锅炉河南农业大学.ppt

1、2020/10/10,Principles of Boiler,Page 1,第十一章 控制流动锅炉,1、控制循环锅炉及特点 2、直流锅炉及特点 3、复合循环锅炉及特点 4、直流锅炉的流动特性 5、沸腾传热恶化及其防止措施 6、超临界压力锅炉介绍,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 2,锅炉分类(复习),自然循环锅炉：依靠汽水密度差推动 工质在炉膛受热面内循环。,强制循环锅炉：依靠外力（水泵）的推动使工质在炉膛受热面内循环。,直流锅炉： 工质在管内一次通过并变成热蒸汽。,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 3,强制循环

2、锅炉纵剖面布置图,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 4,上海外高桥900MW超临界煤粉锅炉,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 5,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 6,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 7,1控制循环锅炉及特点,1、控制循环锅炉及特点 2、低循环倍率锅炉,1/2,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 8,控制循环锅炉及特点,控制循环锅炉有汽包，循环回路下降管系统增设循环泵，工质流动的动

3、力为循环泵的压头和工质重位差,可采用小直径水冷壁，水冷壁可自由布置。 采用体积较小的高效分离器，可减小汽包直径。 工质质量流速较高，循环倍率较自然循环小，一般为35；循环稳定，不易出现循环异常，但可能出现流动不稳定、脉动。 工质强制流动，可使各承压部件均匀受热或冷却，缩短锅炉启停时间。,1/2,压力增至一定值，汽水密度差-”下降，运动压头下降；汽水分离困难，必然取消汽包。主要有直流锅炉、控制循环锅炉和复合循环锅炉三种,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 9,2直流锅炉结构与工作原理,1、直流锅炉结构与工作原理 2、直流锅炉工作特点 3、带启动分离器的启动系

4、统 4、直流锅炉结构(早期) 5、现代直流锅炉采用的形式,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 10,直流锅炉结构与工作原理,直流锅炉没有汽包，给水在给水泵压头的作用下，顺序流过热水段、蒸发段和过热段受热面一次将给水全部变成过热蒸汽，蒸发区循环倍率K=1。,热水段: 水的焓和温度逐渐增高，比容略有加大，压力则由于流动阻力而有所降低。,蒸发段: 汽水混合物的焓继续提高，比容急剧增加，压力降低较快，相应的饱和温度随着压力的降低也降低一些。,沿管子长度方向工质参数变化情况：,过热段: 蒸汽焓、温度和比容均增大，压力由于流动阻力较大而下降更快。,1/4,2020/1

5、0/10,Principles of Boiler,Page 11,直流锅炉工作特点,加热、蒸发和过热受热面没有固定的界限，汽温变化大。 如减小给水量，开始沸腾点前移，过热段长度L3增大，过热汽温上升。,无汽包，无下降管，水冷壁可采用小管径，耗钢少；但电耗相对较大；水冷壁可自由布置，适用于任何压力。,2/4,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 12,专门的启动系统 以便在启动时有足够的水量通过蒸发受热面，保护管壁不致被烧坏,直流锅炉工作特点,对燃料、给水和空气的自动控制及调节要求较高 直流锅炉的水容积及相应蓄热能力小，对负荷变动较敏感；工质预热、蒸发和过热

6、段间无固定界限，若燃料、给水比例失调，不能保证供给合格蒸汽,启动和停炉速度比较快 直流锅炉没有厚壁的汽包，起动和停炉过程中锅炉各部分加热和冷却均匀,3/4,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 13,直流锅炉工作特点,无自补偿能力 蒸发受热面可能出现流动不稳定、脉动、热偏差，危及锅炉安全运行，可采用在蒸发管进口加装节流圈等措施,管内换热处于膜态沸腾状态下，管壁可能超温破坏 直流锅炉蒸发受热面中，水要从开始沸腾一直到完全蒸发 汽包锅炉中由于循环倍率高，蒸发受热面出口的蒸汽含量X 较低，管内换热属于泡状沸腾，壁温可得到充分冷却,对给水品质的要求很高 无汽包，不能

