锅炉原理第10章强制流动锅炉及水动力特性.

热能与动力工程第十章强制流动锅炉及水动力特性热能与动力工程强制循环锅炉、直流锅炉出现的原因1P升高，汽水密度差下降，自然循环推动力下降，所以需要采用强制流动；2由于压力提高，汽包体积大，壁厚，存在厚钢板供应困难，和制造工艺困难。3给水处理技术落后，锅内腐蚀严重。热能与动力工程直流锅炉也是大容量锅炉发展方向之一。特别是采用超临界参数的锅炉，直流锅炉是唯一能采用的锅炉型式。热能与动力工程一、直流锅炉工作原理及过程工质依靠给水泵的压头一次通过预热、蒸发、过热各受热面而加热成为过热蒸汽。给水流量G＝蒸发量D给水泵省煤器水冷壁过热器第一节直流锅炉热能与动力工程热能与动力工程热能与动力工程二、直流锅炉的特点1.本质特点无汽包工质一次通过各受热面，强迫流动受热面无固定界限2.水冷壁中工质流动特点受热不均对流动影响水动力多值性有脉动现象给水泵压头大；热能与动力工程3.传热过程特点•在水冷壁中工质干度x由0一＞1，因此第二类传热恶化一定出现4.热化学过程特点•要求给水品质高5.控制调节过程特点•直流锅炉对自动控制系统要求高，原因如下①负荷变动时，直流锅炉的蓄热能力较低，依靠自身炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低②直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量，以保证物质平衡和能量平衡，才能稳定汽压和汽温。所以直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高。热能与动力工程6.启动过程特点①设有启动旁路②启动速度快③在启动过程中，有工质膨胀现象④启动一开始，必须建立启动流量和启动压力热能与动力工程7.设计、制造、安装特点①直流锅炉适用于任何压力②蒸发受热面可以任意布置③节省金属④制造方便热能与动力工程三、蒸发受热面主要形式（一）、早期采用的形式本生型，即多次串联垂直上升管屏式苏尔寿式，即多行程迂回管屏式拉姆辛型，即水平围绕上升管圈式式热能与动力工程垂直上升管屏式1-垂直管屏；2-过热器；3-外置式过渡区；4-省煤器；5-空气预热器；6-给水如口；7-过热蒸汽出口；8-烟气出口热能与动力工程回带管屏式1-水平回带管屏；2-垂直回带管屏；3-过热蒸汽出口；4-过热器；5-外置式过渡区；6-省煤器；7-给水入口；8-空气预热器；9-烟气出口热能与动力工程水平围绕管圈式1-省煤器；2-炉膛进水管；3-水分配集箱；4-燃烧器；5-水平围绕管圈；6-汽水混合物出口集箱；7-对流过热器；8-壁上过热器；9-外置式过渡区；10-空气预热器热能与动力工程（二）、现代直流锅炉采用的形式由于锅炉向大容量、高参数发展；采用了膜式水冷壁；滑参数运行和给水处理技术发展。因此直流锅炉形式有了很大的变化。一次垂直上升管屏式（UP型）炉膛下部多次上升、炉膛上部一次上升管屏式（FW型）螺旋围绕上升管屏式热能与动力工程一次垂直上升管屏式（UP型）热能与动力工程两次垂直上升管屏式FW型热能与动力工程螺旋围绕上升管屏式热能与动力工程（三）螺旋管圈型水冷壁使用螺旋管圈水冷壁的原因在—定的炉膛周界情况下，如采用垂直布置的水冷壁管，其管子根数基本固定，管子直径不能过细，为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的。容量较小的直流锅炉水冷壁往往存在着单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速热能与动力工程解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有下述四种：（1）采用小管径和多次混合的水冷壁（2）水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）（3）采用多次上升垂直管圈型水冷壁（4）采用螺旋管圈型水冷壁。