角管式蒸汽锅炉再循环管的实验研究

1、角管式蒸汽锅炉再循环管的实验研究孟昭鹏 吕 薇;李瑞扬 孙绍增 杨明新 吴少华 秦裕琨（哈尔滨工业大学）摘要通过对角管式蒸汽锅炉侧墙水冷壁的循环原理进行分析，找到了影响再循环管水动力特性的 主要因素,并建立了水动力特性实验台，对热负荷和预分离集箱影响再循环管作用的规律进行了实验硏究。矢键词 角管锅炉 再循环管实验研究中图法分类号 tk224 21收稿日期 19971028 修改定稿 1998 - 01 - 20本文联系人李瑞扬男1960年生副教授150001哈尔滨工业大学能源学院0 前言角管锅炉作为一种新型的锅炉，近年来 得到了广大用户的重视和喜爱。角管式热冰 锅炉的应用已经比较广泛，但对角管

2、式蒸汽 锅炉的研究却没有很大的进展。特别是对于 角管蒸汽锅炉的一些特殊结构如再循环管笊 研究更加缺乏。本文通过理论分析与实验框 结合的方法，对再循环管的作用进行了初涉 研究，从而得出影响再循环管工作的主要规 律。1侧墙水冷壁的循环原理与再 循环管的流动分析图1是典型的角管蒸汽锅炉的侧墙水冷 壁的示意图。给水进入锅筒后，经下降管至下 集箱，分配给水冷壁。在水冷壁中工质被加热 成汽水混合物，至预分离集箱。在预分离集箱 中，汽水混合物分成两股：一股直接流回锅 筒；另一股的蒸汽部分由蒸汽引出管引进锅 筒，水部分进入再循环管至下集箱，从而完成 循环。图1角管蒸汽锅炉侧墙水冷壁示意图1锅筒2下降管3下集箱

3、4水冷壁5再循环管6预分离集箱7蒸汽引出管影响再循环管的工作特性的主要因素 有：热负荷、预分离集箱内的工质流动情况、 及再循环管入口处的汽水分离效果等。111热负荷的影响热负荷主要影响上升管及预分离集箱中 的质暈含汽率，进而影响流动阻力及循环速 度等。文献1给出了普通蒸汽锅炉循环速 度与锅炉负荷的尖系，对于普通蒸汽锅炉，下 降管的循环速度随热负荷的增加而增加。对 于角管锅炉的再循环管则不同，在负荷增加 之初会由于密度的减少而增加一些流动压 头,使循环速度有所增加（增加率则不如下降 管快），但由于给水为饱和水，且流动阻力较 大，所以循环速度开始下降点则早于普通锅 炉的下降管。112预分离集箱内的

4、流动状态的影响预分离集箱的流动状态主要影响两点 一是再循环管入口处的汽水分离，再就是汽 水混合物的流动阻力。对于流动阻力及汽水 分离来讲，处于低速的分层流动状态既有和 于减少阻力，又有利于汽水分离。因此，从谡 计上希望预分离集箱内的流动处于分层流动 范围，这一方面取决于预分离集箱与上升管 的截面比,另一方面也依赖于热负荷的变化。 113再循环管入口分离效果的影响对于图1所示结构，再循环管人口的流 动属于二相流在't”型管中流动（相分离）。 对此，有些人做过研究,但得出的结论只能限 于一定的实验范围，根据前人研究结果，发现 对于相分离（这里矢心的是汽相向下分离的 多少）起影响作用的主要有

5、:质暈含汽率、混 合物的轴向速度、丁”型管的几何结构等。不 难发现，质量含汽率越小，混合物速度越低， 则此处汽的分离作用越好。2再循环管作用的实验研究角管锅炉不同于一般结构的锅炉，最大 特点在于其水循环的特殊性，而其中的一个 显著特点是远离锅筒的受热面的给水由再循 环管供给;而再循环管的流动情况受热负荷、 预分离集箱等因索的影响。因此，寻找出热 负荷及预分离集箱对再循环管的影响规律， 就成为研究再循环管工作的主要途径。但是对蒸汽角管锅炉来讲，因涉及两相 流，理论推导很难得到定量分析的结论，而常 常进行相应的实验，由于两相流方面的实验 对实验设备及测试方法有较高要求，因此通 过合理安排实验装置及

