《锅炉原理》4.doc

锅炉原理第十三章强制流动锅炉及其水动力特性13-1直流锅炉一 直流锅炉的工作原理和特点1直流锅炉的工作原理：在给水泵的压头作用下，工质顺序一次通过加热、蒸发、过热受热面。进口工质为水，出口工质为过热蒸汽。在蒸发、过热受热面之间没有固定的分界线。2强制流动锅炉和自然循环锅炉结构上的不同主要是水冷壁的形式不同。3直流锅炉的优点：（1） 不用汽包，制造方便，降低制造成本，减少钢材消耗量。（2） 没有汽包等厚壁元件，热应力小，惯性小，负荷变化速度快。（3） 强制流动，安全有保障，受热面布置自由。（4） 适合亚临界参数，也适合超临界参数。4需要解决的问题：（1） 对锅炉给水品质要求高。因为不能排污，给水的全部盐分都进入蒸汽，70年代以后化学工业发展，化学处理水的树脂成本降低。（2） 对自动控制系统要求高（工况参数变化太快，不好控制）。（3） 要求有启动旁路系统。启动的时候总要求有流动的水冷却水冷壁，否则水冷壁不安全。在水冷壁的出口还是汽水混合物的时候，必须在启动旁路内进行汽水分离，把蒸汽送往过热器，水回到除氧器。5强制流动锅炉的分类强制流动锅炉6强制流动锅炉水冷壁的型式：水平围绕管圈式（拉母津式）、垂直管屏式（本生式）和回带式三种，见图13-2。13-4强制流动锅炉蒸发受热面的水动力特性一 系统的流动阻力1 在强制流动的受热面中有：流动阻力、重位压头损失、加速压力损失。2 在水平围绕管圈中流动阻力大，重位压头损失小；在垂直管屏中，流动阻力和重位压头损失不相上下。3 用总压力损失与质量流量的函数表示强制流动锅炉受热面的水动力特性。二平置蒸发管中流动的不稳定性1水平围绕管圈是平置蒸发管。在强制流动锅炉运行的时候，平置蒸发管的入口水总是有欠焓的。因而平置蒸发管中有热水段和蒸发段。2公式的推导：（1） 带热水段的蒸发管的压力损失包括热水段阻力和蒸发段阻力两部分，见（13-4）。（2） 代入的方程有热水段平均比容方程（13-5）、蒸发段平均比容方程（13-6）、热水段长度方程（13-7）、蒸发段长度方程（13-8）。（3） 代入后，把方程整理得到 （13-9）其中各个系数是物性系数组成，在（13-10）（13-11）（13-12）中。（4） 用求极值的方法，对方程求导数，令导数为0。得到： （13加-1）这时： 对应三个不同的实根，多值性。 对应三个相同的实根，单值性。 对应一个实根和两个虚根，单值性。水动力单值性的条件是：（5）把系数A、B、C代入方程，得到： （13加-2）本来把系数代入的时候，式子中的符号是小于等于号，但是理论计算不免有误差，于是把符号变成小于号，并且在分母上加一个系数a，保持式子的正确性。这个式子说明：只要管子进口水的欠焓少，水动力特性就能单值。如果管子进口水的欠焓为零，水动力特性肯定单值。这一点从系数中也能看出来，如果管子进口水的欠焓为零，系数A为零，方程为二次方程，水动力特性是单值的。3多值性的主要原因是汽和水的比容不同。4防止水动力特性多值性的措施的本质是增加热水段的阻力，具体方法：加装节流圈和采用梯形管径。5超临界压力下管子进口水焓比临界点的焓低很多的时候，就容易出现多值性。 6应当说不稳定性包括多值性和脉动。但是教科书中只把多值性叫做不稳定性。三立置蒸发管中流动的不稳定性1上升流动中重位压头会改善阻力特性，但是在下降流动中则起到相反的作用。 2在多行程的流动中，随着行程的增多，重位压头的影响减少。四蒸发管中的脉动1脉动的定义：工质流量呈现周期性时就是脉动。2脉动的表现形式：管间脉动、管屏间脉动和整体脉动。3脉动的周期：几十秒到几分钟。4 立置管屏的脉动比平置管圈要严重。