鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.1鍋爐水循環(huán)過程

10.1.1自然循環(huán)鍋爐

工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)完全是由于蒸發(fā)受熱面受熱產(chǎn)生的密度差而自然形成，故稱自然循環(huán);自然循環(huán)鍋爐的特征是有一個(gè)直徑較大的汽包。自然循環(huán)鍋爐結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、運(yùn)行容易掌握而且比較安全可靠，我國(guó)亞臨界壓力以下的鍋爐，多數(shù)采用自然循環(huán)鍋爐。第10章自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力特性水的臨界壓力為227.98×105Pa，172.25×105Pa（170～210大氣壓）一般稱為亞臨界壓力鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.1.1強(qiáng)制循環(huán)鍋爐

隨著鍋爐容量提高，為了保證管內(nèi)工質(zhì)具有較高的質(zhì)量流速，在循環(huán)回路上串接一個(gè)或多個(gè)專門的循環(huán)泵，用以控制水和汽水混合物的流動(dòng)，則稱為強(qiáng)制循環(huán)鍋爐或控制循環(huán)鍋爐。為了進(jìn)一步提高鍋爐水動(dòng)力的安全可靠性，可以在蒸發(fā)受熱面的進(jìn)口設(shè)置節(jié)流圈，這種鍋爐一般稱為控制循環(huán)鍋爐。自然循環(huán)的推動(dòng)壓力一般為0.05~0.1MPa,循環(huán)泵提升壓力為0.25~0.5MPa鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)（a）自然循環(huán)鍋爐（b）強(qiáng)制循環(huán)鍋爐；（c）控制循環(huán)鍋爐；（d）直流鍋爐圖10-1鍋爐蒸發(fā)受熱面內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的幾種類型鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)自然循環(huán)鍋爐工程應(yīng)用的最高蒸汽壓力是19.11MPa，單爐的最大容量為885MW。只有當(dāng)蒸汽壓力超過16MPa時(shí)，且自然循環(huán)不可靠，才需要考慮采用強(qiáng)制循環(huán)鍋爐。當(dāng)壓力超過19.6MPa，則適合采用直流鍋爐。強(qiáng)制循環(huán)鍋爐工程應(yīng)用的最高蒸汽壓力是19.6MPa，單爐的最大容量1000MW。當(dāng)單爐容量超過600MW，一般應(yīng)在較低的壓力時(shí)就考慮采用強(qiáng)制循環(huán)鍋爐或直流鍋爐。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.1.3直流鍋爐直流鍋爐沒有汽包，給水在給水泵的作用下，依次通過加熱、蒸發(fā)和過熱等各個(gè)受熱面，完成水的加熱、汽化和蒸汽過熱過程，最后蒸汽過熱到規(guī)定的溫度，各受熱面之間并沒有固定的界限，直流鍋爐可以認(rèn)為是循環(huán)水量為零的強(qiáng)制循環(huán)鍋爐的一個(gè)特例。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)直流鍋爐與強(qiáng)制循環(huán)鍋爐相比，取消了汽包，且工質(zhì)在給水泵壓頭的作用下一次性通過各受熱面。直流鍋爐特點(diǎn)是：受熱面可自由布置；金屬耗量少，啟、停速度快；水容量及相應(yīng)的蓄熱能力較小，對(duì)外界負(fù)荷變化較敏感；直流鍋爐不能連續(xù)排污，對(duì)給水品質(zhì)的要求很高；給水泵功率消耗大。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.1.4復(fù)合循環(huán)鍋爐1.復(fù)合循環(huán)鍋爐的基本原理為了克服純直流鍋爐的不足及適應(yīng)超臨界壓力鍋爐應(yīng)用的需要，產(chǎn)生了復(fù)合循環(huán)鍋爐圖10-2復(fù)合循環(huán)鍋爐再循環(huán)直流鍋爐缺點(diǎn)是負(fù)荷降低時(shí)，水冷壁內(nèi)工質(zhì)流量降低，爐內(nèi)熱量得不到工質(zhì)的冷卻，水冷壁管壁容易超溫。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)（10-1）

如果循環(huán)泵的工作壓頭△Pb大于水冷壁中工質(zhì)的流動(dòng)阻力△Plz

，則有PC＞PA，鍋爐按強(qiáng)制循環(huán)鍋爐原理工作。（流過水冷壁的工質(zhì)流量為給水流量與再循環(huán)流量之和）如果循環(huán)泵的工作壓頭△Pb小于等于水冷壁中工質(zhì)的流動(dòng)阻力△Plz，則有PC≤PA，鍋爐按直流原理工作（再循環(huán)管路中無循環(huán)流量）。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)2．全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐圖10-3低循環(huán)倍率鍋爐系統(tǒng)和循環(huán)流量曲線在全負(fù)荷范圍內(nèi)均有△Pb大于水冷壁中工質(zhì)的流動(dòng)阻力△Plz（即在全負(fù)荷范圍內(nèi)循環(huán)流量均不為零）1.省煤器2.混合器3.過濾器4.再循環(huán)水泵5.分配器6.節(jié)流圈7.水冷壁8.汽水分離器9.備用管路鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)3．部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐圖10-4部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐的工作原理

