鍋爐原理課件：強制循環(huán)鍋爐水動力特性

鍋爐原理強制循環(huán)鍋爐水動力特性直流鍋爐1直流鍋爐的水動力特性23 復合循環(huán)鍋爐強制循環(huán)鍋爐4一、直流鍋爐概述1/52一、直流鍋爐概述2/52鍋爐分類自然循環(huán)鍋爐：依靠汽水密度差推動工質(zhì)在爐膛受熱面內(nèi)循環(huán)。強制循環(huán)鍋爐：依靠外力(水泵)推動使工質(zhì)在爐膛受熱面內(nèi)循環(huán)?！?/p>

直流鍋爐：工質(zhì)在管內(nèi)一次通過并變成熱蒸汽。¤

復合循環(huán)鍋爐：¤

強制循環(huán)鍋爐：內(nèi)容1、工作原理2、優(yōu)點和缺點3、水冷壁的結(jié)構(gòu)形式4、現(xiàn)代直流鍋爐采用的形式3/52一、直流鍋爐概述一、直流鍋爐概述1、工作原理直流鍋爐沒有汽包，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。4/52一、直流鍋爐概述沿管子長度方向工質(zhì)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，相應的飽和溫度隨著壓力的降低也降低一些。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5/522、優(yōu)點和缺點直流鍋爐的優(yōu)點：①適合于任何壓力，壓力越高，穩(wěn)定性越好。②采用給水泵來輸送工質(zhì)，能克服更大阻力，所選用工質(zhì)流速可以高些，管子直徑也可以小些。采用小管徑且不用汽包無鍋筒，鋼材耗量少20~25%，重量輕，支撐簡單。③由于強制工質(zhì)流動，蒸發(fā)受熱面布置比較自由，不一定垂直布置。④啟動快，停爐時間短。6/52一、直流鍋爐概述直流鍋爐的缺點：①給水泵的耗電大。②給水品質(zhì)要求高。③自動調(diào)節(jié)性能要求高。④要用啟動旁路系統(tǒng)。7/52一、直流鍋爐概述一、直流鍋爐概述3、水冷壁的結(jié)構(gòu)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8/52一、直流鍋爐概述a.

拉姆辛式(水平圍繞管圈式)多根平行管子組成管帶，沿爐膛四周圍繞，三面水平，一面傾斜，盤旋上升。管帶的寬度取決于管子的直徑和平行工作的管數(shù)。管帶越寬，各平行管子之間的受熱不均將越大。鍋爐容量較大時，常將管子分成幾個管帶。主要優(yōu)點：金屬用量少；爐膛寬、深方向熱負荷不均基本不會增大熱偏差；管子很長，水動力穩(wěn)定。主要缺點：安裝組合率低，現(xiàn)場工作量大；爐膛高度方向熱負荷會增大管帶熱偏差；不適用于大容量鍋爐。水平圍繞單管帶9/52一、直流鍋爐概述b.

蘇爾壽式(回帶管圈式)回帶管圈式水冷壁由多行程迂回管圈組成，按布置方式分為上下迂回的垂直回帶管圈和水平向上迂回的水平回垂直-水平回帶圈聯(lián)合布置垂直回帶管屏10/52水平回帶管屏帶管圈。回帶管圈式水冷壁無下降連接管，節(jié)約金屬。管子很長，熱偏差較大，不適于膜式水冷壁的結(jié)構(gòu)。垂直回帶管圈的流動穩(wěn)定性較差，不易疏水和排汽，工質(zhì)流速低時可能發(fā)生停滯和倒流。一、直流鍋爐概述c.