热能与动力工程tsinLN螺旋管圈型水冷壁关键参数：管子根数式中：N—并列管子根数；L—炉膛周界α—螺旋管上升角；T—水冷壁管子节距热能与动力工程热能与动力工程螺旋管圈型水冷壁关键参数：上升角度盘旋圈数（圈数太少会部份丧失螺旋管圈在减少热偏差方面的效益；圈数太多会增加阻力而增加给水泵功耗。推荐值：1.5~2.5圈热能与动力工程采用螺旋管圈水冷壁的优点•能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行；•管间吸热偏差小；•抗燃烧干扰能力强；•可以不设水冷壁进口的分配节流环；•适应于锅炉变压运行的要求。热能与动力工程第二节控制循环锅炉•工质在蒸发管中做多次强制循环流动，仍然用于亚临界压力范围内，故又称为多次强制循环锅炉。热能与动力工程可以采用更细的管子；蒸发受热面的垂直布置，比较自由；锅筒、汽水分离器尺寸小，金属耗量少，但循环水泵的投资和运行费用均较大。增加了数台循环水泵，关键设备一、特点热能与动力工程二、强制循环锅炉的水动力特点由于同直流锅炉一样，同为强制流动，因而，在蒸发受热面的可靠性方面，与对直流锅炉水动力特性的分析一样，存在着：•1．水动力特性不稳定性问题（多值性）；•2．流体脉动；•3．热偏差。热能与动力工程三、工作特点D，%G，%给水流量水冷壁管中流量（循环水泵流量）循环倍率K1，但较低（3~5或更小），因而循环水量小，循环推动力大。由于循环水泵的特性，水冷壁中工质的流量变化不大。与自然循环锅炉相比，控制循环锅炉启动、停炉和变负荷速度更快。运行耗电量较大，费用高（强制循环泵）。热能与动力工程复合循环锅炉：低负荷时能保证必需的质量流速，高负荷时质量流速又不过大，是适合于亚临界和超临界压力的一种比较理想的锅炉型式。第三节复合循环锅炉热能与动力工程工作原理热能与动力工程复合循环3845611—循环泵；2—锅筒；3—省煤器；4—炉膛水冷壁5—节流阀；6—分配集箱；7—给水泵；8—混合器热能与动力工程再循环量给水量水冷壁流量10050050100流量100%7A全负荷复合循环锅炉负荷/100%123456亚临界压力复合循环热能与动力工程1234576再循环量给水量10050050100水冷壁流量B部分负荷复合循环锅炉负荷/%1—水冷壁；2---汽水分离器；3---省煤器；4---混合器；5---循环泵；6---控制阀；7---节流阀热能与动力工程第三节水动力特性一、水动力不稳定性（多值性）水动力特性：在一定热负荷条件下，直流锅炉蒸发受热面中，工质流量G与流动阻力Δp之间的关系当蒸发受热面进出联箱两端压差一定的条件下，管内可能出现多种不同的流量，即水动力特性出现多值性，这样的流动特性就是不稳定的。流量小的管子，管内对流换热系数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。水平管圈特性方程在一定的热负荷下，管屏的压差与质量流量的关系式。热能与动力工程管内工质流动阻力ΔP=ΔPlz=ΔPrs+ΔPzf推导可得CBAP231r2i11q8iA＋1ri1d2LB1rdqLC22热能与动力工程水动力特性曲线132abc1w2w3wwp在此图中，1，3线为单值特性曲线2线为多值特性曲线。但在实际中会出现那种图形，取决于特性方程式中，A,B,C这三个参数的取值。如果出现曲线2所示图形，就表在一个压差下，对应有2~3个流量，即水动力成多值性。热能与动力工程水动力多值性的具体表现是：对于一根管子，流量有时大有时小；对于并联工作的一组管子，有的管中流量大，有的管中流量小。这些现象一旦出现，水冷壁就处在不安全的运行状态。热能与动力工程'2)w(dLp2rsrs)]1'''(x1['2)w(dLLp2rszf产生原因在某区段（如曲线2的cd段），随着ρw增加，Lrs增加，Lzf减小，使得D减小，相应的x也减小；而且x减小影响程度比ρw增加影响程度大。因此，随着ρw增加，ΔPrs增加的值比ΔPzf减小的值少。