鍋爐原理課件：鍋爐水循環(huán)方式

鍋爐原理鍋爐水循環(huán)方式自然循環(huán)鍋爐1直流鍋爐23 復合循環(huán)鍋爐強制循環(huán)鍋爐41/34鍋爐分類2/34鍋爐分類(按水循環(huán)方式)自然循環(huán)鍋爐：依靠汽水密度差推動工質在爐膛受熱面內循環(huán)。強制循環(huán)鍋爐：依靠外力(水泵)推動使工質在爐膛受熱面內循環(huán)?！?/p>

直流鍋爐：工質在管內一次通過并變成熱蒸汽?！?/p>

復合循環(huán)鍋爐：¤

強制循環(huán)鍋爐：一、自然循環(huán)鍋爐1、自然循環(huán)原理自然循環(huán)與強制循環(huán)方式之間的差別主要體現(xiàn)在蒸發(fā)受熱面內工質流動的動力來源。自然循環(huán)鍋爐：依靠不受熱下降管中的水與受熱上升管中的工質的密度差驅動工質在一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)中流動。自然循環(huán)方式只能用于臨界壓力以下的鍋爐。下降管水冷壁集箱自然循環(huán)回路汽包3/34循環(huán)回路：工質循環(huán)流動所在的封閉系統(tǒng)稱為循環(huán)回路，一般由下降管、上升管、汽包、集箱及其它部件組成。水在回路中循環(huán)流動時，下降管側壓差Sxj等于上升管側壓差Sss。下降管側壓差：Sxj=ρxjgH?

?pxj上升管側壓差：Sss=ρssgH+

?pss自然循環(huán)回路4/34一、自然循環(huán)鍋爐因此，可得壓差平衡方程式：ρxj?

ρss5/34gH=?pxj+

?pss式中：ρxj,

ρss分別為下降管和上升管中工質的平均密度，kg/m3；?pxj,

?pss分別為下降管和上升管中的工質流動阻力，Pa；H為汽包液位面到下集箱中心高度，m；一、自然循環(huán)鍋爐壓差平衡方程式的左側稱為運動壓頭，用Syd表示為：ρxj?

ρssSyd

= gH=?pxj+

?pss方程式右側為循環(huán)回路的總阻力Σ?p

=

?pxj

+

?pss

。以該式為基礎進行水動力計算的方法稱為運動壓頭法。運動壓頭是循環(huán)回路中產生的水循環(huán)動力，穩(wěn)定流動時用于克服回路中工質的總阻力。一、自然循環(huán)鍋爐6/34運動壓頭減去上升管阻力?pss

，稱為回路的有效壓頭，用Syx表示為：ρxj?

ρss7/34Syx

= gH??pss=

?Pxj以該式為基礎進行水動力計算的方法稱為有效壓頭法。有效壓頭是循環(huán)回路中運動壓頭克服上升管的流動阻力后剩余的部分水循環(huán)動力，穩(wěn)定流動時用以克服下降管的流動阻力。有效壓頭愈大，用以克服的下降管阻力?Pxj

就越大，亦即循環(huán)的水量愈大，水循環(huán)愈強烈。一、自然循環(huán)鍋爐2、自然循環(huán)的特性由重位壓差造成的循環(huán)推動力克服上升系統(tǒng)和下降系統(tǒng)的流動阻力，推動工質在循環(huán)回路中流動?；芈犯叨仍礁?，形成的循環(huán)推動力越大。工質密度差越大，形成的循環(huán)推動力越大。在正常循環(huán)情況下，吸熱越多，密度差越大，工質循環(huán)流動速度越高。壓力越高，汽、水的密度差降低，工質循環(huán)流動速度越低。8/34一、自然循環(huán)鍋爐3、自然循環(huán)回路的壓差特性在一定熱負荷及結構特性條件下，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。由此關系在平面坐標圖上畫出的曲線稱為壓差特性曲線或水動力特性曲線。壓差特性曲線用來分析自然循環(huán)回路的工作原理及其影響因素，也可用來確定循環(huán)回路的工作狀態(tài)。簡單回路壓差特性一、自然循環(huán)鍋爐9/34簡單循環(huán)回路的壓差特性上升管壓差：Sss

=

ρssg?

