锅炉原理第10章强制流动锅炉及水动力特性

1、热能与动力工程热能与动力工程第十章强制流动锅炉及水动力特性第十章强制流动锅炉及水动力特性热能与动力工程热能与动力工程强制循环锅炉、直流锅炉出现的原因强制循环锅炉、直流锅炉出现的原因1 P升高，汽水密度差下降，自然循环推动力下降，所以需要采用强制流动；2 由于压力提高，汽包体积大，壁厚，存在厚钢板供应困难，和制造工艺困难。3 给水处理技术落后，锅内腐蚀严重。热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程一、直流锅炉工作原理及过程工质依靠给水泵的压头一次通过预热、蒸发、过热各受热面而加热成为过热蒸汽。 给水流量 G 蒸发量 D给水泵给水泵 省煤器省煤器 水冷壁水冷壁 过热器过热器 热能与

2、动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程二、二、直流锅炉的特点直流锅炉的特点 本质特点本质特点l无汽包无汽包l工质一次通过各受热面，强迫流动工质一次通过各受热面，强迫流动l受热面无固定界限受热面无固定界限水冷壁中工质流动特点水冷壁中工质流动特点l受热不均对流动影响受热不均对流动影响l水动力多值性水动力多值性l有脉动现象有脉动现象1.给水泵压头大；给水泵压头大；热能与动力工程热能与动力工程传热过程特点在水冷壁中工质干度 x 由0 一1，因此第二类传热恶化一定出现热化学过程特点要求给水品质高控制调节过程特点直流锅炉对自动控制系统要求高，原因如下负荷变动时，直流

3、锅炉的蓄热能力较低，依靠自身炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低 直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量，以保证物质平衡和能量平衡，才能稳定汽压和汽温。所以直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高。热能与动力工程热能与动力工程启动过程特点设有启动旁路启动速度快在启动过程中，有工质膨胀现象启动一开始，必须建立启动流量和启动压力热能与动力工程热能与动力工程设计、制造、安装特点直流锅炉适用于任何压力蒸发受热面可以任意布置节省金属制造方便热能与动力工程热能与动力工程三、蒸发受热面主要形式（一）、早期采用的形式 本生型，即多次串联垂直上升管屏式 苏尔寿式，即多行程迂回管屏式 拉姆辛型，即水平围绕

4、上升管圈式式 热能与动力工程热能与动力工程垂直上升管屏式垂直上升管屏式 1-垂直管屏；垂直管屏；2-过热器；过热器；3-外置式过渡区；外置式过渡区；4-省煤器；省煤器；5-空气预热器；空气预热器； 6-给水如口；给水如口；7-过热蒸汽出口；过热蒸汽出口；8-烟气出口烟气出口 热能与动力工程热能与动力工程回带管屏式回带管屏式 1-水平回带管屏；水平回带管屏；2-垂直回带管屏；垂直回带管屏；3-过热蒸汽出口；过热蒸汽出口；4-过热器；过热器；5-外置式过渡区；外置式过渡区；6-省煤器；省煤器；7-给水入口；给水入口；8-空气预热器；空气预热器；9-烟气出口烟气出口 热能与动力工程热能与动力工程水平

5、围绕管圈式水平围绕管圈式 1-省煤器；省煤器；2-炉膛进水管；炉膛进水管；3-水分配集箱；水分配集箱；4-燃烧器；燃烧器；5-水平围绕管圈；水平围绕管圈；6-汽水混合物出口集箱；汽水混合物出口集箱；7-对流过热器；对流过热器；8-壁上过热器；壁上过热器；9-外置式过渡区；外置式过渡区；10-空气空气预热器预热器 热能与动力工程热能与动力工程（二）、现代直流锅炉采用的形式 由于锅炉向大容量、高参数发展；采用了膜式水冷壁；滑参数运行和给水处理技术发展。因此直流锅炉形式有了很大的变化。 一次垂直上升管屏式（UP型） 炉膛下部多次上升、炉膛上部一次上升管屏式（FW型） 螺旋围绕上升管屏式 热能与动力工

6、程热能与动力工程一次垂直上升管屏式（一次垂直上升管屏式（UP型）型）热能与动力工程热能与动力工程两次垂直上升管屏式两次垂直上升管屏式FW型型热能与动力工程热能与动力工程螺旋围绕上升管屏式螺旋围绕上升管屏式热能与动力工程热能与动力工程（三）螺旋管圈型水冷壁（三）螺旋管圈型水冷壁使用螺旋管圈水冷壁的原因使用螺旋管圈水冷壁的原因 在在定的炉膛周界情况下，如采用垂直布置的水冷壁管，定的炉膛周界情况下，如采用垂直布置的水冷壁管，其管子根数基本固定，管子直径不能过细，为了保证水冷其管子根数基本固定，管子直径不能过细，为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以壁管子的安全，必须保证一定的工质流量

