1、九九自然循环和强制循环锅炉自然循环和强制循环锅炉Natural circulation and Forced calculation boiler1.自然循环基本原理自然循环基本原理定义：闭合的回路中，由工质自身的密度差密度差造成的重位压差重位压差推动工质流动工质流动的现象。重位压差来源：下降管不吸热，密度大密度大上升管吸热汽化成汽水混汽水混合物，密度小合物，密度小1.自然循环回路总压差自然循环回路总压差2121xjxjxjsshussYppHgpYppHgp下降管侧 上升管侧 水在回路中循环流动时：水在回路中循环流动时：下降管侧压差下降管侧压差YxjYxj等于上升管侧等于上升管侧压差压差Ys
2、s(Yss(取向下为正取向下为正)xjhuxjssHgHgpp 1.自然循环回路总压差自然循环回路总压差 运动压头运动压头S S y d y d 下降管与上升管中工质柱重差，维持回路下降管与上升管中工质柱重差，维持回路自然循环的动力，用以克服下降管与上升自然循环的动力，用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力管中工质的流动阻力xjisxjydHgppS（）1.自然循环回路总压差自然循环回路总压差1GKDx 循环倍率循环倍率K K循环回路中：水流量循环回路中：水流量G G与蒸汽量与蒸汽量D D之比，即之比，即1kg1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次 有效压头
3、有效压头S S y x y x 在数值上等于下降管的阻力在数值上等于下降管的阻力xjisxjyxHgppS（）影响自然循环的因素影响自然循环的因素l自然循环的实质：自然循环的实质：重位压差重位压差循环推动力循环推动力 克服上升系统和下降系统的克服上升系统和下降系统的流动阻力流动阻力 推动工质在循环回路中流动推动工质在循环回路中流动l由于水冷壁管吸热由于水冷壁管吸热 使水的密度使水的密度xjxj改变成为汽水混合物的密度改变成为汽水混合物的密度huhu 并在高度为并在高度为H H的回路中形成了重位压差。的回路中形成了重位压差。l回路高度越高，形成的循环推动力越大。回路高度越高，形成的循环推动力越大
4、。l水冷壁管吸热强度越大、密度差越大，形成的循环水冷壁管吸热强度越大、密度差越大，形成的循环推动力越大。在正常循环情况下，吸热越多，密度差推动力越大。在正常循环情况下，吸热越多，密度差越大，工质循环流动速度越高越大，工质循环流动速度越高l工质的压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环工质的压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。流动速度越低。影响自然循环的因素影响自然循环的因素2.汽水两相流的流型汽水两相流的流型泡状流弹状流环状流雾状流2.汽水两相流的流型汽水两相流的流型泡状流泡状流：连续液相中,分散散存在着小汽泡。弹状流弹状流：汽泡浓度增大，小汽泡聚合成大汽泡，直径逐渐增大。汽泡直
5、径接近于管子内径时，形成弹状流。2.汽水两相流的流型汽水两相流的流型环状流环状流：汽弹内压力增大，汽泡破裂，液相沿管壁流动，形成一层液膜；汽相在管子中心流动，夹带着小液滴。雾状流雾状流：管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量含汽率x=0.8，即蒸汽中仍然夹带着小液滴，形成雾状流。自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制x0.4，所以一般不会出现雾状流。2.汽水两相流的流型汽水两相流的流型l单相水的流动（单相水的流动（A A段）：水段）：水温温，未至饱和温度，无蒸，未至饱和温度，无蒸汽。汽。l过冷气泡状流动（过冷气泡状流动（B B段）：段）：紧贴管子内壁面的水温紧贴管子内壁面的水温至至饱和并产生汽泡，
