第8章鍋爐水動力特性

鍋爐水動力學的研究任務是研究鍋爐蒸發(fā)受熱面的水動力特性，保證鍋爐水循環(huán)的可靠性。為了使鍋爐安全可靠運行，所有受熱面都應受到工質足夠的冷卻，以保證金屬壁溫不超過所用鋼材的允許工作溫度。通過鍋爐水動力研究，可以得到鍋爐內部工質（水、蒸汽及汽水混合物）的水動力特性及流動阻力。在鍋爐的受熱面中，省煤器中流動的工質為單相流體水，過熱器中工質為單相流體蒸汽，惟有蒸發(fā)受熱面水冷壁上升管中流動的工質為汽水混合物。在上升管受熱過程中，汽液兩相比例不斷變化，并且兩相之間存在相對運動，使管內汽液兩相流體的流動規(guī)律比單相流體流動復雜的多，且汽相與液相在傳熱過程中的性質也不同，因此必須首先研究汽液兩相流體的流動與傳熱特性。當前1頁，總共41頁。

鍋爐水動力學基礎一、管內汽液兩相流體的流動結構汽泡趨中效應：蒸汽密度比水小，在上升兩相流中，在相同壓力的作用下，汽泡的上升速度比水快，水在管中流動的速度分布是中間大，外側小。如果汽泡在靠近管邊處，汽水相對速度大，阻力大；而汽泡若在管中間則阻力小。汽泡總是往阻力小的地方運動，所以在上升管中，汽泡都向管中間運動。思考：對于下降兩相流，汽泡如何運動？當前2頁，總共41頁。汽水混合物在垂直管中上升運動：混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應兩相流流型不同流動阻力和傳熱機理不同流速大小與傳熱強弱不同影響流型（a）（b）（c）（d）(a)泡狀流：汽水混合物中含汽率較小時，蒸汽呈細小的汽泡，主要在管子中心部分向上運動。(b)彈狀流：含汽率增大，汽泡開始合并成彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈。當前3頁，總共41頁。汽水混合物在垂直管中上升運動：混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應兩相流流型不同流動阻力和傳熱機理不同流速大小與傳熱強弱不同影響流型（a）（b）（c）（d）(c)環(huán)狀流：含汽率繼續(xù)增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子中心流動，而水則呈環(huán)狀水膜沿管壁流動。(d)霧狀流：含汽率再增大，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，汽水形成霧狀混合物。當前4頁，總共41頁。2.汽水混合物在水平管中的運動：

在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不對稱流動結構。隨著流速減小，流動結構的不對稱性增加。當流速小到一定程度時，形成分層流動。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，可能產(chǎn)生疲勞損壞。汽水混合物流速↓，含汽率↑，管子的傾角↓，汽水分層越易發(fā)生。對自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應大于30，且盡量避免使用水平管，以防止發(fā)生分層流動。直流鍋爐，一般采用提高流速的方法防止汽水分層。當前5頁，總共41頁。二、蒸發(fā)管內的傳熱垂直蒸發(fā)管內的流型與傳熱的關系在蒸發(fā)過程的各個階段，蒸發(fā)管內的流型不斷變化，隨流型不同流體與管壁的換熱方式也不同，即管內流體的放熱系數(shù)不斷變化。放熱系數(shù)越大，管壁溫度越接近工質溫度。圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩相流型和傳熱工況的關系當前6頁，總共41頁。不同負荷時放熱系數(shù)與x的關系2.蒸發(fā)管內的傳熱惡化AB單相水對流傳熱；BC過冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；DE強制水膜對流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段第一類傳熱惡化：因為膜態(tài)沸騰引起的傳熱惡化。當熱負荷很高，管內壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，導致對流放熱系數(shù)急劇下降，管壁得不到液體冷卻而超溫破壞。其直接原因是熱負荷過高。把出現(xiàn)第一類傳熱惡化時的熱負荷稱為臨界熱負荷qcr。當前7頁，總共41頁。不同負荷時放熱系數(shù)與x的關系2.蒸發(fā)管內的傳熱惡化AB單相水對流傳熱；BC過冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；DE強制水膜對流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段第二類傳熱惡化：因為蒸干引起的傳熱惡化。熱負荷比前者低，但含汽率很高時，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。其直接原因是含汽率過高。把出現(xiàn)第二類傳熱惡化時的含汽率稱為臨界含汽率xcr。當前8頁，總共41頁。傳熱惡化時，工質與管壁間的放熱系數(shù)急劇下降，導致管壁溫度劇增，可能燒壞管子。同時還會導致管壁溫度發(fā)生波動，造成金屬疲勞損壞。

