锅炉原理-第九章锅炉水动力特性

第九章锅炉水动力特性

锅炉水动力学基础

汽水混合物的流型与传热

两相流体的基本参数自然循环锅炉的水循环及计算

自然循环的基本概念

简单回路及复杂回路水循环计算

自然循环故障及其可靠性校验

泡状流当汽水混合物中含汽率x较小时，蒸汽呈细小的汽泡，主要在管子中心部分向上运动

汽水混合物在垂直管中作上升运动

汽、液两相数量，即质量含汽率x不断变化；汽、液两相间存在相对运动；产生汽泡趋中效应汽水混合物的流型和传热两相流体的流动结构

弹状流含汽率x增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻力较小的汽弹汽水混合物的流型和传热两相流体的流动结构

环状流含汽率x继续增大，弹状汽泡汇合成汽柱并沿着管子中心流动，而水则成环状沿着管壁流动，形成汽柱状或称水膜环状流动结构

雾状流当含汽率x再增大时，管壁上水膜变薄，汽流将水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被带走，汽与水形成雾状混合物汽水混合物的流型和传热两相流体的流动结构

汽水混合物在水平管中流动

在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽水波动，可能产生疲劳损坏

汽水混合物的流型和传热两相流体的流动结构

汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角愈小，汽水分层愈易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，以防止发生分层流动

汽水混合物的流型和传热两相流体的流动结构

水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾和沸腾传热恶化两种工况

核态沸腾

汽泡强烈扰动，传热性能良好，管内壁温度接近于水的饱和温度，得到良好的冷却

沸腾传热恶化

第一类传热恶化（膜态沸腾）

热负荷很高，管内壁汽化核心急剧增加，形成连续的汽膜，对流放热系数α2急剧下降，管壁得不到液体冷却,超温破坏。特性参数为临界热负荷，对应的x为临界含汽率汽水混合物的流型和传热水冷壁管内传热

第二类传热恶化（蒸干）

热负荷比前者低、但含汽率很高时（出现液雾状），汽流将水膜撕破或因蒸发使水膜部分或全部消失，管壁直接与蒸汽接触而得不到液体的足够冷却，对流放热系数α2急剧下降，金属壁温tb急剧增加造成管子过热而烧坏，特性参数是工质的界限含汽率汽水混合物的流型和传热水冷壁管内传热

均相模型假定：

汽水均匀混合，与泡状流近似，只考虑汽和水的比容不同；

汽和水之间没有相对运动，即认为二者速度相同。

实质是把汽液两相流变成单相流（汽水混合物单相流）。均相模型两相流体的基本参数

针对主要流型泡状和环状，把泡状流和环状流简化如下：

水在管中靠管内壁流，占据管截面积F‘；汽在管子中间由水形成的“水管”中流，占据管截面积F”；考虑汽与水的相对速度：水的真实速度为w’；汽的真实速度为w“。分流模型两相流体的基本参数

质量流速单位时间流经单位流通截面的工质质量

循环流速w0

上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速式中：G为工质的质量流量；为容积流量两相流体的基本参数两相流体的速度

在上升管开始沸腾这个截面，w0值是真实存在的，是可以测出来的。当把它推广到上升管任意截面上，它就是假想汽水混合物全部是饱和水时在管截面的速度，实质代表G。

折算速度假定蒸汽或水容积占据管子全部截面时的速度式中：D为蒸汽质量流量

混合物速度

真实速度两相流体的基本参数两相流体的速度

质量含汽率x

汽水混合物中蒸汽的质量流量与汽水混合物总质量流量之比两相流体的基本参数两相流体的含汽率

容积含汽率

蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比推导过程

截面含汽率蒸汽所占截面与管子总截面之比上升流动C<1,<β；下降流动C>1,>β两相流体的基本参数两相流体的含汽率

混合物密度ρhu

真实密度ρzs两相流体的基本参数两相流体的密度

两相流体的重位压降

两相流体的流动阻力

为简便计算，可采用单相流体流动阻力计算公式，如下：流动阻力与重位压降的计算

上升管中汽水混合物ρ与x不断变化，流动阻力和重位压降都分段计算，再叠加求和。两相流体的基本参数两相流体的基本参数容积含汽率β的推导过程

自然循环的工作原理下降管中水与上升管中汽水混合物间的重位压头差使水在回路中产生环形流动，又称为水循环自然循环的基本概念基本概念

简单循环回路压差平衡式(取向下为正)式中H―下降管的高度（即循环回路的高度），m；

―下降管及上升管中工质的密度，kg/m3；

Pxj、Pss―下降管及上升管流动阻力损失，Pa自然循环的基本概念基本概念推导过程自然循环的基本概念简单循环回路压差平衡式推导过程

由右图，设锅筒内静压为p1，下降管下部的静压为p2，则对于下降管和上升管分别有：

运动压头Syd下降管与上升管中工质重位差，维持回路自然循环的动力，用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力