6、管子中部饱和并产生汽泡，管子中部水仍欠热，平均水温水仍欠热，平均水温tgtg逐渐逐渐升高。升高。2.汽水两相流汽水两相流l饱和汽泡状流动（饱和汽泡状流动（C C段）段）全部工质至饱和温度，汽全部工质至饱和温度，汽泡不再凝结，含汽量从泡不再凝结，含汽量从x=0 x=0开开始逐渐增大。始逐渐增大。l弹状流动（弹状流动（D D段）段）随着随着含汽量增大，汽泡聚合成弹含汽量增大，汽泡聚合成弹状，温度保持饱和温度。状，温度保持饱和温度。2.汽水两相流汽水两相流l环状流动（环状流动（E E段）段）含汽含汽量量，汽弹连接成柱，汽弹连接成柱，形成形成环状流动。环状流动后期，环状流动。环状流动后期，中部汽流增加
7、，流速升高，中部汽流增加，流速升高，蒸汽开始携带水滴。蒸汽开始携带水滴。l雾状流动（雾状流动（F F段）段）含汽含汽量很大，壁面水膜蒸干，成量很大，壁面水膜蒸干，成为蒸汽带水滴雾状流动。温为蒸汽带水滴雾状流动。温度仍为饱和温度。度仍为饱和温度。2.汽水两相流汽水两相流l环单相汽流动（环单相汽流动（G G段）段）该段起始点水滴已全部蒸干，该段起始点水滴已全部蒸干，x=1x=1，蒸汽进入过热状态，蒸汽进入过热状态，温温 度开始上升。度开始上升。l随着压力增加，汽弹状流动随着压力增加，汽弹状流动逐渐消失，到逐渐消失，到10MPa10MPa以上，汽以上，汽弹状流动已不复存在。随着弹状流动已不复存在。随
8、着工质含汽量增加，由汽泡状工质含汽量增加，由汽泡状流动直接转变为汽柱状流动。流动直接转变为汽柱状流动。l自然循环锅炉正常工作时，自然循环锅炉正常工作时，其质量含汽率小于其质量含汽率小于220%220%，处，处于汽泡状流动工况。于汽泡状流动工况。2.汽水两相流传热汽水两相流传热-核态沸腾核态沸腾l水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸发，形水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸发，形成许多小汽泡。蒸发管内小汽泡不断在管子内壁上成许多小汽泡。蒸发管内小汽泡不断在管子内壁上的汽化核心上产生和离开的汽化核心上产生和离开,锅水及时填补到汽泡脱锅水及时填补到汽泡脱离的位置而冷却壁面。如果此时管外的热负荷不大，
9、离的位置而冷却壁面。如果此时管外的热负荷不大，小汽泡可以及时地被管子中心水流带走，并受到小汽泡可以及时地被管子中心水流带走，并受到“趋中效应趋中效应”的作用力，向管子中心转移，而管中的作用力，向管子中心转移，而管中心的水不断地向壁面补充。心的水不断地向壁面补充。2.汽水两相流传热恶化汽水两相流传热恶化l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分为第一类沸腾传热恶化和第二类沸腾传热恶化两类。沸腾传热恶化两类。l第一类沸腾传热恶化（发生在第一类沸腾传热恶化（发生在x x较低处），也称较低处），也称作脱核态沸腾作脱核态沸腾（Departure from nucleate boiling
10、(DNB)Departure from nucleate boiling(DNB)）l因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化称为第一类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，或称膜态沸腾，它是由于热负荷太高造传热恶化，或称膜态沸腾，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。界热负荷。2.汽水两相流传热恶化汽水两相流传热恶化l第一类沸腾传热恶化（发生在第一类沸腾传热恶化（发生在x x较低处），也称较低处），也称作脱核态沸腾作脱核
11、态沸腾2.汽水两相流传热恶化汽水两相流传热恶化l第二类沸腾传第二类沸腾传热恶化热恶化(发生在发生在x x较高处较高处)：因管：因管壁水膜被壁水膜被“蒸干蒸干”导致的沸腾传热导致的沸腾传热恶化称为恶化称为 第二第二类沸腾传热恶化。类沸腾传热恶化。l 原因：汽原因：汽水混合物中含汽水混合物中含汽率太高所致。率太高所致。2.传热恶化分析传热恶化分析类型类型x x热负荷热负荷锅炉类型锅炉类型管壁温度管壁温度温度波动温度波动第一类第一类小小大大超临界超临界飞升大飞升大无无第二类第二类大大小小亚临界亚临界上升小上升小有有3.特性参数特性参数-定义自己学习定义自己学习特性参数特性参数(G G-总流量总流量:
12、kg/s;:kg/s;D D-蒸汽流量蒸汽流量:kg/s):kg/s)l 质量流速质量流速:kg/(m2s):kg/(m2s)l 循环流速循环流速(上升管入口上升管入口):m/s):m/sl 折算流速折算流速蒸汽折算流速蒸汽折算流速:m/s:m/s水折算流速水折算流速:m/s:m/s0DwF 0GDwF 汽水混合物的容积流量为汽水混合物的容积流量为V V V汽水混合物的流速汽水混合物的流速whuwhuhuVVVVVwFFFF00huwww000wFwFwF 000www000www 入口 上面水 上面汽3.特性参数特性参数-定义自己学习定义自己学习汽水混合物的流速汽水混合物的流速whuwhu0
13、0wDxGw 0GwF 0 0DwF 质量含汽率：汽的质量占汽水混合物的质量比质量含汽率：汽的质量占汽水混合物的质量比0()huwwxm s3.特性参数特性参数-定义自己学习定义自己学习容积含汽率：汽的容积占汽水混合物的容积比容积含汽率：汽的容积占汽水混合物的容积比0000(1)huw FwVVVVVw Fww111(1)x3.特性参数特性参数-定义自己学习定义自己学习截面含汽率：汽的面积与管子总截面积之比截面含汽率：汽的面积与管子总截面积之比3.特性参数特性参数-定义自己学习定义自己学习两相流的密度两相流的密度流量密度流量密度3.特性参数特性参数-定义自己学习定义自己学习两相流的密度两相流的
14、密度真实密度真实密度3.特性参数特性参数-定义自己学习定义自己学习3.流动阻力计算流动阻力计算重位压降重位压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降工质压降包括：重位、摩擦、加速压降工质压降包括：重位、摩擦、加速压降3.流动阻力流动阻力l两相流体流动阻力两相流体流动阻力=液相水液相水与管壁的摩擦阻力与管壁的摩擦阻力 +汽相和液相之间的相对速度汽相和液相之间的相对速度引起的摩擦阻力。引起的摩擦阻力。l汽液两相流动的阻力汽液两相流动的阻力比单相水的流动阻力比单相水的流动阻力。l两相流体流动阻力计算：两相流体流动阻力计算：采用采用单相流体流动阻力计算公式单相流体流动阻力计算公式带入均匀混合的汽水混合物的流
15、速和密度带入均匀混合的汽水混合物的流速和密度用用修正系数考虑汽液相对速度和流型的影响修正系数考虑汽液相对速度和流型的影响。3.流动阻力流动阻力两相流动的摩擦阻力计算公式为22huhumcwLpd两相流体摩擦阻力修正系数，由试验确定，f(w,x,p)(1)w1000kg/(m2h)国内采用的方法是：1000(1)(1)11xxwx 1000(1)(1)11(1)xxwx(2)w 1000kg/(m2h)(3)w1000kg/(m2h)3.两相流体的重位压降两相流体的重位压降蒸发管中沿管子高度方向上，汽水混合蒸发管中沿管子高度方向上，汽水混合物的密度是不断变化的，两相流体的重物的密度是不断变化的，
16、两相流体的重位压降的计算，应该根据密度的变化分位压降的计算，应该根据密度的变化分段计算或采用积分计算方法进行。段计算或采用积分计算方法进行。工程上常采用分段计算工程上常采用分段计算（截面含汽率（截面含汽率）zwzs(1)iiiiphghg 3.两相流体的加速压降两相流体的加速压降工质受热工质受热 引起引起 动量增加引起的动量增加引起的 静压降静压降低低加速压降。加速压降。4.水循环可靠性计算水循环可靠性计算-循环倍率循环倍率l循环倍率：上升管循环水量与出口蒸汽量之比。循环倍率：上升管循环水量与出口蒸汽量之比。1kg1kg水全部变成蒸汽在循环回路中循环的次数。水全部变成蒸汽在循环回路中循环的次数
17、。质量含汽率是出口蒸汽量与循环水量之比。质量含汽率是出口蒸汽量与循环水量之比。0GKD1Kxl循环倍率与质量含汽率互为倒数。循环倍率与质量含汽率互为倒数。l循环倍率越大，出口的含汽率越低，管壁水膜对管循环倍率越大，出口的含汽率越低，管壁水膜对管壁的冷却效果越好。壁的冷却效果越好。4.水循环可靠性计算水循环可靠性计算-流速流速特性参数特性参数G G-总流量总流量:kg/s;:kg/s;D D-蒸汽流量蒸汽流量:kg/s):kg/s)l 质量流速质量流速:kg/(m2s):kg/(m2s)l 循环流速循环流速(上升管入口上升管入口):m/s):m/s4.水循环可靠性计算水循环可靠性计算-界限含汽率
