機械設計基礎13

1、第十三章強制流動鍋爐第一節(jié) 直流鍋爐概述第二節(jié) 直流鍋爐的水動力特性第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)自然循環(huán)鍋爐，最高達自然循環(huán)鍋爐，最高達18.5MPa，有鍋筒，有鍋筒強制流動鍋爐強制流動鍋爐鍋爐按工質(zhì)在鍋爐按工質(zhì)在蒸發(fā)部分的流蒸發(fā)部分的流動方式分為動方式分為直流鍋爐直流鍋爐復合循環(huán)鍋爐復合循環(huán)鍋爐多次強制循環(huán)鍋爐多次強制循環(huán)鍋爐一、直流鍋爐的工作原理1）強制流動2）一次通過，K=1，G=D水冷壁水冷壁省煤器省煤器給水泵給水泵過熱器過熱器第一節(jié) 直流鍋爐概述二、直流鍋爐的優(yōu)點和缺點第一節(jié) 直流鍋爐概述1優(yōu)點1）適合于任何壓力

2、，壓力越高，穩(wěn)定性越好；2）無鍋筒，重量輕，管徑小，支撐簡單，鋼材耗量少2025%，3）蒸發(fā)受熱面布置比較自由，不必要一定垂直布置；4）啟動快，停爐時間短。 2缺點1）給水泵的耗電大；2）給水品質(zhì)要求高；3）自動調(diào)節(jié)性能要求高；4）要用啟動旁路系統(tǒng)（在鍋爐點火啟動的初期，蒸汽不合格，需要旁路掉）。第一節(jié) 直流鍋爐概述三、直流鍋爐水冷壁的結構形式（圖示）螺旋式螺旋式一次上升式（一次上升式（UP型）型）多次上升式多次上升式現(xiàn)代直流鍋爐的管圈形式現(xiàn)代直流鍋爐的管圈形式第一節(jié) 直流鍋爐概述1. 螺旋式水冷壁第一節(jié) 直流鍋爐概述2. UP型水冷壁第一節(jié) 直流鍋爐概述3. 多次上升式第一節(jié) 直流鍋爐概述第

3、十三章強制流動鍋爐第一節(jié) 直流鍋爐概述第二節(jié) 直流鍋爐的水動力特性第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性 水動力特性研究強制流動時并列布置蒸發(fā)管的壓力降與流量間的關系，關心蒸發(fā)受熱面工作可靠性。蒸發(fā)受熱面工作可靠性。 直流鍋爐蒸發(fā)受熱面內(nèi)的水動力特性的三個問題：1）水動力不穩(wěn)定性；2）脈動；3）熱偏差。 一、水動力不穩(wěn)定性問題 并列管子組成的管系，如果對應于一個壓降可能有23個流量則表現(xiàn)為水動力不穩(wěn)定性。 由于出現(xiàn)了水動力特性的多值性，就可能使并列工作的蒸發(fā)管中產(chǎn)生流量偏差及熱偏差，嚴重時，使管子燒壞。第二

4、節(jié)直流鍋爐的水動力特性pG GG GGG1G3G2p第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性1. 水平蒸發(fā)受熱面中的水動力不穩(wěn)定性1）定性分析p與G間的一般關系p隨G的變化規(guī)律，要具體看G與 二者何者為大，p可能隨流量而增大，也可能在一定范圍內(nèi)下降。由G與 的不同組合可以得出相同的p，存在多值性是必然的。huhunvKGgfvGdlp2222)(huvhuv第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性2）理論推導（定量分析）略其解可能存在多個極值。)()()(23wCwBwAp)(Gfp 第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性3） 分析：)(Gfp 特例：當0i，進口水無欠焓時，A=0，B 改變符號，即，)()(2wCwBp可知：二次曲

