鍋爐原理課件：自然循環(huán)鍋爐水動力特性

鍋爐原理自然循環(huán)鍋爐水動力特性概述1自然循環(huán)原理與基本概念2水循環(huán)特性曲線34 自然循環(huán)的可靠性一、概述1/41一、概述自然循環(huán)與強制循環(huán)方式之間的差別主要體現(xiàn)在蒸發(fā)受熱面內(nèi)工質(zhì)流動的動力來源。自然循環(huán)鍋爐：依靠不受熱下降管中的水與受熱上升管中的工質(zhì)的密度差驅(qū)動工質(zhì)在一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)中流動。自然循環(huán)方式只能用于臨界壓力以下的鍋爐。循環(huán)回路：工質(zhì)循環(huán)流動所在的封閉系統(tǒng)稱為循環(huán)回路，一般由下降管、上升管、汽包、集箱及其它部件組成。下降管水冷壁集箱自然循環(huán)回路汽包2/41概述1自然循環(huán)原理與基本概念2水循環(huán)特性曲線34 自然循環(huán)的可靠性二、自然循環(huán)原理與基本概念3/41二、自然循環(huán)原理與基本概念，1、自然循環(huán)原理自然循環(huán)：在一個閉合的回路中，由于工質(zhì)自身的密度差造成的重位壓差推動工質(zhì)流動的現(xiàn)象。自然循環(huán)原理示意圖4/41二、自然循環(huán)原理與基本概念水在回路中循環(huán)流動時，下降管側(cè)壓差Sxj等于上升管側(cè)壓差Sss。下降管側(cè)壓差：Sxj=ρxjgH?

?pxj上升管側(cè)壓差：Sss=ρssgH+

?pss自然循環(huán)回路5/41二、自然循環(huán)原理與基本概念因此，可得壓差平衡方程式：ρxj?

ρss6/41gH=?pxj+

?pss式中：ρxj,

ρss分別為下降管和上升管中工質(zhì)的平均密度，kg/m3；?pxj,

?pss分別為下降管和上升管中的工質(zhì)流動阻力，Pa；H為汽包液位面到下集箱中心高度，m；二、自然循環(huán)原理與基本概念2、運動壓頭、有效壓頭壓差平衡方程式的左側(cè)稱為運動壓頭，用Syd表示為：ρxj?

ρssSyd

= gH=?pxj+

?pss方程式右側(cè)為循環(huán)回路的總阻力Σ?p

=

?pxj

+

?pss。以該式為基礎(chǔ)進行水動力計算的方法稱為運動壓頭法。運動壓頭是循環(huán)回路中產(chǎn)生的水循環(huán)動力，穩(wěn)定流動時用于克服回路中工質(zhì)的總阻力。7/41二、自然循環(huán)原理與基本概念運動壓頭減去上升管阻力?pss，稱為回路的有效壓頭，用Syx表示為：ρxj?

ρss8/41Syx

= gH??pss=

?Pxj以該式為基礎(chǔ)進行水動力計算的方法稱為有效壓頭法。有效壓頭是循環(huán)回路中運動壓頭克服上升管的流動阻力后剩余的部分水循環(huán)動力，穩(wěn)定流動時用以克服下降管的流動阻力。有效壓頭愈大，用以克服的下降管阻力?Pxj就越大，亦即循環(huán)的水量愈大，水循環(huán)愈強烈。自然循環(huán)的特性：由重位壓差造成的循環(huán)推動力克服上升系統(tǒng)和下降系統(tǒng)的流動阻力，推動工質(zhì)在循環(huán)回路中流動?；芈犯叨仍礁?，形成的循環(huán)推動力越大。工質(zhì)密度差越大，形成的循環(huán)推動力越大。在正常循環(huán)情況下，吸熱越多，密度差越大，工質(zhì)循環(huán)流動速度越高。壓力越高，汽、水的密度差降低，工質(zhì)循環(huán)流動速度越低。9/41二、自然循環(huán)原理與基本概念概述1自然循環(huán)原理與基本概念2水循環(huán)特性曲線34 自然循環(huán)的可靠性三、水循環(huán)特性曲線10/41三、水循環(huán)特性曲線1、循環(huán)回路的壓差特性在一定熱負荷及結(jié)構(gòu)特性條件下，壓差S和管內(nèi)流量G(或質(zhì)量流速ρw)的關(guān)系稱為壓差特性或水動力特性。由此關(guān)系在平面坐標圖上畫出的曲線稱為壓差特性曲線或水動力特性曲線。壓差特性曲線用來分析自然循環(huán)回路的工作原理及其影響因素，也可用來確定循環(huán)回路的工作狀態(tài)。簡單回路壓差特性11/41三、水循環(huán)特性曲線簡單循環(huán)回路的壓差特性上升管壓差：Sss

=

ρssg?