影响运动压头的主要因素回路高度工质密度差：压力（压力越高，汽水密度差越低）；水冷壁吸热强度（吸热越多，密度差越大）自然循环的基本概念基本概念

循环倍率K循环回路中水流量G与回路中产生的蒸汽量D之比，即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次自然循环的基本概念基本概念

名义循环倍率K0按锅筒引出的饱和蒸汽量计算的循环倍率

凝汽率xnq

凝汽量与循环流量的比值

锅筒水室凝汽量Dnq

在锅筒水室中被凝结的蒸汽量自然循环的基本概念基本概念

自然循环锅炉水循环计算的目的

确定各回路平均循环流速w0、工质流量G；循环倍率Kh

确定锅炉总的循环倍率Kg

检验水循环的可靠性

范围：额定负荷、额定压力和最差回路（受热不均、热负荷低、结构复杂）简单回路水循环计算水循环计算目的和方法

水冷壁吸热方程

压差方程简单回路水循环计算水循环特性的方程组

流量方程

上升管受热,含汽率x不断增加，各截面两相流动参数不同，应分区段进行计算，把结构、受热相同的划为一段。A是上升管开始沸腾点

热水段Hrs从下联箱到A点是热水段，其中Hrq为热前段。采用单相流动计算公式简单回路水循环计算上升管区段的划分

含汽段Hhq

热水段以外的上升管管段均为含汽段，采用两相流体公式进行计算简单回路水循环计算上升管区段的划分

当热负荷、管径或管倾斜角度变化较大、水冷壁敷设卫燃带时含汽段应再分段

热水段Hrs上升管进入炉膛（B点），水具有一定欠焓，开始沸腾点A的位置需计算确定

导汽管不受热，含汽率不变对引入汽包汽空间的导汽管，导汽管最高点到超过水位那一段高度为提升段高度Hcq，应与导汽管分开计算

热后段Hrh

上升管离开炉膛到上联箱间管段，该管段不受热，若>10％上升管总长，则分开单独计算

简单回路水循环计算上升管区段的划分

开始加热点B工质欠焓△hB

锅水欠焓简单回路水循环计算上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓

B点工质欠焓

不考虑下降管受热和带汽式中为饱和水的焓值随压力增大而增大的梯度kJ/（kg·Pa）简单回路水循环计算上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓

B点工质欠焓△hB

静压变化p

式中p1、p2—

分别为汽包压力及炉膛入口B处压力，Pa简单回路水循环计算上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓

ΔH段高度开始沸腾点A工质欠焓△hA为零不考虑下降管受热和带汽H1为受热一段高度；Q1、G分别为受热一段吸热量和工质流量

ΔH段工质吸热引起的焓增简单回路水循环计算热水段高度Hrs的计算

热水段高度HrsΔH段高度简单回路水循环计算热水段高度Hrs的计算

ΔH段工质因压力减少而引起饱和水焓的减少量

结构数据按锅炉有关图纸查取

热力数据按锅炉热力计算书查取

画出蒸发受热面汽水系统图划分循环回路管屏分组（划分计算回路），上升管分段确定上升系统与下降系统的分界点

分配热负荷根据炉内热负荷分布曲线，确定每个回路各区段的热负荷及蒸发量Di

选择整台锅炉循环倍率假设值Kg，算出锅水欠焓假设值△hqh简单回路水循环计算简单回路水循环计算程序（图解法）

假定三个循环流速w0i

计算热水段高度Hrsi

计算密度w0i→Gi、Di→Xi→βi→φi→ρi

计算重位压头hiρig

计算上升管流动阻力确定上升管系统压差计算下降管流动阻力确定下降管系统压差简单回路水循环计算简单回路水循环计算程序（图解法）

分别作出与曲线，两曲线的交点即为系统工作点，从而确定该回路总压差Yss、循环流速w0、循环流量G及循环倍率Kh

确定整台锅炉循环倍率的计算值

锅水欠焓的计算值简单回路的三点图解法简单回路水循环计算简单回路水循环计算程序（图解法）

校核：锅水欠焓的计算值与假设值之差不超过12.56kJ/kg，且相对误差不超过30%，认为合格，否则需要重新假定Kg进行计算。简单回路的三点图解法简单回路水循环计算简单回路水循环计算程序（图解法）