本生式(垂直管屏式)水冷壁很像自然循環(huán)鍋爐，對于容量較小的直流鍋爐，為使管內(nèi)有足夠的水流量，通常采用如圖所示的多次串聯(lián)上升管屏，整臺鍋爐水冷壁可由一組或幾組管屏構(gòu)成。容量較大的直流鍋爐，爐膛周界相對較短，工質(zhì)在垂直管屏中采用一次上升(簡稱通用壓力、即UP型鍋爐)，也能使水冷壁管內(nèi)有足夠的質(zhì)量流速。垂直上升管屏式鍋爐垂直管屏11/52一、直流鍋爐概述4、現(xiàn)代直流鍋爐采用的形式鍋爐向大容量、高參數(shù)發(fā)展；采用膜式壁；滑參數(shù)運行和給水處理技術(shù)發(fā)展。直流鍋爐形式有了很大變化。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。螺旋圍繞上升管屏式水冷壁12/52直流鍋爐1直流鍋爐的水動力特性23 復合循環(huán)鍋爐強制循環(huán)鍋爐4二、直流鍋爐的水動力特性13/52直流鍋爐與自然循環(huán)鍋爐生產(chǎn)過程的主要差別在鍋內(nèi)過程，而爐內(nèi)過程基本相同。爐膛蒸發(fā)受熱面內(nèi)工質(zhì)流動特性不同。水動力特性：指受熱面系統(tǒng)內(nèi)當熱負荷一定時，蒸發(fā)管內(nèi)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(nèi)的水動力特性的三個問題：①

水動力不穩(wěn)定性；②

脈動；③

熱偏差。14/52二、直流鍋爐的水動力特性內(nèi)容1、水動力不穩(wěn)定(多值性)問題2、影響鍋爐水動力多值性因素分析3、水平蒸發(fā)管水動力多值性的防止措施4、蒸發(fā)管中的脈動15/52二、直流鍋爐的水動力特性1、水動力不穩(wěn)定性(多值性)問題蒸發(fā)管內(nèi)流體流動的穩(wěn)定性可用總壓力損失與質(zhì)量流量的函數(shù)式表示，即?p

=

?

ρw

。如果管子系統(tǒng)中一個壓降值只對應于工質(zhì)流量值，這種流動就是單值性的。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(zhì)熱物理特性的變動、即當流量和重位壓頭時工質(zhì)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(chǎn)生流量偏差及熱偏差，嚴重時，使管子燒壞。16/52二、直流鍋爐的水動力特性二、直流鍋爐的水動力特性進口水有欠焓時，受熱管中工質(zhì)參數(shù)的變化17/52水平蒸發(fā)管中流動的不穩(wěn)定性蒸發(fā)管內(nèi)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(nèi)的壓力損失主要來自于流動阻力損失。二、直流鍋爐的水動力特性帶熱水段的蒸發(fā)管中的壓力損失由兩部分組成：λ?p=?prs

+

?pzf= ρw2vrs

rs2d 2d2vλ? l + ρw ? lzf

zf式中，λ為阻力系數(shù)，d為管內(nèi)徑。vrs20? =

1 v +vY 為熱水段的平均比容，可近似認為vrs

≈

vY

。v?zf為蒸發(fā)段的平均比容，假設管子沿長度均勻受熱，則v?zf=vY+x vYY?vY2式中，x為管出口質(zhì)量含汽率。若管子單位長度熱負荷為ql

=

Q/l，可推算熱水段的長度為G ?i ρw ?lrs

= iY

?

i0 l

=Q ql18/52二、直流鍋爐的水動力特性式中，i0

為進口水比焓，?i為進口水欠焓，Q為管子吸熱量，G為單位時間工質(zhì)流量，f為管子流通截面積。相應的蒸發(fā)段長度為lzf=l?

lrs出口質(zhì)量含汽率x可以表示為1x

=r G r ρw ?Q 1 ql·

l?

?i = ?

?i式中r為飽和水的汽化潛熱。將vrs、v?zf

、lrs、lzf和x代入?p，并按

ρw

的方次合并，則得壓力損失的立方式：?p

=

A ρw 3

?

B ρw 2

+

C ρw19/52二、直流鍋爐的水動力特性在一定的熱負荷下，管屏的壓差與質(zhì)量流量的關系式為：?p

=

A ρw 3

?

