鍋爐原理-第九章鍋爐水動(dòng)力特性

第九章鍋爐水動(dòng)力特性

鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

汽水混合物的流型與傳熱

兩相流體的基本參數(shù)自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)及計(jì)算

自然循環(huán)的基本概念

簡單回路及復(fù)雜回路水循環(huán)計(jì)算

自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)

泡狀流當(dāng)汽水混合物中含汽率x較小時(shí)，蒸汽呈細(xì)小的汽泡，主要在管子中心部分向上運(yùn)動(dòng)

汽水混合物在垂直管中作上升運(yùn)動(dòng)

汽、液兩相數(shù)量，即質(zhì)量含汽率x不斷變化；汽、液兩相間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；產(chǎn)生汽泡趨中效應(yīng)汽水混合物的流型和傳熱兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

彈狀流含汽率x增大，汽泡開始合并成彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈汽水混合物的流型和傳熱兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

環(huán)狀流含汽率x繼續(xù)增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子中心流動(dòng)，而水則成環(huán)狀沿著管壁流動(dòng)，形成汽柱狀或稱水膜環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)

霧狀流當(dāng)含汽率x再增大時(shí)，管壁上水膜變薄，汽流將水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被帶走，汽與水形成霧狀混合物汽水混合物的流型和傳熱兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

汽水混合物在水平管中流動(dòng)

在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不對(duì)稱流動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著流速減小，流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性增加。當(dāng)流速小到一定程度時(shí)，形成分層流動(dòng)。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過熱損壞；在汽水分層的交界面處，由于汽水波動(dòng)，可能產(chǎn)生疲勞損壞

汽水混合物的流型和傳熱兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

汽水混合物流速愈??；含汽率愈大；管子的傾角愈小，汽水分層愈易發(fā)生。對(duì)自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應(yīng)大于30，以防止發(fā)生分層流動(dòng)

汽水混合物的流型和傳熱兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

水冷壁管內(nèi)飽和沸騰可分為核態(tài)沸騰和沸騰傳熱惡化兩種工況

核態(tài)沸騰

汽泡強(qiáng)烈擾動(dòng)，傳熱性能良好，管內(nèi)壁溫度接近于水的飽和溫度，得到良好的冷卻

沸騰傳熱惡化

第一類傳熱惡化（膜態(tài)沸騰）

熱負(fù)荷很高，管內(nèi)壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，對(duì)流放熱系數(shù)α2急劇下降，管壁得不到液體冷卻,超溫破壞。特性參數(shù)為臨界熱負(fù)荷，對(duì)應(yīng)的x為臨界含汽率汽水混合物的流型和傳熱水冷壁管內(nèi)傳熱

第二類傳熱惡化（蒸干）

熱負(fù)荷比前者低、但含汽率很高時(shí)（出現(xiàn)液霧狀），汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻，對(duì)流放熱系數(shù)α2急劇下降，金屬壁溫tb急劇增加造成管子過熱而燒壞，特性參數(shù)是工質(zhì)的界限含汽率汽水混合物的流型和傳熱水冷壁管內(nèi)傳熱

均相模型假定：

汽水均勻混合，與泡狀流近似，只考慮汽和水的比容不同；

汽和水之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為二者速度相同。

實(shí)質(zhì)是把汽液兩相流變成單相流（汽水混合物單相流）。均相模型兩相流體的基本參數(shù)

針對(duì)主要流型泡狀和環(huán)狀，把泡狀流和環(huán)狀流簡化如下：

水在管中靠管內(nèi)壁流，占據(jù)管截面積F‘；汽在管子中間由水形成的“水管”中流，占據(jù)管截面積F”；考慮汽與水的相對(duì)速度：水的真實(shí)速度為w’；汽的真實(shí)速度為w“。分流模型兩相流體的基本參數(shù)

