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第10章锅炉的水循环锅炉性能优劣取决于锅内过程和炉内过程能否良好配合 组织良好的锅内过程 就是组织管内工质的合理流动 在各种参数条件下都能够使工质从火焰或烟气吸收足够的热量 并且要确保管壁得到充分冷却 水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面的闭合回路中作有规律的 连续的流动过程称为水循环 依靠机械的力量 水泵 便汽水产生循环称为强制循环 依靠水和汽水混合物的密度差形成的汽水循环称为自然循环 1 11 1流型及流动参数11 1 1锅炉水循环方式 锅筒是特征 水质要求低 易调节 临界以下 P高金属耗多 驱动力下降 也称辅助或控制循环 管布置灵活 循环泵工作条件差 各种压力可用 超临界惟一 阻力大 强制与直流的结合产物 2 下降管布置在炉外不受热 由上升管组成的水冷壁布置在炉膛内的四周 紧贴炉墙 上升管中的汽水混合物向上流动 进入锅筒 在锅筒中经汽水分离 explainwhy 汽水混合物中的汽进入蒸汽空间 由蒸汽引出管引出 而水则进入水空间 与送入锅筒的给水混合再进入下降管 再次进行循环 10 1自然循环的基本概念1 循环流动与流型目前我国生产的工业锅炉普遍采用自然循环 锅炉的自然循环回路由锅筒 下降管 水冷壁及联箱组成 如图所示 3 在冷态下 锅筒的下半部和钢管内部都是水 图中a 此时锅筒两侧水管里的水温相同 水是静止不动的 如果两边钢管中间加以隔墙 图中b 同时对左侧钢管加热 随着水温升高 管内水开始流动 水温越高 流动越快 当管内水达到沸点 部分水开始汽化 管内便形成带汽泡的汽水混合物 由于汽水混合物的重度大大低于右侧管内水的重度 因而形成重度差 此重度差 迫使在连通器一侧重度较小的汽水混合物不断上升 而重度大的水不断下降 这就形成了自然循环 4 汽液两相流的流型垂直管内汽液两相流体主要流型 图11 2受热垂直上升管汽液两相流流型 图11 3受热垂直上升管中沸腾时的两相流流型随热流密度增加而变化的示意图1 汽泡状沸腾开始线 2 汽泡状沸腾终止线 3 蒸干线 4 过热蒸汽线 5 水平管内汽液两相流体主要流型 图11 4受热水平蒸发管汽液两相流流型 6 正常情况下 垂直管内蒸汽形成的汽泡 呈乳状悬浮在水中 同水一起向上流动 图a 当管壁附近流动阻力较大时 汽泡趋于阻力较小的管子中间部分 呈柱状上升 图b 当循环流速较小甚至停滞时 即产生图c中的流动情况 图中a b两种流动 使吸热的管璧能及时将热量传给炉水 也使本身不断得到冷却 所以 炉内火焰温度虽然很高 可高达1300C以上 但管壁温度仍然在允许范围内 7 水循环好的锅炉 炉水的升温和汽化快 从点火到达到证常运行的时间就短 反之 水循环不好的锅炉 从点火到达到正常运行的时间就长 所以改善锅炉水循环 是保证锅炉安全 经济运行的关键之一 8 2 运动压头 图2 3中 当左侧钢管加热时 便形成循环流动 如果在下联箱中加一块隔板 见图1 1截面 把左右两管隔开 此时两侧将受到不同的压力 即可产生压力差 这个压力差叫运动压头 如果将隔板拿掉 水开始流动 水流动的方向是从冷管到热管 冷管整个管里的水向下流动 把它叫下降管 热管里的汽水混合物向上流动 叫上升管 炉水由锅筒到下降管 经下联箱到上升管 形成汽水混合物再回到锅筒 构成一个循环回路 9 3 有效压头 流体受热后产生的运动压头 用来克服上升管和下降管的全部阻力损失 因此 运动压头克服了上升臂阻力损失后 剩余的压头去克服下降管内的阻力损失 这部分克服下降管阻力损失的压头 叫有效压头 10 4 循环流速 锅炉水冷壁或对流管簇工作的目的是 有足够的水流经这些受热面 把热量带走 管内工质流速高 工质放热系数大 就能更好地把管壁传来的热量带走 反之 如果工质不流动或流动很慢 