1、 强迫流动锅炉水动力特性强迫流动锅炉水动力特性 刘银河2008.5直流锅炉蒸发管的水动力特性 在在一定的热负荷一定的热负荷及及结构特性结构特性条件下，管内工质条件下，管内工质的流量的流量G G（或质量流速或质量流速ww）与压差与压差pp的关系的关系称为水动力特性（或压差特性）。称为水动力特性（或压差特性）。ppf f（G G）单值性：单值性：pp与与G G一一对应一一对应 多值性：多值性：一个一个pp可能对应两个以上的可能对应两个以上的G G22()22wwv1.水平蒸发管 总总压差压差jszwlzpppp2lzppZG v 忽略忽略pzw和和pjs q与与Z不变，不变，pG2v，G，v，则则
2、p随随G的变化具有不确定性，的变化具有不确定性，主要取决于流量增加主要取决于流量增加和比容减小这两者的相对变化。和比容减小这两者的相对变化。水平蒸发管水动力特性水平蒸发管水动力特性lzzwjspppp 22221(1)222jrjrcnnlllxGGvpvvdfdfv 假设：受热均匀ql不变；采用均相流模型，两相流体摩擦阻力修正系数=1；加热段的平均比容取饱和水比容v；忽略局部阻力。水平蒸发管水动力特性水平蒸发管水动力特性22221(1)222jrjrcnnlllxGGvpvvdfdfv 11()jqhjrii Gi Glqq322212212()4()2()4q hnq hnnpA GB G
3、C GvviAfdq rilBvvvfdrvvlqCfdr1()jrcq llxrG根据热量平衡得右二式，带入前式计算压差A、B、C是与工质状态（iqh，ql，G）、物性（v，v，r）、结构（Z）有关的参数。水平蒸发管水动力特性水平蒸发管水动力特性2320dpAGBGCdG233BBA CGA避免多值性最多只有一个拐点，且单调增230BAC2个不同的实根，出现多值性230BAC2个相同的实根，曲线只有一个拐点230BAC为虚根，曲线单调升水平蒸发管水动力特性水平蒸发管水动力特性230BAC7.4 61q hrivv7.4 6(1)q hrivav保证安全裕度a1多值性的物理原因多值性的物理原因
4、 对于强迫流动的蒸发管内同时存在加对于强迫流动的蒸发管内同时存在加热水段和蒸发段，当热水段和蒸发段，当q一定时，由于水和一定时，由于水和蒸汽的蒸汽的比容差别极大，比容差别极大，使得使得工质的平均工质的平均比容随流量的变化而急剧变化比容随流量的变化而急剧变化。而。而p不不仅与仅与G有关，还与有关，还与v有关，从而产生了水有关，从而产生了水动力特性的多值性。动力特性的多值性。如果受热管内全部是单相热水或汽水如果受热管内全部是单相热水或汽水混合物，则不会出现多值性。混合物，则不会出现多值性。水平蒸发管水动力多值性原因水平蒸发管水动力多值性原因OB：G，p，因为因为G比容比容v。OA段，段，由于管内充
5、满蒸汽，由于管内充满蒸汽，v随随G的变化很小，曲线较陡；的变化很小，曲线较陡；AB段，段，v减小的速度加减小的速度加快，曲线逐渐变缓。快，曲线逐渐变缓。BC：G，容积含汽率容积含汽率，从而从而Gv，则，则p，直至直至C点。点。CD：由于管内几乎全由于管内几乎全部是水，部是水，G 对对v已无多大已无多大影响，影响，p。xc0.1xc0.5影响多值性的因素影响多值性的因素（1）压力）压力 低压明显存在多值低压明显存在多值性性。P，稳定性稳定性。亚临界压力亚临界压力17MPa以上一般不会产以上一般不会产生多值性，除非生多值性，除非入口水的欠焓特入口水的欠焓特别大。别大。（2）入口欠焓）入口欠焓 i
6、iqhqh，稳定性，稳定性 i iqhqh0,0,A0，二次二次曲线。在曲线。在G0的区间，的区间，p0，且单调增加，且单调增加，多值性消失。多值性消失。i iqhqh，向三次曲线转变。向三次曲线转变。224qhnlvviAf d q r（3 3）加热水段阻力）加热水段阻力 p pjrjr，增加了流量对压差，增加了流量对压差的影响，减弱了汽水混合物的影响，减弱了汽水混合物比容的影响，比容的影响，稳定性稳定性。（4 4）热负荷）热负荷 qq，系数系数AA，CC。稳定性稳定性。相当于相当于i iqhqh。热负荷的变化还与其他因素有热负荷的变化还与其他因素有关关:q q高，多值性范围扩大；高，多值性