6、实验方法，避免了两 相流内容的测量，可通过对单相流的测量来 间接寻找出一些规律。211实验系统研究热负荷及预分离集箱对再循环管作 用的影响，将角管锅炉侧墙水冷壁采用几何 相似的方法建立实验装置，整个实验系统如 图2所示，它主要由给水及排水，排汽管道, 实验台本体，加热电路及热负荷调节装置等 构成。侧墙水冷壁（实验台本体）是系统的核 心部分。根据研究与实验需要，取上升管截面 与预分离集箱、下降管、及再循环管截而比作 为特性尺寸。其中预分离集箱、下降管与再循 环管由锅炉钢管构成，上升管由玻璃管外缠 电阻丝构成;锅筒的主体由钢管制成，两端盖 由10mm厚的有机玻璃板密封，便于观察与 测量。加热采用2

7、20伏的电阻丝加热器、经 4 kva变压器调节两端电压，最大输出功率 20 kw ,整个实验系统为开口常压状态。水冷 壁四周填充硅酸铝纤维进行保温。图2实验台系统图11水箱21水箱给水阀门31溢流管41水箱排水管51水箱排水阀61旁通管阀门7191101控制阀门81流量计111实验台给水调节阀121锅筒131蒸汽引出管141导汽律151预分离集箱161再循环管171水冷壁181实验台本体排水阀19、211排水阀201变压器221下降管212测试方法主要测试项目包括给水温度、变压器辅 出电压、下降管及再循环管内水速。给水温捜 由水银温度计测量，水银温度计最小刻度为 011 °c。变压器

8、输出电压采用dt - 809b万用 表测量，精度为（）1 iv。下降管及再循环管内的水速（水量）测 量采用日本fujico. ltd的超声波流量计 测量，测量精度为0101在实验之前，对于系统的蒸发量与变压 器输出电压的另系和管内流速与超声波流量 计的矢系,都通过标准水箱等进行标定。 213 实验步骤本实验的主要内容是研究热负荷及预分 离集箱的变化对再循环管作用的影响，共迪 行如下实验：表1实验台结构序号表结构序号结构截面比1«= 10,未増引出管01301syfxs= 013012«= 15,未増引出管5xs= 01200syfxs= 012003« = 10,

9、增引出管01358syfxs= 01301415,增引出管012385vfxs= 01200注sl上升管截面积之和;syc 蒸汽引出管截面积之 和;s yf预分离集箱截面积;n-水冷壁管根数。热负荷的变化由变压器输出电压的变化 实现,变压器的输出值为：85v , 100v ,115v, 120v , 125v , 135v, 145v, 160v。实验时打开阀门向水箱供水，达到一定 水位后尖闭阀门2,打开阀门7, 9, 10, 11向钮 筒12注水至控制水位后矢闭阀门11,将变压 器输出电压调至测暈电压，使电阻丝通电加热水冷壁至水沸腾,然后调节阀门11使给水 量为标定值,使锅筒内水位为控制水位

10、，用赶 声波流量计测量下降管和再循环管内工质笊 流量,然后改变电压，稳定后重复实验。将所有电压下的流量测量之后,改变结 构，重复实验。在实验时观察到，在低负荷时 (85 - 115v),水冷壁中的工质流动结构一 般为弹状流，在预分离集箱中,工质属于低速 的分层流或波浪状流;负荷增加后，水冷壁管 中的流速明显增加，流动结构也变成环状流， 并且有脉动现象；预分离集箱中的流动结松 也变成环状流，且向锅筒方向流动的工质笊 速度明显高于向再循环管侧的工质。3实验结果及分析311热负荷再循环管内工质速度的影响在四种结构中，热负荷的变化对再循环 管内工质流速的影响，如图3所示。山图可 见，在各种结构下，热负

11、荷对再循环管内工辰 流速的影响趋势大体相同，但再循环管内工 质流速的范围则存在一定的差异。即在热负 荷由低至高的变化中，工质流速的趋势都是 先略有升高，再逐渐降低最高值可达 0182 m x最低值则为0106 m左右，而且升高的范围很小。在图3中结构1反映最明 显,在热负荷接近20 kw2时，工质流速降 到oil my附近，已经影响到了上升管的供 水。主要原因是由于热负荷较大，质量含汽率 x较高,有可能在再循环管入形成汽塞，影 响了再循环管内的工质流速。但在相同的热 负荷下，各种结构中工质流速的范围不同。 312结构对再循环管内工质水速的影响图4反映了结构变化对再循环管内工质 流速的影响。由于

12、结构的变化必然导致循环 倍率的变化，因此将实验结果按“循环倍率 速率”矢系来整理更能反映实验情况。庄 图的横坐标来看，循环倍率最大值由上升管 © 1994-2013 china academic journal electronic图3各结构vz随热负荷变化11结构121结构231结构3 41结构4根数为15根时的300左右到上升管根数为 10根时的600左右。当上升管为10根,即结 构1、3时的工质流速要高一些，最高值达到 t0182mx变化范围也较大，从018m y至 0106 m y之间;而上升管为15根,即结构2、 4时，工质流速的变化范围在013014 m x 之间，波动不

