自然循环

自然循环•什么是自然循环•自然界的水循环对人类有什作用•自然循环锅炉的循环倍率•自然循环锅炉的循环原理•自然循环常见故障及提高安全性措施什么是自然循环•自然循环指的是采用热水的供水与回水温差而使热水在管网中自行循环的方式。•自然循环锅炉是指在锅炉蒸发系统中，利用降水管中的水与上升管中的汽水混合物的密度差作为推动力，建立起工质循环流动(又称水循环)，使蒸发受热面受到冷却的锅炉。•自然循环系统在很多工业领域都有应用，特别是在核能利用、锅炉循环、太阳能热利用系统等方面应用广泛。在自然循环系统中，通常存在气-液两相流动，当气相介质在系统中不能及时顺利通过时，极易发生气阻。•锅炉的自然循环是锅炉在冷态下，汽包水位标高以下的蒸发系统内充满的水是静止的，当上升管在锅炉内受热时，部分水就生成蒸汽，形成了密度较小的混合物。而下降管在炉外不受热，管中水分密度较大，这样在两者密度差的作用下就产生了推动力，汽水混合物在水冷壁内向上流动，经过上联箱、导管进入汽包，下降管中由汽包来的水则向下流动，经下联箱补充到水冷壁内，这样不断的循环流动，就形成了自然循环。•随着锅炉容量的增大，自然循环锅炉的压力也相应提高。饱和水与饱和水蒸气之间的密度差也随压力增大而减小。由于降水管中的水温与饱和水温非常接近，故可以认为是饱和水。随着锅炉的工作压力升高，降水管中的水与上升管中的汽水混合物之间的密度差也同样减小。由于自然循环锅炉是靠降水管中的水与上升管中的汽水混合物的密度差形成的推动力，建立起工质循环流动的，当压力提高后，这个推动力也随之减小，工质在蒸发系统中的循环流动，也随压力提高而逐渐变得困难。当压力达到临界值22.12兆帕时，饱和汽、水之间的密度差为零，这时，工质循环停止。因此，自然循环锅炉的压力一般都在超高压(15.3兆帕)及以下。要向更高压力发展，就变得相当困难。自然界的水循环对人类有什作用•地球上的水圈是一个永不停息的动态系统。在太阳辐射和地球引力的推动下，水在水圈内各组成部分之间不停的运动着，构成全球范围的海陆间循环（大循环），并把各种水体连接起来，使得各种水体能够长期存在。海洋和陆地之间的水交换是这个循环的主线，意义最重大。在太阳能的作用下，海洋表面的水蒸发到大气中形成水汽，水汽随大气环流运动，一部分进入陆地上空，在一定条件下形成雨雪等降水；大气降水到达地面后转化为地下水、土壤水和地表径流，地下径流和地表径流最终又回到海洋，由此形成淡水的动态循环。这部分水容易被人类社会所利用，具有经济价值，正是我们所说的水资源。水循环是联系的球各圈和各种水体的“纽带”，是“调节器”，它调节了的球各圈层之间的能量，对冷暖气候变化起到了重要的因素。水循环是“雕塑家”，它通过侵蚀，搬运和堆积，塑造了丰富多彩的地表形象。水循环是“传输带”，它是地表物质迁移的强大动力，和主要载体。更重要的是，通过水循环，海洋不断向陆地输送淡水，补充和更新新陆地上的淡水资源，从而使水成为了可再生的资源。自然循环锅炉的循环倍率•水循环回路中，进入上升管的循环水量与上升管出口蒸汽量之比称为循环倍率。•在自然循环锅炉中，汽包、下降管、下联箱、蒸发受热面（有的还包括上联箱和汽水导管）构成水循环回路。下降管布置在炉外，不受热。蒸发受热面由布置在炉内的水冷壁管组成，也称之为上升管。上升管内汽水混合物的密度比下降管内水的密度小得多，工质正是依靠这种密度差而产生的动力保持流动的，不需消耗任何外力，所以这种锅炉叫做自然循环锅炉。•汽水混合物进入汽包进行分离，未汽化的水与给水混合后继续参加水循环。自然循环锅炉除了给水泵的功率消耗较小之外，由于汽包使蒸发受热面和过热器之间有了固定的分界点，并且蓄热和蓄水能力大，故对自动调节的要求比直流锅炉低，给水带入的盐分可用排污方式除掉，对水处理的要求也比直流锅炉低，所以自然循环锅炉成为目前世界各国最为广泛应用的一种锅炉。自然循环锅炉的循环原理•温度高的水比温度低的水比重轻，这样高温水就会自动往上流动，低温水往下流动，这就形成了自然循环，在自然循环锅炉中，汽包、下降管、下联箱、蒸发受热面（有的还包括上联箱和汽水导管）构成水循环回路。下降管布置在炉外，不受热。蒸发受热面由布置在炉内的水冷壁管组成，也称之为上升管。上升管内汽水混合物的密度比下降管内水的密度小得多，工质正是依靠这种密度差而产生的动力保持流动的，不需消耗任何外力自然循环的实质：由重位压差造成的循环推动力克服上升系统和下降系统的流动阻力，推动工质在循环回路中流动。即由于水冷壁管吸热，使下降管中水的密度xj改变成为上升管中汽水混合物的密度ss，并在高度为h的回路中形成了重位压差。