+

?pss。當(dāng)熱負荷一定時，隨流量G增大，上升管內(nèi)單位工質(zhì)吸熱量減少，含汽率降低，平均密度ρss增大。ρssg?隨G增加而單調(diào)增大，

以飽和水的重位壓差ρYg?為其漸近線。上升管流動阻力?pss隨G增加而單調(diào)增大。因此，上升管的壓差Sss為一條單調(diào)增的曲線。簡單回路壓差特性12/41三、水循環(huán)特性曲線下降管壓差：Sxj

=

ρxjg?

??pxj。下降管一般不受熱，若下降管中沒有蒸汽，可認為下降管內(nèi)的重位壓差ρxjg?

為飽和水的重位壓差ρYg?，隨流量G增大為不變的定值。下降管阻力?pxj隨G增加而單調(diào)增大。因此，

兩條曲線按壓差相減，下降管的壓差Sxj為一條單調(diào)減的曲線。簡單回路壓差特性13/41三、水循環(huán)特性曲線簡單回路壓差特性自然循環(huán)在穩(wěn)定流動條件下，由于上升管壓差Sss

和下降管壓差Sxj都是單調(diào)變化，這兩條曲線必然有一交叉點。根據(jù)Sss

和Sxj

相平衡原理，兩曲線的交點即為簡單回路在一定條件下的工作狀態(tài)，

稱為回路的工作點，其工作壓差和循環(huán)流量分別記為SO和GO。14/41三、水循環(huán)特性曲線實際循環(huán)回路的壓差特性鍋爐的實際循環(huán)回路，蒸發(fā)受熱面都是由若干串、并聯(lián)管子組成管屏。由于鍋爐熱負荷的不均勻性，管子(屏)與管子(屏)之間具有不同的吸熱量，使得各自的重位壓差和流動阻力也不相同，即吸熱量對上升管壓差有很大影響。假定上升管入口為飽和水，管內(nèi)工質(zhì)為兩相流體，按均相流模型，上升管壓差為Sss

= ρY

?

? ρY

?

ρYY g?+

ZssρYw2

O21

+

x 1

?ρYρYY式中，

Zss為上升管總阻力系數(shù)，?為截面含汽率，x為質(zhì)量含汽率。15/41三、水循環(huán)特性曲線當(dāng)管子結(jié)構(gòu)尺寸一定，

質(zhì)量流量不變時，

上式中Sss

=

?

?,

x

。?和x只與吸熱量q有關(guān)，因此，吸熱量q是影響Sss變化的最主要因素。隨吸熱量q增加，?和x都增大，但二者的增大趨勢卻有很大差別。質(zhì)量含汽率x隨吸熱量q增大是線性增加。截面含汽率?隨吸熱量q增大是非線性增加：當(dāng)工質(zhì)吸熱比較少，x較小時，?隨q的增大而迅速增加，即?的增加遠大于x的增加；而在某一x(或q)值后，

x的增加卻大于?的增加。16/41三、水循環(huán)特性曲線上升管壓差：Sss

= ρY

?

? ρY

?

ρYY g?+

ZssρYw2

O21

+

x 1

?ρYρYY上升管壓差與吸熱量關(guān)系因此，隨q增大，重位壓差ρssg?先下降得很快，而后下降得較慢

，

而?pss

則單調(diào)上升。ρssg?和?pss的疊加使得Sss和q的關(guān)系呈現(xiàn)先下降而后上升的趨勢。17/41三、水循環(huán)特性曲線自然循環(huán)回路的自補償能力進一步考慮下降管壓差為S =ρYg?+

Zxj xjρYw2

O2式中，

Zxj為下降管總阻力系數(shù)。水動力基本方程Sxj

=

Sss可以寫成ρYw22xj

ss? ρY

?

ρYY g?

?

O

Z +

Z 1+

x 1

?ρYρYY=

018/41式中，第一項為循環(huán)回路的運動壓頭Syd

，第二項為回路的總阻力Σ?p。三、水循環(huán)特性曲線當(dāng)q較低，x較小(循環(huán)倍率K較大)時，隨q增加，?的增加幅度大于x的增加，Sss

下降，循環(huán)流量G0增加，回路具有因上升管吸熱量增加而使循環(huán)流量隨之增加的能力，稱為自然循環(huán)回路的自補償能力。上升管循環(huán)流量vs吸熱量上升管壓差：Sss

= ρY

?