7、进行连续排污,4/4,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 14,带启动分离器的启动系统,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 15,带启动分离器的启动系统,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 16,分离器,贮水箱,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 17,汽水分离器与贮水箱 的连接,分离器：汽水混合物沿筒体切向进入分离器后，旋转形成的离心力使汽水分离。 贮水箱：收集分离器的排水。,2020/10/10,Principles of Boiler,P

8、age 18,直流锅炉结构(早期),水平围绕管圈式拉姆辛式； 垂直管屏式本生式； 多行程回带管屏式苏尔寿式。,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 19,蒸发受热面主要形式 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，即水平围绕上升管圈式,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 20,拉姆辛式直流炉的主要优缺点,无中间联箱、下降管，金属耗量小； 蒸发受热面进口有节流管圈； 水动力稳定，热偏差小； 疏排水方便，适用于滑压运行。,现场组装工作量大； 膨胀问题不容易解决。,主要优点,主

9、要缺点,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 21,垂直管屏式本生式,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 22,本生式锅炉简图,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 23,本生式直流炉的优缺点,有炉外下降管与中间联箱； 管系简单，现场组合率高，制造方便； 容易消除热偏差。,金属耗量较大； 滑压运行的适应性较差。,优点,缺点,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 24,多行程回带管屏苏尔寿式,垂直回带管屏,水平回带管屏,2020/10/10,Princ

10、iples of Boiler,Page 25,多行程回带管屏苏尔寿式锅炉,垂直回带管屏,水平回带管屏,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 26,1-水平回带管屏；2-垂直回带管屏；3-过热蒸汽出口；4-过热器； 5-外置式过渡区；6-省煤器；7-给水入口；8-空气预热器；9-烟气出口,回带管屏式,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 27,1-垂直管屏；2-过热器；3-外置式过渡区；4-省煤器；5-空气预热器； 6-给水如口；7-过热蒸汽出口；8-烟气出口,垂直上升管屏式,2020/10/10,Principles o

11、f Boiler,Page 28,多行程回带管屏直流炉的优缺点,无炉外下降管，中间混合联箱少； 金属耗量少，布置方便。,管子长，热偏差很大； 制造难度较大； 垂直回带管屏疏排水不方便； 水动力稳定性差。,优点,缺点,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 29,现代直流锅炉采用的形式 锅炉向大容量、高参数发展；采用膜式壁；滑参运行和给水 处理技术发展。直流锅炉形式有了很大变化。 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,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 30,螺

12、旋围绕上升管屏式,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 31,垂直水冷壁 （内螺纹管）,螺旋管水冷壁 （光管）,垂直管圈与螺旋管圈水冷壁比较,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 32,3 复合循环锅炉,1、复合循环工作原理 2、低倍率复合循环锅炉 直流锅炉：G=D, D G ,但是炉膛热负荷下降缓慢 为保证水冷壁管得到足够冷却，直流锅炉最低负荷一般 为额定负荷的25-30%。 保证低负荷时水冷壁安全额定负荷时工质质量流速 必然很高阻力大 启动时，流量也要维持25-35%额定值工质和热量 损失也很大,2020/10/10,

13、Principles of Boiler,Page 33,复合循环工作原理,1/3,复合循环与控制循环的区别 没有汽包，代之以简单的汽水分离器,复合循环与直流锅炉的区别 在省煤器和水冷壁之间装设循环泵、混合器和分配器等，依靠锅水循环泵压头将蒸发受热面出口的部分或全部工质进行再循环，蒸发系统中除直流流量外，还有循环泵提供的循环流量,复合循环包括：低循环倍率复合循环 和 部分负荷复合循环两种,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 34,低倍率复合循环锅炉,低倍率复合循环锅炉又称全负荷复合循环锅炉。 控制阀只起节流作用，在整个负荷范围内，投入循环泵运行，实现再循环

14、。水冷壁工质出口平均干度小于1，循环倍率约为1.21.4。 低倍率复合循环锅炉多用于亚临界参数。,1-省煤器；2-混合器；3-循环泵；4-控制阀；5-节流圈；6-水冷壁；7-汽水分离器,2/3,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 35,低循环倍率锅炉,循环倍率K=1.5，循环水量少。 没有大直径的汽包，只有置于炉外的汽水分离器，循环倍率低。 适用于亚临界压力锅炉。,2/2,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 36,1-省煤器；2-混合器；3-循环泵；4-控制阀；5-节流圈；6-水冷壁；7-汽水分离器,部分负荷复合循环锅