7、范围扩大；q q低时，易引起流量的不稳定性低时，易引起流量的不稳定性波动。波动。水平蒸发管水动力多值性防止措施水平蒸发管水动力多值性防止措施减小蒸发管进口水的欠焓减小蒸发管进口水的欠焓增大加热水段的阻力增大加热水段的阻力7.4 6(1)1j lq hraZivv1(1)jlZq hi垂直蒸发管水动力特性垂直蒸发管水动力特性垂直蒸发管的水动力特性（垂直蒸发管的水动力特性（单行程单行程）1重位压差曲线2流动阻力曲线3总水动力特性曲线lzzwppp 垂直蒸发管水动力特性垂直蒸发管水动力特性垂直蒸发管的水动力特性（垂直蒸发管的水动力特性（双行程双行程）1下降段重位压差曲线 2上升段重位压差曲线3流动阻
8、力曲线 4总重位压差曲线5总水动力特性曲线lzzwlzssxjppppghgh 多值区多值区多值区多值区二、并联管组的热偏差1.热偏差热偏差并联管组在理想设计工况下，可靠性可以得到保障。并联管组在理想设计工况下，可靠性可以得到保障。实际条件差异很大，并联管组中各管焓增不均匀。实际条件差异很大，并联管组中各管焓增不均匀。偏差管偏差管工质焓增工质焓增ip和整个管组工质平均焓增和整个管组工质平均焓增ipj之比之比 称为称为热偏差系数热偏差系数ppjiiqHiG 因为因为热负荷不均匀系数热负荷不均匀系数 lmrpjppjppjpGGHHqq/)/)(/(pjprqq/pjpmHH/pjplGG/受热面
9、积不均匀系数受热面积不均匀系数 流量不均匀系数流量不均匀系数 烟气侧烟气侧工质侧工质侧yxyxpjii允许热偏差允许热偏差 yx必须满足必须满足热偏差取决于管子的热力特性，受热面特性和工质的水力特性。（1）热负荷不均匀系数）热负荷不均匀系数r与受热面的结构尺寸与受热面的结构尺寸 和运行状态有关。和运行状态有关。/gkqrlrrrq qc 水冷壁（2）受热面积不均匀系数）受热面积不均匀系数m与受热面布置方式，与受热面布置方式，各管的结构尺寸有关，一般为各管的结构尺寸有关，一般为 m=0.951.05。热负荷偏差及受热面积偏差均会造成流量偏差。热负荷偏差及受热面积偏差均会造成流量偏差。（3）流量不
10、均匀系数 l l主要取决于主要取决于结构因素：结构因素：阻力特性。阻力特性。集箱效应：集箱效应：连接型式。（过热器、连接型式。（过热器、v变化小的受变化小的受热面）热面）热效流动偏差：热效流动偏差：热负荷不均匀。（水冷壁、热负荷不均匀。（水冷壁、v变变化大的受热面）化大的受热面）重位压差：重位压差：垂直管。垂直管。2.2.集箱效应集箱效应（1）集箱的静压分布）集箱的静压分布分配集箱。分配集箱。工质不断分流，动压工质不断分流，动压静压。静压。动量方程 假定：假定：工质分流连续；工质分流连续；阻力系数阻力系数为常数；为常数；Vx与与w线性关系，线性关系，Vxcfw；略去略去(dw)2；分流流量均匀
11、，分流流量均匀，Xx/L。22dd2dd(d)2xnpwxw wV wwd)1()/1(XwLxwwff2(d)(d)dfmcxppppwwwV w积分 X X1,1,分配分配集箱最大静压差集箱最大静压差3221131122XdLXcwpppnffffxfx232222ffnfffLwKdLcwp试验确定试验确定cf1.24，分配集箱静压变化系数分配集箱静压变化系数 nnffdLdLcK376.032K Kf f与阻力特性有关。整理得与阻力特性有关。整理得)2(XXppppfLxfLfxx处静压进口静压汇集集箱。工质不断汇流，静压汇集集箱。工质不断汇流，静压动压。动压。用座标用座标XX 1 1
12、X X 建方程，积分后建方程，积分后转换为转换为X X。w ww wh hX X w wh h(1(1X)X)；V Vx x c ch hw w。同理可得，X1，汇集集箱最大静压差试验确定试验确定ch0，汇集集箱静压变化系数汇集集箱静压变化系数232222hhnhhhLwKdLcwpnnhhdLdLcK3232结构特性相同，结构特性相同，Kh2Kf；phL2pfL，即汇集集箱即汇集集箱的静压曲线变化比分配集箱要大许多。整理得的静压曲线变化比分配集箱要大许多。整理得)2(XXpppphLxhLhx计算计算pfx、phx，X0均在集箱引入管或引出管。均在集箱引入管或引出管。（2）集箱连接方式对并联
