鍋爐原理10-1-1

1、 第十章 自然循環(huán)基本工作原理：基本定義（物理量），蒸發(fā)受熱面安全、自然循環(huán)安全性、提高安全措施、自然循環(huán)等計(jì)算。兩相流計(jì)算不講，自然循環(huán)的基本原理與基本方程一、基本原理左側(cè)壓力：下降管右側(cè)壓力：上升管循環(huán)推動(dòng)力影響因素：高度、飽和水與飽和汽密度差、上升管中含汽率。 一、基本定義 1. 循環(huán)流速上升管開始沸騰處的飽和水速G流經(jīng)上升管的質(zhì)量流量 kg/s（包括水、汽單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位截面的質(zhì)量流量質(zhì)量流速 2. 質(zhì)量含汽率上升管中汽水混合物中蒸汽的質(zhì)量份額3. 循環(huán)倍率進(jìn)入上升管的循環(huán)水量與上升管出口產(chǎn)汽量之比自然循環(huán)鍋爐攜帶循環(huán)安全性的重要指標(biāo)之一。 建立基本方程組流體力學(xué)問題，四個(gè)普遍物理定

2、律：質(zhì)量守恒定律牛頓第二定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律定壓加熱過程熱力學(xué)第一定律在鍋爐上的表達(dá)式Q=G(ic-ir)ic: 管子出口焓值；ir：管子入口焓值對于下降系統(tǒng)：p1+Hg+12/2=p2+22/2+pxj對于上升系統(tǒng)：p2+ 22/2 =p1+Hhg+112/2 + pss上升系統(tǒng)壓差等于下降系統(tǒng)壓差兩式聯(lián)立，得：Hg - pxj=Hh g +pss即：H( h ) g - pss =pxj= Syx有效壓頭Syx，在數(shù)值上等于循環(huán)推動(dòng)力與上升系統(tǒng)阻力之差，用來克服下降管阻力。 安全問題：結(jié)渣（灰）、高溫腐蝕、超溫爆管 、結(jié)垢等q只取決于Th，管壁溫度則只取決于工質(zhì)側(cè)對流放熱系數(shù)工

3、質(zhì)-汽水混合物，水汽蒸汽分布-流型問題蒸發(fā)受熱面的安全工作問題 阻力小-汽泡趨中效應(yīng)質(zhì)量含汽率X 小大泡狀彈狀流型柱狀流型液霧流型 單相水的流動(dòng)（A段）：水溫，未至飽和溫度，無蒸汽。 過冷氣泡狀流動(dòng)（B段）：緊貼管子內(nèi)壁面的水溫至飽和并產(chǎn)生汽泡，管子中部水仍欠熱，平均水溫tg逐漸升高。 飽和汽泡狀流動(dòng)（C段）全部工質(zhì)至飽和溫度，汽泡不再凝結(jié)，含汽量從x=0開始逐漸增大。 彈狀流動(dòng)（D段） 隨著含汽量增大，汽泡聚合成彈狀，溫度保持飽和溫度。 環(huán)狀流動(dòng)（E段）含汽量，汽彈連接成柱， 形成環(huán)狀流動(dòng)。環(huán)狀流動(dòng)后期，中部汽流增加，流速升高，蒸汽開始攜帶水滴。 霧狀流動(dòng)（F段）含汽量很大，壁面水膜蒸干，成

4、為蒸汽帶水滴霧狀流動(dòng)。溫度仍為飽和溫度。 單相汽流動(dòng)（G段）全部蒸干，x=1，蒸汽進(jìn)入過熱狀態(tài)。 隨著壓力增加，10MPa以上，汽彈狀流動(dòng)已不復(fù)存在。隨著工質(zhì)含汽量增加，由汽泡狀流動(dòng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)槠鶢盍鲃?dòng)。 一般，自然循環(huán)鍋爐正常工作時(shí)，其質(zhì)量含汽率小于220%，處于汽泡狀流動(dòng)工況。 （表面沸騰）3.飽和核態(tài)沸騰傳熱區(qū)段4.兩相強(qiáng)迫對流傳熱區(qū)段5.液體欠缺對流傳熱區(qū)段6.單相過熱蒸汽對流傳熱區(qū)段1.單相水的對流傳熱區(qū)段（三）沸騰傳熱惡化沸騰傳熱惡化分為第一類沸騰傳熱惡化和第二類沸騰傳熱惡化兩類。 1.第一類沸騰傳熱惡化（發(fā)生在質(zhì)量含汽率x較低處） 概念：因管壁形成汽膜導(dǎo)致的沸騰傳熱惡 化稱為第一