5 脉动的危害：因为工质流量变动，管子各区段管壁与不同工质接触，金属发生疲劳；容易引起金属管壁超温。6 脉动的形成原理不清楚。7 防止蒸发管中工质脉动的措施：（1） 在热水段加装节流圈；（2） 使用梯形管径；（3） 采取高质量流速，有的公式（13-20）、（13-21）（4） 在含汽率为1015%的地方安装呼吸箱。（5）电站锅炉水动力计算方法中规定：大于140kg/cm2的时候就没有脉动现象发生。五蒸发管中的热偏差1影响热偏差的因素 吸热不均、流量不均（1）节流圈的影响 在平置管圈中流量不均为（13-28）；相对于未加装节流圈的（13-29）流量不均系数有所增加，热偏差减少。（2）重位压头的影响 上升管屏中流量不均系数为（13-30）；下降管屏中流量不均系数为（13-31），说明重位压头对上升流动有利，对下降流动不利。（3）图13-39中给出不同焓增的情况下，受热不均对流量不均的影响。2减少热偏差的措施（1） 在蒸发管进口加装节流圈；（2） 采用比较高的质量流速；（3） 分成若干并联管组；（4） 减少管组中的工质的焓增，采用中间混合；（5） 组织好炉内燃烧；六其他强制流动锅炉的水动力特性 总的结论是比直流锅炉好。13-1直流锅炉1返回来又讲解第一节，自然和前面讲解的不一样。2主要的不同是知道强制流动锅炉水动力特性以后，应当注意到质量流速的重要性：消除脉动要高的质量流速；减少热偏差要高的质量流速。这样看来高的质量流速很重要。但是蒸发管里的质量流速也不能太高，否则要消耗太多的水泵压头，浪费电力。下面讲课以质量流速为重点，理解讲课内容。一水平围绕管圈式水冷壁（拉母辛式）1水平围绕单管带 见教科书图13-3。水平围绕管圈水冷壁是苏联人拉母辛提出来的所以叫拉母辛式水冷壁。水平围绕单管带四面水冷壁三面水平、一面倾斜，盘旋上升。整个炉膛只有少数的水冷壁管子（最多几十根，因为只有一面引进管子，又是倾斜方向引进，所以管子数量不可能多），而每根管子很长达几百米。因为要有一个合适的质量流速，因为这种锅炉的水冷壁的并列运行的管子根数少，流通截面小（当然可以采用不同的水冷壁管径，大管径可以有大流通截面，但是再大的管径也不能太大，要在正常管径的范围内），所以这种水冷壁只适合小容量的锅炉机组，大约在200MW以下（例如SG-400-140机组）。2水平围绕双管带 见教科书图13-4。水平围绕双管带锅炉水冷壁的结构形式就是两面的水冷壁管子倾斜，另外两面是水平的，引进的管子根数比单管带的多，所以可以适应比较大的锅炉，达到200MW以上。3螺旋式水冷壁 如果想把锅炉做得更大，让四个水冷壁都是倾斜的，都有管子引入，那就是螺旋式水冷壁，见教科书图13-5。螺旋式水冷壁的锅炉因为并列工作的管子多，可以做成更大的容量的。例如300MW（元宝山电厂#1机组），甚至600MW（元宝山电厂#2机组、上海石洞口电厂进口的美国CE公司制造的机组）。二垂直管屏式水冷壁1垂直管屏式水冷壁是德国人马克本生提出来的，垂直管屏式水冷壁是并列工作管子最多的水冷壁，所以锅炉容量可以做得很大。2多次上升的垂直管屏式水冷壁的锅炉 为了使得水冷壁管子里的水的质量流速足够高，除了采用比较小的管子直径（在合理的范围内）外，只能减少并列工作的管子的根数。于是就采用了多次上升，所谓就是水先经过一部分水冷壁管子上升然后用下降管引下来，再经过另外一部分水冷壁管子上升然后用下降管引下来，如此反复多次叫做多次上升。采用次数不同的多次上升系统，可以适合不同容量的锅炉机组。根据美国FW公司的经验：600MW锅炉使用3次上升（见图13-9的FW锅炉），800MW锅炉使用2次上升。