第一類傳熱惡化，防止受熱面熱負荷過高，即可避免第一類傳熱惡化。第二類傳熱惡化，對自然循環(huán)鍋爐，只要保證蒸發(fā)管出口含汽率不至過高，即可避免；但對直流鍋爐，蒸發(fā)管內出現(xiàn)含水不足的狀況不可避免，因此無法防止第二類傳熱惡化，只能設法減少傳熱惡化時壁溫的上升幅度。當前9頁，總共41頁。三、兩相流的流動參數(shù)汽液兩相流體流動模型均相模型：假定在管內汽水是均勻混合的，水和汽之間無相對速度，只考慮汽水比體積的不同。是研究汽液兩相流動的基礎。分流模型：假定管內汽水混合物分開流動，汽在管子中央流動，水貼近壁面流動；汽水之間有相對速度。蒸發(fā)管內的流型主要為泡狀流、環(huán)狀流，因此分流模型更接近蒸發(fā)管內的真實流動情況。分流模型當前10頁，總共41頁。2.汽液兩相流的特征參數(shù)①流量質量流量G(kg/s)=進入上升管的循環(huán)流量M0

=上升管中蒸汽流量D+飽和水流量M容積流量V(m3/s)=水容積流量V’+蒸汽容積流量V’’②流速質量流速ρw

：單位時間內流經(jīng)單位流通截面的工質質量。循環(huán)流速w0：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。當前11頁，總共41頁。折算流速：假定流過的汽水混合物中的蒸汽/水占有管子全部截面時，計算所得的蒸汽/水流速稱為該截面的蒸汽/水折算流速?；旌衔锪魉賥m：汽水混合物均勻混合時，單位時間內流過單位截面積的混合物容積。當前12頁，總共41頁。真實流速：按分流模型計算出的汽/水流速。

汽水滑動比S：汽水兩相真實流速之比。S>1：w’’>w’，為汽水混合物向上流動S<1：w’’<w’，為汽水混合物向下流動S=1：w’’=w’，為均相流動工況分流模型分流模型當前13頁，總共41頁。③含汽率質量含汽率x：蒸汽質量流量D與工質總質量流量G之比，也稱為蒸汽干度。容積含汽率β

：流經(jīng)管內某一截面的蒸汽容積流量與汽水混合物總容積流量之比。截面含汽率φ：在某一截面上，蒸汽所占截面積F’’與管子總截面積F之比（分流模型）。當前14頁，總共41頁。④密度流量密度ρm

：汽水混合物的質量流量與體積流量之比。真實密度ρtr：流通截面上的工質密度（分流模型）。分流模型當前15頁，總共41頁。3.汽液兩相流的壓降工質流經(jīng)某管段時，在進出口截面1、2間的壓力降：當前16頁，總共41頁。①兩相流的摩擦阻力：除了汽水混合物與管壁的摩擦阻力，還有汽相與液相之間的相對速度引起的摩擦阻力，不同流型摩擦阻力也不相同。②兩相流的局部阻力：包括流經(jīng)管子彎頭、管子進口、管子出口、閥門和分叉管時，因流動方向改變或流通截面改變而產(chǎn)生的流動阻力。當前17頁，總共41頁。③流體加速壓降：流體在管內因受熱或壓力變化等原因會引起流速改變，并使得流體沿流程的動量及其對應的靜壓發(fā)生改變，這種因動量改變而引起的靜壓改變就是流體的加速壓降。④重位壓差：兩流通截面之間的高度差為h時，兩相流體重位壓差為當前18頁，總共41頁。

