增大主要發(fā)生在高加解列的場合，如果此時質(zhì)量流速過小，則水動力多值性就難以避免。工質(zhì)進口水焓值對水動力特性的影響見圖13-12。熱能與動力工程熱能與動力工程4）熱負荷q圖13-13的曲線表示了熱負荷對蒸發(fā)管水動力特性的影響。

在亞臨界壓力下，當鍋爐負荷和給水溫度一定時，水冷壁熱負荷變化直接影響蒸發(fā)點的位置變化，從而影響水動力特性。例如，當q降低(水冷壁吸熱量Q降低)時，增加了熱水段Lrs的長度，減小了蒸發(fā)段Lzf的長度，相當于增大了工質(zhì)欠焓，使水動力趨于不穩(wěn)定。熱能與動力工程熱能與動力工程5）鍋爐負荷圖13-14表示了負荷變化對水動力特性的影響。直流鍋爐在低負荷運行時，比高負荷時的水動力穩(wěn)定性要差得多。因為低負荷時，壓力低，質(zhì)量流速小，進口工質(zhì)欠焓大，熱負荷降低，熱偏差增大?？梢姡藭r在多種不利因素的同時作用下，水動力不穩(wěn)定性的程度必然增大。熱能與動力工程熱能與動力工程6）重位壓頭影響垂直上升管屏的水動力特性的因素更為復雜。即影響水平管水動力特性的因素同樣影響著垂直管屏，而且受重位壓頭和熱偏差的影響，垂直管屏不但可能出現(xiàn)水動力不穩(wěn)定現(xiàn)象，還可能出現(xiàn)停滯和倒流問題。因此，垂直管屏水動力穩(wěn)定性條件要求更高。熱能與動力工程7）工質(zhì)的熱物理特性超臨界壓力鍋爐的水冷壁管內(nèi)工質(zhì)雖然是單相流體，但由于工質(zhì)的溫度隨吸熱量增加而變化，當工質(zhì)溫度處于大比熱區(qū)且吸熱量同時增大時，工質(zhì)溫度變化不大，但比容發(fā)生劇烈變化，引起工質(zhì)的膨脹量急劇增大，有可能產(chǎn)生水動力不穩(wěn)定現(xiàn)象。熱能與動力工程提高水動力穩(wěn)定性的方法1）提高質(zhì)量流速ρw現(xiàn)代直流鍋爐為防止水動力不穩(wěn)定性，選用較高的質(zhì)量流速。提高質(zhì)量流速，即可避免水動力多值性，又可防止停滯和倒流，因此提高質(zhì)量流速是提高水動力穩(wěn)定性的最有效的方法。熱能與動力工程2）提高啟動壓力p采用變壓運行的螺旋管圈水冷壁的直流鍋爐，應避免低負荷時的工作壓力過低。對于垂直管屏，如果不采用實現(xiàn)變壓運行的新技術(shù)，則最好采用全壓啟動方式。熱能與動力工程3）采用節(jié)流圈在水冷壁入口安裝節(jié)流圈可增大熱水段的阻力。加裝節(jié)流圈后，管子的總壓降為△P=△Plz＋△Pjl，Pa（13-16）當流量增大時，節(jié)流圈的阻力隨著增大，使熱水段的流動阻力總是占優(yōu)勢。節(jié)流圈對水動力穩(wěn)定性的作用如圖13-15所示熱能與動力工程熱能與動力工程4）減小進口工質(zhì)欠焓△i對于直流鍋爐，水冷壁進口工質(zhì)欠焓是必然存在的?！鱥=0時，因局部的汽泡不會被凝結(jié)或因工質(zhì)比容變化，水冷壁進口聯(lián)箱中分配給每根水冷壁管的流量不均勻性就可能增大。但欠焓減小，減小了熱水段長度，增加了蒸發(fā)段長度，有利于提高水動力的穩(wěn)定性。熱能與動力工程5）減小受熱偏差運行實踐表明，水動力不穩(wěn)定性主要是由汽水比容變化增大和熱偏差造成流量分配不均引起的。因此，減小水冷壁的受熱偏差是維持水動力穩(wěn)定性的重要條件。鍋爐運行中，應及時吹灰，防止水冷壁結(jié)渣、積灰；防止火焰偏斜，保持良好的火焰充滿度；在燃燒器區(qū)域投入再循環(huán)煙氣并使燃燒器多層布置且增大噴口間距。這些措施均可以減小水冷壁管外的受熱偏差。尤其要注意在低負荷運行時，熱偏差有增大的趨勢。熱能與動力工程6）控制下輻射區(qū)水冷壁出口溫度對于超臨界壓力鍋爐，下輻射區(qū)水冷壁處于熱負荷最高的區(qū)域，吸熱最強，為了避免工質(zhì)的比容劇烈變化，應將工質(zhì)的大比熱區(qū)避開熱負荷較高的燃燒器區(qū)。這就要求控制下輻射區(qū)水冷壁出口工質(zhì)的溫度，使其低于擬臨界溫度。