3一次垂直上升管屏 所谓一次垂直上升管屏就是只上升一次就全部蒸发完毕，不用再下来重新上升加热工质的管屏，是最好的管屏，（1）因为多次垂直上升管屏在再次上升之前从下降管进入上升管的时候要有工质流量重新分配，如果分配的是单相水没有什么问题；如果分配的是汽水混合物，很容易产生汽水分布不均，汽多水少的管子容易过热烧坏。（2）有下降管，钢材消耗量多，加工制造安装困难。而一次垂直上升管屏就没有这样的问题。一次垂直上升管屏应用到1000MW及以上的锅炉上。4上海锅炉厂的SG1000-170/555/555型直流锅炉使用了一次垂直上升管屏。在300MW锅炉机组上应用一次垂直上升管屏，不符合美国FW公司的经验数值，太冒险了。为了水冷壁的安全，采用小管径上升管，225.5 的管子，个别管子有积垢或焊瘤的时候容易出现比较大的热偏差。为了减少热偏差，上升管采用两次中间混合，有汽水混合物的再分配问题。因此这种锅炉的水冷壁的安全很成问题，经常爆管。几乎各种锅炉教科书上都批评这种锅炉。据说这种锅炉到2001年底还有12台，有计划尽快地把它改造掉。据说有这种锅炉的电厂组织了一个俱乐部，专门研究它的运行和改造，最后的结论是：这个锅炉只能扔。5两次上升水冷壁，见教科书图13-7（c）。这是一种特殊的两次上升系统。6通用压力型，使用垂直上升管屏的锅炉就叫通用压力型，实际上不是可以使用各种压力的锅炉。原来想象是什么压力都可以。三回带管圈式（苏尔寿式）1回带管圈式水冷壁首先在瑞士苏尔寿公司被采用。按照布置方式分为垂直回带式和水平回带式两种。（1）水冷壁无下降管，节约金属。（2）管子很长多达几百米，热偏差大。（3）不能自由膨胀，不适合做膜式水冷壁。（4）流动的稳定性比较差。（5）不易疏水和排汽。（6）容易出现停滞和倒流。2锅炉炉膛下辐射区没有用回带管圈式水冷壁的，但是在上辐射区和其它包墙管过热器区域因为那里的热强度低，很多锅炉采用回带管圈式水冷壁。这个结论来自300MW以下锅炉样本。3据说70年代，前苏联曾经制造了一批（几台） 回带管圈式水冷壁的锅炉，但是后来由于爆管特别频繁，都进行了彻底的改造，换成别的水冷壁。13-2多次强制循环锅炉工作原理1什么是多次强制循环锅炉：有汽包，在下降管上安装有炉水循环泵，整个负荷内有循环，循环倍率比较低的锅炉。2“多次强制循环锅炉”这个名称只是以前教科书中使用（我们这本书太老了）的名称，而电厂和锅炉制造厂却叫做控制循环锅炉。控制循环锅炉是说，这种锅炉的循环是受控制的，受给水泵的控制。3制造控制循环锅炉的目的是在300MW、600MW机组上使用一次上升管屏。4控制循环锅炉结构上的特点：（1）在下降管的下部的管子上安装炉水循环泵，一般讲是3台，6根下降管延伸到标高30米左右的地方进入一个炉水循环泵入口联箱。联箱上接出3根管子分别安装3台炉水循环泵。从炉水循环泵出来的水进入炉水循环泵出口联箱。在炉水循环泵出口联箱上连接一小段下降管引入水冷壁下联箱。（2）整个控制循环锅炉的水冷壁下联箱是一个整体。燃煤的控制循环锅炉的水冷壁下联箱做成字形。两个横道代表的是侧墙水冷壁下联箱，两个竖道代表的是前后墙水冷壁下联箱，两个竖道之间代表出渣口。下联箱的尺寸比较大，是900毫米内径。壁厚45毫米。燃油的控制循环锅炉的水冷壁下联箱做成“工”字形。两个横道代表的是侧墙水冷壁下联箱，一个竖道是前后墙水冷壁下联箱，因为燃油锅炉没有灰，不要出渣口，所以是一个下联箱。下联箱的尺寸和燃煤锅炉的一样。（3）控制循环锅炉的汽包比自然循环锅炉的汽包小。300MW控制循环锅炉的汽包比200MW自然循环锅炉的汽包都小。（4）在每一个上升管进口附近都安装有节流圈，整个锅炉安装有几十种大小不等的节流圈，例如大港电厂的燃油控制循环锅炉水冷壁上安装有13种节流圈。