15、炉,部分负荷复合循环锅炉 用控制阀进行循环方式的切换 在一定负范围内开启控制阀，按再循环方式运行。 当锅炉负荷达一定值（3070%额定负荷）后，关闭控制阀，循环泵作为给水泵起增压作用，按直流锅炉方式运行。 保证低负荷下必须的工质质量流速；降低高负荷下的流动阻力。 部分负荷复合循环锅炉适用于亚临界及超临界参数,3/3,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 37,4直流锅炉的流动特性,1、超临界压力下工质的特性 2、水动力不稳定性（多值性） 3、水平管圈 4、水动力不稳定性产生原因 5、影响因素 6、垂直管圈水动力特性 7、超临界压力下水动力特性 8、蒸发受热面

16、中流体脉动现象 9、脉动的特点 10、脉动的危害,11、脉动产生机理 12、消除脉动措施 13、蒸发受热面中热偏差定义 14、热偏差的危害 15、热偏差的影响因素 16、热偏差的消除及减轻措施,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 38,直流锅炉的流动特性,直流锅炉与自然循环锅炉生产过程的主要差别在锅内过程，而炉内过程基本相同。 炉膛蒸发受热面内工质流动特性不同。 两相流体的水动力不稳定性 并联管圈的流体脉动现象 热偏差,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 39,超临界指工质参数 临界参数 临界压力Pc 22.129 M

17、Pa 临界温度t c 374.15 加热过程 ： 未饱和水,干饱和蒸汽,过热蒸汽,超临界压力下工质的特性,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 40,主要工质物性参数 变化规律 超临界压力下定压比热Cp具有最大值时的温度为拟临界温度或类临界温度。 在临界温度和类临界温度附近，工质的各主要参数发生比较大的变化。比容(密度)变化很大。,超临界压力下工质的特性,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 41,超临界压力下工质的特性,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 42,定义：一定热负荷下，强

18、制流动受热管圈中工质质量流量G与流动压降P 之间的关系。,水动力特性,管内工质流动阻力P lz = P m + Pjb,流动阻力+重位压头+加速压降（总压降的3.5%，可忽略）,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 43,强制流动水动力特性关系式,如果一个压降P对应只有一个流量G，这样的水动力曲线是稳定的（单值的）。 一个压降对应二到三个流量，称为水动力不稳定性（多值性）,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 44,当蒸发受热面进出联箱两端压差一定的条件下，管内可能出现多种不同的流量，即水动力特性出现多值性，这样的流动特性

19、就是不稳定的。 危害：流量小的管子，管内对流换热系数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。,水动力不稳定性（多值性）,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 45,水平围绕上升管带、螺旋式和水平迂回管屏式水冷壁可按水平布置管圈来分析 管圈长度远大于高度， ，忽略后者 压降与 成正比,水平管圈（水平蒸发受热面）,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 46,特性曲线,Ob段，此时G值小，管子出口为过热蒸汽，G，平均比体积v，但下降幅度小，G 占优势， P随G 而增加。 bc段，G继续， v， G 占优势不明显，P随G

20、而增加，但增加会缓慢。 cd段，G继续，蒸汽量逐渐趋于0， v ， v 占优势，P随G 而下降 D点后，管内产汽量为0,单相状态，G对v无影响，因此P随G 而增加。,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 47,水动力不稳定性产生原因,随着G 增加，Lrs增加，Lzf减小，使得D减小，相应的 v也减小； P取决于G与v的变化幅度大的一个。即： 如果v减小影响程度比G 增加影响程度大。随着G 增加， P减小 如果v减小影响程度比G 增加影响程度小。随着G 增加， P增大 根本原因：蒸汽与水的比体积或密度不同,水平蒸发管为例,图13-2水平蒸发管水动力多值性曲线,