5、類傳熱惡化，或稱膜態(tài) 沸騰，它是由于熱負(fù)荷太高造成。 此時(shí)，管壁溫度迅速上升，多數(shù)情況下管壁過熱而燒壞。開始發(fā)生核態(tài)沸騰偏離時(shí)的熱負(fù)荷稱臨界熱負(fù)荷。影響臨界熱負(fù)荷的因素分析：（1）質(zhì)量流速質(zhì)量流速對臨界熱負(fù)荷的影響有兩重性。質(zhì)量含汽率不變時(shí)，質(zhì)量流速，汽量，臨界熱負(fù)荷。另一方面，質(zhì)量流速，攜帶蒸汽的速度，臨界熱負(fù)荷。高壓時(shí)后者起主要作用。 （2） 質(zhì)量含汽率 質(zhì)量含汽率較大時(shí)，質(zhì)量含汽率，臨界熱負(fù)荷。 （3） 管子進(jìn)口欠熱： 在相同的質(zhì)量流速 下，管子進(jìn)口欠熱， 臨界熱負(fù)荷。 （4）管子內(nèi)徑： 管子內(nèi)徑，臨界熱負(fù)荷。 （5）工質(zhì)壓力 壓力，臨界熱負(fù)荷。 2.第二類沸騰傳熱惡化(發(fā)生在x較高處)

6、 概念：因管壁水膜被“蒸干”導(dǎo)致的沸騰傳熱惡化稱為 第二類沸騰傳熱惡化。 原因：汽水混合物中含汽率太高所致。 臨界含汽率的影響因素： （1）熱負(fù)荷 熱負(fù)荷與臨界含汽率關(guān)系不大,但臨界熱負(fù)荷，管壁溫度。 （2）工質(zhì)壓力 工質(zhì)壓力較小時(shí)，壓力，臨界含汽率；反之則相反。 （3）質(zhì)量流速 質(zhì)量流速，臨界含汽率。 （4）管徑 管徑， 臨界含汽率。 對于超高壓及以下的自然循環(huán)鍋爐，在循環(huán)正常時(shí)，由于熱負(fù)荷和工質(zhì)含汽率都較低，不會發(fā)生傳熱惡化。 對于亞臨界壓力鍋爐，水冷壁的臨界熱負(fù)荷仍高于其局部最高熱負(fù)荷，不會發(fā)生第一類傳熱惡化。 但界限含汽率隨壓力的上升而下降，有可能發(fā)生第二類傳熱惡化。 例如：國產(chǎn)DG1

7、000/170-型自然循環(huán)鍋爐，其水冷壁的最低界限含汽率約0.4，而水冷壁的實(shí)際含汽率很接近，故有可能發(fā)生第二類傳熱惡化。沸騰傳熱的防護(hù)措施： 兩個(gè)途徑：防止沸騰傳熱惡化的發(fā)生； 把沸騰傳熱惡化發(fā)生位置 推移到熱負(fù)荷較低處，使 其管壁溫度不超過許用值。 （1）保證一定的質(zhì)量流速 （2）降低受熱面的局部熱負(fù)荷 （3）管內(nèi)結(jié)構(gòu)措施 三、自然循環(huán)的安全性 （一）水冷壁安全工作的條件 管壁溫度： 在沸騰傳熱過程中，管子內(nèi)壁溫度可按下式計(jì)算： 水冷壁在正常運(yùn)行情況下，管內(nèi)壁處于核態(tài)沸騰傳熱，放熱系數(shù)2很大2=104105kW/（m2），管內(nèi)壁金屬與工質(zhì)的溫差只有2030，比金屬的許用溫度低得多，水冷壁的

8、工作是足夠安全的。 例如亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐，水冷壁內(nèi)工質(zhì)壓力約19MPa，飽和溫度369，管壁金屬溫度約390，水冷壁為20g鋼。 管內(nèi)工質(zhì)保持一定的流速，蒸汽干度一定，管內(nèi)壁清潔無垢，是保證核態(tài)沸騰傳熱的必要條件。 循環(huán)倍率的選擇： 意義：上升管中每產(chǎn)生1kg蒸汽，需要進(jìn)入上升管的循環(huán)水量；或1kg水全部變成蒸汽，在循環(huán)回路中需要循環(huán)的次數(shù)。 K的倒數(shù)稱為上升管出口汽水混合物的干度或質(zhì)量含汽率，以符號x表示，故有： x =1/K=D/G 循環(huán)倍率K越大，含汽率越小，則上升管出口汽水混合物中水的份額較大，管壁水膜穩(wěn)定。但K值過大，上升管中汽水量太少。汽水混合物 的平均密度增大，運(yùn)動(dòng)壓頭減小