7、，所以垂直管圈垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的的质量流速大小是受到严格限制的。 容量较小的直流锅炉水冷壁往往存在着单位容量炉膛周界容量较小的直流锅炉水冷壁往往存在着单位容量炉膛周界尺寸过大，尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速水冷壁管子内难以保证足够的质量流速 热能与动力工程热能与动力工程解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有下述四种：解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有下述四种：（1）采用小管径和多次混合的水冷壁）采用小管径和多次混合的水冷壁（2）水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）（3）采用多次上升垂直管圈型水冷壁

8、）采用多次上升垂直管圈型水冷壁（4）采用）采用螺旋管圈型水冷壁螺旋管圈型水冷壁。热能与动力工程热能与动力工程tsinLN 螺旋管圈型水冷壁关键参数：螺旋管圈型水冷壁关键参数： 管子根数管子根数式中：式中：N 并列管子根数；并列管子根数；L 炉膛周界炉膛周界 螺旋管上升角；螺旋管上升角；T 水冷壁管子节距水冷壁管子节距 热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程螺旋管圈型水冷壁关键参数：螺旋管圈型水冷壁关键参数： 上升角度上升角度盘旋圈数盘旋圈数（圈数太少会部份丧失螺旋管圈在减少热偏差方面的（圈数太少会部份丧失螺旋管圈在减少热偏差方面的效益；圈数太多会增加阻力而增加给水泵功耗。效益

9、；圈数太多会增加阻力而增加给水泵功耗。推荐值：推荐值：1.52.5圈圈热能与动力工程热能与动力工程采用螺旋管圈水冷壁的优点采用螺旋管圈水冷壁的优点 能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行；能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行； 管间吸热偏差小；管间吸热偏差小； 抗燃烧干扰能力强；抗燃烧干扰能力强； 可以不设水冷壁进口的分配节流环；可以不设水冷壁进口的分配节流环； 适应于锅炉变压运行的要求。适应于锅炉变压运行的要求。热能与动力工程热能与动力工程第二节控制循环锅炉工质在蒸发管中做多次强制循环流动，仍然用于亚临界压力范围内，故又称为多次强制循环锅炉。热能与动力工程热能与动力

10、工程 可以采用更细的管子可以采用更细的管子；蒸发受热面的垂直布置，比较自由蒸发受热面的垂直布置，比较自由；锅筒锅筒、汽水分离器尺寸小，金属耗量少，但循环水泵汽水分离器尺寸小，金属耗量少，但循环水泵的投资和运行费用均较大的投资和运行费用均较大。 增加了数台循环水泵，关键增加了数台循环水泵，关键设备设备一、特点热能与动力工程热能与动力工程二、强制循环锅炉的水动力特点 由于同直流锅炉一样，同为强制流动，因而，在由于同直流锅炉一样，同为强制流动，因而，在蒸发受热面的可靠性方面，与对直流锅炉水动力特性蒸发受热面的可靠性方面，与对直流锅炉水动力特性的分析一样，存在着：的分析一样，存在着：1水动力特性不稳定

11、性问题（多值性）；水动力特性不稳定性问题（多值性）；2流体脉动；流体脉动；3热偏差。热偏差。热能与动力工程热能与动力工程三、工作特点D，%G，%给水流量给水流量水冷壁管中流量（循环水泵流量）水冷壁管中流量（循环水泵流量）循环倍率K1，但较低（35或更小），因而循环水量小，循环推动力大。由于循环水泵的特性，水冷壁中工质的流量变化不大。 与自然循环锅炉相比，控制循环锅炉启动、停炉和变负荷速度更快。 运行耗电量较大，费用高（强制循环泵）。热能与动力工程热能与动力工程复合循环锅炉：复合循环锅炉：低负荷时能保证必需的质量流速，低负荷时能保证必需的质量流速，高负荷时质量流速又不过大，是适合于亚临界和超高负

12、荷时质量流速又不过大，是适合于亚临界和超临界压力的一种比较理想的锅炉型式。临界压力的一种比较理想的锅炉型式。第三节复合循环锅炉第三节复合循环锅炉热能与动力工程热能与动力工程工作原理工作原理热能与动力工程热能与动力工程复合循环3845611循环泵； 2锅筒； 3省煤器； 4炉膛水冷壁 5节流阀； 6 分配集箱； 7给水泵； 8混合器热能与动力工程热能与动力工程再循环量给水量水冷壁流量10050050100流量100%7A 全负荷复合循环锅炉负荷/ 100%123456亚临界压力复合循环热能与动力工程热能与动力工程1234576再循环量给水量10050050100水冷壁流量B 部分负荷复合循环锅炉

13、负荷/ %1水冷壁； 2-汽水分离器； 3-省煤器；4-混合器； 5-循环泵； 6-控制阀； 7-节流阀热能与动力工程热能与动力工程 热能与动力工程热能与动力工程推导可得推导可得 CBAP23 1r2i11q8iA 1ri1d2LB 1rdqLC22 热能与动力工程热能与动力工程水动力特性曲线水动力特性曲线132abc1w2w3wwp在此图中，1，3 线为单值特性曲线 2 线为多值特性曲线。 但在实际中会出现那种图形，取决于特性方程式中，A,B,C这三个参数的取值。 如果出现曲线2所示图形，就表在一个压差下，对应有23个流量，即水动力成多值性。 热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与