自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計算一、自然循環(huán)工作原理蒸發(fā)受熱面內的工質，依靠下降管中的水與上升管中的汽水混合物之間的密度差所產(chǎn)生的重位壓差進行循環(huán)。在回路中，蒸汽行程并非閉合路線，僅有水在循環(huán)流動，因此又稱為水循環(huán)。自然循環(huán)回路汽包→下降管→下聯(lián)箱→水冷壁（上升管）→汽包當前19頁，總共41頁。自然循環(huán)回路二、自然循環(huán)基本概念簡單循環(huán)回路壓差平衡式：運動壓頭：下降管中的工質柱重和上升管中的工質柱重之差是自然循環(huán)回路的推動力，稱為運動壓頭。有效壓頭：用于克服下降管中的流動阻力。當前20頁，總共41頁。循環(huán)倍率K：進入上升管的循環(huán)水流量G與上升管出口蒸汽流量D之比。是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標之一。自然循環(huán)特性：鍋爐熱負荷Q↑，D↑，X↑↓，Sdr↑，w0↑↑，w0↓上升管w0與x的關系當x不太高時，運動壓頭增加幅度大于流動阻力增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x的增加而增加；當x過高時，流動阻力增加幅度超過運動壓頭增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x增加反而減小。上升管w0與x的關系上升管w0與x的關系當前21頁，總共41頁。上升管w0與x的關系自然循環(huán)自補償能力：當x不太高時，隨著熱負荷Q的增大，質量含汽率x增大，循環(huán)水流速w0相應增大的能力稱為自補償能力。自然循環(huán)的自補償能力可避免管壁超溫。循環(huán)倍率是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標之一：K過大，x過?。哼\動壓頭過小，可能出現(xiàn)循環(huán)停滯等水循環(huán)故障；K過小，x過大：將失去自補償能力，造成管壁超溫；可能出現(xiàn)第二類傳熱惡化。界限循環(huán)倍率Kth：自然循環(huán)開始失去自補償能力時的循環(huán)倍率?；芈费h(huán)倍率K應大于界限循環(huán)倍率。當前22頁，總共41頁。界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率三、簡單回路水循環(huán)計算自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)計算的目的：根據(jù)循環(huán)回路工質流動過程中壓差與流量的平衡關系，計算確定回路的循環(huán)流速和循環(huán)倍率，校驗循環(huán)回路中蒸發(fā)受熱面的安全性。當前23頁，總共41頁。簡單循環(huán)回路2.簡單回路水循環(huán)計算原理：①上升管區(qū)段劃分：以水冷壁下聯(lián)箱為起點，進行上升管區(qū)段劃分。熱水段hhw：進入的水由于靜壓升高和省煤器出口水不飽和而需被繼續(xù)加熱才能達到沸騰。在沸騰點之前，上升管內為單相水。含汽段hvc：為上升管主要區(qū)段，由于受熱其含汽率變化較大，應根據(jù)吸熱強度或管徑、傾斜度而分段計算。當前24頁，總共41頁。簡單循環(huán)回路熱后段hlp：導管不受熱，該段含汽率保持不變。超高段hov：高于汽包水位的一段導汽管，其產(chǎn)生的運動壓頭小于零，視為阻力損失。②循環(huán)特性方程組：壓差方程：流量方程：水冷壁吸熱方程：當前25頁，總共41頁。四、自然循環(huán)故障自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面安全工作的條件是保證管子內壁有連續(xù)水膜覆蓋。正常水力工況被破壞是蒸發(fā)管過熱的主要原因，即管壁經(jīng)?；蛑芷谛缘嘏c停滯或緩慢流動的蒸汽接觸，造成管壁超溫。1.循環(huán)停滯、自由水面和倒流：循環(huán)停滯：當循環(huán)回路中某個上升管的循環(huán)水量G降低到僅等于該管子所產(chǎn)生的蒸汽流量D時，這種工況稱為循環(huán)停滯。受熱弱的管子含汽率小，運動壓頭不足，循環(huán)流速降低，易出現(xiàn)循環(huán)停滯。循環(huán)停滯導致汽泡易聚集為大汽泡，形成汽塞，使管子局部超溫。當前26頁，總共41頁。自由水面：當上升管引入汽包汽空間，發(fā)生循環(huán)停滯時管中工質無法到達上升管的最高點，即出現(xiàn)自由水面。自由水面以上是汽，以下是水，管子上部會過熱超溫，且當自由水面波動時，引起管子疲勞損傷。倒流：當上升管引入汽包水容積，并且受熱很弱時，上升管中工質的重位壓差大于循環(huán)回路的工作壓差，上升管中會發(fā)生水自上而下的流動，稱為循環(huán)倒流。上升管引入汽包汽空間時不會發(fā)生倒流。若倒流速度大，管子可有足夠冷卻；若倒流速度小，汽泡沿管壁緩慢流動或上下波動，則可能導致管子燒壞。當前27頁，總共41頁。2.膜態(tài)沸騰：