13、管组流量分配的影响 Z型连接系统型连接系统 流动动力流动动力ppp pfxfxp phxhx U U型连接系统型连接系统 U U型连接系统流量分型连接系统流量分布比较均匀，布比较均匀，Z Z型系型系统比统比U U型系统具有较型系统具有较大的流量偏差。大的流量偏差。多点引入和多点引出连接系统多点引入和多点引出连接系统 并联各管工质的进出口压差并联各管工质的进出口压差pp 集箱偏差管的压差集箱偏差管的压差pp与平均工况管的压差与平均工况管的压差ppj的的差值差值pjx)(21fxhxhxfxppppppppfxhxpjfxhxpjpjxppppppp)()(显然偏差管的显然偏差管的pjx0。pjx
14、的绝对值愈大，表明偏的绝对值愈大，表明偏差管的流量比平均工况管的流量相差愈多。差管的流量比平均工况管的流量相差愈多。3.3.流量偏差流量偏差 流量不均匀系数流量不均匀系数/lppjppjGGww管径相同212()()2hxfxwpppppZvgh jbndlZ/；向上取号，向下取号。；向上取号，向下取号。用下标用下标p和和pj分别表示偏差管和平均工况管，分别表示偏差管和平均工况管，pfhppppppghvwZpp2221pjfhpjpjpjpjppghvwZpp2221因为，p1p2为常数 jxhfhfpjpppppp zwpjpphg2222122phfhfpjppjpjpjplpppjpj
15、pjpjwpppphgZ vZ vwwZv 2,2pjpj ldpjpjwpZv令令影响并联管组中流量偏差的因素影响并联管组中流量偏差的因素（1）结构特性）结构特性 Zp，Zpj不变，不变，l，流量偏差增大。流量偏差增大。（2）集箱效应）集箱效应 pjx0，pjx，l,流量偏差增大。流量偏差增大。（3）平均流动阻力）平均流动阻力 Zpj不变，不变，G，ppj,ld，则分子的影响减小。则分子的影响减小。G不变，不变，Zpj，除有同样的效果，还能使除有同样的效果，还能使Gp增加。因此，增加。因此，ppj,ld，可削弱流量分布的不均匀性。可削弱流量分布的不均匀性。,1pjpjjxzwlpppj ld
16、Z vppZ vp（4）热负荷分布）热负荷分布 热效流量偏差：热效流量偏差：并联管组由于热负荷不均匀引并联管组由于热负荷不均匀引起的流量偏差。对于起的流量偏差。对于水平管水平管管组管组/lpjpvv 水平并联管的水动力特性水平并联管的水动力特性2opZG v热负荷不均匀系数热负荷不均匀系数r，l。qp，vp，l，Gp。即受热强管中流量小，受热弱管中流量大。即受热强管中流量小，受热弱管中流量大。平均焓增平均焓增ipj，l。ip ipj=(-1)-1)ipj（5）重位压差 高度系数：高度系数：pjppjppjpjpjpjppjppjlvAvvvwZghvv121222/()pjpjAgh Zpww
17、 w，A，pzw的影响减小，水平、上升、下的影响减小，水平、上升、下降的降的l接近。接近。w w，A，pzw使向上的使向上的l增大，向下流动的增大，向下流动的l减小。减小。向上向上l水平水平l 向下向下l。注意启动和低负荷运注意启动和低负荷运行。行。A A不变，不变，l l只与只与v v或或有关，为垂直并联管组的热效有关，为垂直并联管组的热效流量偏差。（流量偏差。（w w、iipjpj的影响的影响）受热强管，受热强管，vp，l，热效流量偏差增加。热效流量偏差增加。向上流动，向上流动，p又使又使l，即重位压差减小了热效流即重位压差减小了热效流量偏差。量偏差。向下流动，向下流动，p促使促使l，即重
