锅炉原理10自然循环锅炉水动力学稻谷书苑

1、西安石油大学机械工程学院http:/ 10.1锅炉水循环过程锅炉水循环过程 10.1.1自然循环锅炉自然循环锅炉 工质循环流动完全是由于蒸发受热面受热产生的密度差而自然形成，故称自然循环; 自然循环锅炉的特征是有一个直径较大的汽包。 自然循环锅炉结构比较简单、运行容易掌握而且比较安全可靠，我国亚临界压力亚临界压力以下的锅炉，多数采用自然循环锅炉。第第1010章章 自然循环锅炉水动力特性自然循环锅炉水动力特性水的临界压力为227.98105pa ， 172.25105pa（170210 大气压）一般称为亚临界压力1教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.1.1强制循环锅炉强制循环锅炉

2、 随着锅炉容量提高，为了保证管内工质具有较高的质量流速，在循环回路上串接一个或多个专门的循环泵，用以控制水和汽水混合物的流动，则称为强制循环锅炉强制循环锅炉或控制循环锅炉控制循环锅炉。 为了进一步提高锅炉水动力的安全可靠性，可以在蒸发受热面的进口设置节流圈节流圈，这种锅炉一般称为控制循环控制循环锅炉 。 自然循环的推动压力一般为0.050.1mpa,循环泵提升压力为0.250.5mpa2教育教学西安石油大学机械工程学院http:/（a）自然循环锅炉 （b）强制循环锅炉； （c）控制循环锅炉；（d）直流锅炉图10-1 锅炉蒸发受热面内工质流动的几种类型3教育教学西安石油大学机械工程学院http:

3、/ 自然循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是19.11mpa19.11mpa，单炉的最大容量为885mw885mw。只有当蒸汽压力超过16mpa时，且自然循环不可自然循环不可靠靠，才需要考虑采用强制循环锅炉。当压力超过19.6mpa，则适合采用直流锅炉直流锅炉。强制循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是19.6mpa，单炉的最大容量1000mw1000mw。当单炉容量超过600mw，一般应在较低的压力时就考虑采用强制循环锅炉或直流锅炉。4教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.1.3 直流锅炉直流锅炉 直流锅炉没有汽包，给水在给水泵的作用下，依次通过加热、蒸发和过热等各个受热面，完成水的加热

4、、汽化和蒸汽过热过程，最后蒸汽过热到规定的温度，各受热面之间并没有固定的界限，直流锅炉可以认为是循环水量为零的强制循环锅炉的一个特例。 5教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 直流锅炉与强制循环锅炉相比，取消了汽包，且工质在给水泵压头的作用下一次性通过各受热面 。 直流锅炉特点是：受热面可自由布置；金属耗量少，启、停速度快；水容量及相应的蓄热能力较小，对外界负荷变化较敏感；直流锅炉不能连续排污，对给水品质的要求很高；给水泵功率消耗大。6教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.1.4 复合循环锅炉复合循环锅炉 1.复合循环锅炉的基本原理 为了克服纯直流锅炉的不足及适应超临界压

5、力锅炉应用的需要，产生了复合循环锅炉 图10-2 复合循环锅炉再循环直流锅炉缺点是负荷降直流锅炉缺点是负荷降低时，水冷壁内工质流低时，水冷壁内工质流量降低，炉内热量得不量降低，炉内热量得不到工质的冷却，水冷壁到工质的冷却，水冷壁管壁容易超温。管壁容易超温。7教育教学西安石油大学机械工程学院http:/lzbppppac（10-1） 如果循环泵的工作压头pb大于水冷壁中工质的流动阻力plz ，则有pcpa，锅炉按强强制循环锅炉制循环锅炉原理工作 。（流过水冷壁的工质流量为给水流量与再循环流量之和） 如果循环泵的工作压头pb小于等于水冷壁中工质的流动阻力plz，则有pcpa，锅炉按直流原理直流原理