不能把管壁热量很快带走 管壁温度就会升高 以致过热烧坏 因此 锅炉水循环的好坏 常用循环流速来判断 进入上升管的水流量 容积流量 除以上升管流通截面积所得的值 即为循环流速 11 5 循环倍率 在上升管中每产生1kg的蒸汽 需要由下端进入钢管的水量为多少kg 也可以说 进入上升管的水流量与同时产生的蒸汽量的比值即为循环倍率 循环倍率大 表示上升管出口段汽水混合物中水的份额大 这样就能保证管壁有足够的水膜来冷却 不致过热烧坏 自然循环锅炉的循环倍率 可按表2 4选取 表2 4自然循环锅炉的循环倍率 12 10 2常见的水循环故障1 循环停滞 当某根上升管由于管壁结渣而受热较弱 这时管内的汽水混合物不流动 或流动很慢 图2 5 此时管内只有汽泡上升 而炉水停滞不动 管内上部 几乎没有水 使管壁没有足够的水膜来冷却 导致管壁烧坏 当发生循环停滞时 管内产生的蒸汽量等于进入管内的水量 循环倍率为1 如果上升管从锅筒水面下接入时 管内随时充满水 发生循环停滞 甚至倒转 也不致发生水管过热烧坏 当上升管从锅筒水面上接入又发生循环停滞时 水管上部几乎无水 水管极易过热烧坏 因此 自然循环锅炉中 除非迫不得已的情况 都将上升管从锅筒水面以下接入 图2 5管外壁结渣引起循环停滞及倒流 13 2 自由水面 上升管从锅筒水面以上接入时 水面至上升管最高点之间的高度 使上升管增加一个提升流阻损失 如果发生循环停滞时 上升管下端水供应不足 而管内的水不断蒸发 钢管上部只有汽 没有水 并出现一个水面 图2 6 这个水面叫做自由水面 水面附近的管壁 受汽 水交替接触 管壁温渡发生交替变易使管璧强度减弱而造成破裂 图2 6水循环不正常流动情况 14 3 循环倒流 循环倒流是指原来工质向上流的上升管 变成工质自上向下流动的下降管 见图2 5 它发生在上升管或上联箱自锅筒水面以下接入的锅炉中 此时 如果自上向下流动的炉水量多 管壁仍可得到冷却 而不致过热烧坏 但当工质倒流时 流速很低 流量小 汽泡有向上流动的趋势 而水有往下流的趋势 结果使汽泡处在不上不下的状态 图2 6a 这些汽泡附着在管壁上 就可能导致管壁过热而烧坏 产生循环倒流的原因是 下降管的流阻过大 下流水量不能满足上升管的需要 或者由于循环回路的有效压头升高 而受热弱的部分上升管流动压头减小 水流最也逐渐减小 以至发生倒流 这时受热弱的上升管便成了下降管 当水沿着上升管向下流动时 也要产生一部分蒸汽泡 此蒸汽泡要往上流 即产生两相运动 如果蒸汽泡的流动速度趋近于零时 可能附着在某处管壁 引起管壁过热烧坏 15 4 汽水分层 当汽水温合物在水平或倾斜度小的管中流动时 受汽水重度差的作用 蒸汽倾向于在管内上部流动 炉水倾向于在管内下部流动 当循环速度很低时 会产生清晰的分界面 这个现象叫汽水分层 图2 7 在垂直管里一般不会发生汽水分层 当汽水混合物流速较大时 即使在倾斜管段上 由于汽水相互搅动的作用 也不致产生汽水分层 当管内出现汽水分层时 由于处在分界面上部的蒸汽导热系数很小 管璧得不到冷却 有可能过热烧坏 处在分界面下部的管壁 由于炉水的冷却 不致烧坏 处在汽水分界面的管壁 由于受到汽水交替接触 易使金属发生疲劳而造成损坏 16 10 3自然循环回路的水动力基本方程1 循环回路循环回路一般由下降管 上升管 锅筒 集箱及其他部件所组成 循环回路通常可分为简单回路和复杂回路 17 1 循环回路 图12 2复杂循环回路1一下降管 2一引入管 3一后墙水冷壁 4一防渣管 5一引出管 6一前墙水冷壁 7一侧墙水冷壁 图12 1简单循环回路 并联的一组 根 下降管 一组 根 几何结构尺寸及吸热相同的上升管 及其他部件所组成的独立循环系统 由一系列回路所组成 各回路之间相互有联系 共用其中的某一环节 如上升管 下降管 锅筒 18 2 简单回路的水动力基本方程 稳定流动条件下 回路中任意一个截面上的作用力是平衡的 上升管压差Sss 