18、位压差加剧了热效即重位压差加剧了热效流量偏差。流量偏差。低负荷及启动，热负荷不均匀性较大。由于低负荷及启动，热负荷不均匀性较大。由于w较较小，小，A值增大，向上流动可减小热效流量偏差。值增大，向上流动可减小热效流量偏差。1pjpjplppjvAvv假定某一根受热管中的工质已经停止流动，假定某一根受热管中的工质已经停止流动，即即 lGp/Gpj0 A/vpj0。向上流动，向上流动，pjpvpj/A0，p pj，偏差偏差管中密度大，表明该管热负荷小，易出现停滞。管中密度大，表明该管热负荷小，易出现停滞。受热弱管中流量小。受热弱管中流量小。向下流动，向下流动，p pj，偏差管中密度小，表明该偏差管中
19、密度小，表明该管热负荷大，易出现停滞。受热强管中流量小。管热负荷大，易出现停滞。受热强管中流量小。0)(1ppjpjvA4.减小热偏差的措施减小热偏差的措施（1）减小热负荷偏差）减小热负荷偏差管屏分组管屏分组（每组（每组i i接接近；近；w wo o）各组之间采用交叉管各组之间采用交叉管和中间混合集箱和中间混合集箱 避免烟气走廊避免烟气走廊 烟气再循环烟气再循环（降低和（降低和均匀均匀l l；i igrgr）（2）减小流量不均匀性 尽量采取垂直尽量采取垂直向上流动向上流动降低管组的降低管组的ipj（过热器分级，每级过热器分级，每级250400kJ/kg，末级末级120200kJ/kg；交叉管和
20、中间集交叉管和中间集箱）箱）合理选择集箱的尺寸和连接方式合理选择集箱的尺寸和连接方式（加大集箱直（加大集箱直径径；多点均匀引入和引出；多点均匀引入和引出）进口单相水处加装节流圈进口单相水处加装节流圈（pjx,ld）合理选择进口合理选择进口ij（3）减小热偏差的原则）减小热偏差的原则 流量与热负荷相适应流量与热负荷相适应（符合热负荷强的管中流量（符合热负荷强的管中流量大，热负荷弱的管中流量小大，热负荷弱的管中流量小）入口加装节流圈入口加装节流圈（强制流量分配）强制流量分配）（a）改进前 （b）改进后管屏结构图 思考题12时，用泰勒定理证明时，用泰勒定理证明 ln2（1）/（1）三、蒸发管内工质的
21、脉动现象三、蒸发管内工质的脉动现象1.1.概述概述定义：并联蒸发段，管子的进定义：并联蒸发段，管子的进口水流量口水流量G G和出口的蒸汽流量和出口的蒸汽流量D D随时间发生发生周期性的波动。随时间发生发生周期性的波动。分类：管间脉动分类：管间脉动 屏间脉动屏间脉动 整体脉动整体脉动 衰减型：干扰消失，脉动停止。衰减型：干扰消失，脉动停止。持续型：水泵特性引起。持续型：水泵特性引起。管间脉动管间脉动条件：并联管圈的总流量不变。条件：并联管圈的总流量不变。进出口集箱压差基本不变。进出口集箱压差基本不变。使某些管子发生剧烈的周期性流量波动。使某些管子发生剧烈的周期性流量波动。现象：一些管现象：一些管
22、G G，另一些管另一些管G G，周期性变化。，周期性变化。同管同管G G和和D D的波动方向相反，的波动方向相反，即即G G，D D，成成180180o o相位差，壁温相位差，壁温t tb b的脉动与的脉动与D D的脉动同相。且的脉动同相。且GGDD。特点：自激振荡无周期干扰作用下，由于热力水利过程的特点：自激振荡无周期干扰作用下，由于热力水利过程的内力作用，使脉动可以自动维持下去。内力作用，使脉动可以自动维持下去。起因：起因：p p、q q、t tgsgs 、G G、D D的变化的变化外因外因 维持：阻力变化（压降），蓄热变化（水与金属）维持：阻力变化（压降），蓄热变化（水与金属）内因内因
23、危危 害害水流量和蒸汽量脉动，壁温波动。水流量和蒸汽量脉动，壁温波动。加热、蒸发、过热区段的分界面波动，加热、蒸发、过热区段的分界面波动，引起金属的疲劳损坏。引起金属的疲劳损坏。蒸发区内工质冷却水膜的周期性破坏，蒸发区内工质冷却水膜的周期性破坏，提前蒸干。提前蒸干。脉动脉动振动振动共振共振结构损伤。结构损伤。蒸发受热面中必须避免发生脉动现象蒸发受热面中必须避免发生脉动现象 2.管间脉动的原因管间脉动的原因 pp0 0=p=p1 1-p-p2 2C C，稳流稳流 若有一扰动，使若有一扰动，使GG，则分界面前移，则分界面前移，L Ljrjr，L Lzfzf GG GGGG ；DDDDDD各段压降改