1.低負(fù)荷時(shí)，循環(huán)管路有循環(huán)流量，高負(fù)荷時(shí)，鍋爐按直流鍋爐原理工作；2.大多用于超臨界壓力機(jī)組；3.與低循環(huán)倍率鍋爐的主要差別是在循環(huán)回路上裝有循環(huán)限制閥.鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)圖10-5超臨界壓力復(fù)合循環(huán)鍋爐1.省煤器2.混合器3.循環(huán)泵4.分配器5.水冷壁6.過熱器7.循環(huán)限制閥8.循環(huán)旁路鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)3．復(fù)合循環(huán)鍋爐的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。（2）額定負(fù)荷時(shí)的質(zhì)量流速可選得低些，以減小流動(dòng)阻力和水泵電耗。（3）鍋爐最低負(fù)荷可降到額定負(fù)荷的5

％左右，啟動(dòng)旁路系統(tǒng)可按5％-10％負(fù)荷設(shè)計(jì)，減小設(shè)備投資和啟動(dòng)時(shí)的工質(zhì)及熱量損失。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)（4）再循環(huán)工質(zhì)使水冷壁進(jìn)口工質(zhì)的焓提高，工質(zhì)在蒸發(fā)管內(nèi)焓增減少，有利于減少熱偏差和提高管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的穩(wěn)定性。（5）鍋爐在低負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)流量和溫度變化幅度小，減小了管壁熱應(yīng)力，有利于改善鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的條件。（6）再循環(huán)泵長(zhǎng)期在高溫高壓下工作，制造工藝復(fù)雜，技術(shù)性能要求高，且循環(huán)泵要消耗電能，致使機(jī)組遠(yuǎn)行費(fèi)用增加。（7）復(fù)合循環(huán)不僅應(yīng)用于超臨界壓力鍋爐，而且還應(yīng)用在亞臨界壓力鍋爐。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.2自然循環(huán)基本原理10.2.1概述水冷壁上升管在爐內(nèi)吸收爐膛火焰和煙氣的輻射熱量，管內(nèi)部分水蒸發(fā)，形成汽水混合物；而下降管在爐外不受熱，管內(nèi)為飽和水或未飽和水。因此，下降管中水的密度大于上升管中汽水混合物的密度，在下聯(lián)箱中心A-A截面兩側(cè)將產(chǎn)生液柱的重位壓差，此壓差推動(dòng)汽水混合物沿上升管向上流動(dòng)，水沿下降管向下流動(dòng)。圖10-6循環(huán)回路鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.2.2自然循環(huán)的參數(shù)

1．物理量的定義（1）循環(huán)流速w0：（2）質(zhì)量含汽率x：（10-2）（10-3）（3）循環(huán)倍率K：（10-4）

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)2．物理量的定義（10-5）

（10-6）

假設(shè)工質(zhì)不流動(dòng)：鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)上升系統(tǒng)基本壓差Yss下降系統(tǒng)基本壓差Yxj運(yùn)動(dòng)壓差Syd系統(tǒng)總阻力簡(jiǎn)單回路水循環(huán)基本方程，以此方程為基礎(chǔ)建立的計(jì)算方法稱為壓差法Syd是水循環(huán)產(chǎn)生的動(dòng)力，以此方程為基礎(chǔ)建立的計(jì)算方法稱為運(yùn)動(dòng)壓頭法有效壓頭Syx下降管總阻力有效壓頭法鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.3兩相流體參數(shù)與計(jì)算10.3.1汽水兩相流的基本參數(shù)1.蒸汽含量質(zhì)量含汽率x

：容積含汽率β

：（10-14）

（10-15）

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)截面含汽率φ

：（10-16）

（10-17）

（10-18）

水的流通截面積A’所占的流通截面積份額：

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)2．蒸汽和水的折算速度及真實(shí)速度蒸汽折算速度w0″——假定汽水混合物中的蒸汽單獨(dú)流過整個(gè)管道截面時(shí)的蒸汽速度：水的折算速度w0′：（10-19）

（10-20）

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)蒸汽的真實(shí)速度w″：水的真實(shí)速度w′：滑移比s：（10-21）