熱能與動力工程7）控制水冷壁熱負荷在亞臨界壓力下，當負荷一定時，控制水冷壁熱負荷實際上控制了蒸發(fā)點位置，使熱水段和蒸發(fā)段的阻力保持穩(wěn)定；在超臨界壓力下，則控制了汽水比容的劇烈變化。熱能與動力工程垂直管圈垂直管屏的水動力特性，必須考慮重位壓差的影響重位壓差的影響對水動力特性的影響有利于水動力特性趨向穩(wěn)定

ΔP=ΔPlz+ΔPzw

ΔPzw=Hrs

ρrsg+Hzf

ρzfg

當質(zhì)量流速增加時，垂直管中重位壓差的影響減少，這時的水動力特性趨向于水平管圈的水動力特性;當質(zhì)量流速小時，垂直管中重位壓差的影響大，這時的水動力特性趨向于自然循環(huán)管子的水動力特性。熱能與動力工程在超臨界壓力下在大比熱區(qū)考慮到管內(nèi)工質(zhì)沿截面的不等溫性；在大比熱區(qū)溫度的微小變化會引起動力粘度較大的變化，從而引起摩擦阻力系數(shù)較大的變化，也有可能出現(xiàn)水動力多值性的問題。熱能與動力工程二、蒸發(fā)受熱面中流體的脈動現(xiàn)象

在兩端管屏兩端壓差相同，當給水量和流出量總量基本不變的情況下，管屏里管子流量隨時間作周期性波動，這種現(xiàn)象稱為管間脈動。動態(tài)不穩(wěn)定水動力特性：脈動（隨時間變化）靜態(tài)不穩(wěn)定水動力特性：多值性（不隨時間變化）1、脈動種類整體脈動屏間（屏帶或管屏）脈動

管間脈動熱能與動力工程特點：管屏兩端壓差相同的情況下，管屏間管子中的有些流量在增加，另外一些管子的流量減少

同一根管子，給水量隨時間作周期性波動，蒸發(fā)量也隨時間作周期性波動，它們的波動相位差為180°脈動是不衰減的對于垂直上升管屏，也有管間脈動現(xiàn)象發(fā)生。且對脈動更敏感，更加嚴重熱能與動力工程熱能與動力工程2、管間脈動分析脈動產(chǎn)生機理（尚未完全弄清楚）脈動現(xiàn)象是當流量G大時，蒸發(fā)量D?。涣髁縂小時，蒸發(fā)量D大

脈動現(xiàn)象解釋在管子中間某一點一定存在著一個壓力峰。當某點壓力P’高時，進水端壓差（P1-P’）下降，流量G減少，當P’大大增加時，可能引起水倒流；出口端壓差（P’-P2

）增加，蒸發(fā)量D增大。當某點壓力下降時，進水端壓差增加，流量G增加；出口端壓差減小，D減小。

熱能與動力工程壓力峰壓力峰形成壓力峰下降壓力重新形成熱能與動力工程脈動危害發(fā)生這種管間脈動時，熱水段、蒸發(fā)段、過熱段都在作周期性波動，在交界處附近壁溫周期性變化，最大波動甚至達到150℃