6、工作 （再循环管路中无循环流量）。8教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 2全负荷复合循环锅炉图10-3低循环倍率锅炉系统和循环流量曲线在全负荷范围内均有在全负荷范围内均有pb大于大于水冷壁中工质的流动阻力水冷壁中工质的流动阻力plz（即在全负荷范围内循环流量（即在全负荷范围内循环流量均不为零）均不为零）1.省煤器省煤器 2.混混合器合器3.过滤器过滤器4.再循环水泵再循环水泵5.分配器分配器6.节节流圈流圈7.水冷壁水冷壁8.汽水分离器汽水分离器9.备用管路备用管路9教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 3部分负荷复合循环锅炉图10-4 部分负荷复合循环锅炉的工作原理 1.低

7、负荷时，循环管路有循环流量，高负荷时，锅炉按直流锅炉原理工作；2.大多用于超临界压力机组；3.与低循环倍率锅炉的主要差别是在循环回路上装有循环限制阀.10教育教学西安石油大学机械工程学院http:/图10-5超临界压力复合循环锅炉1.省煤器2.混合器3.循环泵4.分配器5.水冷壁6.过热器7.循环限制阀8.循环旁路11教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 3复合循环锅炉的特点（1）结构简单可靠。（2）额定负荷时的质量流速可选得低 些，以减小流动阻力和水泵电耗。（3）锅炉最低负荷可降到额定负荷的5 左右，启动旁路系统可按5-10负荷设计，减小设备投资和启动时的工质及热量损失。12教育教学

8、西安石油大学机械工程学院http:/（4）再循环工质使水冷壁进口工质的焓提高， 工质在蒸发管内焓增减少，有利于减少热偏差和提高管内工质流动的稳定性。（5）锅炉在低负荷范围内运行时，工质流量和温度变化幅度小，减小了管壁热应力，有利于改善锅炉低负荷运行时的条件。（6）再循环泵长期在高温高压下工作，制造工艺复杂，技术性能要求高，且循环泵要消耗电能，致使机组远行费用增加。（7）复合循环不仅应用于超临界压力锅炉，而且还应用在亚临界压力锅炉。13教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.2自然循环基本原理自然循环基本原理 10.2.1 概述概述 水冷壁上升管在炉内吸收炉膛火焰和烟气的辐射热量，管

9、内部分水蒸发，形成汽水混合物；而下降管在炉外不受热，管内为饱和水或未饱和水。因此，下降管中水的密度大于上升管中汽水混合物的密度，在下联箱中心a-a截面两侧将产生液柱的重位压差，此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动，水沿下降管向下流动。 图10-6 循环回路14教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.2.2自然循环的参数自然循环的参数 1物理量的定义 （1）循环流速w0： （2）质量含汽率x： 0w,/gm sadxg（10-2） （10-3） （3）循环倍率k：gkd（10-4） 15教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 2物理量的定义ghppxj01（10-5） ghpp

10、ss02（10-6） 12,pxjssp所以假设工质不流动：16教育教学西安石油大学机械工程学院http:/上升系统基本压差上升系统基本压差yss下降系统基本压差下降系统基本压差yxj运动压差运动压差syd系统总阻力系统总阻力简单回路水循环基本方程简单回路水循环基本方程，以此方程为基础建立的，以此方程为基础建立的计算方法称为压差法计算方法称为压差法syd是水循环产生的动力是水循环产生的动力，以此方程为基础建立的，以此方程为基础建立的计算方法称为运动压头法计算方法称为运动压头法有效压头有效压头syx下降管总阻力下降管总阻力有效压头法有效压头法17教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10

11、.3两相流体参数与计算两相流体参数与计算 10.3.1 汽水两相流的基本参数汽水两相流的基本参数 1. 蒸汽含量 质量含汽率x ： 容积含汽率 ：ggxggg（10-14） qqqqq （10-15） 18教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 截面含汽率 ：/11/1(1)gggx（10-16） aa1aaaaa （10-17） （10-18） 水的流通截面积a所占的流通截面积份额： 19教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 2蒸汽和水的折算速度及真实速度 蒸汽折算速度w0假定汽水混合物中的蒸汽单独流过整个管道截面时的蒸汽速度： 水的折算速度w0：0/gwm sa 0/gwm

12、sa （10-19） （10-20） 20教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 蒸汽的真实速度w： 水的真实速度w： 滑移比s：0/1gwwm sa 1s()()()1wgaxwgax （10-21） （10-22） （10-23） 0/gwwm sa21教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 通过试验，可确定s，则截面含汽率： 循环流速 （假设质量流量相同的饱和水流过整个管道截面所具有的流速：11(1)111()xssx000()/gggwwwm sfff（10-24） （10-25） 表明质量（容积）含气表明质量（容积）含气率）与截面含气率之间率）与截面含气率之间的关系的关系