質(zhì)量流速單位時(shí)間流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量

循環(huán)流速w0

上升管開始沸騰處的飽和水的質(zhì)量流速式中：G為工質(zhì)的質(zhì)量流量；為容積流量兩相流體的基本參數(shù)兩相流體的速度

在上升管開始沸騰這個(gè)截面，w0值是真實(shí)存在的，是可以測(cè)出來的。當(dāng)把它推廣到上升管任意截面上，它就是假想汽水混合物全部是飽和水時(shí)在管截面的速度，實(shí)質(zhì)代表G。

折算速度假定蒸汽或水容積占據(jù)管子全部截面時(shí)的速度式中：D為蒸汽質(zhì)量流量

混合物速度

真實(shí)速度兩相流體的基本參數(shù)兩相流體的速度

質(zhì)量含汽率x

汽水混合物中蒸汽的質(zhì)量流量與汽水混合物總質(zhì)量流量之比兩相流體的基本參數(shù)兩相流體的含汽率

容積含汽率

蒸汽容積流量與汽水混合物容積流量之比推導(dǎo)過程

截面含汽率蒸汽所占截面與管子總截面之比上升流動(dòng)C<1,<β；下降流動(dòng)C>1,>β兩相流體的基本參數(shù)兩相流體的含汽率

混合物密度ρhu

真實(shí)密度ρzs兩相流體的基本參數(shù)兩相流體的密度

兩相流體的重位壓降

兩相流體的流動(dòng)阻力

為簡便計(jì)算，可采用單相流體流動(dòng)阻力計(jì)算公式，如下：流動(dòng)阻力與重位壓降的計(jì)算

上升管中汽水混合物ρ與x不斷變化，流動(dòng)阻力和重位壓降都分段計(jì)算，再疊加求和。兩相流體的基本參數(shù)兩相流體的基本參數(shù)容積含汽率β的推導(dǎo)過程

自然循環(huán)的工作原理下降管中水與上升管中汽水混合物間的重位壓頭差使水在回路中產(chǎn)生環(huán)形流動(dòng)，又稱為水循環(huán)自然循環(huán)的基本概念基本概念

簡單循環(huán)回路壓差平衡式(取向下為正)式中H―下降管的高度（即循環(huán)回路的高度），m；

―下降管及上升管中工質(zhì)的密度，kg/m3；

Pxj、Pss―下降管及上升管流動(dòng)阻力損失，Pa自然循環(huán)的基本概念基本概念推導(dǎo)過程自然循環(huán)的基本概念簡單循環(huán)回路壓差平衡式推導(dǎo)過程

由右圖，設(shè)鍋筒內(nèi)靜壓為p1，下降管下部的靜壓為p2，則對(duì)于下降管和上升管分別有：

運(yùn)動(dòng)壓頭Syd下降管與上升管中工質(zhì)重位差，維持回路自然循環(huán)的動(dòng)力，用以克服下降管與上升管中工質(zhì)的流動(dòng)阻力

影響運(yùn)動(dòng)壓頭的主要因素回路高度工質(zhì)密度差：壓力（壓力越高，汽水密度差越低）；水冷壁吸熱強(qiáng)度（吸熱越多，密度差越大）自然循環(huán)的基本概念基本概念

循環(huán)倍率K循環(huán)回路中水流量G與回路中產(chǎn)生的蒸汽量D之比，即1kg水全部變成蒸汽需在回路中循環(huán)多少次自然循環(huán)的基本概念基本概念

名義循環(huán)倍率K0按鍋筒引出的飽和蒸汽量計(jì)算的循環(huán)倍率

凝汽率xnq

凝汽量與循環(huán)流量的比值

鍋筒水室凝汽量Dnq

在鍋筒水室中被凝結(jié)的蒸汽量自然循環(huán)的基本概念基本概念

自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)計(jì)算的目的

確定各回路平均循環(huán)流速w0、工質(zhì)流量G；循環(huán)倍率Kh

確定鍋爐總的循環(huán)倍率Kg

檢驗(yàn)水循環(huán)的可靠性

范圍：額定負(fù)荷、額定壓力和最差回路（受熱不均、熱負(fù)荷低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜）簡單回路水循環(huán)計(jì)算水循環(huán)計(jì)算目的和方法