13、大。由于上升管根数减少时，相 对的流通截面积较大，而工质的质量流量又 减少,因此工质流速有一定的提高，但这种情 况也受热负荷的影响，在热负荷较低吋，工质 流速较大，与下降管内工质流速接近，当热负 荷升高后，儿种结构中工质流速的范围趋于 一致,在某种情况下(热负荷高,x过大)，还 有可能造成工质流速出现很低的值。313热负荷变化对再循环管内工质流量占 总流量份额的影响图5反映了再循环管工质流量占全部工 质流量份额随热负荷变化的另系。不难分析,再循环管工质流量份额与热 负荷的尖系，即在热负荷升高时，再循环管内 工质流量占全部循环流量的份额不断下降， 但由于预分离集箱内分离效果不同，下降笊 速率也不

14、同，在增加蒸汽引出管截面的结松 中，下降的曲线较平缓，如图5所示。314结构变化对再循环管工质流量占总流 量份额的影响结构对再循环管内流量占总流量的份额 的影响主要有两个方面:一个是上升管与下 lishing house. all rights reserved 0100200300400500h kg/kg0100200300400& kg/kg图4 各结构v z随循环倍率变化11结构121结构2 31结构3 41结构40510152025c kw/m2图5各结构再循环管质量流量占总流量比随热负荷变化11结构121结构2 31结构3 41结构4降管截面变化的影响（结构1与2,结构3与

15、， 的对比）；另一个是汽水引出管截面的变化笊 影响（结构1与3,结构2与4的对比）。图6反映了结构1至结构4不同结构对 再循环管内工质流量占总流量份额的影响。由图6中曲线1与2, 3与4的比较可见， 当上升管截面积与下降管截面比减小后，再 循环管内工质流量占总流量的份额上升，特 别是在高循环倍率区，这是因为减少了上升 管根数，总的循环流星减少,但再循环管没 变，其内工质流速仍在013014 之间， 因吐，再循环管内流量减少不大，再循环管风 工质流量占总流量份额有所上升。图6各结构再循环管质量流量 占总流量比与循环倍率的矢系 11结构121结构2 31结构3 41结构4由图6中曲线1与3的对比及

16、曲线2与 4的对比可以看岀，在低循环倍率区，山于堤 加了预分离集箱蒸汽引出管的面积，减少隹 循环管人口带汽，因此使再循环管内工质沸 量占总流量的份额在高负荷时保持了相对的 稳定,保持在250以上，可见增加预分离集 箱的蒸汽引出管面积对改善再循环管的工作 状况有很大作用。4 结论角管式蒸汽锅炉的再循环管对于水冷壁 的供水有着重要的作用。对再循环管的工作 特性的影响因素，主要有热负荷、蒸汽引出管 面积和预分离集箱结构。随着热负荷的增加 再循环管内的工质流量先略有增加后减少 增加蒸汽引出管的截面积可以减少再循环管 中的带汽，从而增加再循环管内的工质流量。参考文献1黃承懋1锅炉水动力学及锅内设备1机械

17、工业出版社, 北京：19822卓宁，庞韵1角管锅炉水动力模型设计理论分析1工 业锅炉，1994（3）3吕薇哈尔滨理工大学教师运用彩色ccd测量火焰温度场的试验研究及误差分析二an expermental study of flame tem pera ture f ie id m ea surem en t by the u se of a co lored ccd cam era an d its error ana ly s b 刊，中 円 ang fei,xue fei,m a zengyi, et al (zhejiang u niversity) | journalof engine

18、ering for thenn al energy & pow er 2199& 13(2) 1- 8184the flame temperature field distributbn in a power plant boiler plays a very significant rok in en su r in g the safe operatbn of the power stat bn and ach iev in g a correct diagnosis of the bo ilc r com b u st io n co n d it b n s the u

19、 sc o f com p u tcr2b a sed mage processing techniques has ir recent years been accorded great atten tbn in the study both at home and abroad of com busz ton flame tem p e ra t u re field measu ran ents the pre sent paper deals w ith the ca leu latbn of i fu rn ace flam e tan p e ra tu re fie id by

20、using a colored ccd camem w ith a detailed an a lysis of the calculation error under this method being given. the test results show that the proposed method features ease of app licatbn w ith good prospects for its use on work2sites keywords: in age processing, tanperature field, ccd改进型u p锅炉水冷壁管热敏感性

21、的研究=a study of the thennal sensitivity of a m odified up bo iler w a ter w a 11 tubes 刊,中/tian pu, chen t ingkuan (xi'an j iaotong u niversity)| journal of engineering for theimal energy & power 2199& 13(2) 1- 85 87in the light of the commonly encountered water wall tube expbsbn leakage

