鍋爐原理自然循環(huán)鍋爐水動力學演示文稿

鍋爐原理自然循環(huán)鍋爐水動力學演示文稿當前1頁，總共56頁。優(yōu)選鍋爐原理自然循環(huán)鍋爐水動力學當前2頁，總共56頁。強制循環(huán)鍋爐

隨著鍋爐容量提高，為了保證管內(nèi)工質(zhì)具有較高的質(zhì)量流速，在循環(huán)回路上串接一個或多個專門的循環(huán)泵，用以控制水和汽水混合物的流動，則稱為強制循環(huán)鍋爐或控制循環(huán)鍋爐。為了進一步提高鍋爐水動力的安全可靠性，可以在蒸發(fā)受熱面的進口設(shè)置節(jié)流圈，這種鍋爐一般稱為控制循環(huán)鍋爐。自然循環(huán)的推動壓力一般為0.05~0.1MPa,循環(huán)泵提升壓力為0.25~0.5MPa當前3頁，總共56頁。（a）自然循環(huán)鍋爐（b）強制循環(huán)鍋爐；（c）控制循環(huán)鍋爐；（d）直流鍋爐圖10-1鍋爐蒸發(fā)受熱面內(nèi)工質(zhì)流動的幾種類型當前4頁，總共56頁。自然循環(huán)鍋爐工程應用的最高蒸汽壓力是19.11MPa，單爐的最大容量為885MW。只有當蒸汽壓力超過16MPa時，且自然循環(huán)不可靠，才需要考慮采用強制循環(huán)鍋爐。當壓力超過19.6MPa，則適合采用直流鍋爐。強制循環(huán)鍋爐工程應用的最高蒸汽壓力是19.6MPa，單爐的最大容量1000MW。當單爐容量超過600MW，一般應在較低的壓力時就考慮采用強制循環(huán)鍋爐或直流鍋爐。當前5頁，總共56頁。10.1.3直流鍋爐直流鍋爐沒有汽包，給水在給水泵的作用下，依次通過加熱、蒸發(fā)和過熱等各個受熱面，完成水的加熱、汽化和蒸汽過熱過程，最后蒸汽過熱到規(guī)定的溫度，各受熱面之間并沒有固定的界限，直流鍋爐可以認為是循環(huán)水量為零的強制循環(huán)鍋爐的一個特例。當前6頁，總共56頁。直流鍋爐與強制循環(huán)鍋爐相比，取消了汽包，且工質(zhì)在給水泵壓頭的作用下一次性通過各受熱面。直流鍋爐特點是：受熱面可自由布置；金屬耗量少，啟、停速度快；水容量及相應的蓄熱能力較小，對外界負荷變化較敏感；直流鍋爐不能連續(xù)排污，對給水品質(zhì)的要求很高；給水泵功率消耗大。當前7頁，總共56頁。10.1.4復合循環(huán)鍋爐1.復合循環(huán)鍋爐的基本原理為了克服純直流鍋爐的不足及適應超臨界壓力鍋爐應用的需要，產(chǎn)生了復合循環(huán)鍋爐圖10-2復合循環(huán)鍋爐再循環(huán)直流鍋爐缺點是負荷降低時，水冷壁內(nèi)工質(zhì)流量降低，爐內(nèi)熱量得不到工質(zhì)的冷卻，水冷壁管壁容易超溫。當前8頁，總共56頁。（10-1）

如果循環(huán)泵的工作壓頭△Pb大于水冷壁中工質(zhì)的流動阻力△Plz

，則有PC＞PA，鍋爐按強制循環(huán)鍋爐原理工作。（流過水冷壁的工質(zhì)流量為給水流量與再循環(huán)流量之和）如果循環(huán)泵的工作壓頭△Pb小于等于水冷壁中工質(zhì)的流動阻力△Plz，則有PC≤PA，鍋爐按直流原理工作（再循環(huán)管路中無循環(huán)流量）。當前9頁，總共56頁。2．全負荷復合循環(huán)鍋爐圖10-3低循環(huán)倍率鍋爐系統(tǒng)和循環(huán)流量曲線在全負荷范圍內(nèi)均有△Pb大于水冷壁中工質(zhì)的流動阻力△Plz（即在全負荷范圍內(nèi)循環(huán)流量均不為零）1.省煤器2.混合器3.過濾器4.再循環(huán)水泵5.分配器6.節(jié)流圈7.水冷壁8.汽水分離器9.備用管路當前10頁，總共56頁。3．部分負荷復合循環(huán)鍋爐圖10-4部分負荷復合循環(huán)鍋爐的工作原理