B ρw 2

+

C ρw式中：

vFF–vFA

=Δi2?, B=

lvFF–vFΔi vFF–vF

l2ql?

vY

, C

=4dqlr 2d r 4d?r管子進口水沒有欠焓時(Δi

=

0)，系數(shù)A

=

0，同時系數(shù)B改變符號，這時?p式?p

=

?B ρw 2

+

C ρw為一個二次方式，?p隨ρw單調(diào)增加，說明水動力特性是單值性的。20/52二、直流鍋爐的水動力特性穩(wěn)定(1)和不穩(wěn)定(2)的流動特性21/52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(zhì)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、直流鍋爐的水動力特性?p~λρw22v因此，在

w

<

(

w)q和

w

>(

w)s區(qū)間內(nèi)，?p隨ρw單調(diào)增加?？紤]具有三個實根的情況：在受熱一定而水流量很小時，即ρw

< ρw q

時，管內(nèi)全行程為過熱段，管出口都為蒸汽；當水流量很大時，即ρw

> ρw s

時，管內(nèi)全行程為熱水段，管出口都為水；※

以上兩種極端情況下的阻力特性為管子出口為汽水混合物范圍的阻力特性22/52二、直流鍋爐的水動力特性當管出口為汽水混合物時，

即在

ρw

s

<

ρw

<ρw

q范圍內(nèi)，管內(nèi)包括熱水段和蒸發(fā)段，這種情況下流動可能是多值性的(不穩(wěn)定的)。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(chǎn)生流量偏差及熱偏差，嚴重時，使管子燒壞。23/52二、直流鍋爐的水動力特性流動多值特性是由于在受熱不變時，增大欠焓水的流量會使熱水段增長，由于加熱水的熱量增多，而產(chǎn)生蒸汽的汽化熱減少，使管子出口的工質(zhì)流速降低。這樣，當增加欠焓水的流量時，

熱水段的流動阻力?prs

增大，而蒸發(fā)段的流動阻力?pzf減小。根據(jù)?prs和?pzf的不同比例，管路的總流動阻力可能隨流量而增大，或者在一定流量范圍內(nèi)下降，這就造成了產(chǎn)生流動多值性的條件。進口欠焓水流量對工質(zhì)出口流速的影響(G1<G2<…<G6)24/52二、直流鍋爐的水動力特性2、鍋爐水動力多值性的影響因素2.1

工質(zhì)壓力的影響多值性出現(xiàn)的主要原因是由于汽和水的比容不同，隨壓力的升高比容差(vYY

?

vY

)將減小，流動趨于穩(wěn)定。數(shù)學上，

隨壓力升高，

汽和水的比容差(vYY

?

vY

)減小，壓力特性方程中的二次項系數(shù)B

由正變?yōu)樨撝担?/p>

?p

變?yōu)棣褀

的單值函數(shù)，水動力多值性消失。壓力對水動力穩(wěn)定性的影響(P1<P2<P3)25/52二、直流鍋爐的水動力特性2.2

進口水欠焓的影響多值性出現(xiàn)的條件是熱水段的存在，即進口水存在欠焓。因此，提高進口水溫，降低進口水欠焓Δi，有助于流動穩(wěn)定。但進口水溫如接近飽和水溫，可能在工況變化時造成汽水的分配不均。數(shù)學上，隨欠焓Δi降低，壓力特性方程中的二次項系數(shù)B由正變?yōu)樨撝担?/p>

?p變?yōu)棣褀

的單值函數(shù)，水動力多值性消失。進口水欠焓對水動力穩(wěn)定性的影響26/522.3熱水段阻力(局部阻力)的影響從前面分析已知：流動多值性的原因主要是在管進口水存在欠焓、出口為汽水混合物時，隨工質(zhì)流量增加，熱水段的流動阻力?prs