下降管压差Sxj 简单回路的水动力基本方程 这种计算方法称为压差法 运动压头Syd 总阻力 运动压头是循环回路中产生的水循环动力 以该式为基础进行水动力计算的方法称为运动压头法 有效压头Syx 下降管的流动阻力 有效压头法 19 3 自然循环的重要特征参数 循环流速 循环流量 质量含汽率和循环倍率等循环倍率K是衡量锅炉水循环可靠性的重要指标之一 每根蒸发管 每组管屏 每个循环回路以及整台锅炉都有各自的循环倍率 其数值并不一定相等 循环倍率小意味着上升管中的蒸汽含量大而循环流量小 相应的循环流速w0也就小 当循环倍率小于某一界限值Kjx时 由于水速很低而可能出现传热恶化 甚至循环流速等于零或几乎为零 水循环发生停滞或形成自由水位 从而可能导致蒸发管过烧损坏 20 10 4循环回路的压差特性 在一定的热负荷及结构特性下 压差S和管内流量G 或质量流速 w 的关系称为压差特性或水动力特性 相应曲线称为压差特性曲线或水动力特性曲线 用途 分析自然循环回路的工作原理及其影响因素 确定回路的工作状态 21 1 简单回路的压差特性 图12 3简单回路的压差特性及工作状态 22 2 实际循环回路的压差特性 图12 4上升管压差与吸热量的关系 23 3 自补偿能力 由运动压头法 图12 5上升管循环流量和吸热量的关系 q较低 x较小 循环倍率K较大时 随着q的增加 的增加大于x的增加 Syd的增加大于总阻力 P的增加 回路中的动力大于阻力 使得循环流量G0相应增加 当K大于某一界限循环倍率Kjx时 循环回路具有因上升管吸热量q增加而使循环流量G0随之增加的能力 称为自然循环回路的自补偿能力 24 12 1 3循环回路工作点的确定方法 1 确定循环回路工作点的图解法 图12 6确定工作点的图解法 25 2 复杂回路的压差特性曲线和工作点 其主要步骤为 利用简单回路绘制压差特性曲线的方法 通过计算作出各管组或管子在一定条件下的压差特性曲线 寻找所有回路的共同部分 将各曲线合成 得出整个系统的总特性曲线 并求出回路的总工作点 再按相反的秩序或通过分析 从总工作点反推求得各管组或管子压差特性曲线的工作点 压差特性曲线的合成基于工质的物质平衡和作用于工质上的力平衡两个基本原理 其合成规律为 稳定工况下 串联回路时的流量相等 在相同流量下压差迭加 并联回路的两端压差相等 在相同压差下流量迭加 26 1 并联回路 图12 7并联回路及其特性曲线 27 2 串联回路 图12 8串联回路及其特性曲线 28 3 具有共同引入管不同引出管的复杂回路 图12 9有共同引入管不同引出管的回路及其特性曲线 29 10 5自然循环水动力计算10 5 1水动力计算的目的和内容 目的 为锅炉设计或循环系统变动较大的改装锅炉确定最佳的回路结构 校核锅炉受热面的工作可靠性 并提出提高可靠性的措施 内容和原则 确定循环流量或流速 循环倍率 循环回路的各种压差以及可靠性指标 计算时的受热状况 工质流速 压差等参数均为管组或回路的平均值 但在进行安全性校验时 需按条件最差的管子进行 锅炉在通常的负荷变化范围内对水循环特性影响不大 通常只对额定参数进行计算 对结构特性和受热状况基本相同的回路 可选其中一个回路进行计算 所需要的原始数据分回路的结构特性和热力数据两类 30 10 5 2循环回路的压降计算 1 下降系统压差的计算单相流体力学问题2 上升系统压差的计算单相及两相流体力学问题各种阻力 摩擦 局部 的确定 31 10 5 3水动力计算方法和步骤 根据热力计算结果及结构数据等假定循环倍率 计算锅筒水的欠焓确定工作点求出循环倍率及锅筒水欠焓 与假定值比较进行水循环可靠性校验 提出改进措施 32 10 6自然水循环的可靠性10 6 1上升管内工质的流动停滞和倒流 考察上升管组引入锅筒水空间时的情况 由于并联上升蒸发管组的各管均在同一工作点的压差S0下工作 即S0是一个常数 则若存在并联管的吸热不均匀性 