? ρY?

ρYYg?+

ZssρYw2

O21

+

x 1

?ρYρYY19/41三、水循環(huán)特性曲線當(dāng)q較高，x較大(K

<

Kjx)時，q再進一步增加，循環(huán)流量G0減小，循環(huán)回路失去自補償能力。設(shè)計自然循環(huán)回路時應(yīng)使工作的循環(huán)倍率大于界限循環(huán)倍率Kjx，使之處于有自補償能力的范圍內(nèi)。上升管循環(huán)流量vs吸熱量20/41三、水循環(huán)特性曲線2、循環(huán)回路工作點的確定方法簡單循環(huán)回路工作點的確定采用壓差法，原則上可以利用Sss

=

Sxj求出工作點。但壓差特性關(guān)系式是由一些非線性方程組成，很難用普通代數(shù)方法求解，在手工計算時常采用圖解法或試湊法：先假定幾個循環(huán)流量，分別計算出相應(yīng)Sss和Sxj，得到Sss和Sxj特性曲線，這兩條壓差特性曲線的交點即為簡單回路的工作點。確定工作點的圖解法21/41三、水循環(huán)特性曲線復(fù)雜循環(huán)回路工作點的確定鍋爐中通常遇到的是由不同特性的管組所組成的復(fù)雜回路。每個管組或管子之間或有不同的吸熱量，或有不同的結(jié)構(gòu)特性，或有串聯(lián)和并聯(lián)兩種不同的聯(lián)結(jié)方式。水循環(huán)計算時，一般將一根下降管與2個或2個以上的水冷壁管組相聯(lián)接的循環(huán)回路稱為復(fù)雜回路。復(fù)雜水循環(huán)回路22/41三、水循環(huán)特性曲線23/41每個管組或管子有各自的特性曲線和工作點，整個復(fù)雜回路有一總工作點。采用壓差法計算復(fù)雜循環(huán)回路工作點的主要步驟為：①利用簡單回路壓差法，計算出各管組在一定條件下的壓差特性曲線；②尋找所有回路共同部分，將各曲線合成，得出整個系統(tǒng)的總特性曲線，并求出回路的總工作點；③按相反順序，從總工作點反推求得各管組或管子壓差特性曲線的工作點。三、水循環(huán)特性曲線24/41壓差特性曲線的合成基于工質(zhì)的物質(zhì)平衡和作用于工質(zhì)上的力平衡兩個基本原理。其合成規(guī)律為，穩(wěn)定工況下：串聯(lián)回路時的流量相等，在相同流量下壓差疊加；并聯(lián)回路的兩段壓差相等，在相同壓差下流量疊加。三、水循環(huán)特性曲線并聯(lián)回路工作點的確定：先求得每排管的壓差曲線Si，在同一壓差下將各管排流量疊加得到合成的上升管總壓差曲線Sss，其與下降管壓差曲線的交點A即為整個回路的總工作點，得到G0和S0。由此交點按壓差曲線合成方向(水平方向)的相反路徑反推與各Si曲線相交，幾個交點即為各管排的工作點。各管排及下降管的壓差相等下降管的流量為各管排流量之和并聯(lián)回路及其特性曲線25/41三、水循環(huán)特性曲線串聯(lián)回路工作點的確定：先求得水冷壁Ssb和汽水引出管壓差曲線Syc。同一流量下將二者相加，得到合成的上升管總壓差曲線Sss，與下降管壓差曲線Sxj的交點即為整個回路的總工作點，得到G0和S0。由此交點按壓差曲線合成方向(垂直方向)的相反路徑反推與Ssb和Syc曲線相交，交點即為水冷壁和引出管的工作點。各組成部分流量相等壓差為水冷壁和汽水引出管的壓差之和，與下降管壓差相等串聯(lián)回路及其特性曲線26/41三、水循環(huán)特性曲線ρxj?

ρss有效壓頭法以有效壓頭Syx

= gH

?