5、線為單值性，總是穩(wěn)定的第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性推導極值不存在的條件0)(2)(3)(2CwBwAwdpdAACBBw332如果，032 ACB，則不存在實根，即沒有極值存在，可得：146. 7qhi第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性2. 垂直蒸發(fā)管中流動不穩(wěn)定性上升上升下降下降又可以分為又可以分為多次上升、下降多次上升、下降第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性1)上升管 重位壓頭有利于流動特性趨于穩(wěn)定，改善阻力特性，一般情況下不出現(xiàn)多值性。2)下降管 重位壓頭的存在惡化阻力特性，因此，一次下降流動時，工質(zhì)流量不穩(wěn)定。zwlzpppzwlzppp第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性 3)組合 先下降后上升的布置要好于先上

6、升后下降。 先下降時，含汽率低，不易產(chǎn)生多值，含汽率高時，處于上升段，重位壓頭起有利作用。多值性，差多值性，差亦多值，但好一些亦多值，但好一些第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性3. 影響鍋爐水動力多值性因素分析1) 欠焓的影響進口欠焓越小，水動力越穩(wěn)定；第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性2) 壓力的影響 多值性出現(xiàn)的主要原因是由于汽和水的比容不 同 ， 隨 壓 力 的 升 高 ， 比 容 的 差 值 減小（），流動趨于穩(wěn)定。 vv第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性 3) 質(zhì)量流速的影響 質(zhì)量流速越低，越容易發(fā)生水動力多值性。第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性 4) 熱負荷q的影響 熱負荷越低，越容易發(fā)生水動力多值性。 5)

7、鍋爐負荷的影響 鍋爐負荷越低，越容易發(fā)生水動力多值性。 6) 重位壓頭的影響 重位壓頭越低，越容易發(fā)生水動力多值性。第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性1) 提高質(zhì)量流速 它是提高水動力穩(wěn)定性的最有效方法。2) 提高啟動壓力3) 采用進口加裝節(jié)流圈-將單相流體的阻力特性曲線（二次曲線），疊加在多值的、可能不穩(wěn)定的曲線上，當節(jié)流圈的阻力足夠大時，就可得到單調(diào)升曲線。4. 穩(wěn)定水動力特性的方法第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性4) 減小進口工質(zhì)欠焓減小了熱水段長度。5) 減小受熱偏差熱偏差造成流量分配不均6) 從而引起水動力不穩(wěn)定。6) 控制下輻射區(qū)水冷壁出口溫度。7) 控制水冷壁熱負荷。 第二節(jié)直流鍋爐的水動力特

8、性二、蒸發(fā)管中的脈動脈動管中的工質(zhì)流量呈周期性變化，危害十分嚴重。但是，脈動的機理還不十分清楚。管間脈動管間脈動管屏間脈動管屏間脈動脈動的類型脈動的類型全爐脈動全爐脈動第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性1影響管間脈動的因素 試驗研究表明，管間脈動的主要影響因素之一是：熱水段與蒸發(fā)水段阻力之比。 越大，脈動的幅度越小。 外因：蒸發(fā)開始處的局部熱負荷突然升高； 內(nèi)因：由于局部壓力的升高，造成工質(zhì)及金屬的蓄熱變化。第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性2.脈動的危害 使管壁溫度發(fā)生周期性變化，引起疲勞破壞。 汽溫不易控制，易導致管壁超溫。 造成管屏的機械振動，引起機械應力破壞。第二節(jié)直流鍋爐的

9、水動力特性3.脈動的形成機理 一般性解釋 壓力降型脈動 密度波型脈動 熱力波型脈動 4 防止脈動 的具體的技術措施1）提高進口壓力：工作壓力高，汽水的差別減小，不易發(fā)生脈動；2）提高進口工質(zhì)的流量（滿足推薦的最小界限質(zhì)量流速）；第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性3）加大加熱水段的阻力（加裝節(jié)流圈），則水回流的阻力增大，不易發(fā)生脈動。4）降低蒸發(fā)點的熱負荷和熱偏差：蒸發(fā)點的熱負荷減小，可避免局部壓力的大幅度變化；熱偏差的減小，可減小流量偏差。5）防止脈動性燃燒：燃燒放熱呈脈動時，熱水段和蒸發(fā)段也會呈現(xiàn)脈動性。6）選用較陡水泵特性的給水泵：壓力有所變化時，流量變化不大。第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性三、直流鍋