1.低負荷時，循環(huán)管路有循環(huán)流量，高負荷時，鍋爐按直流鍋爐原理工作；2.大多用于超臨界壓力機組；3.與低循環(huán)倍率鍋爐的主要差別是在循環(huán)回路上裝有循環(huán)限制閥.當前11頁，總共56頁。圖10-5超臨界壓力復合循環(huán)鍋爐1.省煤器2.混合器3.循環(huán)泵4.分配器5.水冷壁6.過熱器7.循環(huán)限制閥8.循環(huán)旁路當前12頁，總共56頁。3．復合循環(huán)鍋爐的特點（1）結(jié)構(gòu)簡單可靠。（2）額定負荷時的質(zhì)量流速可選得低些，以減小流動阻力和水泵電耗。（3）鍋爐最低負荷可降到額定負荷的5

％左右，啟動旁路系統(tǒng)可按5％-10％負荷設(shè)計，減小設(shè)備投資和啟動時的工質(zhì)及熱量損失。當前13頁，總共56頁。（4）再循環(huán)工質(zhì)使水冷壁進口工質(zhì)的焓提高，工質(zhì)在蒸發(fā)管內(nèi)焓增減少，有利于減少熱偏差和提高管內(nèi)工質(zhì)流動的穩(wěn)定性。（5）鍋爐在低負荷范圍內(nèi)運行時，工質(zhì)流量和溫度變化幅度小，減小了管壁熱應力，有利于改善鍋爐低負荷運行時的條件。（6）再循環(huán)泵長期在高溫高壓下工作，制造工藝復雜，技術(shù)性能要求高，且循環(huán)泵要消耗電能，致使機組遠行費用增加。（7）復合循環(huán)不僅應用于超臨界壓力鍋爐，而且還應用在亞臨界壓力鍋爐。當前14頁，總共56頁。10.2自然循環(huán)基本原理10.2.1概述水冷壁上升管在爐內(nèi)吸收爐膛火焰和煙氣的輻射熱量，管內(nèi)部分水蒸發(fā)，形成汽水混合物；而下降管在爐外不受熱，管內(nèi)為飽和水或未飽和水。因此，下降管中水的密度大于上升管中汽水混合物的密度，在下聯(lián)箱中心A-A截面兩側(cè)將產(chǎn)生液柱的重位壓差，此壓差推動汽水混合物沿上升管向上流動，水沿下降管向下流動。圖10-6循環(huán)回路當前15頁，總共56頁。自然循環(huán)的參數(shù)

1．物理量的定義（1）循環(huán)流速w0：（2）質(zhì)量含汽率x：（10-2）（10-3）（3）循環(huán)倍率K：（10-4）

當前16頁，總共56頁。2．物理量的定義（10-5）

（10-6）假設(shè)工質(zhì)不流動：當前17頁，總共56頁。上升系統(tǒng)基本壓差Yss下降系統(tǒng)基本壓差Yxj運動壓差Syd系統(tǒng)總阻力簡單回路水循環(huán)基本方程，以此方程為基礎(chǔ)建立的計算方法稱為壓差法Syd是水循環(huán)產(chǎn)生的動力，以此方程為基礎(chǔ)建立的計算方法稱為運動壓頭法有效壓頭Syx下降管總阻力有效壓頭法當前18頁，總共56頁。10.3兩相流體參數(shù)與計算10.3.1汽水兩相流的基本參數(shù)1.蒸汽含量質(zhì)量含汽率x

：容積含汽率β

：（10-14）

（10-15）

當前19頁，總共56頁。截面含汽率φ

：（10-16）

（10-17）

（10-18）

水的流通截面積A’所占的流通截面積份額：

當前20頁，總共56頁。2．蒸汽和水的折算速度及真實速度蒸汽折算速度w0″——假定汽水混合物中的蒸汽單獨流過整個管道截面時的蒸汽速度：水的折算速度w0′：（10-19）