22、of home2nade m o d if ied u p bo ilers an ana lysis is m ade of the t h e nn a 1 sen sitivity of 5 22x515 mm fb u r2i ead internally ribbed tubes commonly used in u p boilers v arbus factors affecting the degree of sensitivity arc calculated from a multitude of varhblcs, including dryness, thermal l

23、oad, tube section height, in let and outlet local resistance, etc a iso discussed is the influence of thennal sens it iv ity on the operatbn of bo ilers w ith some proposals for the bo iler design and operatbn being given. key w o rd s: u p bo iler, water wall, iniernally ribbed tubes of water wall,

24、 thermal sensitivity循环流化床烟气脱硫技术及其实验研究=circulathg fluidized bed flue gas desulfurization technology and its expermental study | 刊，中朋u“ng zhenw u y inghai,w ang w enliang (south easter n university) | journal of e ngineering for thennal energy & power 21998, 13 (2)1 84 90p re sen ted in th is pape

25、r are the spec ific features of several kinds of flue gas desu lfurizatbn technobgy a desulfurizatbn test study is conducted on a variable2speed circulating fluidized bed through the use of dry slaked line pow der as a desulfurizing agent u nder the conditbn o f c a ra t b being 1. 1 and the inject

26、k)n of a proper quantity of water a desu lfurizatbn rate of abo ve 85% can be attained key words： circulating flu idized bed, desulfurization, flue gas desuifurization, desulfurization efficiency角管式蒸汽锅炉再循环管的实验研究=an expermental study of comer-tube steam boilers 刊，中meng zhaopeng,l u w ei, et al (harbi

27、n institute of techno fogy) | journal of engi2 nccring for thennal energy & powcr 2199& 13(2) 1- 9195through an analysis of the circulatbn princip le of a corner2tube steam boiler side wall w ater w all tubes the authors have identified the major factors affecting the hydrodyncun ic characte

28、r istics of circulating tubes and set up a test rig for the study of their hydiudynati ic character istics a n experhi en tai study is also perfbim ed of the m echan ism of influence of theim al load© 1994-2013 china academic journal electronic publishing i louse all rights reserved and pre2sep

29、aratbn collectors on the role and perfonn a nceof recirculatbn tubes key words: corner2tube boiler, recirculation tube, expermental study 文丘利管内外流场的数值计算及实 验研究二 numerical caiculation and expermental study of venturi kiner and outer tube flow fields 刊，中cai j iyong, chen t ingkuan, et al (xfan j iaotong

30、 u niversity) | journ al of engineering for theimal energy & power, 199& 13 (2) 1294 99by way of a numerical caiculatbn of v en turi inner and outer tube fbw fields th is paper makes a theoretical analysis of the effect of structural parameters of the venturi tube on its in ner flow field an

31、d air duct flow field in add it bn, through tests key factors influencing the perfbimance have been identified and verified the calculation results agree well w ith the cold2state srn ulatbn test results key words: num erical calculation, sinp le algorithm , experi2 mental study多台汽水两用锅炉并联运行动态特性分析及数理

32、模型研究二an analysis of the dynamic cha racter istics and a study of them a them a t ica 1m ode 1 f or three d ual-purpose steam -w a tei boilers h pa ra lie io pera t ion 刊，屮ang zhaojun,w ang w enyu,dong shan (harbin u： niversity of a rchitectural engineering) | journal of engineering for thennal energ

33、y & pow 2er 2199& 13(2)1 100- 103based o n an in 2d ep th analysis of the dynam ic characteristics of three dual 巾 urpose steam 3v a2 ter bo ile rs in parallel ope rat bn the authors have set up for them a dy n am ic m a th em a t ica 1 model a n exploratory study was conducted of themethod

34、for solving themodel the smula2 tbn computatbn results arc found to be in good agreemont w ith the test rcsuits, which at2 tests to the correctness of the established model the re la ted research results can be helpful fbr the further pop u la r iza t b n of dual?uipose steam iv a te r boilers key w

35、 o rd s: du a purpose steam2 ater boiler,water level fluctuatbn,pressure change rate带有小螺旋角的内外螺旋翅片管高压加热器的工业试验二the iidustrfal test of an fatemal and external spiral-fhned tube hfeh-pressure heater with a snail spiral angle干中/ l iang ping, zhu dongshang, ct al (southeastern u niversity of science & technology),m a guangp ing, et al (zhaoguan pow er station) | journal of engineering fbr theimal energy & power 2199& 13(2)1- 104- 107the results of an on2site industrial test have shown that the use of internal an