9、。將使循環(huán)水速降低，對水循環(huán)安全也是不利的。 循環(huán)回路工作循環(huán)倍率應(yīng)大于界限循環(huán)倍率才能保證水冷壁管屏每根管子均勻吸熱條件下的安全工作。即 KKj (6-7) 界限循環(huán)倍率與x有關(guān)，K過小，可能產(chǎn)生第一類傳熱惡化。 自補(bǔ)償特性：在上升管含汽率小于界限含汽率范圍內(nèi)，當(dāng)受熱面熱負(fù)荷增加，自然循環(huán)回路上升管受熱增強(qiáng)時(shí)，循環(huán)水量和循環(huán)水速也隨著增大進(jìn)行補(bǔ)償，這種循環(huán)特性稱為自補(bǔ)償性或自補(bǔ)償能力。 自然循環(huán)回路作工安全的條件：鍋爐應(yīng)始終工作在自補(bǔ)償范圍內(nèi)。即上升管的含汽率必須始終小于界限含汽率，而循環(huán)倍率則應(yīng)始終大于界限循環(huán)倍率。對于汽包壓力大于17 MPa的鍋爐，上升管出口含汽率還應(yīng)受到不發(fā)生“蒸干”

10、傳熱惡化的限制。（二）影響水冷壁安全運(yùn)行的主要因素管內(nèi)的影響因素有：水質(zhì)不良導(dǎo)致的水冷壁管內(nèi)結(jié)垢與腐蝕；水冷壁受熱偏差影響導(dǎo)致的個(gè)別或部分管子出現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)的停滯或倒流；水冷壁熱負(fù)荷過大導(dǎo)致的管子內(nèi)壁面附近出現(xiàn)膜態(tài)沸騰；汽包水位過低引起水冷壁中循環(huán)流量不足，甚至發(fā)生更為嚴(yán)重的“干鍋”。管外的影響因素有：燃燒產(chǎn)生的腐蝕性氣體對管壁的高溫腐蝕；結(jié)渣和積灰導(dǎo)致的對管壁的侵蝕；煤粉氣流或含灰氣流對管壁的磨損。管內(nèi)的影響因素一般導(dǎo)致管子金屬內(nèi)壁面上的連續(xù)水膜被破壞，出現(xiàn)傳熱惡化，引起管壁工作溫度超過金屬材料的允許溫度。超溫嚴(yán)重時(shí)管子強(qiáng)度下降，承壓能力下降。這時(shí)由于管內(nèi)的工質(zhì)壓力的作用，可導(dǎo)致管子局部“鼓包

11、”、裂口，以致發(fā)生爆管事故。管外的因素則是一般直接導(dǎo)致管子的管壁減薄或金屬管壁超溫，同樣使管子承壓能力下降，引起爆管或泄漏。 （三）蒸發(fā)管內(nèi)的停滯、倒流1.停滯水冷壁是將幾百根管子并聯(lián)組合成多個(gè)獨(dú)立的循環(huán)回路，循環(huán)推動(dòng)力不同：吸熱強(qiáng)度偏差：由于爐膛中溫度場分布不均和不斷變化引起。流量分配偏差：導(dǎo)致每根管子和管屏間的阻力不同。 在管內(nèi)工質(zhì)不流動(dòng)的情況下，汽泡容易聚集在管子的彎頭和焊縫處，由于管子受熱和汽泡合并，可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就會過熱超溫。 水循環(huán)停滯現(xiàn)象主要發(fā)生在受熱弱的管子上。 2.倒流在并聯(lián)工作的水冷壁管子之間，由于受熱不均，上升管之間形成了自然循環(huán)回路。這時(shí)，有的管中

12、工質(zhì)向上流，有的管中工質(zhì)向下流，工質(zhì)向下流的管子就叫“倒流管”。從而倒流現(xiàn)象的定義就是：本來應(yīng)該是工質(zhì)向上流的上升管，變成了工質(zhì)向下流的下降管。 當(dāng)水冷壁受熱不均比較嚴(yán)重時(shí)，受熱最差的管子有時(shí)可能出現(xiàn)停滯，有時(shí)可能出現(xiàn)倒流。所以，同一根管子出現(xiàn)停滯和倒流以及向上流動(dòng)的機(jī)會并不是固定的，而是隨管外吸熱狀態(tài)和管內(nèi)工質(zhì)密度的變化而變化的。 四、影響循環(huán)安全性的主要運(yùn)行因素自然循環(huán)發(fā)生不安全的原因有循環(huán)倍率過低水冷壁管屏受熱偏差管的停滯水冷壁管屏受熱偏差管的自由水位水冷壁管屏受熱偏差管的倒流下降管進(jìn)口汽化或帶汽（1）水冷壁受熱不均或受熱強(qiáng)度過高爐內(nèi)火焰偏斜水冷壁局部結(jié)渣和積灰 受熱很弱的管子容易出現(xiàn)停