（10-22）

（10-23）

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)通過試驗(yàn)，可確定s，則截面含汽率：循環(huán)流速（假設(shè)質(zhì)量流量相同的飽和水流過整個(gè)管道截面所具有的流速：（10-24）

（10-25）

表明質(zhì)量（容積）含氣率）與截面含氣率之間的關(guān)系鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)3．汽水混合物的密度和速度（10-27）

（10-26）

汽水混合物的速度為：鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.3.2汽水兩相流的流型和傳熱1.垂直上升管內(nèi)的流型（1）泡狀流（2）氣泡向管中心聚集，形成彈狀流。（壓力很高時(shí)，不會(huì)形成）（3）彈狀流液體被擊碎，形成環(huán)狀流（4）霧狀流或彌散流

圖10-7垂直管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流沸騰換熱鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)膜態(tài)沸騰（易發(fā)生在F區(qū)）蒸發(fā)管內(nèi)隨著汽、水兩相流中含汽率的增大，附壁水膜逐漸減薄，當(dāng)水膜被撕破且汽流核心夾帶的散狀水滴幾乎又不回落到管壁時(shí)，管壁便被一層過熱蒸汽覆蓋，導(dǎo)致管壁對(duì)工質(zhì)放熱系數(shù)急劇下降，壁溫急劇上升的管內(nèi)傳熱模式。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)2.管內(nèi)傳熱過程

A單相液體強(qiáng)制對(duì)流換熱區(qū)

B表面沸騰區(qū)

C飽和核態(tài)沸騰區(qū)

D雙相流體強(qiáng)制對(duì)流換熱區(qū)E干涸點(diǎn)

F欠液區(qū)

G單相蒸汽強(qiáng)制對(duì)流換熱鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)3.管壁溫度分布管壁溫度沿管長(zhǎng)的變化取決于局部放熱系數(shù)。在單相水和表面沸騰區(qū)，壁溫與工質(zhì)溫度差值不大。進(jìn)入飽和核態(tài)沸騰和雙相強(qiáng)制對(duì)流換熱區(qū)，管子內(nèi)壁溫度只比工質(zhì)溫度高幾度。水膜干涸消失時(shí)，壁溫卻因傳熱惡化而飛升。干涸后，壁溫與α2的變化有關(guān)，若質(zhì)量流速較高，α2增加，壁溫飛升后即逐漸有所降低；反之，壁溫可能持續(xù)增加。雖然過熱蒸汽區(qū)的α2增加，但蒸汽溫度在吸熱后不斷增加，故壁溫也隨之不斷增高。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)4.水平管內(nèi)的流型和傳熱圖10-8水平管內(nèi)的流動(dòng)形式鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.3.3汽水兩相流動(dòng)阻力的計(jì)算1.均相模型及摩擦阻力計(jì)算方法

(1)均相模型及其公式（10-28）

（10-29）

當(dāng)流動(dòng)處于阻力平方區(qū)時(shí)：碳鋼及珠光體合金鋼管：k=0.06mm,對(duì)奧氏體鋼管，k=0.008mm,dn單位為mm鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)(2)以均相模型為基礎(chǔ)的公式西安交通大學(xué)提出摩擦阻力校正系數(shù)的計(jì)算方法如下：

1)汽水混合物質(zhì)量流速ρw=1000kg/(m2.s)2)汽水混合物質(zhì)量流速ρw<1000kg/(m2.s)（10-30）

（10-31）

（10-32）

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)3)汽水混合物質(zhì)量流速ρw>1000kg/(m2.s)①不受熱段，ψ值按圖10-9（a）查??；②受熱管段，平均含汽率x=(xc+xr)/2，ψ值按圖10-9（b）查?。寒?dāng)xc-xr<0.1時(shí)：當(dāng)xc-xr≥0.1時(shí)：（10-33）

（10-34）

（10-35）

鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)圖10-9汽水混合物摩擦阻力公式中ψ線算圖（a）不受熱管；（b）受熱管鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)2.分流模型及重位壓降計(jì)算方法分流模型氣液兩相流的主要流型為泡狀流和環(huán)狀流。假設(shè)：水靠管內(nèi)壁流動(dòng)，面積為F’；汽在管中心流動(dòng)，面積為F”水和汽之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其真實(shí)速度分別為w’和w”圖10-10汽水兩相的分流模型鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)2.分流模型及重位壓降計(jì)算方法(2)重位壓差計(jì)算汽水混合物密度圖10-10汽水兩相的分流模型kg/m3（10-36）