21、2020/10/10,Principles of Boiler,Page 49,影响因素,影响因素： 工质进口欠焓 压力 热负荷 热水段阻力,（1）入口水的欠焓的影响,欠焓为零，A=0，单调二次曲线，绝对稳定,（2）压力对水动力特性多值性的影响,P，稳定性增强。原因：密度差，比容变化减小。,对超临界，存在大比热区，比容变化剧烈。须要求最低质量流速。,（3）热负荷的影响,热负荷增加，三次项系数A减小，一次项系数C增大，曲线变陡，趋向稳定。 原因：提高热负荷，相当于减小了工质欠焓的影响，能使管中产生更多的蒸汽，削弱了比容变化的影响，压差上升较快。 压力降低，不稳定范围变大。,2020/10/10,

22、Principles of Boiler,Page 53,影响因素 工质进口欠焓 压力 热负荷 热水段阻力 解决办法 减少蒸发受热面（水冷壁）入口欠焓 提高蒸发受热面的压力 提高水冷壁入口的质量流速 水冷壁入口处装节流圈,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 54,垂直管屏的水动力特性，必须考虑重位压差的影响。重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。,当质量流速增加时，重位压差的影响减少，水动力特性趋向于水平管圈的水动力特性 ; 当质量流速小时，重位压差的影响大，水动力特性趋向于自然循环管子的水动力特性 。,垂直管圈水动力特性,2020/1

23、0/10,Principles of Boiler,Page 55,在大比热区 考虑到管内工质沿截面的不等温性；在大比热区温度的微 小变化会引起动力粘度较大的变化，从而引起摩擦阻力系 数较大的变化，也有可能出现水动力多值性的问题。,超临界压力下水动力特性,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 56,在两端管屏两端压差相同，当给水量和流出量总量基本不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周期性波动，这种现象称为管间脉动 。 动态不稳定水动力特性 ：脉动 静态不稳定水动力特性 ：多值性 脉动种类 整体脉动 屏间（屏带或管屏）脉动 管间脉动,蒸发受热面中流体的脉动现象

24、,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 57,管屏两端压差相同的情况下，管屏间管子中的有些流量在增加，另外一些管子的流量减少。 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180。 脉动是不衰减的 。 对于垂直上升管屏，也有管间脉动现象发生 。且对脉动更敏感，更加严重 。,脉动的特点,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 58,脉动的特点,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 59,发生这种管间脉动时 ，热水段、蒸发段、过热段都在作周期性波动，在交

25、界处附近壁温周期性变化，最大波动甚至达到150 ，因而使管子产生疲劳破坏 。 并联各管会出现很大的热偏差，当超过容许的热偏差值时，也将使管子超温过热而损坏 。,脉动的危害,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 60,脉动现象 当流量G大时，蒸发量D小；流量G小时，蒸发量D大。 脉动现象解释 在管子中间某一点一定存在着一个压力峰。当某点压力P高时，进水端压差（P1-P）下降，流量G减少，当P大大增加时，可能引起水倒流；出口端压差（ P-P2 ）增加，蒸发量D增大。 当某点压力下降时，进水端压差增加，流量G增加；出口端压差减小，D减小。,脉动产生机理,2020/

26、10/10,Principles of Boiler,Page 61,增大管内工质质量流量 w 。 增大热水段阻力 加节流圈；采用逐步扩大的管径（省煤器采用较小管径）。 减少蒸发段阻力 增加呼吸联箱，使压力均衡。 合适的压力和热负荷。,消除脉动措施,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 62,并列管组中各管，因为各管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷可能各不相同，因此每根管子中蒸汽的焓增也就不同，这种现象叫做热偏差。 热偏差系数,蒸发受热面中热偏差定义,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 63,直流锅炉工质在水冷壁中全部

27、蒸发，热偏差会对传热恶化造成很大的影响，且水冷壁出口工质温度已过热，所以水冷壁热偏差对水冷壁管子安全有很大的影响，不可忽视。 超临界压力时，工质不存在恒定的饱和温度，偏差管工质温度差别更高。,热偏差的危害,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 64,热力不均匀 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 。 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，煤种变化等有关。,热偏差的影响因素,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 65,

