锅炉原理-10自然循环锅炉水动力学

西安石油大学机械工程学院•10.1锅炉水循环过程•10.1.1自然循环锅炉•工质循环流动完全是由于蒸发受热面受热产生的密度差而自然形成，故称自然循环;•自然循环锅炉的特征是有一个直径较大的汽包。•自然循环锅炉结构比较简单、运行容易掌握而且比较安全可靠，我国亚临界压力以下的锅炉，多数采用自然循环锅炉。第10章自然循环锅炉水动力特性水的临界压力为227.98×105Pa，172.25×105Pa（170～210大气压）一般称为亚临界压力西安石油大学机械工程学院•10.1.1强制循环锅炉•随着锅炉容量提高，为了保证管内工质具有较高的质量流速，在循环回路上串接一个或多个专门的循环泵，用以控制水和汽水混合物的流动，则称为强制循环锅炉或控制循环锅炉。•为了进一步提高锅炉水动力的安全可靠性，可以在蒸发受热面的进口设置节流圈，这种锅炉一般称为控制循环锅炉。•自然循环的推动压力一般为0.05~0.1MPa,循环泵提升压力为0.25~0.5MPa西安石油大学机械工程学院（a）自然循环锅炉（b）强制循环锅炉；（c）控制循环锅炉；（d）直流锅炉图10-1锅炉蒸发受热面内工质流动的几种类型西安石油大学机械工程学院•自然循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是19.11MPa，单炉的最大容量为885MW。只有当蒸汽压力超过16MPa时，且自然循环不可靠，才需要考虑采用强制循环锅炉。当压力超过19.6MPa，则适合采用直流锅炉。强制循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是19.6MPa，单炉的最大容量1000MW。当单炉容量超过600MW，一般应在较低的压力时就考虑采用强制循环锅炉或直流锅炉。西安石油大学机械工程学院•10.1.3直流锅炉•直流锅炉没有汽包，给水在给水泵的作用下，依次通过加热、蒸发和过热等各个受热面，完成水的加热、汽化和蒸汽过热过程，最后蒸汽过热到规定的温度，各受热面之间并没有固定的界限，直流锅炉可以认为是循环水量为零的强制循环锅炉的一个特例。西安石油大学机械工程学院•直流锅炉与强制循环锅炉相比，取消了汽包，且工质在给水泵压头的作用下一次性通过各受热面。•直流锅炉特点是：受热面可自由布置；金属耗量少，启、停速度快；水容量及相应的蓄热能力较小，对外界负荷变化较敏感；直流锅炉不能连续排污，对给水品质的要求很高；给水泵功率消耗大。西安石油大学机械工程学院•10.1.4复合循环锅炉•1.复合循环锅炉的基本原理•为了克服纯直流锅炉的不足及适应超临界压力锅炉应用的需要，产生了复合循环锅炉图10-2复合循环锅炉再循环直流锅炉缺点是负荷降低时，水冷壁内工质流量降低，炉内热量得不到工质的冷却，水冷壁管壁容易超温。西安石油大学机械工程学院（10-1）•如果循环泵的工作压头△Pb大于水冷壁中工质的流动阻力△Plz，则有PC＞PA，锅炉按强制循环锅炉原理工作。（流过水冷壁的工质流量为给水流量与再循环流量之和）•如果循环泵的工作压头△Pb小于等于水冷壁中工质的流动阻力△Plz，则有PC≤PA，锅炉按直流原理工作（再循环管路中无循环流量）。西安石油大学机械工程学院•2．全负荷复合循环锅炉图10-3低循环倍率锅炉系统和循环流量曲线在全负荷范围内均有△Pb大于水冷壁中工质的流动阻力△Plz（即在全负荷范围内循环流量均不为零）1.省煤器2.混合器3.过滤器4.再循环水泵5.分配器6.节流圈7.水冷壁8.汽水分离器9.备用管路西安石油大学机械工程学院•3．部分负荷复合循环锅炉图10-4部分负荷复合循环锅炉的工作原理1.低负荷时，循环管路有循环流量，高负荷时，锅炉按直流锅炉原理工作；2.大多用于超临界压力机组；3.与低循环倍率锅炉的主要差别是在循环回路上装有循环限制阀.西安石油大学机械工程学院•3．复合循环锅炉的特点（1）结构简单可靠。（2）额定负荷时的质量流速可选得低些，以减小流动阻力和水泵电耗。（3）锅炉最低负荷可降到额定负荷的5％左右，启动旁路系统可按5％-10％负荷设计，减小设备投资和启动时的工质及热量损失。西安石油大学机械工程学院（4）再循环工质使水冷壁进口工质的焓提高，工质在蒸发管内焓增减少，有利于减少热偏差和提高管内工质流动的稳定性。（5）锅炉在低负荷范围内运行时，工质流量和温度变化幅度小，减小了管壁热应力，有利于改善锅炉低负荷运行时的条件。（6）再循环泵长期在高温高压下工作，制造工艺复杂，技术性能要求高，且循环泵要消耗电能，致使机组远行费用增加。（7）复合循环不仅应用于超临界压力锅炉，而且还应用在亚临界压力锅炉。西安石油大学机械工程学院•10.2自然循环基本原理•10.2.1概述•水冷壁上升管在炉内吸收炉膛火焰和烟气的辐射热量，管内部分水蒸发，形成汽水混合物；而下降管在炉外不受热，管内为饱和水或未饱和水。