复杂回路：多个简单回路的串、并联

原则：确定下降与上升系统分界点，确定串、并联系统串联：流量G（W0）相同，压差Y相加；并联：压差相同，流量相加工作点：YXJ=Yss大直径下降管复杂回路

区分独立循环回路：工质独立复杂回路水循环计算复杂回路水循环计算（图解法）

以大直径集中下降管复杂循环回路为例，该回路方程组为：大直径下降管复杂回路复杂回路水循环计算复杂回路水循环计算（图解法）复杂回路图解法复杂回路水循环计算复杂回路水循环计算（图解法）

自然循环特性热负荷与循环流速之间的关系锅炉热负荷Q上升，D上升，x上升：上升→hu下降→H（’-hu）g上升→Syd上升→w0上升

Δpss上升→w0下降Q增加，Syd增加起主要作用，w0上升；而Q增加过大，阻力增加起主要作用，反使w0下降

自然循环故障及其可靠性校验自然循环特性

自补偿能力随锅炉热负荷Q(质量含汽率x)的增加，循环回路水流量G(循环水流速w0)相应增大的能力

可避免管壁超温自然循环故障及其可靠性校验自然循环特性

循环倍率K衡量锅炉水循环可靠性的指标之一

K过大（x过小)，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障；

K过小（x过大），将失去自补偿能力，造成管壁超温

界限循环倍率Kjx

对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速）时的循环倍率回路循环倍率K应大于界限循环倍率Kjx

，对应的质量含汽率X应小于临界质量含汽率Xlj

自然循环故障及其可靠性校验自然循环安全性检查指标

界限循环倍率和推荐循环倍率锅炉压力(MPa)3.92～5.8810.2～11.7613.73～15.6916.67～18.63锅炉蒸发量(t/h)35～240160～420400～670≥800界限循环倍率Kjx1053>2.5推荐循环倍率15～257～154～84～6自然循环故障及其可靠性校验自然循环安全性检查指标

自然循环锅炉蒸发受热面金属安全工作的条件是保证管子内壁有连续水膜覆盖受热最弱上升管不出现流动的停滞、倒流、汽水分层等水循环故障；

受热最强上升管不发生沸腾传热恶化下降管不出现带汽或汽化

自然循环故障及其可靠性校验自然循环故障及安全性检查

自然循环锅炉在压力低于11MPa或受热管局部热负荷低于400kw／m2时一般不会出现传热恶化，正常水力工况破坏是蒸发管过热的主要原因，即管壁经常或周期性地与停滞或缓慢流动的蒸汽接触，造成管壁超温

自然循环锅炉在超高压以上，尤其在亚临界压力以上，因含汽率较高，（锅炉容量增大，炉膛周界相对减小，水冷壁根数减少而长度增加），循环倍率较低，可能出现第二类传热恶化，必须采取相应措施自然循环故障及其可靠性校验自然循环故障及安全性检查

并联的上升管组在共同的压差Yss下运行。当管组中各管受热不均匀时，受热弱的管中含汽率少，运动压头小，循环流速降低，可能发生循环异常

上升管引入汽包水空间当受热弱的管中水流量等于蒸发量，即G=D时，将出现循环停滞现象

上升管引入汽包汽空间发生循环停滞时管中工质无法到达上升管的最高点，出现自由水面。自由水面以下区域，产生少量蒸汽，以上的区域为缓慢流动的蒸汽自然循环故障及其可靠性校验循环停滞、自由水面和倒流现象自然循环故障及其可靠性校验循环停滞、自由水面和倒流现象

上升管引入汽包水空间当管组压差Y小于受热弱管子液柱重Hhg时，受热管中的水就自上往下流，称为倒流

循环停滞汽泡通过基本静止的水面上浮，管子弯头处蒸汽积累，出现自由水面时，水面以上管壁与蒸汽接触，使冷却能力下降，管子易超温爆管；自由水面上下波动，还会引起疲劳破坏

倒流只有当水的倒流速度与汽泡上浮速度相等，即汽泡处于上、下波动状态而形成汽塞时，会把管子烧坏，很少发生。自然循环故障及其可靠性校验循环停滞、自由水面和倒流危害

汽包中的水进入下降管时，因流阻和加速产生压降使进口处发生自汽化

下降管进口截面上部形成涡漩漏斗状，蒸汽被吸入下降管中

汽包水容积内所含蒸汽被带入下降管中

下降管受热产生蒸汽

下降管带汽或汽化，会使管中工质密度减小，运动压头下降，影响回路水循环自然循环故障及其可靠性校验下降管带汽与汽化

减小并联管子吸热不均保持炉内温度