增大，而蒸發(fā)段的流動阻力?pzf

減小。根據(jù)?prs

和?pzf

的不同比例，管路的總流動阻力可能隨流量而增大，或者在一定流量范圍內(nèi)下降，造成了產(chǎn)生流動多值性的條件。

。因此，調(diào)整?prs

和?pzf

的比例，即增大熱水段阻力?prs，或降低蒸發(fā)段阻力?pzf，將有助于流動穩(wěn)定。數(shù)學上，壓力方程中的二次項系數(shù)B中的正項來源于?pzf

，降低?pzf

，系數(shù)B趨向與由正值為負值，?p變?yōu)棣褀

的單值函數(shù)，水動力多值性消失。27/52二、直流鍋爐的水動力特性二、直流鍋爐的水動力特性2.4

熱負荷q的影響提高熱負荷，相當于減小了工質(zhì)欠焓。因此，提高熱負荷，流動趨向穩(wěn)定；而熱負荷越低，越容易發(fā)生水動力多值性。數(shù)學上，隨熱負荷增加，壓力特性方程中的三次項系數(shù)A減小，而一次項系數(shù)C增大，壓力特性曲線變得更陡一些，?p趨向變?yōu)棣褀

的單值函數(shù)，水動力多值性消失。熱負荷對水動力穩(wěn)定性的影響28/52二、直流鍋爐的水動力特性29/523、水平蒸發(fā)管水動力多值性的防止措施①

提高質(zhì)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(zhì)欠焓⑤

減小受熱偏差⑥

控制水冷壁熱負荷二、直流鍋爐的水動力特性30/524、蒸發(fā)管中的脈動4.1

蒸發(fā)管脈動的形式直流鍋爐在運行中，總會發(fā)生某些影響穩(wěn)定工況的因素，從而引起工質(zhì)流量的變動。當工質(zhì)流量呈周期性波動時，就稱為脈動。不論平置或立置管屏，均會發(fā)生脈動現(xiàn)象，而且在鍋爐啟動和低負荷時更易發(fā)生。脈動現(xiàn)象有三種表現(xiàn)形式，其中以管間脈動居多：管間脈動管屏(管帶)間脈動整體脈動二、直流鍋爐的水動力特性管間脈動：蒸發(fā)管屏進、出口聯(lián)箱的壓力和總流量基本不變情況下，管子中的流量時大時小，不停脈動；某些管子水流量增大時，另一些管子水流量減少；發(fā)生脈動時，雖聯(lián)箱間壓差不變，但沿蒸發(fā)管長度工質(zhì)壓力分布將發(fā)生變動；脈動一旦發(fā)生便能自動地以一定頻率持續(xù)下去，頻率的大小與管子受熱、結(jié)構(gòu)以及工質(zhì)參數(shù)有關。脈動周期為幾十秒至幾分鐘。蒸發(fā)管脈動示意圖31/52二、直流鍋爐的水動力特性管屏間脈動：在并聯(lián)管屏之間也會出現(xiàn)與管間脈動相似的現(xiàn)象。這時進、出口總的流量以及總的壓降并無顯著變化，但在各管屏間有流量脈動。鍋爐整體脈動：直流鍋爐的所有管組中發(fā)生整體脈動，并引起各處工質(zhì)參數(shù)的迅速變動，這時在所有管子的相應截面中，流體參數(shù)發(fā)生同步變化。這種脈動的幅度是變化的，是衰減型的，當擾動停止時脈動就消除。直流鍋爐的整體衰減性脈動32/52影響管間脈動的因素影響水平蒸發(fā)管脈動的因素有管圈結(jié)構(gòu)特性、壓力、進口欠焓，質(zhì)量流速和熱負荷等。試驗研究表明，管間脈動的主要影響因素之一是熱水段與蒸發(fā)水段阻力之比?prs/?pzf。比值增大則脈動幅度減小。外因：蒸發(fā)開始處的局部熱負荷突然升高；內(nèi)因：由于局部壓力的升高，造成工質(zhì)及金屬的蓄熱變化。33/52二、直流鍋爐的水動力特性脈動的危害使管壁溫度發(fā)生周期性變化，引起疲勞破壞。汽溫不易控制，易導致管壁超溫。造成管屏的機械振動，引起機械應力破壞。34/52二、直流鍋爐的水動力特性二、直流鍋爐的水動力特性4.3防止脈動的具體的技術(shù)措施①