因此，下降管中水的密度大于上升管中汽水混合物的密度，在下联箱中心A-A截面两侧将产生液柱的重位压差，此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动，水沿下降管向下流动。图10-6循环回路西安石油大学机械工程学院•10.2.2自然循环的参数•1．物理量的定义（1）循环流速w0：（2）质量含汽率x：0w,/GmsADxG（10-2）（10-3）（3）循环倍率K：GKD（10-4）西安石油大学机械工程学院•2．物理量的定义ghPPxj01（10-5）ghPPss02（10-6）12,PxjssP所以假设工质不流动：西安石油大学机械工程学院系统总阻力简单回路水循环基本方程，以此方程为基础建立的计算方法称为压差法Syd是水循环产生的动力，以此方程为基础建立的计算方法称为运动压头法有效压头Syx下降管总阻力有效压头法西安石油大学机械工程学院•10.3两相流体参数与计算•10.3.1汽水两相流的基本参数•1.蒸汽含量•质量含汽率x：•容积含汽率β：GGxGGG（10-14）QQQQQ（10-15）西安石油大学机械工程学院•截面含汽率φ：/11//1(1)GGGX（10-16）AA'1AAAAA（10-17）（10-18）•水的流通截面积A’所占的流通截面积份额：西安石油大学机械工程学院•2．蒸汽和水的折算速度及真实速度•蒸汽折算速度w0″——假定汽水混合物中的蒸汽单独流过整个管道截面时的蒸汽速度：•水的折算速度w0′：0/GwmsA0/GwmsA（10-19）（10-20）西安石油大学机械工程学院•蒸汽的真实速度w″：•水的真实速度w′：•滑移比s：0/'1GwwmsA'1s()()()1wGAxwGAx（10-21）（10-22）（10-23）0/GwwmsA西安石油大学机械工程学院•通过试验，可确定s，则截面含汽率：•循环流速（假设质量流量相同的饱和水流过整个管道截面所具有的流速：11(1)111()xssx000()/GGG（10-24）（10-25）表明质量（容积）含气率）与截面含气率之间的关系西安石油大学机械工程学院•3．汽水混合物的密度和速度3h(1)(1)/ALALkgmAL00000'(1)[1(1)]/hQQ（10-27）（10-26）汽水混合物的速度为：西安石油大学机械工程学院•10.3.2汽水两相流的流型和传热•1.垂直上升管内的流型•（1）泡状流•（2）气泡向管中心聚集，形成弹状流。（压力很高时，不会形成）（3）弹状流液体被击碎，形成环状流（4）雾状流或弥散流图10-7垂直管内强迫对流沸腾换热西安石油大学机械工程学院•膜态沸腾（易发生在F区）•蒸发管内随着汽、水两相流中含汽率的增大，附壁水膜逐渐减薄，当水膜被撕破且汽流核心夹带的散状水滴几乎又不回落到管壁时，管壁便被一层过热蒸汽覆盖，导致管壁对工质放热系数急剧下降，壁温急剧上升的管内传热模式。西安石油大学机械工程学院•2.管内传热过程A单相液体强制对流换热区B表面沸腾区C饱和核态沸腾区D双相流体强制对流换热区E干涸点F欠液区G单相蒸汽强制对流换热西安石油大学机械工程学院•3.管壁温度分布•管壁温度沿管长的变化取决于局部放热系数。在单相水和表面沸腾区，壁温与工质温度差值不大。进入饱和核态沸腾和双相强制对流换热区，管子内壁温度只比工质温度高几度。水膜干涸消失时，壁温却因传热恶化而飞升。干涸后，壁温与α2的变化有关，若质量流速较高，α2增加，壁温飞升后即逐渐有所降低；反之，壁温可能持续增加。虽然过热蒸汽区的α2增加，但蒸汽温度在吸热后不断增加，故壁温也随之不断增高。西安石油大学机械工程学院•4.水平管内的流型和传热图10-8水平管内的流动形式西安石油大学机械工程学院•10.3.3汽水两相流动阻力的计算•1.均相模型及摩擦阻力计算方法(1)均相模型及其公式22hhmcnwlPd（10-28）2)7.3(lg41kdn（10-29）当流动处于阻力平方区时：碳钢及珠光体合金钢管：k=0.06mm,对奥氏体钢管，k=0.008mm,dn单位为mm西安石油大学机械工程学院(2)以均相模型为基础的公式•西安交通大学提出摩擦阻力校正系数的计算方法如下：1)汽水混合物质量流速ρw=1000kg/(m2.s)2)汽水混合物质量流速ρw1000kg/(m2.s)22hhmmcnwlPPd（10-30）1000(1)(1)/11(/)xxwx（10-31）（10-32）1西安石油大学机械工程学院)汽水混合物质量流速ρw1000kg/(m2.s)①不受热段，ψ值按图10-9（a）查取；②受热管段，平均含汽率x=(xc+xr)/2，ψ值按图10-9（b）查取：当xc-xr0.1时：当xc-xr≥0.1时：1000(1)(1)/11(1)(/)x