熱負荷過高，汽泡在管子內壁面聚集形成完整的汽膜，使管壁得不到水膜直接冷卻，導致管壁超溫。3.下降管帶汽與汽化：

汽包中的水進入下降管時，因流阻和加速產(chǎn)生壓降使下降管進口處發(fā)生自汽化；下降管進口形成渦漩漏斗狀吸入蒸汽；汽包水容積內所含蒸汽被帶入下降管中。這些都會導致下降管帶汽。其后果是使下降管中工質密度減小，運動壓頭下降，影響回路正常水循環(huán)。當前28頁，總共41頁。五、提高自然循環(huán)安全性措施：①減小并聯(lián)管子吸熱不均，保持爐內溫度場均勻設計時將整面水冷壁劃分為若干個獨立的循環(huán)回路；采用四角布置燃燒器；將爐膛四角上1～2根管子取消或將爐膛設計成八角形。運行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管積灰結渣；限制最小負荷，避免因部分燃燒器停用造成更大的吸熱不均。沿高度方向采用多個小功率燃燒器，以減小爐內熱偏差，避免局部熱負荷過高②降低汽水導管和下降管中的流動阻力相當于增加了工質流動的推動力，因而可提高循環(huán)流速和循環(huán)倍率。可采用增加管子的流通截面、采用大直徑的管子、減少管子的長度和彎頭等措施實現(xiàn)。當前29頁，總共41頁。③水冷壁管采用適當?shù)母叨?、管徑和流動阻力高度：高度↑，下降管與上升管內工質柱重差↑，利于水循環(huán)；高度↑，管子出口含汽率x↑，可能導致第二類傳熱惡化，或循環(huán)倍率過低，循環(huán)回路失去自補償能力。管徑：管徑↓，金屬耗量↓，管內工質含汽率x↑，運動壓頭↑，但流動阻力↑，同樣可能導致傳熱惡化和循環(huán)倍率過低。流動阻力：上升管內流阻↑，運動壓頭↓，不利水循環(huán)；但上升管內流阻過小，會導致上升管內工質流量隨壓差變化太敏感，不利于水循環(huán)穩(wěn)定。④防止下降管帶汽對高壓以上鍋爐，在下降管入口處加裝格板；采用大直徑集中下降管時，應在入口處加裝十字板或格板。當前30頁，總共41頁。⑤使流體在管內產(chǎn)生旋轉流動或破壞汽膜邊界層，避免傳熱惡化采用內螺紋管：當工質在內螺紋管內流動時，發(fā)生強烈擾動，將水壓向壁面并迫使汽泡脫離壁面被水帶走，破壞汽膜層的形成，使管內壁溫度降低。加裝擾流子：擾流子是塞在管中的螺旋狀金屬薄片。在推遲傳熱惡化和降低壁溫方面，擾流子可起到與內螺紋管類似的作用，在強化傳熱方面不及內螺紋管。當前31頁，總共41頁。光管：在x=0.3左右，壁溫開始飛升，在x=0.6左右，壁溫達到第一個峰值，此后由于汽水混合物的流速增大，壁溫略有下降。大約在x=0.8左右，由于蒸干壁溫再次出現(xiàn)飛升。內螺紋管：在x=0.8時壁溫才開始飛升，充分說明了內螺紋管具有顯著抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。水冷壁壁溫與含汽率x的關系1-內螺紋管2-光管當前32頁，總共41頁。