24、变各段压降改变 加热段阻力减小加热段阻力减小 ppjrjr ppjrjr(p(pjrjr)蒸发段阻力增加蒸发段阻力增加 ppzfzf ppzfzf(p(pzfzf)若若即即|(p(pjrjr)|)|(p(pzfzf)|)|或或 ppjrjrppzfzf则则 pplzlzpp0 0 使得进口水流量使得进口水流量G G又增加；当又增加；当G G增加，总增加，总压降增加又使压降增加又使G G趋于减小。趋于减小。压降变化阻止扰动的进一步发展，此扰压降变化阻止扰动的进一步发展，此扰动引起的脉动是衰减型的，流动最终趋向于动引起的脉动是衰减型的，流动最终趋向于稳定。稳定。dDpddGpdzfjr若若即即|(
25、p(pjrjr)|)|(p(pzfzf)|)|或或 ppjrjr ppzfzf则则 pplzlzpp0 0 使得使得G G进一步减小进一步减小，而，而D D增加。增加。扰动发生后，压降变化加强了扰动的继续发展，扰动发生后，压降变化加强了扰动的继续发展，该扰动引发的脉动是持续型的。该扰动引发的脉动是持续型的。dDpddGpdzfjr持持 续续 型型 脉脉 动动 起起 因因蓄蓄 热热p pjbjbttbhbh工质蓄热增加工质蓄热增加 (L Ljrjr-LLjrjr)变成蒸发段变成蒸发段t tb b金属金属蓄热增加蓄热增加GG2 2w w2 2t tb b金属金属蓄热增加蓄热增加 当加热水段的压力增
26、高，始沸点界面提前时，当加热水段的压力增高，始沸点界面提前时，由炉内传给受热面的热量，将有部分储蓄在金属由炉内传给受热面的热量，将有部分储蓄在金属和水之中。和水之中。持持 续续随着：随着：流量流量G G；t tbhbh蒸发量蒸发量DD，流动阻力由增加逐渐转为减小，流动阻力由增加逐渐转为减小，当当 pplzlz pp0 0 G G，D D 脉动反向变化脉动反向变化由于由于 ppjrjrppzfzf G G和和D D继续继续 放放 热热 分界面后移，加热水段的压力降低，储蓄在金分界面后移，加热水段的压力降低，储蓄在金属和水中的热量又重新放出，局部压力属和水中的热量又重新放出，局部压力p pjbjb
27、升高，升高，相当于回到初始扰动状态。相当于回到初始扰动状态。储蓄热愈大，则脉动愈剧烈。储蓄热愈大，则脉动愈剧烈。3.3.稳定性稳定性条件条件 单位时间内蓄质量单位时间内蓄质量B B变化与进口流量变化之比变化与进口流量变化之比管间脉动与管间脉动与B Bj j，以及阻力比，以及阻力比K Kppjrjr/p/pzfzf有关有关dGdBBd/动态蓄质量系数动态蓄质量系数315.0dBK 一般，一般，K K0.150.151.01.0阻力比阻力比K K愈大，动态蓄质量系数愈大，动态蓄质量系数B Bd d愈小，流动愈小，流动的稳定性愈强。的稳定性愈强。脉动稳定性条件脉动稳定性条件smkgdlqwKwnnp
28、jxpjx28.96/1062.4)(界限质量流速界限质量流速 4.4.影响脉动的因素影响脉动的因素 阻力。阻力。p pjrjr p pzfzf KK 脉动减轻脉动减轻压力。压力。ppp pzfzfKK，B Bd d 流动稳定性增加流动稳定性增加欠焓。欠焓。iiqhqhp pjrjrKK，B Bd d 存在发生脉动的最敏感欠焓值存在发生脉动的最敏感欠焓值 iiqhqh84kJ/kg84kJ/kg热负荷。热负荷。qKqK，p pjbjb变化剧烈变化剧烈 有利于发生脉动有利于发生脉动质量流速。质量流速。wKwK，稳定性增加，稳定性增加5.5.防止脉动发生的措施防止脉动发生的措施 设计设计选择合适的工质进口欠焓（同时考虑水动力多值性）选择合适的工质进口欠焓（同时考虑水动力多值性）w w（w w）jxjx始沸点不处于高热负荷区始沸点不处于高热负荷区若若w w（w w）jxjx变管径蒸发管组变管径蒸发管组 减小加热段管径，增大蒸发段管径，减小加热段管径，增大蒸发段管径，KK在管组进口加装节流圈在管组进口加装节流圈 提高进口压力，提高进口压力，KK在蒸发段加装呼吸集箱在蒸发段加装呼吸集箱 平衡蒸发管的压力，平衡蒸发管的压力，p pjbjb变化减小变化减小 装装x0.25x0.25处。处。