10、爐的熱偏差 1熱偏差定義熱偏差主要是由于吸熱不均勻和流量不均的共同作用所造成。GHqpppppppGGHHqqGHqGHqii00000001第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性2水力阻力對熱偏差的影響（水平管圈） 并聯(lián)多管圈的總壓降相同，huhunslvKGvGfdlpp22221)(pppvGKvGK20200第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性3. 熱偏差對流量偏差的影響 即受熱強的管子內(nèi)，流量反而減少這種由于吸熱不同而引起的流量偏差會造成惡性循環(huán)，使管子金屬過熱，甚至燒壞。popoopGRRGG第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性4.重位壓頭對流量偏差的影響對上升流： 重位壓頭可減小流量偏差。對下降流： 重位壓頭可

11、增大流量偏差。ooopopopoopGGRgHRRGG2)(1ooopopopoopGGRgHRRGG2)(1第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性5.加裝節(jié)流圈對流量偏差的影響 即選擇好各管中節(jié)流圈，可使流量偏差系數(shù)接近于1。jlpjlpppjlojloooopGRRRRGG.第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性6減輕熱偏差的措施 1）進口加裝節(jié)流圈減少流量偏差，選擇適當?shù)墓?jié)流圈阻力，可以取得一舉三得的作用，設計時取水動力穩(wěn)定，熱偏差、脈動計算所得的最小直徑。 2）減少受熱偏差（受熱不均） 將受熱面分成若干個并聯(lián)管組； 3）減少管組的工質(zhì)焓增使工質(zhì)進行中間混合； 4）提高質(zhì)量流速，降低壁溫可允許有較大的熱偏差；

12、5）組織好爐內(nèi)的燃燒使爐內(nèi)的熱負荷較為均勻。第二節(jié)直流鍋爐的水動力特性第十三章強制流動鍋爐第一節(jié) 直流鍋爐概述第二節(jié) 直流鍋爐的水動力特性第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱工質(zhì)在水冷壁的溫升大。傳熱與工質(zhì)的熱物理特性密切相關。容易引起類膜態(tài)沸騰。一、超臨界壓力下水冷壁的傳熱特點：二、超臨界壓力鍋爐管內(nèi)傳熱惡化判別方法 用參數(shù) 作為判據(jù)。 0.42kJ/kg時,A1，處于傳熱強化； 0.84kJ/kg時，A1，處于傳熱惡化； 0.420.84時，有可能A1，即有時傳熱強化，有時傳熱惡化。 02aaA

13、 wqwqwq第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱第十三章強制流動鍋爐第一節(jié) 直流鍋爐概述第二節(jié) 直流鍋爐的水動力特性第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐一、產(chǎn)生的背景 直流鍋爐有很大的優(yōu)越性，但也有以下的缺點： 啟動流量低，要采用啟動旁路系統(tǒng)； 水冷壁流速與鍋爐負荷成正比，為保證低負荷流速大于受熱管冷卻的最小流速，高負荷時的流速過高，造成阻力損失過大，泵消耗的功率也大。D，%ww水冷壁流量水冷壁流量最小流速最小流速 為了克服直流鍋爐的兩點不足，解決上述矛盾，從而產(chǎn)生了低倍率和復合循環(huán)鍋爐低倍率和復合循環(huán)鍋爐