13、22教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 3汽水混合物的密度和速度 3h(1)(1)/a la lkg ma l 00000(1)1(1)/hqqwwwwwwxm sa（10-27） （10-26） 汽水混合物的速度为：23教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.3.2 10.3.2 汽水两相流的流型和传热汽水两相流的流型和传热 1. 垂直上升管内的流型 （1）泡状流 （2）气泡向管中心聚集，形成弹状流。（压力很高时，不会形成）（3）弹状流液体被击碎，形成环状流（4）雾状流或弥散流 图10-7 垂直管内强迫对流沸腾换热24教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 膜态沸

14、腾（易发生在f区） 蒸发管内随着汽、水两相流中含汽率的增大，附壁水膜逐渐减薄，当水膜被撕破且汽流核心夹带的散状水滴几乎又不回落到管壁时，管壁便被一层过热蒸汽覆盖，导致管壁对工质放热系数急剧下降，壁温急剧上升的管内传热模式。25教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 2. 管内传热过程 a单相液体强制对流换热区 b表面沸腾区 c饱和核态沸腾区 d双相流体强制对流换热区 e干涸点 f欠液区 g单相蒸汽强制对流换热26教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 3. 管壁温度分布 管壁温度沿管长的变化取决于局部放热系数 。在单相水和表面沸腾区，壁温与工质温度差值不大。进入饱和核态沸腾和双相强

15、制对流换热区，管子内壁温度只比工质温度高几度。 水膜干涸消失时，壁温却因传热恶化而飞升。干涸后干涸后，壁温与2的变化有关，若质量流速较高，2增加，壁温飞升飞升后即逐渐有所降低后即逐渐有所降低；反之，壁温可能持续增加。虽然过热蒸汽区的2增加，但蒸汽温度在吸热后不断增加，故壁温也随之不断增高。27教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 4. 水平管内的流型和传热 图10-8 水平管内的流动形式28教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.3.3 汽水两相流动阻力的计算汽水两相流动阻力的计算 1. 均相模型及摩擦阻力计算方法 (1) 均相模型及其公式22hhmcnwlpd（10-28

16、） 2)7 . 3(lg41kdn（10-29） 当流动处于阻力平方区时：碳钢及珠光体合金钢管碳钢及珠光体合金钢管：k=0.06mm,对奥氏体对奥氏体钢管，钢管，k=0.008mm,dn单单位为位为mm29教育教学西安石油大学机械工程学院http:/(2)以均相模型为基础的公式 西安交通大学提出摩擦阻力校正系数的计 算方法如下： 1)汽水混合物质量流速w=1000kg/(m2.s) 2)汽水混合物质量流速w1000 kg/(m2.s)不受热段，值按图10-9（a）查取；受热管段，平均含汽率x= (xc+xr)/2，值按图10-9（b）查取： 当xc-xr0.1时： 当xc-xr0.1时：100

17、0(1)(1)/11 (1)(/)xxwx （10-33） )4(61rcccrrcrxxxx（10-34） （10-35） 31教育教学西安石油大学机械工程学院http:/图10-9 汽水混合物摩擦阻力公式中线算图（a）不受热管；（b）受热管32教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 2. 分流模型及重位压降计算方法(1)分流模型气液两相流的主要流型为泡状流和环状流。假设： 水靠管内壁流动，面积为f； 汽在管中心流动，面积为f” 水和汽之间有相对运动，其真实速度分别为w和w”图10-10 汽水两相的分流模型33教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 2. 分流模型及重位压降计算方

18、法(2) 重位压差计算 汽水混合物密度图10-10 汽水两相的分流模型hdhdh/fffffffdh h(1)() kg/m3 (1)zwhphghg （10-36） （10-37） （10-38） 以截面含气率表示的以截面含气率表示的汽水混合物密度汽水混合物密度重位压力降计算公式重位压力降计算公式34教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 3. 两相流体流动局部阻力计算 4.两相流体流动加速压降计算 5. 流动机构模型201(1)2jbwpx2js2111() ()()pwxx（10-39） （10-40） 基于均相模型，基于均相模型， 为为局部阻力系数，通过局部阻力系数，通过实验测量