水冷壁吸熱方程

壓差方程簡單回路水循環(huán)計(jì)算水循環(huán)特性的方程組

流量方程

上升管受熱,含汽率x不斷增加，各截面兩相流動(dòng)參數(shù)不同，應(yīng)分區(qū)段進(jìn)行計(jì)算，把結(jié)構(gòu)、受熱相同的劃為一段。A是上升管開始沸騰點(diǎn)

熱水段Hrs從下聯(lián)箱到A點(diǎn)是熱水段，其中Hrq為熱前段。采用單相流動(dòng)計(jì)算公式簡單回路水循環(huán)計(jì)算上升管區(qū)段的劃分

含汽段Hhq

熱水段以外的上升管管段均為含汽段，采用兩相流體公式進(jìn)行計(jì)算簡單回路水循環(huán)計(jì)算上升管區(qū)段的劃分

當(dāng)熱負(fù)荷、管徑或管傾斜角度變化較大、水冷壁敷設(shè)衛(wèi)燃帶時(shí)含汽段應(yīng)再分段

熱水段Hrs上升管進(jìn)入爐膛（B點(diǎn)），水具有一定欠焓，開始沸騰點(diǎn)A的位置需計(jì)算確定

導(dǎo)汽管不受熱，含汽率不變對(duì)引入汽包汽空間的導(dǎo)汽管，導(dǎo)汽管最高點(diǎn)到超過水位那一段高度為提升段高度Hcq，應(yīng)與導(dǎo)汽管分開計(jì)算

熱后段Hrh

上升管離開爐膛到上聯(lián)箱間管段，該管段不受熱，若>10％上升管總長，則分開單獨(dú)計(jì)算

簡單回路水循環(huán)計(jì)算上升管區(qū)段的劃分

開始加熱點(diǎn)B工質(zhì)欠焓△hB

鍋水欠焓簡單回路水循環(huán)計(jì)算上升管進(jìn)入爐膛處（B點(diǎn)）工質(zhì)欠焓

B點(diǎn)工質(zhì)欠焓

不考慮下降管受熱和帶汽式中為飽和水的焓值隨壓力增大而增大的梯度kJ/（kg·Pa）簡單回路水循環(huán)計(jì)算上升管進(jìn)入爐膛處（B點(diǎn)）工質(zhì)欠焓

B點(diǎn)工質(zhì)欠焓△hB

靜壓變化p

式中p1、p2—

分別為汽包壓力及爐膛入口B處壓力，Pa簡單回路水循環(huán)計(jì)算上升管進(jìn)入爐膛處（B點(diǎn)）工質(zhì)欠焓

ΔH段高度開始沸騰點(diǎn)A工質(zhì)欠焓△hA為零不考慮下降管受熱和帶汽H1為受熱一段高度；Q1、G分別為受熱一段吸熱量和工質(zhì)流量

ΔH段工質(zhì)吸熱引起的焓增簡單回路水循環(huán)計(jì)算熱水段高度Hrs的計(jì)算

熱水段高度HrsΔH段高度簡單回路水循環(huán)計(jì)算熱水段高度Hrs的計(jì)算

ΔH段工質(zhì)因壓力減少而引起飽和水焓的減少量

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)按鍋爐有關(guān)圖紙查取

熱力數(shù)據(jù)按鍋爐熱力計(jì)算書查取

畫出蒸發(fā)受熱面汽水系統(tǒng)圖劃分循環(huán)回路管屏分組（劃分計(jì)算回路），上升管分段確定上升系統(tǒng)與下降系統(tǒng)的分界點(diǎn)

分配熱負(fù)荷根據(jù)爐內(nèi)熱負(fù)荷分布曲線，確定每個(gè)回路各區(qū)段的熱負(fù)荷及蒸發(fā)量Di

選擇整臺(tái)鍋爐循環(huán)倍率假設(shè)值Kg，算出鍋水欠焓假設(shè)值△hqh簡單回路水循環(huán)計(jì)算簡單回路水循環(huán)計(jì)算程序（圖解法）