18、界限含汽率l自补偿能力自补偿能力热负荷低，产汽量少，循环流速低。热负荷低，产汽量少，循环流速低。热负荷高，产汽量多热负荷高，产汽量多 上升的运动压头增大上升的运动压头增大 流速增加，流动阻力增加流速增加，流动阻力增加 （与流速平方正比）（与流速平方正比）最大循环流速对应的含汽率最大循环流速对应的含汽率X X称之为界限含汽率称之为界限含汽率界限含汽率界限含汽率xjisxjydHgppS（）4.水循环可靠性计算水循环可靠性计算-界限含汽率界限含汽率l自补偿能力自补偿能力当上升管的含汽率低当上升管的含汽率低于界限含汽率时，热于界限含汽率时，热负荷增加，循环水量负荷增加，循环水量和循环流速都增加和循环
19、流速都增加若热负荷过大，增加若热负荷过大，增加热负荷反而导致循环热负荷反而导致循环流速减小。流速减小。界限含汽率界限含汽率4.水循环可靠性计算水循环可靠性计算-循环倍率循环倍率l循环倍率的推荐范围循环倍率的推荐范围保证锅炉具有自补偿性；保证锅炉具有自补偿性；不出现传热恶化的最小循环倍率不出现传热恶化的最小循环倍率推荐的循环倍率大于界限值，又不偏离太远推荐的循环倍率大于界限值，又不偏离太远避免循环流速过低避免循环流速过低不能足够冷却下部热负荷较大的区域不能足够冷却下部热负荷较大的区域4.循环倍率循环倍率循环倍率循环倍率机组容量机组容量/主汽压力主汽压力4.水循环可靠性计算水循环可靠性计算水循环计
20、算：新设计锅炉、旧有锅炉结构发生大的改动。校验循环系统是否安全可靠。水循环计算：从水冷壁下联箱为起点的整个上升管热前热前hrq热水热水hrs含汽含汽hhq热后热后hrh动压动压hd阻力阻力hc上升管：水冷壁下联箱到汽包l热前段热前段：不受热l 热水段热水段：静压升高及省煤器出口水不饱和，不立刻沸腾，需吸热达到饱和温度，上升管内单相水。l 含汽段含汽段：含汽段是上升管的主要区段。管内汽水混合物密度大小变化较大，应根据吸热强度或管子直径、管子倾斜度将含汽段分成若干段分别计算。l 热后段热后段：不吸热，管内汽水混合物的密度不变。l动压段：上联箱到汽包水位，产生运动压头。l阻力损失段：汽包水位上的部分
21、。两种水循环计算方法：压差法、压头法我国电站锅炉水动力计算方法l 热水段热水段：静压升高及省煤器出口水不饱和，不立刻沸腾，需吸热达到饱和温度，上升管内单相水。l 含汽段含汽段：含汽段是上升管的主要区段。管内汽水混合物密度大小变化较大，应根据吸热强度或管子直径、管子倾斜度将含汽段分成若干段分别计算。l 热后段热后段：不吸热，管内汽水混合物的密度不变。l动压段：上联箱到汽包水位，产生运动压头。l阻力损失段：汽包水位上的部分。两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法上升管和下降管的总压差：PghPxjxjxj*PPPghPfljslziiss*两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差
22、法压差法上升管总压差=下降管的总压差，即压差法的基本方程。PPssxj*两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法下降管的阻力：两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法下降管的阻力：K：粗糙度 碳钢和珠光体合金钢取0.06 mm，奥氏体合金钢取0.008mm。两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法上升管的重位压降：截面含汽率zwzs(1)iiiiphghg 两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法上升管的流动阻力：摩擦阻力校正系数2011(1)NimciiiL wpxd 2两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法上升管的分离器阻力：两
23、种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法上升管的加速压降：2)()(vvxxPrcjs两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法水循环的求解：试算法和图解法。l试算法：计算机的发展为试算法带来巨大方便假定一个初始循环流速；计算下降管的总压差；计算上升管的总压差；下降管总压差与上升管总压差对比，通过二者的差值修正初始循环流速，重新计算，直到误差满足要求。两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法水循环的求解：试算法和图解法。l图解法给定三个不同的循环流速w01、w02、w03l分别计算三个对应的PPPxjxjxj*3*2*1、PPPssssss*3*2*1、下降管总