19、确定实验测量确定加速压降是由于受热加速压降是由于受热而引起的动量变化，而引起的动量变化，等于出口截面与进口等于出口截面与进口截面动量之差截面动量之差35教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.4自然循环水动力计算与安全自然循环水动力计算与安全 10.4.1 自然循环水动力的计算自然循环水动力的计算 1. 循环回路 简单回路与复杂回路简单回路与复杂回路36教育教学西安石油大学机械工程学院http:/一个下降管系统单一个下降管系统单独与一个水冷壁管独与一个水冷壁管屏组成的回路，称屏组成的回路，称为简单回路为简单回路多个管屏共用一个多个管屏共用一个下降管系统的回路下降管系统的回路则称为复

20、杂回路。则称为复杂回路。37教育教学西安石油大学机械工程学院http:/（1）压差法 自汽包水位至下联箱中心之间的下降管系统的总压差与上升管系统的总压差分别为： xjxjxjyghpssiilzjsflyhgppp xjssyy图10-12 简单回路的分段实例 （10-41） （10-42） （10-43）38教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 按照图10-12所示的上升管分段情况，上升管系统的重位压头和加速压降、阻力损失可分别用下式表示： 1122,()i irsrqrshhrh hrhd hdc hch g h g h hhghg hg hg hgcjsdjsrhjsjsjsjs

21、pppppp,2,1 ,1,2,lzlz rslzlzlz rhlz dlz cppppppp （10-44） （10-45） （10-46）39教育教学西安石油大学机械工程学院http:/（2）压头法 如图10-13所示的分段情况，回路的运动压头和有效压头分别为 :siixjghghs)(ydyxyd()lzjsflxjsspppp （10-44） （10-45）图10-13 压差法确定回路工作点的图解曲线40教育教学西安石油大学机械工程学院http:/41教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 2循环回路特性曲线与工作点（1）简单回路自然循环特性曲线图解法pxj图10-14压头法确定

22、回路工作点的图解曲线图10-13 压差法确定回路工作点的图解曲线42教育教学西安石油大学机械工程学院http:/简单回路的压差特性及工作状态43教育教学西安石油大学机械工程学院http:/（2）复杂循环回路自然循环特性曲线图解法44教育教学西安石油大学机械工程学院http:/（2）复杂循环回路自然循环特性曲线图解法图10-16 并联上升系统的特性曲线及工作点图10-15 串联上升系统的特性曲线45教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.4.2自然循环的自补偿特性自然循环的自补偿特性 当x不太大时，运动压头的增加大于流动阻力的增加，因此，随着x的增大，循环流速增大。此时，管内流量也相

23、应增加，称为循环回路具有流量正响应特性正响应特性。 当x增大到一定数值后，由于汽水混合物的容积流量过大，将出现流动阻力的增加大于运动压头增加的状况，这时随着x的增大，循环流速反而下降，称为循环回路具有流量负响应特性负响应特性。 图10-17 循环流速与上升管质量含汽率的关系46教育教学西安石油大学机械工程学院http:/自补偿能力的进一步分析：47教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 1. 停滞 10.4.3自然循环故障自然循环故障48教育教学西安石油大学机械工程学院http:/10.4.3自然循环故障自然循环故障2 倒流倒流49教育教学西安石油大学机械工程学院http:/10.4.3自然循环故障自然循环故障2. 倒流 管屏压差小于受热管子液柱重位压差时，水会因重力出现倒流。倒流速度较大时，管子倒不会烧坏。 当上升管接到锅筒蒸汽空间时，不会发生倒流，但会出现自由液面，此时，液面上部的管子由于无液膜，容易出现管子烧坏现象。50教育教学西安石油大学机械工程学院http:/ 10.4.3自然循环故障自然循环故障 3. 下降管带汽 一方面进入下降管的实际流量减少，循环流量降低；另一方，下降管内出现汽水两相流动，工质密度减小，使下降管侧的重位压差降低，流动阻力也相应增加，yxj值下降。 两方面因素都会导致水循环安全裕度降低，即产生停滞或者倒流的可能性增大。51教育教