假定三個(gè)循環(huán)流速w0i

計(jì)算熱水段高度Hrsi

計(jì)算密度w0i→Gi、Di→Xi→βi→φi→ρi

計(jì)算重位壓頭hiρig

計(jì)算上升管流動(dòng)阻力確定上升管系統(tǒng)壓差計(jì)算下降管流動(dòng)阻力確定下降管系統(tǒng)壓差簡單回路水循環(huán)計(jì)算簡單回路水循環(huán)計(jì)算程序（圖解法）

分別作出與曲線，兩曲線的交點(diǎn)即為系統(tǒng)工作點(diǎn)，從而確定該回路總壓差Yss、循環(huán)流速w0、循環(huán)流量G及循環(huán)倍率Kh

確定整臺(tái)鍋爐循環(huán)倍率的計(jì)算值

鍋水欠焓的計(jì)算值簡單回路的三點(diǎn)圖解法簡單回路水循環(huán)計(jì)算簡單回路水循環(huán)計(jì)算程序（圖解法）

校核：鍋水欠焓的計(jì)算值與假設(shè)值之差不超過12.56kJ/kg，且相對(duì)誤差不超過30%，認(rèn)為合格，否則需要重新假定Kg進(jìn)行計(jì)算。簡單回路的三點(diǎn)圖解法簡單回路水循環(huán)計(jì)算簡單回路水循環(huán)計(jì)算程序（圖解法）

復(fù)雜回路：多個(gè)簡單回路的串、并聯(lián)

原則：確定下降與上升系統(tǒng)分界點(diǎn)，確定串、并聯(lián)系統(tǒng)串聯(lián)：流量G（W0）相同，壓差Y相加；并聯(lián)：壓差相同，流量相加工作點(diǎn)：YXJ=Yss大直徑下降管復(fù)雜回路

區(qū)分獨(dú)立循環(huán)回路：工質(zhì)獨(dú)立復(fù)雜回路水循環(huán)計(jì)算復(fù)雜回路水循環(huán)計(jì)算（圖解法）

以大直徑集中下降管復(fù)雜循環(huán)回路為例，該回路方程組為：大直徑下降管復(fù)雜回路復(fù)雜回路水循環(huán)計(jì)算復(fù)雜回路水循環(huán)計(jì)算（圖解法）復(fù)雜回路圖解法復(fù)雜回路水循環(huán)計(jì)算復(fù)雜回路水循環(huán)計(jì)算（圖解法）

自然循環(huán)特性熱負(fù)荷與循環(huán)流速之間的關(guān)系鍋爐熱負(fù)荷Q上升，D上升，x上升：上升→hu下降→H（’-hu）g上升→Syd上升→w0上升

Δpss上升→w0下降Q增加，Syd增加起主要作用，w0上升；而Q增加過大，阻力增加起主要作用，反使w0下降

自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)自然循環(huán)特性

自補(bǔ)償能力隨鍋爐熱負(fù)荷Q(質(zhì)量含汽率x)的增加，循環(huán)回路水流量G(循環(huán)水流速w0)相應(yīng)增大的能力

可避免管壁超溫自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)自然循環(huán)特性

循環(huán)倍率K衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標(biāo)之一

K過大（x過小)，運(yùn)動(dòng)壓頭太小，可能出現(xiàn)循環(huán)停滯等水循環(huán)故障；

K過?。▁過大），將失去自補(bǔ)償能力，造成管壁超溫

界限循環(huán)倍率Kjx

對(duì)應(yīng)自然循環(huán)失去自補(bǔ)償能力（最高循環(huán)流速）時(shí)的循環(huán)倍率回路循環(huán)倍率K應(yīng)大于界限循環(huán)倍率Kjx

，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量含汽率X應(yīng)小于臨界質(zhì)量含汽率Xlj