（10-37）

（10-38）

以截面含氣率表示的汽水混合物密度重位壓力降計(jì)算公式鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)3.兩相流體流動(dòng)局部阻力計(jì)算4.兩相流體流動(dòng)加速壓降計(jì)算5.流動(dòng)機(jī)構(gòu)模型（10-39）

（10-40）

基于均相模型，

ζ為局部阻力系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定加速壓降是由于受熱而引起的動(dòng)量變化，等于出口截面與進(jìn)口截面動(dòng)量之差鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.4自然循環(huán)水動(dòng)力計(jì)算與安全10.4.1自然循環(huán)水動(dòng)力的計(jì)算1.循環(huán)回路

簡(jiǎn)單回路與復(fù)雜回路鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)一個(gè)下降管系統(tǒng)單獨(dú)與一個(gè)水冷壁管屏組成的回路，稱為簡(jiǎn)單回路多個(gè)管屏共用一個(gè)下降管系統(tǒng)的回路則稱為復(fù)雜回路。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)（1）壓差法自汽包水位至下聯(lián)箱中心之間的下降管系統(tǒng)的總壓差與上升管系統(tǒng)的總壓差分別為：圖10-12簡(jiǎn)單回路的分段實(shí)例

（10-41）

（10-42）

（10-43）鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)按照?qǐng)D10-12所示的上升管分段情況，上升管系統(tǒng)的重位壓頭和加速壓降、阻力損失可分別用下式表示：

（10-44）

（10-45）

（10-46）鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)（2）壓頭法如圖10-13所示的分段情況，回路的運(yùn)動(dòng)壓頭和有效壓頭分別為:

（10-44）

（10-45）圖10-13壓差法確定回路工作點(diǎn)的圖解曲線鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)2．循環(huán)回路特性曲線與工作點(diǎn)（1）簡(jiǎn)單回路自然循環(huán)特性曲線圖解法ΔPxj圖10-14壓頭法確定回路工作點(diǎn)的圖解曲線圖10-13壓差法確定回路工作點(diǎn)的圖解曲線鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)單回路的壓差特性及工作狀態(tài)鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)（2）復(fù)雜循環(huán)回路自然循環(huán)特性曲線圖解法鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)（2）復(fù)雜循環(huán)回路自然循環(huán)特性曲線圖解法圖10-16并聯(lián)上升系統(tǒng)的特性曲線及工作點(diǎn)圖10-15串聯(lián)上升系統(tǒng)的特性曲線鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.4.2自然循環(huán)的自補(bǔ)償特性當(dāng)x不太大時(shí)，運(yùn)動(dòng)壓頭的增加大于流動(dòng)阻力的增加，因此，隨著x的增大，循環(huán)流速增大。此時(shí)，管內(nèi)流量也相應(yīng)增加，稱為循環(huán)回路具有流量正響應(yīng)特性。當(dāng)x增大到一定數(shù)值后，由于汽水混合物的容積流量過大，將出現(xiàn)流動(dòng)阻力的增加大于運(yùn)動(dòng)壓頭增加的狀況，這時(shí)隨著x的增大，循環(huán)流速反而下降，稱為循環(huán)回路具有流量負(fù)響應(yīng)特性。圖10-17循環(huán)流速與上升管質(zhì)量含汽率的關(guān)系鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)自補(bǔ)償能力的進(jìn)一步分析：鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)1.停滯10.4.3自然循環(huán)故障鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.4.3自然循環(huán)故障

2倒流鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.4.3自然循環(huán)故障2.倒流管屏壓差小于受熱管子液柱重位壓差時(shí)，水會(huì)因重力出現(xiàn)倒流。倒流速度較大時(shí)，管子倒不會(huì)燒壞。當(dāng)上升管接到鍋筒蒸汽空間時(shí)，不會(huì)發(fā)生倒流，但會(huì)出現(xiàn)自由液面，此時(shí)，液面上部的管子由于無液膜，容易出現(xiàn)管子燒壞現(xiàn)象。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.4.3自然循環(huán)故障3.下降管帶汽一方面進(jìn)入下降管的實(shí)際流量減少，循環(huán)流量降低；另一方，下降管內(nèi)出現(xiàn)汽水兩相流動(dòng)，工質(zhì)密度減小，使下降管側(cè)的重位壓差降低，流動(dòng)阻力也相應(yīng)增加，Yxj值下降。兩方面因素都會(huì)導(dǎo)致水循環(huán)安全裕度降低，即產(chǎn)生停滯或者倒流的可能性增大。鍋爐原理-10自然循環(huán)鍋爐水動(dòng)力學(xué)10.4.4自然循環(huán)的安全性1.影響安全性的主要因素（1）水冷壁受熱不均或受熱強(qiáng)度過高

受熱弱的管子容易出現(xiàn)停滯或倒流，受熱