內螺紋管抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機理：由于工質收到螺紋的作用產(chǎn)生旋轉，增強了管子內壁面附近的擾動，使水冷壁管內壁面上產(chǎn)生的氣泡可以被旋轉向上運動的液體及時帶走。水流收到旋轉力的作用，緊貼內螺紋槽壁面流動，從而避免了氣泡在管子內壁面上的積聚所形成的汽膜，保證了管子內壁面上有連續(xù)的水流冷卻。由于推遲了傳熱惡化，因此發(fā)生傳熱惡化的管子位置離爐膛火焰中心較遠，對應熱負荷較低，且汽水流速較高，使管壁溫度不會因傳熱惡化而升高幅度過大。當前33頁，總共41頁。

強制流動鍋爐提高壓力可以提高機組的熱經(jīng)濟性，因此高參數(shù)是鍋爐發(fā)展的必然趨勢。當壓力提高時，汽水密度差’-’’減小，自然循環(huán)的推動力下降，因此須采用強制流動。強制流動鍋爐主要有三種類型：控制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐和復合循環(huán)鍋爐。

強制流動鍋爐工作原理：為提高循環(huán)推動力，在循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設循環(huán)泵。蒸發(fā)受熱面內的工質循環(huán)的推動力為汽水密度差及循環(huán)泵壓頭。當前34頁，總共41頁。控制循環(huán)鍋爐①結構：具有汽包，循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設循環(huán)泵8，工質流動動力為循環(huán)泵壓頭和工質密度差。②特點：采用循環(huán)泵后，循環(huán)推動力增大，循環(huán)倍率降低，循環(huán)穩(wěn)定。循環(huán)可靠性主要取決于循環(huán)泵的可靠性。當前35頁，總共41頁。復習：采用循環(huán)泵使循環(huán)回路能克服較大的流動阻力，因此控制循環(huán)的蒸發(fā)系統(tǒng)有如下特點：

水冷壁可根據(jù)鍋爐形狀自由布置，不必按吸熱量不同劃分多個回路。

可采用小直徑水冷壁管，節(jié)省金屬耗量；汽包內可采用更高效的汽水分離器，可減小汽包直徑。

工質質量流速較高，對管子冷卻條件好，循環(huán)倍率比自然循環(huán)小，一般為25。循環(huán)穩(wěn)定，不易出現(xiàn)循環(huán)異常，但可能出現(xiàn)流動不穩(wěn)定、脈動等。

水冷壁下聯(lián)箱（環(huán)形下水包）內可裝置節(jié)流圈來調節(jié)各水冷壁管的水流量，減小水冷壁的熱偏差。

循環(huán)泵制約系統(tǒng)可靠性，并使設備制造和運行費用增加。當前36頁，總共41頁。2.直流鍋爐①直流鍋爐工作原理：給水在給水泵的壓頭下，順序通過熱水段、蒸發(fā)段和過熱段受熱面，一次將給水全部轉變?yōu)檎羝?。直流鍋爐循環(huán)倍率K=1，不存在汽包。

沿管子長度方向工質參數(shù)變化情況：

熱水段：水的焓和溫度逐漸增高，比容略有加大，壓力則由于流動阻力而有所降低。當前