（10-20）

當前21頁，總共56頁。蒸汽的真實速度w″：水的真實速度w′：滑移比s：（10-21）

（10-22）（10-23）

當前22頁，總共56頁。通過試驗，可確定s，則截面含汽率：循環(huán)流速（假設(shè)質(zhì)量流量相同的飽和水流過整個管道截面所具有的流速：（10-24）

（10-25）

表明質(zhì)量（容積）含氣率）與截面含氣率之間的關(guān)系當前23頁，總共56頁。3．汽水混合物的密度和速度（10-27）

（10-26）

汽水混合物的速度為：當前24頁，總共56頁。10.3.2汽水兩相流的流型和傳熱1.垂直上升管內(nèi)的流型（1）泡狀流（2）氣泡向管中心聚集，形成彈狀流。（壓力很高時，不會形成）（3）彈狀流液體被擊碎，形成環(huán)狀流（4）霧狀流或彌散流

圖10-7垂直管內(nèi)強迫對流沸騰換熱當前25頁，總共56頁。膜態(tài)沸騰（易發(fā)生在F區(qū)）蒸發(fā)管內(nèi)隨著汽、水兩相流中含汽率的增大，附壁水膜逐漸減薄，當水膜被撕破且汽流核心夾帶的散狀水滴幾乎又不回落到管壁時，管壁便被一層過熱蒸汽覆蓋，導致管壁對工質(zhì)放熱系數(shù)急劇下降，壁溫急劇上升的管內(nèi)傳熱模式。當前26頁，總共56頁。2.管內(nèi)傳熱過程

A單相液體強制對流換熱區(qū)

B表面沸騰區(qū)

C飽和核態(tài)沸騰區(qū)

D雙相流體強制對流換熱區(qū)E干涸點

F欠液區(qū)

G單相蒸汽強制對流換熱當前27頁，總共56頁。3.管壁溫度分布管壁溫度沿管長的變化取決于局部放熱系數(shù)。在單相水和表面沸騰區(qū)，壁溫與工質(zhì)溫度差值不大。進入飽和核態(tài)沸騰和雙相強制對流換熱區(qū)，管子內(nèi)壁溫度只比工質(zhì)溫度高幾度。水膜干涸消失時，壁溫卻因傳熱惡化而飛升。干涸后，壁溫與α2的變化有關(guān)，若質(zhì)量流速較高，α2增加，壁溫飛升后即逐漸有所降低；反之，壁溫可能持續(xù)增加。雖然過熱蒸汽區(qū)的α2增加，但蒸汽溫度在吸熱后不斷增加，故壁溫也隨之不斷增高。當前28頁，總共56頁。4.水平管內(nèi)的流型和傳熱圖10-8水平管內(nèi)的流動形式當前29頁，總共56頁。10.3.3汽水兩相流動阻力的計算1.均相模型及摩擦阻力計算方法

(1)均相模型及其公式（10-28）

（10-29）

當流動處于阻力平方區(qū)時：碳鋼及珠光體合金鋼管：k=0.06mm,對奧氏體鋼管，k=0.008mm,dn單位為mm當前30頁，總共56頁。(2)以均相模型為基礎(chǔ)的公式西安交通大學提出摩擦阻力校正系數(shù)的計算方法如下：

1)汽水混合物質(zhì)量流速ρw=1000kg/(m2.s)2)汽水混合物質(zhì)量流速ρw<1000kg/(m2.s)（10-30）

（10-31）

（10-32）

當前31頁，總共56頁。3)汽水混合物質(zhì)量流速ρw>1000kg/(m2.s)①不受熱段，ψ值按圖10-9（a）查取；②受熱管段，平均含汽率x=(xc+xr)/2，ψ值按圖10-9（b）查取：當xc-xr<0.1時：當xc-xr≥0.1時：（10-33）