自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)自然循環(huán)安全性檢查指標(biāo)

界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率鍋爐壓力(MPa)3.92～5.8810.2～11.7613.73～15.6916.67～18.63鍋爐蒸發(fā)量(t/h)35～240160～420400～670≥800界限循環(huán)倍率Kjx1053>2.5推薦循環(huán)倍率15～257～154～84～6自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)自然循環(huán)安全性檢查指標(biāo)

自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面金屬安全工作的條件是保證管子內(nèi)壁有連續(xù)水膜覆蓋受熱最弱上升管不出現(xiàn)流動(dòng)的停滯、倒流、汽水分層等水循環(huán)故障；

受熱最強(qiáng)上升管不發(fā)生沸騰傳熱惡化下降管不出現(xiàn)帶汽或汽化

自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)自然循環(huán)故障及安全性檢查

自然循環(huán)鍋爐在壓力低于11MPa或受熱管局部熱負(fù)荷低于400kw／m2時(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化，正常水力工況破壞是蒸發(fā)管過熱的主要原因，即管壁經(jīng)?；蛑芷谛缘嘏c停滯或緩慢流動(dòng)的蒸汽接觸，造成管壁超溫

自然循環(huán)鍋爐在超高壓以上，尤其在亞臨界壓力以上，因含汽率較高，（鍋爐容量增大，爐膛周界相對(duì)減小，水冷壁根數(shù)減少而長度增加），循環(huán)倍率較低，可能出現(xiàn)第二類傳熱惡化，必須采取相應(yīng)措施自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)自然循環(huán)故障及安全性檢查

并聯(lián)的上升管組在共同的壓差Yss下運(yùn)行。當(dāng)管組中各管受熱不均勻時(shí)，受熱弱的管中含汽率少，運(yùn)動(dòng)壓頭小，循環(huán)流速降低，可能發(fā)生循環(huán)異常

上升管引入汽包水空間當(dāng)受熱弱的管中水流量等于蒸發(fā)量，即G=D時(shí)，將出現(xiàn)循環(huán)停滯現(xiàn)象

上升管引入汽包汽空間發(fā)生循環(huán)停滯時(shí)管中工質(zhì)無法到達(dá)上升管的最高點(diǎn)，出現(xiàn)自由水面。自由水面以下區(qū)域，產(chǎn)生少量蒸汽，以上的區(qū)域?yàn)榫徛鲃?dòng)的蒸汽自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)循環(huán)停滯、自由水面和倒流現(xiàn)象自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)循環(huán)停滯、自由水面和倒流現(xiàn)象

上升管引入汽包水空間當(dāng)管組壓差Y小于受熱弱管子液柱重Hhg時(shí)，受熱管中的水就自上往下流，稱為倒流

循環(huán)停滯汽泡通過基本靜止的水面上浮，管子彎頭處蒸汽積累，出現(xiàn)自由水面時(shí)，水面以上管壁與蒸汽接觸，使冷卻能力下降，管子易超溫爆管；自由水面上下波動(dòng)，還會(huì)引起疲勞破壞

倒流只有當(dāng)水的倒流速度與汽泡上浮速度相等，即汽泡處于上、下波動(dòng)狀態(tài)而形成汽塞時(shí)，會(huì)把管子燒壞，很少發(fā)生。自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)循環(huán)停滯、自由水面和倒流危害

汽包中的水進(jìn)入下降管時(shí)，因流阻和加速產(chǎn)生壓降使進(jìn)口處發(fā)生自汽化

下降管進(jìn)口截面上部形成渦漩漏斗狀，蒸汽被吸入下降管中

汽包水容積內(nèi)所含蒸汽被帶入下降管中

下降管受熱產(chǎn)生蒸汽

下降管帶汽或汽化，會(huì)使管中工質(zhì)密度減小，運(yùn)動(dòng)壓頭下降，影響回路水循環(huán)自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)下降管帶汽與汽化

減小并聯(lián)管子吸熱不均保持爐內(nèi)溫度