能源专业课小周锅炉原理10-1

1、 第十章 自然循环基本工作原理：基本定义（物理量），基本工作原理：基本定义（物理量），蒸发受热面安全、自然循环安全性、蒸发受热面安全、自然循环安全性、提高安全措施、自然循环等计算。提高安全措施、自然循环等计算。两相流计算两相流计算不讲，不讲，自然循环的基本原理与基本方程自然循环的基本原理与基本方程一、基本原理一、基本原理左侧压力：左侧压力：下降管下降管右侧压力：右侧压力：上升管上升管循环推动力循环推动力影响因素：高度、饱和水与饱和汽密度差、影响因素：高度、饱和水与饱和汽密度差、上升管中含汽率。上升管中含汽率。gHp1gHph1)(DhshydHggHgHS 一、基本定义1. 循环流速循环流速上

2、升管开始沸腾处的饱和水速上升管开始沸腾处的饱和水速G流经上升管的质量流量流经上升管的质量流量 kg/s（包括水、汽（包括水、汽单位时间内流经单位截面的质量流量单位时间内流经单位截面的质量流量质量流速质量流速smFGWo/smkgFGWo2/ 2. 质量含汽率上升管中汽水混合物中蒸汽的质量份额3. 循环倍率进入上升管的循环水量与上升管出口产汽量之比自然循环锅炉携带循环安全性的重要指标之一。 riiGDXccccXXDGDGK1建立基本方程组 流体力学问题，四个普遍物理定律：流体力学问题，四个普遍物理定律： 质量守恒定律质量守恒定律 牛顿第二定律牛顿第二定律 热力学第一定律热力学第一定律 热力学第

3、二定律热力学第二定律 定压加热过程定压加热过程 热力学第一定律在锅炉上的表达式热力学第一定律在锅炉上的表达式 Q=G(ic-ir) ic: 管子出口焓值；管子出口焓值；ir：管子入口焓值管子入口焓值 对于下降系统：对于下降系统： p p1+Hg g+12/2=p p2+22/2+p pxj 对于上升系统：对于上升系统： p p2+ 22/2 =p p1+Hh hg g+112/2 + p pss 上升系统压差等于下降系统压差上升系统压差等于下降系统压差 两式联立，得：两式联立，得： Hg - g - p pxj=Hh h g g +p pss 即：即： H( h h ) g - g - p p

4、ss =p pxj= S Syx 有效压头有效压头S Syx，在数值上等于循环推动力与上在数值上等于循环推动力与上升系统阻力之差，用来克服下降管阻力。升系统阻力之差，用来克服下降管阻力。 安全问题：结渣（灰）、高温腐蚀、超温安全问题：结渣（灰）、高温腐蚀、超温爆管爆管 、结垢等、结垢等 q只取决于只取决于Th，管壁温度则只取决于工质侧，管壁温度则只取决于工质侧对流放热系数对流放热系数 工质工质-汽水混合物，汽水混合物，水水汽汽 蒸汽分布蒸汽分布- -流型问题流型问题蒸发受热面的安全工作问题蒸发受热面的安全工作问题 阻力小阻力小-汽泡趋中效应汽泡趋中效应 质量含汽率质量含汽率X 小小大大 泡状泡

5、状 弹状流型弹状流型 柱状流型柱状流型 液雾流型液雾流型单相水的流动（A段）：水温，未至饱和温度，无蒸汽。过冷气泡状流动（B段）：紧贴管子内壁面的水温至饱和并产生汽泡，管子中部水仍欠热，平均水温tg逐渐升高。饱和汽泡状流动（C段）全部工质至饱和温度，汽泡不再凝结，含汽量从x=0开始逐渐增大。弹状流动（D段）随着含汽量增大，汽泡聚合成弹状，温度保持饱和温度。 环状流动（环状流动（E段）段）含汽量含汽量，汽，汽弹连接成柱，弹连接成柱， 形成环形成环状流动。环状流动后状流动。环状流动后期，中部汽流增加，期，中部汽流增加，流速升高，蒸汽开始流速升高，蒸汽开始携带水滴。携带水滴。 雾状流动（雾状流动（F

