单元电厂热力设备及运行第06章锅内流动过程.ppt

,华北电力大学环境科学与工程学院,电厂热力设备及运行,任课教师：杨官平,二一一年一月,封面,自然循环原理及特性 清洁蒸汽获得,第六章 锅内流动过程,第一节 自然循环原理及特性,定义：依靠汽和水的密度差自然形成的循环流动过程，称为自然循环。 研究目的：了解蒸发受热面中水动力流动特性，保证运行安全可靠。 循环回路的组成：由汽包、下降管、下联箱、上升管组成。,一、自然循环的形成,当上升管受热时，部分水蒸发，形成蒸汽。 下降管不受热，管中仍然是水。 由于蒸汽密度小于水的密度，因而上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，形成密度差。此密度差促使上升管中汽水混合物向上流动，下降管中水向下流动，形成自然循环。,图6-1 简单自然循环回路 1-汽包；2-下降管； 3-下联箱；4-上升管,二、压差平衡式,在稳定流动状态下，回路上任意一个截面上的作用力是平衡的。 为了分析问题的方便，取下集箱A-A面作为受力分析面。,二、压差平衡式,上式为简单循环回路压差平衡式。 公式左侧：汽包水面与下联箱在下降管侧的总压差。表明水流过下降管时，由于流动阻力而产生压降，故汽包水面与下联箱间的压差比下降管中水柱重量产生的压差小些。 公式右侧：汽包水面与下联箱在上升管侧的总压差。表明汽水混合物流过上升管时，由于流动阻力而产生压降，故汽包水面与下联箱间的压差要比上升管内汽水柱重量所产生的压差大些。,三、运动平衡方程,Sm-运动压头。 意义：下降管与上升管中工质柱重差，表示自然循环的推动力。 作用：用于克服流动的总阻力。,四、有效压头方程,Sef-有效压头。 意义：循环回路中运动压头克服上升管的流动阻力后剩余的部分水循环动力. 作用:稳定流动时用于克服回路中下降管的流动阻力。 有效压头愈大，用以克服的下降管阻力就愈大，也就是循环的水量愈大，水循环愈强烈。,五、影响运动压头的因素,饱和水与饱和汽的密度差：锅炉压力越大，饱和水与饱和汽的密度差越小，运动压头越小,水循环越困难。 当锅炉压力达到临界压力(22.1MPa)时，饱和水与饱和汽的密度差等于零，运动压头等于零，就不可能维持水循环。实践证明，当锅炉压力大于19.2MPa时，就不能保持稳定的水循环，必须采用强制循环锅炉或直流锅炉。 循环回路高度：循环回路高度越高，运动压头越大，水循环越稳定。 上升管中的含汽率：上升管中的含汽率越大，上升管中的汽水混合物的密度越小，运动压头越大，水循环越稳定。 但蒸汽太多，上升管阻力大，运动压头反而减小，因此存在最佳含汽率。,六、自然循环的可靠性指标 1.循环流速,定义：在循环回路中，按工作压力下饱和水密度折算的上升管入口处的水流速。用w0表示。 意义：循环流速直接反映了管内流动的工质，将管外传入的热量和所产生的汽泡带走的能力，从而说明能否维持管壁温度正常，是判断自然循环安全的重要指标。 在稳定流动中，循环流速不变。 循环流速越大，进入上升管的水越多，从管壁带走的热量及所产生的汽泡越多，管壁的冷却效果越好，管壁就越不会超温，水循环越安全。,2.循环倍率,定义：在循环回路中，进入上升管的水量G与上升管出口的蒸汽量D之比，称为循环倍率K。 K=G/D (6-8) 意义：上升管中每产生1kg的蒸汽需要进入上升管的循环水量，或进入上升管的循环水量需要经过几次循环才能全部变成蒸汽。 循环倍率越大，表明上升管出口汽水混合物中水的份额越大，则管壁水膜稳定，水循环就越安全。 