14、。低倍率和復合循環(huán)鍋爐：低倍率和復合循環(huán)鍋爐：低負荷時能保證必需的質(zhì)量流速，高負荷時質(zhì)量流速又不過大，是適合于亞臨界和超臨界壓力的一種比較理想的鍋爐型式。第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐二、低倍率循環(huán)鍋爐第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐實例：瑞士蘇爾壽947t/h低倍率循環(huán)鍋爐三、復合循環(huán)鍋爐第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第十三章強制流動鍋爐第一節(jié) 直流鍋爐概述第二節(jié) 直流鍋爐的水動力特性第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐工質(zhì)在蒸發(fā)管中做多次強制循環(huán)流動，仍然用于亞臨界壓力范圍內(nèi)，故又稱為多次強制循環(huán)

15、鍋爐。 可以采用更細的管子，蒸發(fā)受熱面的垂直布置，比較自由；鍋筒、汽水分離器尺寸小，金屬耗量少，但循環(huán)水泵的投資和運行費用均較大。 增加了數(shù)臺循環(huán)水泵，關鍵設備第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐一、結構特點第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐二、強制循環(huán)鍋爐的水動力特點 由于同直流鍋爐一樣，同為強制流動，因而，在蒸發(fā)受熱面的可靠性方面，與對直流鍋爐水動力特性的分析一樣，存在著：1水動力特性不穩(wěn)定性問題（多值性）；2流體脈動；3熱偏差。三、工作特點D，%G，%給水流量給水流量水冷壁管中流量（循環(huán)水泵流量）水冷壁管中流量（循環(huán)水泵流量）第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐循環(huán)倍率K1，但較低（35或更小），因而循環(huán)水量小，循環(huán)推動力大。由于循環(huán)水泵

16、的特性，水冷壁中工質(zhì)的流量變化不大。 與自然循環(huán)鍋爐相比，控制循環(huán)鍋爐啟動、停爐和變負荷速度更快。 運行耗電量較大，費用高（強制循環(huán)泵）。第十三章強制流動鍋爐第一節(jié) 直流鍋爐概述第二節(jié) 直流鍋爐的水動力特性第三節(jié)超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)傳熱第四節(jié)低倍率和復合循環(huán)鍋爐第五節(jié)強制循環(huán)鍋爐第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)一、特點 無厚壁金屬鍋筒，起動時間2小時左右。 滑參數(shù)起動時，鍋爐和汽輪機在同一時間內(nèi)對蒸汽參數(shù)的要求是不同的：鍋爐在點火前需在水冷壁中建立起一定的起動流量（約30%額定蒸發(fā)量）保證點火過程中水冷壁得到足夠的冷卻，汽輪機在起動時主要是暖機和沖轉(zhuǎn)，要求的蒸汽壓力和流量不高

17、；點火過程中從水冷壁甚至過熱器流出的是熱水或汽水混合物，不能進入汽輪機；進入汽輪機的蒸汽需具有相應壓力下50以上的過熱度；需要回收利用啟動過程中的工質(zhì)和熱量，減少損失。二、起動旁路系統(tǒng)直流鍋爐必須配置帶有汽水分離器的起動旁路系統(tǒng)，需要進行從起動過程到正常運行工況的切換操作。 第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng) 不需切除分離器的起動系統(tǒng) 需切除分離器的起動系統(tǒng)包括高溫過熱器高溫過熱器水冷壁水冷壁起動分離器起動分離器 圖圖 不需切除分離器的起動系統(tǒng)不需切除分離器的起動系統(tǒng)至疏水擴容器至疏水擴容器或除氧器或除氧器給水給水省煤器省煤器第六節(jié)直流鍋爐的啟動系統(tǒng)12345節(jié)流管束節(jié)流管束水冷壁水冷壁起動分離器起動分離器 圖圖 需切除分離器的起動系統(tǒng)需切除分離器的起動系統(tǒng)至除氧器水箱至除氧器水箱高溫過熱器高溫過熱器低溫過熱器低溫過熱器至凝汽器至凝