28、水力不均匀 水平管圈,热负荷的影响 结构的影响 工质在受热面进口处的焓值的影响 压力的影响,热偏差的影响因素,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 66,水力不均匀 垂直管圈 重位压差的影响类似于自然循环自补偿作用的影响，使重位压差有减轻或改善流量不均的作用 重位压差占流动阻力比例愈大，其影响愈大，流量不均系数愈小。决定因素是质量流速，它取决于锅炉的负荷。,热偏差的影响因素,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 67,负荷增加，重位压差在总阻力中所占份额减少，即锅炉在高负荷时，重位压差作用减小，流动特性表现出强迫流动特性。

29、 当锅炉在低负荷时，重位压差在总阻力中所占份额增大，重位压头作用增大，流动更多地表现出自然循环特性。有可能导致出现流动的停滞和倒流。,热偏差的影响因素,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 68,减小受热不均匀 减小结构不均匀 减小受热不均对热偏差的影响 加节流圈 增大管内工质质量流量 w,热偏差的消除及减轻措施,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 69,5 蒸发受热面中传热恶化现象,1、蒸发受热面中传热恶化现象 2、管内工质流动、沸腾传热工况 3、临界压力以下传热恶化类型 4、超临界直流锅炉传热恶化特点 5、解决传热恶

30、化措施,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 70,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，传热特性不同，以及管内工质温度的变化，则管壁温度也随之变化 。 局部出现膜态沸腾或出现蒸干，使得管内换热减弱，在蒸发受热面管段某一处会出现壁温的峰值，甚至使管子烧坏。这两种现象统称为传热恶化。,蒸发受热面中传热恶化现象,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 71,管内工质流动沸腾传热工况,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 72,第一类传热恶化

31、当热负荷较高（大于某个值）时，膜态沸腾的现象，称为偏离核沸腾。,临界压力以下传热恶化类型,特征参数 临界热负荷 q lj 影响q lj的因素： 质量流速、含汽率、压力、管子内径和管子长度与内径的 比值,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 73,第二类传热恶化 在环状流动或者汽雾状流动情况下，因水膜撕破或“蒸干”所造成的管内2减小，壁温升高的传热恶化现象。 特征参数 界限干度（质量含汽率） x jx 汽流中水滴湿润管壁时， x jx与热负荷有关。 汽流中水滴没润湿管壁时， x jx与压力、质量流速和管径有关。,临界压力以下传热恶化类型,2020/10/10,

32、Principles of Boiler,Page 74,第一类传热恶化可能出现。 第二类传热恶化一定出现。 在大比热区内，也会发生传热恶化，称为类膜态沸腾。 在大比热区，比容（密度）的变化相当大，工质的温度几乎不变；在管子内壁面附近工质密度比中心处小34倍，在流动截面上存在不均匀性，出现最小的传热系数。当热负荷高时，出现传热恶化。,超临界直流锅炉传热恶化特点,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 75,p=23MPa，w = 400kg/(m2.s) 1 q=698kW/m2；2 q=580kW/m2；3 q=465kW/m2；4 q=349kW/m2,超

33、临界压力下传热恶化实验曲线,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 76,超临界压力下传热恶化实验曲线,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 77,使用较好的材料 如SA213-T23钢 ，耐温极限可达660。 推迟传热恶化 提高界限含汽率，使得传热恶化出现在低热负荷区，从而降低壁温。 抑止传热恶化 提高w。 使用内螺纹管或扰流子。,解决传热恶化措施,内螺纹管 (a) 单头 (b) 多头 (c) 优化结构,6 超临界压力锅炉介绍,1、超临界压力锅炉布置 2、 600MW直流锅炉布置 3、过热蒸汽系统 4、再热蒸汽系统 5、调

34、温方式 6、省煤器 7、烟气流程 8、直流锅炉的结构特点,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 79,超临界压力锅炉布置,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 80,上部垂直上升管屏,下部螺旋围绕上升管屏,600MW直流锅炉布置,2020/10/10,Principles of Boiler,Page 81,过热器布置总图,过热器系统采用四级布置，以降低每级过热器的焓增。 蒸汽流程：水平与立式低温过热器（一级）分隔屏过热器（二级）屏式过热器（三级）末级过热器（四级）。 低温再热器和低温过热器分别布置于尾部烟道的前、后竖井中，均为逆流布置。 在上炉膛、折焰角和水平烟道内分别布置了