6、段）段）含汽量很大，含汽量很大，壁面水膜蒸干，成为壁面水膜蒸干，成为蒸汽带水滴雾状流动。蒸汽带水滴雾状流动。温度仍为饱和温度。温度仍为饱和温度。 单相汽流动（单相汽流动（G段）段）全部蒸干，全部蒸干，x=1，蒸汽进，蒸汽进入过热状态。入过热状态。 随 着 压 力 增 加 ，随 着 压 力 增 加 ，10MPa以上，汽弹状流以上，汽弹状流动已不复存在。随着工动已不复存在。随着工质含汽量增加，由汽泡质含汽量增加，由汽泡状流动直接转变为汽柱状流动直接转变为汽柱状流动。状流动。 一般，自然循环锅炉一般，自然循环锅炉正常工作时，其质量含正常工作时，其质量含汽率小于汽率小于20%，处于汽，处于汽泡状流动工

7、况。泡状流动工况。（三）（三）沸腾传热恶化沸腾传热恶化沸腾传热恶化分为第一类沸腾传热恶化和第二类沸腾传热恶化两类。1.第一类沸腾传热恶化（发生在质量含汽率x较低处）概念：因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化称为第一类传热恶化，或称膜态膜态 沸腾沸腾，它是由于热负荷太高造成。此时，管壁温度迅速上升，多数情况下管壁过热而烧坏。开始发生核态沸腾偏离时的热负荷称临界热负荷。影响临界热负荷的因素分析：影响临界热负荷的因素分析：（1）质量流速质量流速对临界热负荷的影响有两重性。质量含汽率不变时，质量流速，汽量，临界热负荷。另一方面，质量流速，携带蒸汽的速度，临界热负荷。高压时后者起主要作用。 （2 2） 质量

8、含汽率质量含汽率 质量含汽率较大时，质量含汽率质量含汽率较大时，质量含汽率，临，临界热负荷界热负荷。 （3 3） 管子进口欠热：管子进口欠热： 在相同的质量流速在相同的质量流速 下，管子进口欠热下，管子进口欠热， 临界热负荷临界热负荷。 （4）管子内径：）管子内径： 管子内径管子内径，临界热负荷，临界热负荷。 （5）工质压力）工质压力 压力压力，临界热负荷，临界热负荷。 2. 2.第二类沸腾第二类沸腾传热恶化传热恶化( (发生发生在在x较高处较高处) ) 概念：因管壁概念：因管壁水膜被水膜被“蒸干蒸干”导致的沸腾传导致的沸腾传热恶化称为热恶化称为 第第二类沸腾传热二类沸腾传热恶化。恶化。 原因

9、：汽水混原因：汽水混合物中含汽率合物中含汽率太高所致。太高所致。 临界含汽率的影响因素： （1）热负荷 热负荷与临界含汽率关系不大,但临界热负荷，管壁温度。（2）工质压力工质压力较小时，压力，临界含汽率；反之则相反。 （3）质量流速 质量流速，临界含汽率。 （4）管径 管径， 临界含汽率。对于超高压及以下的自然循环锅炉，在循环正常时，由于热负荷和工质含汽率都较低，不会发生传热恶化。对于亚临界压力锅炉，水冷壁的临界热负荷仍高于其局部最高热负荷，不会发生第一类传热恶化。但界限含汽率随压力的上升而下降，有可能发生第二类传热恶化。例如：国产DG1000/170-型自然循环锅炉，其水冷壁的最低界限含汽率

10、约0.4，而水冷壁的实际含汽率很接近，故有可能发生第二类传热恶化。沸腾传热的防护措施：沸腾传热的防护措施： 两个途径：防止沸腾传热恶化的发生；两个途径：防止沸腾传热恶化的发生； 把沸腾传热恶化发生位置把沸腾传热恶化发生位置 推移到热负荷较低处，使推移到热负荷较低处，使 其管壁温度不超过许用值。其管壁温度不超过许用值。（1）保证一定的质量流速（2）降低受热面的局部热负荷（3）管内结构措施 三、自然循环的安全性三、自然循环的安全性 （一）水冷壁安全工作的条件（一）水冷壁安全工作的条件 管壁温度：管壁温度： 在沸腾传热过程中，管子内壁温度可在沸腾传热过程中，管子内壁温度可按下式计算：按下式计算： C

11、 )/ 1( 2aqttgnb 水冷壁在正常运行情况下，管内水冷壁在正常运行情况下，管内壁处于核态沸腾传热，放热系数壁处于核态沸腾传热，放热系数 2很很大大 2=104105kW W/（m2） ，管内，管内壁金属与工质的温差只有壁金属与工质的温差只有2030，比金属的许用温度低得多，水冷壁的比金属的许用温度低得多，水冷壁的工作是足够安全的。工作是足够安全的。 例如亚临界压力自然循环锅炉，例如亚临界压力自然循环锅炉，水冷壁内工质压力约水冷壁内工质压力约19MPa，饱和温，饱和温度度369，管壁金属温度约管壁金属温度约390，水水冷壁为冷壁为20g钢。钢。 管内工质保持一定的流速，管内工质保持一定