+

?pss。當熱負荷一定時，隨流量G增大，上升管內單位工質吸熱量減少，含汽率降低，平均密度ρss增大。ρssg?隨G增加而單調增大，

以飽和水的重位壓差ρYg?為其漸近線。上升管流動阻力?pss隨G增加而單調增大。因此，上升管的壓差Sss為一條單調增的曲線。簡單回路壓差特性一、自然循環(huán)鍋爐10/34下降管壓差：Sxj

=

ρxjg?

??pxj。下降管一般不受熱，若下降管中沒有蒸汽，可認為下降管內的重位壓差ρxjg?

為飽和水的重位壓差ρYg?，隨流量G增大為不變的定值。下降管阻力?pxj隨G增加而單調增大。因此，

兩條曲線按壓差相減，下降管的壓差Sxj為一條單調減的曲線。簡單回路壓差特性一、自然循環(huán)鍋爐11/34簡單回路壓差特性自然循環(huán)在穩(wěn)定流動條件下，由于上升管壓差Sss

和下降管壓差Sxj都是單調變化，這兩條曲線必然有一交叉點。根據Sss

和Sxj

相平衡原理，兩曲線的交點即為簡單回路在一定條件下的工作狀態(tài)，

稱為回路的工作點，其工作壓差和循環(huán)流量分別記為SO和GO。12/34一、自然循環(huán)鍋爐實際循環(huán)回路的壓差特性鍋爐的實際循環(huán)回路，蒸發(fā)受熱面都是由若干串、并聯(lián)管子組成管屏。由于鍋爐熱負荷的不均勻性，管子(屏)與管子(屏)之間具有不同的吸熱量，使得各自的重位壓差和流動阻力也不相同，即吸熱量對上升管壓差有很大影響。假定上升管入口為飽和水，管內工質為兩相流體，按均相流模型，上升管壓差為Sss

= ρY

?

? ρY

?

ρYY g?+

ZssρYw2

O21

+

x 1

?ρYρYY式中，

Zss為上升管總阻力系數(shù)，?為截面含汽率，x為質量含汽率。13/34一、自然循環(huán)鍋爐上升管壓差：Sss

= ρY

?

? ρY

?

ρYY g?+

ZssρYw2

O21

+

x 1

?ρYρYY當q較低，x較小(循環(huán)倍率K較大)時，隨q增大，重位壓差先下降得很快，而后下降得較慢，而?pss

則單調上升，綜合作用使得Sss

和q的關系呈現(xiàn)先下降而后上升的趨勢，回路因此具有因上升管吸熱量增加而使循環(huán)流量隨之增加的能力，稱為自然循環(huán)回路的自補償能力。上升管循環(huán)流量vs吸熱量一、自然循環(huán)鍋爐14/34當q較高，x較大(K

<

Kjx)時，q再進一步增加，循環(huán)流量G0減小，循環(huán)回路失去自補償能力。設計自然循環(huán)回路時應使工作的循環(huán)倍率大于界限循環(huán)倍率Kjx，使之處于有自補償能力的范圍內。上升管循環(huán)流量vs吸熱量一、自然循環(huán)鍋爐15/344、自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)故障停滯倒流下降管帶汽膜態(tài)沸騰連續(xù)水膜被破壞水的冷卻汽的冷卻超溫傳熱惡化爆管一、自然循環(huán)鍋爐16/34自然循環(huán)鍋爐1直流鍋爐23 復合循環(huán)鍋爐強制循環(huán)鍋爐417/34鍋爐分類18/34鍋爐分類(按水循環(huán)方式)自然循環(huán)鍋爐：依靠汽水密度差推動工質在爐膛受熱面內循環(huán)。強制循環(huán)鍋爐：依靠外力(水泵)推動使工質在爐膛受熱面內循環(huán)?！?/p>

直流鍋爐：工質在管內一次通過并變成熱蒸汽?！?/p>

復合循環(huán)鍋爐：¤

強制循環(huán)鍋爐：二、直流鍋爐1、工作原理直流鍋爐與自然循環(huán)鍋爐的主要差別在鍋內過程，而爐內過程基本相同。直流鍋爐沒有汽包，給水在給水泵壓頭的作用下，順序流過熱水段、蒸發(fā)段和過熱段受熱面一次將給水全部變成過熱蒸汽，蒸發(fā)區(qū)循環(huán)倍率K=1。直流鍋爐由于沒有汽包，在加熱水和蒸發(fā)受熱面之間，以及在蒸發(fā)和過熱受熱面之間都沒有固定的分界線。19/34水平管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。蒸發(fā)段:汽水混合物的焓繼續(xù)提高，比容急劇增加，壓力降低較快。過熱段:蒸汽焓、溫度和比容均增大，壓力由于流動阻力較大而下降更快。直流鍋爐工作原理20/34二、直流鍋爐2、水冷壁的結構形式早期采用的形式：拉姆辛式(水平圍繞管圈式)蘇爾壽式(回帶管圈式)本生式(垂直管屏式)直流鍋爐水冷壁的基本形式a.