（10-34）

（10-35）

當前32頁，總共56頁。圖10-9汽水混合物摩擦阻力公式中ψ線算圖（a）不受熱管；（b）受熱管當前33頁，總共56頁。2.分流模型及重位壓降計算方法分流模型氣液兩相流的主要流型為泡狀流和環(huán)狀流。假設(shè)：水靠管內(nèi)壁流動，面積為F’；汽在管中心流動，面積為F”水和汽之間有相對運動，其真實速度分別為w’和w”圖10-10汽水兩相的分流模型當前34頁，總共56頁。2.分流模型及重位壓降計算方法(2)重位壓差計算汽水混合物密度圖10-10汽水兩相的分流模型kg/m3（10-36）

（10-37）

（10-38）

以截面含氣率表示的汽水混合物密度重位壓力降計算公式當前35頁，總共56頁。3.兩相流體流動局部阻力計算4.兩相流體流動加速壓降計算5.流動機構(gòu)模型（10-39）

（10-40）

基于均相模型，

ζ為局部阻力系數(shù)，通過實驗測量確定加速壓降是由于受熱而引起的動量變化，等于出口截面與進口截面動量之差當前36頁，總共56頁。10.4自然循環(huán)水動力計算與安全10.4.1自然循環(huán)水動力的計算1.循環(huán)回路

簡單回路與復雜回路當前37頁，總共56頁。一個下降管系統(tǒng)單獨與一個水冷壁管屏組成的回路，稱為簡單回路多個管屏共用一個下降管系統(tǒng)的回路則稱為復雜回路。當前38頁，總共56頁。（1）壓差法自汽包水位至下聯(lián)箱中心之間的下降管系統(tǒng)的總壓差與上升管系統(tǒng)的總壓差分別為：圖10-12簡單回路的分段實例

（10-41）

（10-42）

（10-43）當前39頁，總共56頁。按照圖10-12所示的上升管分段情況，上升管系統(tǒng)的重位壓頭和加速壓降、阻力損失可分別用下式表示：

（10-44）

（10-45）

（10-46）當前40頁，總共56頁。（2）壓頭法如圖10-13所示的分段情況，回路的運動壓頭和有效壓頭分別為:

（10-44）

（10-45）圖10-13壓差法確定回路工作點的圖解曲線當前41頁，總共56頁。當前42頁，總共56頁。2．循環(huán)回路特性曲線與工作點（1）簡單回路自然循環(huán)特性曲線圖解法ΔPxj圖10-14壓頭法確定回路工作點的圖解曲線圖10-13壓差法確定回路工作點的圖解曲線當前43頁，總共56頁。簡單回路的壓差特性及工作狀態(tài)當前44頁，總共56頁。（2）復雜循環(huán)回路自然循環(huán)特性曲線圖解法當前45頁，總共56頁。（2）復雜循環(huán)回路自然循環(huán)特性曲線圖解法圖10-16并聯(lián)上升系統(tǒng)的特性曲線及工作點圖10-15串聯(lián)上升系統(tǒng)的特性曲線當前46頁，總共56頁。自然循環(huán)的自補償特性當x不太大時，運動壓頭的增加大于流動阻力的增加，因此，隨著x的增大，循環(huán)流速增大。此時，管內(nèi)流量也相應增加，稱為循環(huán)回路具有流量正響應特性。當x增大到一定數(shù)值后，由于汽水混合物的容積流量過大，將出現(xiàn)流動阻力的增加大于運動壓頭增加的狀況，這時隨著x的增大，循環(huán)流速反而下降，稱為循環(huán)回路具有流量負響應特性。圖10-17循環(huán)流速與上升管質(zhì)量含汽率的關(guān)系當前47頁，總共56頁。自補償能力的進一步分析：當前48頁，總共56頁。1.停滯自然循環(huán)故障當前49頁，總共56頁。自然循環(huán)故障

2倒流當前50頁，總共56頁。自然循環(huán)故障2.倒流管屏壓差小于受熱管子液柱重位壓差時，水會因重力出現(xiàn)倒流。倒流速度較大時，管子倒不會燒壞。當上升管接到鍋筒蒸汽空間時，不會發(fā)生倒流，但會出現(xiàn)自由液面，此時，液面上部的管子由于無液膜，容易出現(xiàn)管子燒壞現(xiàn)象。當前51頁，總共56頁。自然循環(huán)故障3.下降管帶汽一方面進入下降管的實際流量減少，循環(huán)流量降低；另一方，下降管內(nèi)出現(xiàn)汽水兩相流動