但循环倍率过大，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障。,七、自然循环特性,自然循环特性：热负荷与循环流速之间的关系。 锅炉热负荷Q上升,蒸发量D上升，含汽率X上升，运动压头Sm上升，循环流速w0上升；但Q增加过大，流动阻力上升很快，又将导致循环流速w0下降。 Q增加,Sm增加起主要作用，w0上升；而Q增加过大,阻力增加起主要作用，反使w0下降。,图6-2 循环流速与 热负荷之间的关系,七、自然循环特性,自补偿能力：随锅炉热负荷Q(质量含汽率X)的增加，循环回路水流量G(循环水流速w0)相应增大的能力。 自补偿能力可避免管壁超温。 界限循环倍率Kjx：对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速）时的循环倍率。 界限含汽率Xjx：对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速）时的含汽率。 K过小（X过大），将失去自补偿能力，发生传热恶化,造成管壁超温。 K过大（X过小) ，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障。 回路循环倍率K应大于界限循环倍率Kjx，对应的质量含汽率X应小于界限质量含汽率Xjx 。,七、自然循环特性,表6-1 界限循环倍率和推荐循环倍率,八、自然循环常见故障,水循环故障：在自然循环锅炉的循环回路中，因水循环不正常而导致的炉管损坏的现象，称为水循环故障。 自然循环锅炉蒸发受热面金属安全工作的条件是保证管子内壁有连续水膜覆盖。 受热最弱上升管不出现流动的停滞、倒流、汽水分层等水循环故障。 受热最强上升管不发生沸腾传热恶化。 下降管不出现带汽或汽化。,1.循环停滞,定义：若在受热弱的某根上升管中，循环流速很小，接近于零，该管的循环水量等于蒸发量。 受热最弱的管子最先出现循环停滞。 危害：循环停滞发生后，热量的传递主要依靠热传导方式进行，虽然此时停滞管的受热强度很低，但由于热量不能及时带走，管壁仍会超温。,2.循环倒流,定义：循环流速为负值，即受热上升管内的工质自上向下的流动。 危害：当水的倒流速度与汽泡上浮速度相等，即汽泡处于上、下波动状态而形成蒸汽塞时，会把管子烧坏。,3.下降管带汽,危害：下降管带汽或汽化，会使管中工质密度减小，运动压头下降，对水循环不利。 产生原因： 汽包中的水进入下降管时，因流阻和加速产生压降使进口处发生自汽化。 下降管进口截面上部形成涡漩漏斗状，蒸汽被吸入下 降管中。 汽包水容积内所含蒸汽被带入下降管中。 下降管受热产生蒸汽。,第二节 清洁蒸汽获得,锅炉的任务：产生一定数量和质量的蒸汽。 蒸汽质量：蒸汽压力、温度及蒸汽品质。 蒸汽的品质：即蒸汽的洁净程度，是指1kg蒸汽中所含杂质的数量。通常用蒸汽含盐量来表示蒸汽的洁净程度。单位为g/kg。 蒸汽中的杂质： 气体杂质：O2、N2、CO2等。 非气体杂质：蒸汽的含盐。 蒸汽中杂质含量愈少，蒸汽愈清洁，蒸汽品质愈好。,一、蒸汽污染对电厂热力设备的危害,过热器积盐：杂质沉积在管子内壁形成盐垢，使蒸汽流通截面变小，流阻增加；传热减弱,管壁温度升高，管子过热损坏。 蒸汽管道阀门积盐：可能引起阀门动作失灵、漏汽。 汽轮机的通流部分积盐：改变叶片型线，减少蒸汽流通面积，增加阻力，出力及效率降低；严重时，可造成调速机构卡涩、轴向力增大，破坏转子止推轴承；叶片结盐垢严重，还可能影响转子的平衡而造成重大事故。