13、滯或倒流，受熱很強(qiáng)的管子可能出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，其結(jié)果都是導(dǎo)致管子局部發(fā)生傳熱惡化，管壁溫度升高。（2）下降管帶汽或自汽化下降管入口產(chǎn)生旋渦漏斗時(shí)，旋渦中心將有部分蒸汽被水流抽吸進(jìn)入下降管。防止下降管帶汽的辦法：在下降管入口安裝隔柵外運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意維持正常的汽包水位。水位過低，下降管入口不但容易產(chǎn)生旋渦漏斗，而且下降管入口處的靜壓力降低，容易產(chǎn)生水的自汽化。（3）水冷壁管內(nèi)壁結(jié)垢鍋爐運(yùn)行水質(zhì)不合格，含鹽量超標(biāo)，當(dāng)水在管內(nèi)受熱蒸發(fā)時(shí)，鹽分從水中析出，沉積在管壁上，形成鹽垢。結(jié)垢的管子管壁溫度就升高。這種破壞決不亞于停滯、倒流和膜態(tài)沸騰的影響。水冷壁管內(nèi)結(jié)垢時(shí)，流動(dòng)阻力也隨著增大，容易引起停滯或倒流。

14、（5）變負(fù)荷速度過快或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間過長鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)量減少，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)密度增大，使水冷壁重位壓差減小，循環(huán)回路的運(yùn)動(dòng)壓頭減小，循環(huán)流速就會降低，因而低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的水循環(huán)安全性較差。在快速變負(fù)荷，尤其是在快速降負(fù)荷時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)由于壓力降低，工質(zhì)的自汽化過程加快，循環(huán)安全性大幅降低?？刂谱冐?fù)荷速度是保證水循環(huán)系統(tǒng)安全工作的重要條件之一。 五、提高自然循環(huán)安全性的措施水冷壁平行管存在著熱偏差，個(gè)別管子的循環(huán)流速與循環(huán)倍率不同程度地小于平均情況下的數(shù)值，可能發(fā)生循環(huán)停滯、倒流或傳熱惡化等循環(huán)事故。 1.水冷壁管徑 （二）循環(huán)回路中水冷壁管屏的寬度 一般，爐膛一面墻的水冷壁分成34個(gè)或更

15、多的管屏組成。 （三）下降管和導(dǎo)汽管自然循環(huán)特性的計(jì)算計(jì)算目的：1。新設(shè)計(jì)鍋爐，結(jié)構(gòu)是否合理2。改造鍋爐較大時(shí)3。對運(yùn)行鍋爐水循環(huán)有懷疑時(shí)計(jì)算內(nèi)容：1。各個(gè)回路的平均循環(huán)流速、回路循環(huán)倍率2。鍋爐總循環(huán)倍率3。檢驗(yàn)循環(huán)可靠性范圍：額定負(fù)荷和額定壓力，選擇一個(gè)從受熱均勻性、熱負(fù)荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看工作特點(diǎn)最差的回路。簡單循環(huán)回路和復(fù)雜循環(huán)回路簡單循環(huán)回路：由一根下降管（或一組結(jié)構(gòu)基本相同的下降管）與一個(gè)管屏（或一組結(jié)構(gòu)、位置、流動(dòng)方向和熱負(fù)荷基本相同的管屏）連接而成的回路區(qū)分獨(dú)立循環(huán)回路。具體計(jì)算回路的劃分。受熱最弱或阻力最大、受熱最強(qiáng)的上升管個(gè)別進(jìn)行計(jì)算上升管區(qū)段的劃分1。熱水段要分開計(jì)算，下聯(lián)箱到沸騰點(diǎn)是熱水段，采用單相流動(dòng)計(jì)算公式2。熱后段是否分出，熱后段長度大于上升管總長度10%，要分開進(jìn)行計(jì)算3。含汽段分段。熱負(fù)荷的分配1。根據(jù)爐內(nèi)換熱計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算爐膛總吸熱量減去過熱器在爐膛中的吸熱量，再除以水冷壁的吸熱面積；對流煙道內(nèi)蒸發(fā)受熱面吸熱量采用熱力計(jì)算結(jié)果。2。根據(jù)鍋內(nèi)吸熱量進(jìn)行計(jì)算Qz=D(i ”- i ”sm ) 熱水段高度的計(jì)算進(jìn)入爐膛，開始受熱，但不會馬上沸騰欠焓鍋水欠焓影響鍋水欠焓的因素1。省煤器出口水焓2. 蒸汽和給水、鍋水接觸情況3. 水循環(huán)循環(huán)倍率4. 與分段蒸發(fā)有關(guān)水循環(huán)計(jì)算準(zhǔn)備：1. 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)按圖紙查取2