5控制循环锅炉的炉水循环泵的特性是在各种流量下炉水循环泵的压头变化不大。6控制循环锅炉的炉水循环泵的电动机里面用循环水冷却，用水润滑。转子和定子之间有水通过。靠近泵的部分有隔热层。炉水循环泵很难制造，使用的是外国的制造技术。一种是屏蔽法，用金属薄板把电动机的转子和定子包上，隔绝水的伤害。另一种是浸没法，在电动机浸漆的时候用很好的漆，不怕水的伤害。7控制循环锅炉的炉水循环泵的功率一般为机组功率的0.2%左右。8控制循环锅炉运行的时候，70%额定负荷的时候喷水量最大，100%额定负荷的时候喷水量反而小，这是因为饱和蒸汽带水的缘故。70%额定负荷以下饱和蒸汽的带水量与自然循环锅炉差不多，都是以下，随着负荷的升高带水量增加。但是在大于70%额定负荷的时候，这种锅炉的带水量大增。到额定负荷的时候，带水量达到9%以上（有的到11%），由于饱和蒸汽带水量增加了，就不是饱和蒸汽进入过热器，而是汽水混合物进入过热器，汽水混合物的焓大大小于饱和蒸汽焓，虽然过热器吸热量增加，但是由于蒸汽带水量增加太多，所以喷水量减少了。8 在控制循环锅炉的系统图上有一个过滤器，的确需要一个过滤器。因为由于水冷壁管子里的循环水量大，把很多脱落的管子的氧化皮带到汽水分离器里面。如果让这些氧化皮进入过热器，甚至汽轮机。那里的蒸汽流速特别快，氧化皮很硬，会损伤管子的。因此要安装过滤器。在元宝山发电厂，每次检修的时候能从过滤器中清除一土篮的氧化皮粉沫。13-3复合循环锅炉一复合循环锅炉的特点1什么是复合循环锅炉 有两个意思：一是循环水和直流水的复合，在水冷壁内有循环水，还有等于蒸发量的直流水。二是运行时有循环和无循环（按直流方式工作）的复合。2制造复合循环锅炉的目的：（1）在300MW和600MW的机组上使用一次垂直上升管屏。（2）在直流锅炉上，低负荷的时候水冷壁需要比较大的水流量（超过给水流量）保护，高负荷的时候水冷壁的给水水流量就够用了。为了锅炉的安全，必须把质量流速提高，低负荷的时候安全了，高负荷的时候嫌质量流速太高，浪费了给水泵的压头，浪费电功率。如果让锅炉低负荷有循环，高负荷直流，锅炉安全了，电功率也节约了。3制造复合循环锅炉的关键是炉水再循环泵的制造。4复合循环锅炉是美国CE公司主张制造的。二全负荷再循环锅炉 是复合循环锅炉的一种。1什么是全负荷再循环锅炉？没有汽包，在亚临界压力下有汽水分离器，全负荷有再循环，循环倍率低。2全负荷再循环锅炉的系统特点：见教科书图13-12，从省煤器来的水进入混合器，出来后经过过滤器、炉水循环泵进入水冷壁。从水冷壁出来后就成为汽水混合物了，进入汽水分离器。分离出来的蒸汽进入过热器；分离出来的水进入混合器，与来自省煤器的水汇合。3全负荷再循环锅炉只有300MW和600MW容量的锅炉，制造全负荷再循环锅炉的目的是应用一次上升管屏。4全负荷再循环锅炉有亚临界和超临界两种，超临界的系统见图13-13。5全负荷再循环锅炉又叫低倍率锅炉。6亚临界的全负荷再循环锅炉的汽水分离器每台锅炉有2个。长30不到米，内径900毫米，壁厚45毫米，是一个空筒子。汽水混合物从上端附近斜向下切向进入汽水分离器，蒸汽从上面正中间引出，水从下端引出。运行时汽水分离器里有很多水，水位变化的幅度为好几米。7低倍率锅炉有一个特点：在负荷为70%的时候过热器喷水最多，从负荷70%到100%的时候，喷水量减少。这个特点的原因是在低于70%的时候，饱和蒸汽机械携带与自然循环锅炉差不多，在1以下。但是随着负荷的上升，饱和蒸汽的机械携带大增，到额定负荷达到9%（我见过的两台低倍率锅炉：元宝山电厂#1炉、太原第一热电厂波兰300MW机组都如此）左右。8由