,二、蒸汽质量监督标准,电站锅炉蒸汽品质按GB/T 12145-2008 火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量中规定的蒸汽质量标准执行。,表6-2 火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量,三、蒸汽污染的原因,蒸汽污染的根源：给水含盐。 给水进入锅炉汽包以后，蒸发受热面中不断蒸发产生蒸汽，使炉水含盐浓度大大超过给水含盐浓度。 蒸汽污染的原因： 蒸汽带水（机械携带）。 蒸汽溶盐（溶解性携带或选择性携带）。 蒸汽污染的原因，对中低压蒸汽，只有机械携带；对高压及以上蒸汽，既有机械携带，又有溶解性携带。,1.选择性携带,定义：饱和蒸汽直接溶解盐分而引起的蒸汽污染。蒸汽对不同盐分的溶解能力不同，蒸汽的溶盐具有选择性。 计算:蒸汽对某种物质的溶解量用分配系数a来表示，分配系数a是指某物质溶解于蒸汽的量（mgkg）与该物质溶解于锅水中的量（mgkg）之比，即:,蒸汽溶盐的影响因素：,盐类：蒸汽对不同盐类的溶解有选择性。 第一类分为硅酸（SiO2、H2SiO3等），其溶解系数最大,当压力超过6MPa时，则应考虑蒸汽溶解硅酸对蒸汽品质的影响。 第二类盐分有NaOH、NaCl、CaCO3等，当压力超过15MPa时，则应在考虑硅酸溶解的同时还应考虑该类盐分的溶解。 第三类盐分有Na2SO4、Na2SiO3等，这是一些难溶的盐分，其溶解系数很低。当压力小于20MPa时，可以不考虑其对蒸汽品质影响。 蒸汽压力：蒸汽的溶盐能力随压力升高而增大。 随着压力提高，蒸气与水的密度差减小，蒸气与水的性质越接近，因而分配系数越大。 炉水的含盐量：炉水的含盐量越高，蒸汽的溶盐能力越大。,2.机械携带,定义：饱和蒸汽携带炉水而引起的蒸汽污染。 计算:蒸汽携带水分可用蒸汽湿度表示。,机械携带的影响因素：,汽包蒸汽空间高度：汽包蒸汽空间高度越小,蒸汽携带水滴越多，蒸汽含盐量增加。 汽包水位：汽包水位越高，汽包蒸汽空间高度越小,蒸汽携带水滴越多，蒸汽含盐量增加。 锅炉负荷：锅炉负荷提高，水空间蒸汽含量增加，水位膨胀加剧，蒸汽空间高度减小，蒸汽携带水滴增多，蒸汽含盐量增加。 炉水的含盐量：随锅水含盐量增加，液体动力粘度和表面张力增大，汽泡与水之间相对速度减缓，使得水空间含汽量增加，水位膨胀，蒸汽空间高度减少，且使水面上的泡沫层增厚。蒸汽携带水滴越多，蒸汽含盐量增加。 汽包压力：随着汽包压力增高，蒸汽与水的密度差减少，汽水分离困难，蒸汽携带水分能力增强，蒸汽含盐量增加。,四、蒸汽净化的措施,汽包内装设汽水分离装置，降低蒸汽对水滴的机械携带。 对蒸汽进行清洗，减小蒸汽溶盐。 增加锅炉排污，降低炉水含盐量。 提高给水品质，减少进入锅炉机组的盐分。 采用分段蒸发，减少蒸汽中含盐量。,五、汽水分离装置,任务:把蒸汽中的水分尽可能地分离出来,以提高蒸汽品质。 分离的原理： 重力分离：依靠汽水的密度差自然分离。 惯性分离：利用汽流改变方向时的惯性力进行汽水分离。 离心力分离：利用汽流旋转运动时的离心力进行汽水分离。 水膜分离：使水粘附在金属壁面上形成水膜流下而进行汽水分离。 汽水分离过程： 粗分离阶段(一次分离阶段):其任务是消除汽水混合物的动能,并进行初步的汽水分离,使蒸汽的湿度降到0.51。 细分离阶段（二次分离阶段），其任务是将蒸汽中的水分作进一步的分离，使蒸汽湿度降低到0.010.03。