24、压降:上升管总压降：两种水循环计算方法：两种水循环计算方法：压差法压差法上升管的总压降曲线与下降管的总压降曲线的交点就是循环回路的循环流速w0。5.自然循环常见故障及提高安全性措施自然循环常见故障及提高安全性措施l循环流速的计算：以许多并联管的平均值为基础。实际运行过程中，不同并联管之间的工作条件存在一定差别，甚至较大差别。可能破坏水循环的正常运行。5.自然循环常见故障自然循环常见故障l水循环故障：因为水循环不正常导致炉管损坏的现象，主要包括：循环停滞循环倒流出现自由水面汽水分层5.自然循环常见故障自然循环常见故障l循环停滞并联管中，受热弱的管子产汽量少，循环流速低。当低到进入管中的循环水量等
25、于产汽量时，称为循环停滞。由于水的流速低，产生的气泡会发生局部聚集，此处的管壁不能得到足够的冷却发生失效。5.自然循环常见故障自然循环常见故障l循环倒流并联管中，受热弱的管子的重位压降大于大于回路的工作压差。此时，该受热弱的管子内部工质水由上向下流动。该上升管变成了下降管。如果不受热，管内工质的密度与下降管的密度相同，必定成为下降管。如果下流的速度高，带动汽泡下流，能够足够冷却水冷壁，如果下流速度小，汽泡不下流而停滞，水冷壁得不到足够冷却而失效。5.自然循环常见故障自然循环常见故障l汽水分层：汽水混合物在水平或微倾斜管内流动时，如果流速过低，汽水混合物不能充分混合，由于二者密度差导致分层，水在
26、下部流动、汽在上部流动的现象。发生汽水分层时，汽侧管壁温度明显高于水侧温度。可能造成汽侧管壁超温失效。由于波动汽水分界面处管壁温度交替变化会产生交变应力。5.自然循环常见故障自然循环常见故障l下降管含汽下降管受热产生蒸汽下降管入口自汽化汽进入到下降管锅炉压力突降锅水自汽化5.自然循环常见故障自然循环常见故障l下降管含汽的危害下降管内的比容增加，下降流动阻力增加；下降管内的工质密度降低，克服上升管的流动阻力减小；下降管内的汽进入下联箱后，水冷壁并联管流量分配不均，加剧热偏差。上述不利因素都可能导致水冷壁管得不到足够冷却而失效。5.自然循环常见故障自然循环常见故障l下降管入口锅水自汽化PPzwl为
27、避免汽进入下降管，必须保证汽包一定高的的水位5.自然循环常见故障自然循环常见故障l大型自然循环锅炉水循环安全问题集中下降管+较高的循环回路+上升管出口较高的含汽率，水冷壁管的流速足够高，循环停滞和循环倒流的可能性很小。主要是传热恶化问题5.自然循环常见故障自然循环常见故障l传热恶化问题与循环倍率、上升管出口含汽率、热负荷、压力、工质的质量流速等有关。l界限循环倍率K当K较大时，K降低，含汽率增加，循环推动力增加，流速增加，流动阻力增加；进一步降低K，流速足够大，流动阻力大于运动压头，流速不增加反而减小。循环流速存在一个极限值，循环倍率为界限循环倍率。当循环倍率高于界限循环倍率时，循环回路具有自
28、补偿能力，水循环是安全的。否则不安全。5.提高水循环安全性的措施提高水循环安全性的措施l蒸发管的吸热不均设计：划分循环回路（同一回路结构受热接近）改善四角受热（八角、单独回路）平炉顶结构运行：火焰中心不偏心 水冷壁清洁 避免长时间低负荷运行5.提高水循环安全性的措施提高水循环安全性的措施l下降管阻力下降管阻力减小，下降管总压差增加，上升管的流速可以增加。降低下降管阻力的措施 加大下降管的内经 选择较大的下降管总面积/上升管总面积 防止下降管带汽5.提高水循环安全性的措施提高水循环安全性的措施l上升管阻力上升管阻力减小，上升管的流速可以增加。降低上升管阻力的措施 减小汽水引出管的阻力 减小汽包内分离器的阻力 管路布置尽量简单5.提高水循环安全性的措施提高水循环安全性的措施l压力变化速度：压力变化会导致水循环的变化升压：受热弱的管子产气量少，运动压头小可能产生循环停滞或循环倒流。降压：上升管产生更多蒸汽，利于循环。但是如果降压太快，下降管产生蒸汽，运动压头过低，产生水循环不安全问题。