12、的流速，蒸汽干度一定，管内壁清洁一定，管内壁清洁无垢，是保证核态沸腾传热无垢，是保证核态沸腾传热的必要条件。的必要条件。 循环倍率的选择：循环倍率的选择： 意义：上升管中每产生意义：上升管中每产生1kg蒸汽，需要进入蒸汽，需要进入上升管的循环水量；或上升管的循环水量；或1kg水全部变成蒸汽，在水全部变成蒸汽，在循环回路中需要循环的次数。循环回路中需要循环的次数。 K的倒数称为上升管出口汽水混合物的干度的倒数称为上升管出口汽水混合物的干度或质量含汽率，以符号或质量含汽率，以符号x表示，故有：表示，故有： x =1/K=D/G 循环倍率循环倍率K越大，含汽率越小，则上升管越大，含汽率越小，则上升管

13、出口汽水混合物中水的份额较大，管壁水膜稳出口汽水混合物中水的份额较大，管壁水膜稳定。但定。但K值过大，上升管中汽水量太少。汽水值过大，上升管中汽水量太少。汽水混合物混合物 的平均密度增大，运动压头减小。将使的平均密度增大，运动压头减小。将使循环水速降低，对水循环安全也是不利的。循环水速降低，对水循环安全也是不利的。 循环回路工作循环倍率应大于界限循环倍循环回路工作循环倍率应大于界限循环倍率才能保证水冷壁管屏每根管子均匀吸热条件率才能保证水冷壁管屏每根管子均匀吸热条件下的安全工作。即下的安全工作。即 KKj (6-7) 界限循环倍率与界限循环倍率与x有关，有关，K过小，可能产生过小，可能产生第一

14、类传热恶化。第一类传热恶化。 自补偿特性：在上升管含汽率小于界限自补偿特性：在上升管含汽率小于界限含汽率范围内，当受热面热负荷增加，自然循含汽率范围内，当受热面热负荷增加，自然循环回路上升管受热增强时，循环水量和循环水环回路上升管受热增强时，循环水量和循环水速也随着增大进行补偿，这种循环特性称为自速也随着增大进行补偿，这种循环特性称为自补偿性或自补偿能力。补偿性或自补偿能力。自然循环回路作工安全的条件：锅炉应始终工作在自补偿范围内。即上升管的含汽率必须始终小于界限含汽率，而循环倍率则应始终大于界限循环倍率。对于汽包压力大于17MPa的锅炉，上升管出口含汽率还应受到不发生“蒸干”传热恶化的限制。

15、（二）影响水冷壁安全运行（二）影响水冷壁安全运行的主要因素的主要因素 管内的影响因素有： 水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀； 水冷壁受热偏差影响导致的个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流； 水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾； 汽包水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重的“干锅”。 管外的影响因素有：燃烧产生的腐蚀性气体对管壁的高温腐蚀；结渣和积灰导致的对管壁的侵蚀；煤粉气流或含灰气流对管壁的磨损。 管内的影响因素一般导致管子金属内壁面上的连续水膜被破坏，出现传热恶化，引起管壁工作温度超过金属材料的允许温度。超温严重时管子强度下降，承压能力下降。这时由于管内的工质

16、压力的作用，可导致管子局部“鼓包”、裂口，以致发生爆管事故。 管外的因素则是一般直接导致管子的管壁减薄或金属管壁超温，同样使管子承压能力下降，引起爆管或泄漏。 （三）蒸发管内的停滞、倒流（三）蒸发管内的停滞、倒流 1.停滞 水冷壁是将几百根管子并联组合成多个独立的循环回路，循环推动力不同：吸热强度偏差：由于炉膛中温度场分布不均和不断变化引起。流量分配偏差：导致每根管子和管屏间的阻力不同。 在管内工质不流动的情况下，汽泡容易聚集在管子的弯头和焊缝处，由于管子受热和汽泡合并，可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就会过热超温。 水循环停滞现象主要发生在受热弱的管子上。 2.倒流 在并联工作的水冷壁管

17、子之间，由于受热不均，上升管之间形成了自然循环回路。这时，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流，工质向下流的管子就叫“倒流管”。从而倒流现象的定义就是：本来应该是工质向上流的上升管，变成了工质向下流的下降管。 当水冷壁受热不均比较严重时，受热最差的管子有时可能出现停滞，有时可能出现倒流。所以，同一根管子出现停滞和倒流以及向上流动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内工质密度的变化而变化的。四、影响循环安全性的主要运行因素四、影响循环安全性的主要运行因素自然循环发生不安全的原因有 循环倍率过低 水冷壁管屏受热偏差管的停滞 水冷壁管屏受热偏差管的自由水位 水冷壁管屏受热偏差管的倒流 下降管