回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推动力越大。工质密度差不仅与压力有关，而且与水冷壁管吸热强度有关。在正常循环情况下，吸热越多，密度差越大，工质循环流动速度越高；而压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。质量含汽率x:上升管中蒸汽所占循环流量的份额,或汽水混合物中蒸汽所占的份额。循环倍率Ｋ:循环回路中，进入上升管的循环水量G与上升管出口蒸汽量D之比，称为循环倍率，其意义就是上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水GKD循环倍率K越大，含汽率x愈小，则上升管出口汽水混合物中水的份额较大，管壁水膜稳定，对管壁冷却作用较好。所以，经常用循环倍率来评定锅炉水循环是否安全。但是K值过大，上升管产汽量太少，上升管内工质的平均密度增大，循环回路的运动压头减小，将使循环流速降低，对水循环安全也不利。在一定上升管含汽率范围内，自然循环回路中上升管受热增强时，循环水量和循环流速也随之增大（循环推动力增大），这种循环特性称自补偿能力；但热负荷太大时，含汽率超过一定值，由于流动阻力的快速增加使循环水流速反而减小，则会失去自补偿能力。最大循环流速对应的循环倍率称为界限循环倍率。为了保证自然循环回路的工作安全，锅炉上升管的含汽率必须始终小于界限含汽率，而循环倍率则应始终大于界限循环倍率。蒸发管内的传热恶化核态沸腾：水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸发，形成许多小汽泡。如果此时管外的热负荷不大，小汽泡可以及时地被管子中心水流带走，并受到“趋中效应”的作用力，向管子中心转移，而管中心的水不断地向壁面补充。膜态沸腾：如果管外的热负荷很高，汽泡生成的速度大于汽泡脱离壁面的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成蒸汽膜，将管子中心的水与管壁隔开，使管子壁面得不到水膜的直接冷却，导致管壁超温。也称为第一类传热恶化。过渡沸腾：由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程膜态沸腾有可能发生在环状流动阶段，当热负荷进一步提高时，也可能发生在泡状流动阶段，特别是可能发生在过冷沸腾阶段。膜态沸腾的产生取决于水冷壁管外的热负荷、管内工质的质量含汽率、管内的质量流速、工质压力、管径等多种因素。但主要取决于水冷壁的热负荷与质量含汽率。运行和试验证明，尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水混合物的质量含汽率一般只达到0.3~0.4，但发生传热恶化的可能性较大。采用内螺纹管水冷壁可抑制膜态沸腾内螺纹管抑制膜态沸腾：工质受到螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近流体的扰动，使水冷壁管内壁面上产生的汽泡可以被旋转向上运动的液体及时带走，而水流受到旋转力的作用紧贴内螺纹槽壁面流动。从而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的“汽膜”，保证了管子内壁面上有连续的水流冷却。亚临界参数自然循环锅炉采用内螺纹管水冷壁是具有相当大的安全裕度。内螺纹管抑制传热恶化的作用鳍片光管：x=0.3，壁温开始飞升x=0.6，壁温达到第一个高峰点，此后壁温略有下降，x=0.8，出现蒸干,管壁温度再次出现飞升。内螺纹管：x=0.8，壁温才开始飞升。说明内螺纹管具有显著的抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的作用。自然循环常见故障及提高安全性措施水循环常见故障1.循环停滞水冷壁分成几个以至几十个独立的水循环回路。炉膛中温度场分布不均；上升系统的结构偏差和流量分配偏差；虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动速度可能不同。受热弱的管子中，工质密度大，当这根管子的重位压头接近于管屏的压差时，管屏的压差只能托住液柱，而不能推动液柱的运动。这时，管内就出现了流体的停滞现象。停滞现象：循环流速w0→0，但w0≠0；即循环流量G=D，（D蒸汽量）但G≠0，停滞管的流动阻力ptz→0。后果：汽泡聚集弯头和焊缝处，并可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就会过热超温。