,汽包内部分离装置,图6-3 汽包内部分离装置 1-汽包；2-旋风分离器；3-给水管；4-清洗装置；5-百叶窗分离；6-受汽孔板,1.内置式旋风分离器,图6-4 内置式旋风分离器 1-进口法兰;2-筒体;3-底板； 4-导向叶片;5-溢流环； 6-拉杆;7-波形板分离顶帽,工作原理：汽水混合物切向进入筒体，产生旋转运动，在离心力作用下将水抛向筒壁。分离出来的水沿筒体壁流入水空间。蒸汽通过顶部波形板分离顶帽，将水汽分离后，进入蒸汽空间。 溢流环：装在圆筒顶部，可以防止上升的蒸汽从筒体上部的薄水膜层中带出水分。 导向叶片：能防止蒸汽从筒体下部穿出并使水缓慢平稳地流入汽包水空间。 波形板顶帽：装在分离器的顶部，再次使汽水分离。,2.百叶窗分离器,图6-5 百叶窗分离器,组成：由密集的波形板组成，又称波形板分离器。 工作原理：蒸汽通过密集波形板曲折通道，蒸汽中的水滴附着在表面水膜上。薄水膜向下流入水空间。 特点：由于它能分离细小水滴，因而将它放在清洗设备之后，作细分离用。,3.受汽孔板,图6-6 受汽孔板,组成：也称为顶部多孔板，布置在汽包的顶部蒸汽引出管之前。 工作原理：通过节流作用，使蒸汽空间各处负荷均匀，用以均衡百叶窗的蒸汽负荷，提高分离效率。,六、蒸汽清洗装置,任务:降低蒸汽中的溶盐，以提高蒸汽品质。 基本原理：让含盐低的清洁给水与含盐高的蒸汽相接触，从而减少蒸汽溶盐，且使蒸汽携带炉水中的盐分转移到清洗的给水中，从而降低蒸汽的机械携带含盐量，使蒸汽的品质得到了改善。,平板式穿层清洗装置的工作原理,图6-7 平板式穿层清洗装置 1-平孔板；2-U型卡,工作原理： 蒸汽自下而上通过孔板，由清洗水层穿出，进行起泡清洗。 给水均匀分配到孔板上，通过挡板溢流到汽包水室。 清洗板上的水层靠一定的蒸汽穿孔速度将其托住。,平板式穿层清洗装置的特点,优点： 结构简单。 阻力损失小。 清洗面积大，清洗效果很好。 缺点： 锅炉在低负荷下工作时，清洗水会从孔板的小孔中漏下，出现干孔板区。,影响蒸汽清洗效果主要因素,清洗水品质：清洗水越干净，清洗效果越好。 清洗水量：给水全部作为清洗水时，使清洗水的品质提高,但会使蒸发受热面负荷增大，使清洗前的蒸汽带水量增加，其含盐量增加，反而不利于清洗。一般只采用40%50%给水作为清洗水。 水层厚度：太薄时，清洗不充分使效果变坏。一般水层厚度以5070mm为宜。,七、锅炉排污,定义：锅炉运行中，将带有较多盐分和水渣的锅水排放到锅炉外。 目的：排掉含盐浓度较高的锅水，以及锅水中的腐蚀物及沉淀物，使锅水含盐量维持在规定的范围之内，以减小锅水的膨胀及出现泡沫层，从而可减小蒸汽湿度及含盐量，保证良好的蒸汽品质。同时，排污还可消除或减轻蒸发受热面管内结垢。 类型： 定期排污 连续排污,1.定期排污,定义：定期排放炉水，主要目的是放掉锅水沉淀下来的水渣，当然也带出溶于锅水中的盐分。 位置：循环回路的最低位置，即沉淀物积聚最多的地方（如水冷壁下部联箱或大直径下降管底部）。,2.连续排污,定义：连续不断地排出一部分炉水，目的是放掉溶解于锅水中的盐分以及锅水表面的浮游物，以获得符合品质要求（含盐量和碱度保持在规定值内）的蒸汽。 位置：锅水含盐量最大的部位。通常是汽包水容积靠近蒸发面处，一般，此部位在汽包正常水位线以下200300mm处。,3.排污率,定义：排污量占锅炉额定蒸发量的百分比。,排污率的大小： 对凝汽式发电厂，排污率为1%2%。 对热电厂，排污率为2%5%。,4.锅炉排污系统,连 扩,定排 扩容 器,除氧器,图6-8 锅炉排污