18、进口汽化或带汽 （1）水冷壁受热不均或受热强度过高炉内火焰偏斜水冷壁局部结渣和积灰 受热很弱的管子容易出现停滞或倒流，受热很强的管子可能出现膜态沸腾，其结果都是导致管子局部发生传热恶化，管壁温度升高。（2 2）下降管带汽或自汽化）下降管带汽或自汽化 下降管入口产生旋涡漏斗时，旋涡中心将有部分蒸汽被水流抽吸进入下降管。 防止下降管带汽的办法：在下降管入口安装隔栅外运行时，应注意维持正常的汽包水位。水位过低，下降管入口不但容易产生旋涡漏斗，而且下降管入口处的静压力降低，容易产生水的自汽化。（3 3）水冷壁管内壁结垢）水冷壁管内壁结垢 锅炉运行水质不合格，含盐量超标，当水在管内受热蒸发时，盐分从水中

19、析出，沉积在管壁上，形成盐垢。 结垢的管子管壁温度就升高。这种破坏决不亚于停滞、倒流和膜态沸腾的影响。 水冷壁管内结垢时，流动阻力也随着增大，容易引起停滞或倒流。（5 5）变负荷速度过快或低负荷）变负荷速度过快或低负荷运行时间过长运行时间过长 锅炉低负荷运行时，蒸发量减少，水冷壁管内工质密度增大，使水冷壁重位压差减小，循环回路的运动压头减小，循环流速就会降低，因而低负荷运行时的水循环安全性较差。 在快速变负荷，尤其是在快速降负荷时，循环系统内由于压力降低，工质的自汽化过程加快，循环安全性大幅降低。 控制变负荷速度是保证水循环系统安全工作的重要条件之一。五、提高自然循环安全性的措施五、提高自然循

20、环安全性的措施 水冷壁平行管存在着热偏差，个别管子的循环流速与循环倍率不同程度地小于平均情况下的数值，可能发生循环停滞、倒流或传热恶化等循环事故。1.水冷壁管径（二）循环回路中水冷壁管屏的宽度一般，炉膛一面墙的水冷壁分成34个或更多的管屏组成。（三）下降管和导汽管自然循环特性的计算 计算目的：计算目的： 1。新设计锅炉，结构是否合理。新设计锅炉，结构是否合理 2。改造锅炉较大时。改造锅炉较大时 3。对运行锅炉水循环有怀疑时。对运行锅炉水循环有怀疑时 计算内容：计算内容： 1。各个回路的平均循环流速、回路循环倍。各个回路的平均循环流速、回路循环倍率率 2。锅炉总循环倍率。锅炉总循环倍率 3。检验

21、循环可靠性。检验循环可靠性 范围：额定负荷和额定压力，选择一个从范围：额定负荷和额定压力，选择一个从受热均匀性、热负荷和结构特点来看工作受热均匀性、热负荷和结构特点来看工作特点最差的回路。特点最差的回路。简单循环回路和复杂循环回路 简单循环回路：由一根下降管（或一组结简单循环回路：由一根下降管（或一组结构基本相同的下降管）与一个管屏（或一构基本相同的下降管）与一个管屏（或一组结构、位置、流动方向和热负荷基本相组结构、位置、流动方向和热负荷基本相同的管屏）连接而成的回路同的管屏）连接而成的回路 区分独立循环回路。区分独立循环回路。 具体计算回路的划分。受热最弱或阻力最具体计算回路的划分。受热最弱或阻力最大、受热最强的上升管个别进行计算大、受热最强的上升管个别进行计算上升管区段的划分 1。热水段要分开计算，下联箱到沸腾点是。热水段要分开计算，下联箱到沸腾点是热水段，采用单相流动计算公式热水段，采用单相流动计算公式 2。热后段是否分出，热后段长度大于上升。热后段是否分出，热后段长度大于上升管总长度管总长度10%，要分开进行计算，要分开进行计算 3。含汽段分段。含汽段分段。热负荷的分配 1。根据炉内换热计算结果进行计算。根据炉内换热计算结果进行计算 炉膛总吸热量减去过热器在炉膛中的吸热炉膛总吸热量减去过热器在炉膛中的吸热量，再除以水冷壁的吸热