，因而使管子產(chǎn)生疲勞破壞。并聯(lián)各管會出現(xiàn)很大的熱偏差，當超過容許的熱偏差值時，也將使管子超溫過熱而損壞。

熱能與動力工程消除脈動措施增大管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量ρw

增大熱水段阻力－加節(jié)流圈；采用逐步擴大的管徑（省煤器采用較小管徑）

減少蒸發(fā)段阻力－增加呼吸聯(lián)箱，呼吸聯(lián)箱處使壓力均衡合適的壓力和熱負荷

熱能與動力工程三、蒸發(fā)受熱面中熱偏差

1、熱偏差

定義并列管組中各管，因為各管子的結(jié)構(gòu)尺寸、內(nèi)部阻力系數(shù)和熱負荷可能各不相同，因此每根管子中蒸汽的焓增也就不同，這種現(xiàn)象叫做熱偏差。熱偏差系數(shù)熱能與動力工程熱能與動力工程2、特點直流鍋爐工質(zhì)在水冷壁中全部蒸發(fā)，熱偏差會對傳熱惡化造成很大的影響，且水冷壁出口工質(zhì)溫度已過熱，所以水冷壁熱偏差對水冷壁管子安全有很大的影響，不可忽視。超臨界壓力時，工質(zhì)不存在恒定的飽和溫度，偏差管工質(zhì)溫度差別更高。熱能與動力工程3、影響因素熱力不均勻熱負荷分布不均勻。鍋爐爐膛中沿寬度方向煙氣的速度場、溫度場和熱流的分布不均勻是造成水冷壁并聯(lián)管組吸熱不均勻的主要原因。和機組容量，爐內(nèi)燃燒、流動工況，燃燒器布置和運行方式，負荷變化，煤種變化等有關(guān)。熱能與動力工程水力不均勻水平管圈熱負荷的影響結(jié)構(gòu)的影響工質(zhì)在受熱面進口處的焓值的影響壓力的影響熱能與動力工程水力不均勻垂直管圈熱能與動力工程重位壓差的影響類似于自然循環(huán)自補償作用的影響，使重位壓差有減輕或改善流量不均的作用；重位壓差占流動阻力比例愈大，其影響愈大，流量不均愈小。決定重位壓差占總流動阻力比例的因素是質(zhì)量流速，它取決于鍋爐的負荷。負荷增加，重位壓差在總阻力中所占份額減少，即鍋爐在高負荷時，重位壓差作用減小，流動特性表現(xiàn)出強迫流動特性。當鍋爐在低負荷時，重位壓差在總阻力中所占份額增大，重位壓頭作用增大，流動更多地表現(xiàn)出自然循環(huán)特性。在負荷較低時，有可能導致出現(xiàn)流動的停滯和倒流。熱能與動力工程4、消除及減輕措施減小受熱不均勻減小結(jié)構(gòu)不均勻減小受熱不均對熱偏差的影響

加節(jié)流圈

增大管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量ρw熱能與動力工程四、蒸發(fā)受熱面中傳熱惡化現(xiàn)象

管內(nèi)工質(zhì)沿著長度方向吸熱并且含汽率的增加，工質(zhì)的流動結(jié)構(gòu)也相應發(fā)生變化。由于流動結(jié)構(gòu)不同，傳熱特性不同，以及管內(nèi)工質(zhì)溫度的變化，則管壁溫度也隨之變化。汽化類型：蒸發(fā)與沸騰。熱能與動力工程管內(nèi)工質(zhì)流動沸騰傳熱工況

熱能與動力工程局部出現(xiàn)膜態(tài)沸騰或出現(xiàn)蒸干，使得管內(nèi)換熱減弱，在蒸發(fā)受熱面管段某一處會出現(xiàn)壁溫的峰值，甚至使管子燒壞。這兩種現(xiàn)象統(tǒng)稱為傳熱惡化。

1、臨界壓力以下傳熱惡化類型第一類傳熱惡化當熱負荷較高（大于某個值）時，可能