当存在自由水面时，管子上半部是汽，下半部是水，管子上部就会过热超温。自由水面：进入上升管的循环流量微小，以至在管子微弱吸热后被蒸发成汽泡。后果：当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力水循环停滞导致水冷壁管传热恶化，主要发生在受热弱的管子上。2.倒流由于受热不均，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流。工质向下流的管子就叫“倒流管”。在倒流管中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动。当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时，向下流的水带不走汽泡，造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化，以至使管子出现局部过热超温。当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好冷却，不出现局部超温。当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时，不会出现倒流。当水冷壁受热不均比较严重时，受热最差的管子有时可能出现停滞，有时可能出现倒流，所以同一根管子出现停滞和倒流以及向上流动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内工质密度的变化而变化的。3.汽水分层当汽水混合物在水平或微倾斜管内流动时，出于汽、水密度不同，水在管子下部流动，汽在管子上部流动，形成明显的分界面，这种现象称为汽水分层。当汽水混合物流速较高时，扰动剧烈，汽水混合较好，管子能得到良好的冷却。若汽水混合物流速过低，出现汽水分层时，管壁上部温度明显高于下部温度，造成上部管壁超温。同时，上下管壁温差将形成温差热应力。另外，随着水面波动，在汽水分界面附近，温度交替变化还会产生交变热应力。防止汽水分层的措施是尽可能避免布置水平或倾角小于150的沸腾管。如在结构上不可避免时，要尽可能提高管内汽水混合物的流速。4下降管带汽当下降管含有蒸汽时，管内工质平均密度减小，运动压头减小，而工质的体积流量将增大，使下降管的流动阻力增加。循环流速和循环倍率降低，使得受热弱的上升管更容易发生循环停滞等故障。如果下降管中的蒸汽被带入水冷壁管，还会使水冷壁并列管流量分配不均，加剧并列管间的热偏差。下降管含汽的原因：下降管受热产生蒸汽；水在下降管入口汽化；水进入下降管时带汽；由于锅炉压力突然下降引起锅水自汽化。影响水冷壁安全运行的主要因素水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流；水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾；锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重的“干锅”；燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀；结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀；煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。1.水冷壁受热不均或受热强度过高锅炉运行中，炉内火焰偏斜、水冷壁局部结渣和积灰是造成水冷壁吸热不均的主要原因。受热很弱的管子容易出现停滞或倒流，受热很强的管子可能出现膜态沸腾，其结果都是导致管子局部发生传热恶化，管壁温度升高。2.下降管带汽或自汽化下将管入口产生旋涡漏斗时，旋涡中心将有部分蒸汽被水流抽吸进入下降管。进入下降管的实际水流量减少，即循环流量降低；由于下降管内出现汽水两相流动，工质密度减小，使下降管侧的重位压差降低，且流动阻力也相应增大。导致水循环安全裕度下降，即产生停滞、倒流的可能性增大。防止下降管带汽的办法：在下将管入口安装隔栅；运行时注意维持正常的锅筒水位。水位过低，下降管入口不但容易产生旋涡漏斗，而且使下降管入口处的静压力降低，容易产生水的自汽化。3.水冷壁管内壁结垢锅炉运行水质不合格，含盐量超标，当水在管内受热蒸发时，盐分从水中析出，沉积在管壁上，管子金属内壁面上无水膜冷却，而管外吸收高温火焰的热量不能被水流及时带走，管壁温度就会升高。水冷壁管内结垢时，流动