14、动力工程2)w(dLp2rsrs )1 (x12)w(dLLp2rszf w 增加，增加，Lrs增加，增加， Lzf减小，使得减小，使得D减小，相应的减小，相应的 x 也减小；而且也减小；而且x减小影响程减小影响程度比度比w 增加影响程度大。因此，增加影响程度大。因此，w 增加，增加， 热能与动力工程热能与动力工程 1ar46.7i 热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程 4）热负荷）热负荷q热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程5）锅炉负荷）锅炉

15、负荷 图图13-14表示了负荷变化对水动力特性的影响。表示了负荷变化对水动力特性的影响。 直流锅炉在低负荷运行时，比高负荷时的水动力稳直流锅炉在低负荷运行时，比高负荷时的水动力稳定性要差得多。因为低负荷时，压力低，质量流速小，定性要差得多。因为低负荷时，压力低，质量流速小，进口工质欠焓大，热负荷降低，热偏差增大。可见，进口工质欠焓大，热负荷降低，热偏差增大。可见，此时在多种不利因素的同时作用下，水动力不稳定性此时在多种不利因素的同时作用下，水动力不稳定性的程度必然增大。的程度必然增大。热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程6）重位压头）重位压头热能与动力工程热能与动力工程7）

16、工质的热物理特性）工质的热物理特性热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程重位压差的影响对水动力特性的影响有利于水动力特性位压差的影响对水动力特性的影响有利于水动力特性趋向稳定趋向稳定 g + g 当质量流速增加时，垂直管中重位压差的影响减少，这时当质量流速增加时，垂直管中重位压差的影响减少，这时的水动力特性趋向于水平管圈的水动力特性的水动力特性趋向于水平管圈的水动力特性 ;当质量流速

17、当质量流速小时，垂直管中重位压差的影响大，这时的水动力特性趋小时，垂直管中重位压差的影响大，这时的水动力特性趋向于自然循环管子的水动力特性向于自然循环管子的水动力特性 。热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程 。动态动态 ：静态静态 ： 热能与动力工程热能与动力工程 l同一根管子，给水量随时间作周期性波动，蒸发量也随同一根管子，给水量随时间作周期性波动，蒸发量也随时间作周期性波动，它们的波动相位差为时间作周期性波动，它们的波动相位差为180l脉动是不衰减的脉动是不衰减的 l对于垂直上升管屏，也有管间脉动现象发生对于垂直上升管屏，也有管间脉动现象发生 。且对脉动且对脉动更敏感，

18、更加严重更敏感，更加严重 热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程 热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程 ，热水段、蒸发段、过热段都在作周热水段、蒸发段、过热段都在作周期性波动，在交界处附近壁温周期性变化，最大波动甚期性波动，在交界处附近壁温周期性变化，最大波动甚至达到至达到150 ，因而使管子产生疲劳破坏因而使管子产生疲劳破坏 。 。热能与动力工程热能与动力工程w 加节流圈；采用逐步扩大的管径（省煤加节流圈；采用逐步扩大的管径（省煤 器采用较小管径）器采用较小管径） 增加呼吸联箱，呼吸联箱处使压力均衡增加呼吸联箱，呼吸联箱处使压力均衡合适的压力和热负荷合适

19、的压力和热负荷 热能与动力工程热能与动力工程 定义定义pjpii pjpjpjpjGAqi ppppGAqi 热能与动力工程热能与动力工程GAqppjpjpjppGAqGAq pjpqqq pjpAAA pjpGGG 热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热负荷分布不均匀。锅炉炉膛中沿宽度方向烟气的速度热负荷分布不均匀。锅炉炉膛中沿宽度方向烟气的速度场、温度场和热流的分布不均匀是造成水冷壁并联管组吸场、温度场和热流的分布不均匀是造成水冷壁并联管组吸热不均匀的主要原因热不均匀的主要原因 。和机组容量，炉内燃烧、流动工和机组容量，炉内燃烧、流动工况，燃烧器布置和运行方式，负荷变化

20、，煤种变化等有况，燃烧器布置和运行方式，负荷变化，煤种变化等有关。关。热能与动力工程热能与动力工程l水平管圈水平管圈pppjpjGvzvz 热负荷的影响热负荷的影响结构的影响结构的影响工质在受热面进口处的焓值的影响工质在受热面进口处的焓值的影响压力的影响压力的影响热能与动力工程热能与动力工程l垂直管圈垂直管圈2pjpjpjPpjpppjpjG)w(zHgv1vzvz 热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程 加节流圈加节流圈w热能与动力工程热能与动力工程 管内工质沿着长度方向吸热并且含汽率的增加，工质的流管内工质沿着长度方向吸热并且含汽率的增加，工质的流动结构也相应发生变化。由于流动结构不同，传热特性