水平圍繞管圈式 b.

回帶管圈式c.

垂直管屏式二、直流鍋爐21/34現(xiàn)代直流鍋爐采用的形式：螺旋圍繞上升管屏式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水冷壁22/34二、直流鍋爐3、直流鍋爐水動力特性水動力特性：指受熱面系統(tǒng)內當熱負荷一定時，蒸發(fā)管內流量與壓降的關系，即函數(shù)式?p

=

? ρw 。直流鍋爐蒸發(fā)受熱面內的水動力特性的三個問題：①

水動力不穩(wěn)定性(多值性)；②

脈動；③

熱偏差。23/34二、直流鍋爐、水動力不穩(wěn)定性(多值性)問題總壓力損失與質量流量的函數(shù)：?p

=

? ρw 。如果管子系統(tǒng)中一個壓降值只對應于工質流量值，這種流動就是單值性的，即?p

=

?

ρw

是個當值函數(shù)。如果一個壓降值對應于兩個或幾個不同的流量值，這種流動就是多值性的—表現(xiàn)為水動力不穩(wěn)定性。多值性的流動特性是由于工質熱物理特性的變動、即當流量和重位壓頭時工質的比容改變造成的。由于出現(xiàn)了水動力特性的多值性，就可能使并列工作的蒸發(fā)管中產生流量偏差及熱偏差，嚴重時，使管子燒壞。24/34二、直流鍋爐蒸發(fā)管內進口水溫對管子中的流動特性有決定性影響。當進口水溫低于飽和溫度時，整根管子分為兩段：熱水段和蒸發(fā)段。兩段的長度取決于熱負荷同水流量的比值。當管子受熱不變和水流量增大時，熱水段增長，而蒸發(fā)段縮短。水平管內的壓力損失主要來自于流動阻力損失。進口水有欠焓時，受熱管中工質的變化25/34二、直流鍋爐穩(wěn)定(1)和不穩(wěn)定(2)的流動特性26/34管子進口水的欠焓Δi

>

0時，蒸發(fā)管帶有熱水段，?p

=

? ρw 是一個三次方式，可能有一個實根和兩個虛根或三個實根。如解為一個實根和兩個虛根，一個?p值對應一個工質流量ρw，流動是單值的(圖中曲線1)。如解為三個實根，一個?p值對應三個不同的流量ρw(圖中曲線2)，這就是流動的多值性，也稱不穩(wěn)定性。二、直流鍋爐3.2、水動力多值性的防止措施①

提高質量流速②

提高啟動壓力③

采用進口加裝節(jié)流圈④

減小進口工質欠焓⑤

減小受熱偏差⑥

控制水冷壁熱負荷27/34二、直流鍋爐自然循環(huán)鍋爐1直流鍋爐23 復合循環(huán)鍋爐強制循環(huán)鍋爐428/34三、復合循環(huán)鍋爐1、產生的背景直流鍋爐有很大的優(yōu)越性，但也有以下的缺點：水冷壁工質流量與鍋爐負荷成正比，為保證低負荷流速大于受熱管冷卻的最小流速，直流鍋爐的最低蒸發(fā)量不能過小，這一最低負荷一般為額定負荷的的25~35%左右。這就導致額定負荷時工質在水冷壁內的流速過高，造成阻力損失過大，給水泵能耗很大。直流鍋爐水冷壁流量與負荷關系29/34此外，鍋爐啟動時為了保護水冷壁，管內的工質流量也要維持一最低流量，即額定負荷時工質流量的25~35%。因此使啟動系統(tǒng)的設備管道龐大復雜，啟動時的熱量損失和工質損失很大。為了克服直流鍋爐的兩點不足，解決上述矛盾，從而產生了復合循環(huán)鍋爐。復合循環(huán)鍋爐帶有再循環(huán)泵，把蒸發(fā)管出口的部分工質送回，與給水混合后再流入蒸發(fā)管。這樣，流經蒸發(fā)管的工質由兩部分組成：由給水泵來的工質和再循環(huán)泵來