热能与动力工程单值性条件1ar46.7i热能与动力工程影响直流锅炉水动力多值性的因素锅炉运行时，影响水动力多值性的具体因素比较复杂，主要因素有:1）工质压力热能与动力工程蒸发管进口的工质压力对水动力多值性的影响起主要作用。当压力降低时，汽水密度差增大，水动力趋于不稳定。但是，压力对水动力多值性的影响具有多重性。即压力降低时，汽水比容差增大，水动力多值性加剧；但压力降低，工质汽化潜热也随之增大，在吸热量一定时，蒸发量减少；压力降低，还会使受热面进口水欠焓相应减小，这又会减弱水动力多值性。但是，压力降低使汽水比容差变化得较多，因而其综合影响是加剧了水动力多值性。图13-11的试验曲线表明了压力对水动力特性的影响。热能与动力工程2）质量流速直流锅炉蒸发管内的质量流速随负荷而变，锅炉负荷越低，越容易发生水动力多值性。因为质量流速越小，工质流量分配越不均匀。从式(13-7)来看，质量流速越小，各项系数的影响作用就越大，越容易发生水动力多值性。热能与动力工程3）蒸发管进口水欠焓热水段的存在说明蒸发管进口工质欠焓。在热负荷一定的条件下，工质欠焓越大，Lrs就越大，Lzf就越小，虽然热水段阻力△Prs有所增大，但由于受Lzf减小，尤其是受汽水混合物平均速度降低的影响，蒸发段阻力△Pzf降低的更多，使压降△P随流量G的增加出现多值性。工质欠焓增大主要发生在高加解列的场合，如果此时质量流速过小，则水动力多值性就难以避免。工质进口水焓值对水动力特性的影响见图13-12。热能与动力工程热能与动力工程4）热负荷q图13-13的曲线表示了热负荷对蒸发管水动力特性的影响。在亚临界压力下，当锅炉负荷和给水温度一定时，水冷壁热负荷变化直接影响蒸发点的位置变化，从而影响水动力特性。例如，当q降低(水冷壁吸热量Q降低)时，增加了热水段Lrs的长度，减小了蒸发段Lzf的长度，相当于增大了工质欠焓，使水动力趋于不稳定。热能与动力工程热能与动力工程5）锅炉负荷图13-14表示了负荷变化对水动力特性的影响。直流锅炉在低负荷运行时，比高负荷时的水动力稳定性要差得多。因为低负荷时，压力低，质量流速小，进口工质欠焓大，热负荷降低，热偏差增大。可见，此时在多种不利因素的同时作用下，水动力不稳定性的程度必然增大。热能与动力工程热能与动力工程6）重位压头影响垂直上升管屏的水动力特性的因素更为复杂。即影响水平管水动力特性的因素同样影响着垂直管屏，而且受重位压头和热偏差的影响，垂直管屏不但可能出现水动力不稳定现象，还可能出现停滞和倒流问题。因此，垂直管屏水动力稳定性条件要求更高。热能与动力工程7）工质的热物理特性超临界压力锅炉的水冷壁管内工质虽然是单相流体，但由于工质的温度随吸热量增加而变化，当工质温度处于大比热区且吸热量同时增大时，工质温度变化不大，但比容发生剧烈变化，引起工质的膨胀量急剧增大，有可能产生水动力不稳定现象。热能与动力工程提高水动力稳定性的方法1）提高质量流速ρw现代直流锅炉为防止水动力不稳定性，选用较高的质量流速。提高质量流速，即可避免水动力多值性，又可防止停滞和倒流，因此提高质量流速是提高水动力稳定性的最有效的方法。热能与动力工程2）提高启动压力p采用变压运行的螺旋管圈水冷壁的直流锅炉，应避免低负荷时的工作压力过低。对于垂直管屏，如果不采用实现变压运行的新技术，则最好采用全压启动方式。热能与动力工程3）采用节流圈在水冷壁入口安装节流圈可增大热水段的阻力。加装节流圈后，管子的总压降为△P=△Plz＋△Pjl，Pa（13-16）当流量增大时，节流圈的阻力随着增大，使热水段的流动阻力总是占优势。节流圈对水动力稳定性的作用如图13-15所示热能与动力工程热能与动力工程4）减小进口工质欠焓△i对于直流锅炉，水冷壁进口工质欠焓是必然存在的。△i=0时，因局部的汽泡不会被凝结或因工质比容变化，水冷壁进口联箱中分配给每根水冷壁管的流量不均匀性就可能增大。但欠焓减小，减小了热水段长度，增加了蒸发段长度，有利于提高水动力的稳定性。热能与动力工程5）减小受热偏差运行实践表明，水动力不稳定性主要是由汽水比容变化增大和热偏差造成流量分配不均引起的。因此，减小水冷壁的受热偏差是维持水动力稳定性的重要条