?pss

=

?Pxj

為基礎(chǔ)進行計算。下降管阻力ΔPxj是循環(huán)流速w0的函數(shù)，w0增加引起ΔPxj的增大。對于上升管而言，熱負荷一定時增大循環(huán)流速w0將使管內(nèi)含汽率減小，汽水混合物密度增大，并使克服下降管阻力的有效壓頭Syx下降。當(dāng)有效壓頭Syx與阻力?Pxj平衡時，交點就是水循環(huán)工作點。有效壓頭法回路特性曲線27/41概述1自然循環(huán)原理與基本概念2水循環(huán)特性曲線34 自然循環(huán)的可靠性四、提高循環(huán)安全性的措施28/411、自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)故障停滯倒流下降管帶汽膜態(tài)沸騰連續(xù)水膜被破壞水的冷卻汽的冷卻超溫傳熱惡化爆管四、自然循環(huán)的可靠性29/41四、自然循環(huán)的可靠性自然循環(huán)的停滯與倒流循環(huán)回路由并聯(lián)于鍋筒與集箱之間的許多根上升管和數(shù)根下降管組成；由于爐膛結(jié)構(gòu)、管子受熱長度以及積灰等情況的不同，產(chǎn)生受熱不均勻性；如果個別上升管受熱嚴重不良，則產(chǎn)生的有效壓頭將不足以克服公共下降管的阻力，從而使循環(huán)流速趨近于零，這種現(xiàn)象就是“循環(huán)停滯”。自由循環(huán)回路1-受熱強的上升管；2-受熱弱的上升管；3-下降管130/4123四、自然循環(huán)的可靠性若某根上升管受熱極差并使有效運動壓頭小于阻力時，將產(chǎn)生“倒流”；此時該上升管變成了受熱的下降管，如果倒流速度較小，導(dǎo)致氣泡的聚集形成汽塞，引起管子燒壞。對設(shè)置水冷壁管上集箱時，不論引出管引入鍋筒汽空間還是水空間，受熱極差的上升管在上、下集箱之間都有可能形成停滯或倒流現(xiàn)象。水冷壁管上集箱31/41循環(huán)停滯的危害循環(huán)停滯的管內(nèi)仍產(chǎn)生蒸汽，循環(huán)倍率接近1，氣泡依靠浮力上升，同時在傾斜管轉(zhuǎn)彎、接頭部位往往引起汽泡的集聚，并沉積水垢，造成傳熱惡化甚至燒壞管子；如循環(huán)停滯發(fā)生的上升管恰好連接于汽包的蒸汽空間，則在管內(nèi)形成自由水面，水面以上僅有蒸汽，冷卻效果差；上升管盡量不要連接在鍋筒汽空間，對自然循環(huán)不利；高出鍋筒水位的h段(汽水混合物)對應(yīng)的下降管內(nèi)工質(zhì)不是水而是蒸汽，所以此段的流動壓頭是負的，相當(dāng)于增大了流動阻力。32/41四、自然循環(huán)的可靠性循環(huán)停滯與倒流的預(yù)防措施一般多采用加大下降管截面積和引出管截面積的方法來減少循環(huán)阻力，防止循環(huán)停滯與倒流。根本辦法就是減少或避免并聯(lián)的各上升管受熱的不均勻性。33/41四、自然循環(huán)的可靠性1.2

汽水分層發(fā)生于水平或者微傾斜的上升管段，特別是流速較低的時候會出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象；多發(fā)生于爐頂、前后拱的受熱面。危害：當(dāng)這一管段受熱時，會引起上下溫差應(yīng)力以及汽水界面的交變應(yīng)力；在上部會結(jié)鹽垢使壁溫升高甚至過熱預(yù)防措施：一般情況下，隨著蒸汽壓力的增加、蒸發(fā)管直徑的增大，發(fā)生汽水分層的可能性增加。因此要保證循環(huán)流速不低于0.6～0.8m/s、傾角不小于15度、盡量避免流動死角等。34/41四、自然循環(huán)的可靠性1.3

下降管帶汽正常情況下，下降管入口水流純粹靠靜壓進入，不會汽化；但是如果入口處阻力過高，將產(chǎn)生壓降，則鍋筒內(nèi)的飽和水在進入下降管的時候因壓力降低而汽化產(chǎn)生汽泡，造成下降管帶汽，從而使平均體積流量增大、流速加快、阻力增加，對水循環(huán)不利。另一個原因是下降管管口距離鍋筒水面太近，由于上方水面形成的漩渦而將蒸汽吸入下降管；因此下降管要盡量連接在鍋筒底部或保證入口上方有一定水位。下降管受熱強烈、下降管出口與上升管入口距離太近并且沒有良好的隔離裝置也可能造成下降管帶汽。35/41四、自然循環(huán)的可靠性危害：不僅使自身的阻力增加，還迫使循環(huán)的運動壓頭降低，減弱了水的循環(huán)流動，從而增大了循環(huán)停滯、倒流、自由水面等出現(xiàn)的可能性。36/41四、自然