提高進口壓力：工作壓力高，汽水的差別減小，不易發(fā)生脈動；②

提高進口工質(zhì)的流量(

滿足推薦的最小界限質(zhì)量流速)；沿管長的壓力變化I?無脈動；II?有脈動；3?流圈中壓力變化1?進口聯(lián)箱；2-出口聯(lián)箱；2-節(jié)流閥35/52③

加大加熱水段的阻力（加裝節(jié)流圈），則水回流的阻力增大，不易發(fā)生脈動。④

降低蒸發(fā)點的熱負荷和熱偏差：蒸發(fā)點的熱負荷減小，可避免局部壓力的大幅度變化；熱偏差的減小，可減小流量偏差。⑤

防止脈動性燃燒：燃燒放熱呈脈動時，熱水段和蒸發(fā)段也會呈現(xiàn)脈動性。⑥

選用較陡水泵特性的給水泵：壓力有所變化時，流量變化不大。36/52二、直流鍋爐的水動力特性直流鍋爐概述1直流鍋爐的水動力特性23 復合循環(huán)鍋爐強制循環(huán)鍋爐4三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐37/52內(nèi)容1、產(chǎn)生的背景2、全負荷(低倍率)再循環(huán)鍋爐3、部分負荷再循環(huán)鍋爐38/52三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐1、產(chǎn)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(zhì)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(zhì)在水冷壁內(nèi)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39/52三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐40/52此外，鍋爐啟動時為了保護水冷壁，管內(nèi)的工質(zhì)流量也要維持一最低流量，即額定負荷時工質(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)送回，與給水混合后再流入蒸發(fā)管。這樣，流經(jīng)蒸發(fā)管的工質(zhì)由兩部分組成：由給水泵來的工質(zhì)和再循環(huán)泵來的工質(zhì)。這種鍋爐的循環(huán)倍率大于1。三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐41/52與直流鍋爐相比，復合循環(huán)鍋爐具有如下特點：即使容量較小300~600MW的機組，也可選用較大的水冷壁，并采用一次上升式管屏。由于再循環(huán)泵使水冷壁工質(zhì)流量增大，所有額定負荷時的質(zhì)量流速可選用得低些，減小給水泵耗能。鍋爐最低負荷可降到額定負荷的5%左右(保護過熱器所需的流量)，起動旁路系統(tǒng)(主要是為汽機的需要而設置)可按5~10%額定負荷的容量設計。再循環(huán)工質(zhì)使水冷壁進口工質(zhì)的焓提高，工質(zhì)在水冷壁內(nèi)的焓增減少，有利于蒸發(fā)管中工質(zhì)流動穩(wěn)定。由于水冷壁的工質(zhì)流量增大，可不必采用內(nèi)螺紋管。性能良好的再循環(huán)泵是實現(xiàn)復合循環(huán)的關鍵設備。三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐2、全負荷再循環(huán)鍋爐全負荷再循環(huán)鍋爐是在整個負荷范圍內(nèi)均有工質(zhì)再循環(huán)的鍋爐，額定負荷時的循環(huán)倍率只有1.2~2，故又稱為低循環(huán)倍率鍋爐。低循環(huán)倍率鍋爐循環(huán)流量曲線低循環(huán)倍率鍋爐系統(tǒng)示意圖42/52三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐超臨界壓力低循環(huán)倍率系統(tǒng)1?給水泵；2?省煤器；3?水冷壁；5?過熱器；6?混合器；

7?再循環(huán)泵；8?止回閥43/52三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐實例：瑞士蘇爾壽947t/h低倍率循環(huán)鍋爐。最大出力時循環(huán)倍率為1.42。44/52三、低倍率和復合循環(huán)鍋爐3、部分負荷再循環(huán)鍋爐部分負荷再循環(huán)鍋爐在部分負荷(低負荷)時按再循環(huán)原