在锅炉的自补偿能力范围内 当某管受热弱时 该管中工质的平均密度增大 其重位压降也增大 由于工作点S0不变 则该管的流动阻力减小 即流量减小 当该管的重位压降刚好等于S0时 则偏差管内工质的流速为零 当该管的重位压降大于S0时 则工质的流动改变方向 成为受热的下降流动管 Z为结构特参数 向上流动取正号 向下流动取负号 33 图12 13全压差特性曲线 由上式可得全压差特性曲线 34 1 停滞 当某管内工质的重位压头增加到等于工作点压差时 该管内流速为零 称为流动停滞 此时 管内水几乎不动 蒸汽靠浮泡流动进入锅筒 即进口水流量G与出口蒸发时D相等 K 1 压差特性曲线在流量G 0 D的区间为流动不稳定区域 因为流量极低时 产生的蒸汽在管内积聚 使平均密度急剧减小 重位压降减小而S0不变 即循环动力增加 因此流量增加 而流量增加后含汽率又减小 平均密度大 重位压差增大而使流量又减小 这使得流量一直处于波动状态 当上升管引入锅筒的蒸汽空间时 循环停滞时将在受热弱的上升管中形成自由水面 35 2 倒流 当受热上升管内的工质改变流动方向而向下流动时 称为倒流 不稳定工作点 36 10 6 2循环可靠性校验 1 水循环可靠性指标自然水循环可靠性指标是保证所有的水冷壁管子都具有足够流量且得到正常和充分的冷却 排除危险工况 循环停滞或自由水面 循环倒流 下降管内的工质带汽或汽化 循环倍率过小 有可能出现沸腾传热恶化 锅炉的水质成分不合格 含盐量过高 37 2 停滞 倒流压差校验 不发生停滞的条件不发生自由水面的条件不发生倒流的条件 38 小结 水循环故障总是出现在受热弱的管子中上升管引入水空间时 停滞时水速为零 但有一定产汽量上升管引入汽空间时 发生自由水面上升管引入水空间时 可能发生倒流 若能带走汽泡 工作是安全的 但不允许上升管引入汽空间时 不会发生倒流 39 10 6 3水循环可靠性分析1 循环可靠性的影响因素 1 压力的影响低压时 S2 重位压差小而流阻大 倒流压差低 停滞比倒流易发生 压力提高 S1 重位压差增大而流阻减小 在正流量区压差的变化非常有限 而倒流压差增大较多 与低压压差曲线间的差距较大 则倒流较易发生 压力提高 汽水间密度差减小 循环倍率和循环流速均下降 且循环倍率的变化幅度比循环流速的变化幅度大 图12 15压力及热负荷对循环可靠性的影响 40 2 热负荷的影响由于q不均匀 工作在同一S0下 受热最弱管中流量最小 其工作点最接近停滞压差或最大倒流压差 最易发生停滞 自由水位或倒流 受热弱管的S1比受热强管曲线S2的工作可靠性要差 高q时 倒流曲线比较平缓 甚至没有最高点 因此停滞比倒流更易发生 当q降低时 重位压差增加而流动阻力减小 使得压差曲线向上移 向上流动的压差变化较小 而负流量区压差增加很快 且曲线的弯曲较大 最大倒流压头可能比停滞压头大 即倒流较易发生 图12 15压力及热负荷对循环可靠性的影响 41 3 回路阻力的影响循环回路的流动阻力主要包括三部分 下降管的阻力 水冷壁的阻力及汽水引出管道阻力 图12 16下降管阻力对循环可靠性的影响 图12 17水冷壁阻力对循环可靠性的影响 图12 18汽水引出管阻力对循环可靠性的影响 42 4 下降管含有蒸汽的影响下降管含汽 密度减小 重位压头下降 回路运动压头降低 变成两相流动而阻力增大 当下降管内水速较小时 不易带走蒸汽泡 带汽的可能原因 进入下降管的水发生自汽化 锅筒水空间含的蒸汽被直接带入下降管 旋涡斗将蒸汽吸入下降管中 下降管受热产生蒸汽 43 2 提高水循环可靠性的措施 1 设计时 必须保证受热弱管的工作点压差大于停滞 自由水面及最大倒流压差 2 根据热负荷的强弱划分循环回路 3 减小循环回路的流动阻力 4 防止下降管带汽 44 流动压头的大小 决定于水和汽水混合物的重度差与回路的高度 因此 在锅炉设计中 应避免出现受热死角 同时 又要保证回路的高度 当锅炉工作压力在