鍋爐原理第9章

第九章自然循環(huán)原理第一節(jié)自然循環(huán)原理一

自然循環(huán)原理

定義：在一個(gè)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(dòng)工質(zhì)流動(dòng)的現(xiàn)象。

自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)回路是由鍋筒、下降管、分配水管、水冷壁下聯(lián)箱、水冷壁管、水冷壁上聯(lián)箱、汽水混合物引出管、汽水分離器組成的，如圖所示；重位壓差是由下降管和上升管(水冷壁管)內(nèi)工質(zhì)密度不同造成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收爐膛內(nèi)火焰的輻射熱量后，進(jìn)行蒸發(fā)，形成汽水混合物，使工質(zhì)密度降低形成的。

靜止?fàn)顟B(tài)：A-A左側(cè)

A-A右側(cè)

水在回路中循環(huán)流動(dòng)時(shí)：上式左側(cè)為循環(huán)推動(dòng)力，即運(yùn)動(dòng)壓頭，右側(cè)為循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)阻力自然循環(huán)的實(shí)質(zhì)：由重位壓差造成的循環(huán)推動(dòng)力克服上升系統(tǒng)和下降系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，推動(dòng)工質(zhì)在循環(huán)回路中流動(dòng)。即由于水冷壁管吸熱，使下降管中水的密度xj改變成為上升管中汽水混合物的密度ss，并在高度為h的回路中形成了重位壓差?；芈犯叨仍礁?，且工質(zhì)密度差越大，形成的循環(huán)推動(dòng)力越大。工質(zhì)密度差不僅與壓力有關(guān)，而且與水冷壁管吸熱強(qiáng)度有關(guān)。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(dòng)速度越高；而壓力越高，汽、水的密度差降低，工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)速度越低。

一汽液兩相流的流型第二節(jié)汽液兩相流型及傳熱核態(tài)沸騰：水冷壁管受熱時(shí)，在管子內(nèi)壁面上開始蒸發(fā)，形成許多小汽泡。如果此時(shí)管外的熱負(fù)荷不大，小汽泡可以及時(shí)地被管子中心水流帶走，并受到“趨中效應(yīng)”的作用力，向管子中心轉(zhuǎn)移，而管中心的水不斷地向壁面補(bǔ)充。膜態(tài)沸騰（偏離核態(tài)沸騰DNB）：如果管外的熱負(fù)荷很高，汽泡生成的速度大于汽泡脫離壁面的速度，汽泡就會(huì)在管子內(nèi)壁面上聚集起來，形成蒸汽膜，將管子中心的水與管壁隔開，使管子壁面得不到水膜的直接冷卻，導(dǎo)致管壁超溫。也稱為第一類傳熱惡化。過渡沸騰：由核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰開始轉(zhuǎn)變的過程膜態(tài)沸騰有可能發(fā)生在環(huán)狀流動(dòng)階段，當(dāng)熱負(fù)荷進(jìn)一步提高時(shí)，也可能發(fā)生在泡狀流動(dòng)階段，特別是可能發(fā)生在過冷沸騰階段。二蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱膜態(tài)沸騰一般發(fā)生在亞臨界參數(shù)鍋爐水冷壁管內(nèi)。這是因?yàn)樗钠瘽摕犭S著壓力提高而大幅度減小，使得亞臨界參數(shù)下在水冷壁管內(nèi)壁面附近流體邊界層中的水更容易汽化，即容易形成更多的汽化核心，因而產(chǎn)生膜態(tài)沸騰的機(jī)會(huì)相應(yīng)增加。膜態(tài)沸騰的產(chǎn)生取決于水冷壁管外的熱負(fù)荷、管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量含汽率、管內(nèi)的質(zhì)量流速、工質(zhì)壓力、管徑等多種因素。但主要取決于水冷壁的熱負(fù)荷與質(zhì)量含汽率。運(yùn)行和試驗(yàn)證明，盡管亞臨界參數(shù)鍋爐水冷壁管出口汽水混合物的質(zhì)量含汽率一般只達(dá)到0.3~0.4，但發(fā)生傳熱惡化的可能性較大。采用內(nèi)螺紋管水冷壁可抑制膜態(tài)沸騰內(nèi)螺紋管抑制傳熱惡化的作用鰭片光管：x=0.3，壁溫開始飛升x=0.6，壁溫達(dá)到第一個(gè)高峰點(diǎn)，此后壁溫略有下降，x=0.8，出現(xiàn)蒸干,管壁溫度再次出現(xiàn)飛升。內(nèi)螺紋管：x=0.8，壁溫才開始飛升。說明內(nèi)螺紋管具有顯著的抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。第二類傳熱惡化：“蒸干”管內(nèi)含汽率x達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，貼壁水膜被被中心汽流撕破或蒸干，管壁得不到水的冷卻，放熱系數(shù)明顯下降，導(dǎo)致傳熱惡化。在自然循環(huán)鍋爐的水冷壁中，正常運(yùn)行狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)“蒸干”導(dǎo)致的傳熱惡化。在非正常運(yùn)行狀態(tài)下一旦出現(xiàn)第二類傳熱惡化，雖然開始時(shí)壁溫并不太高，但含鹽量較高的爐水水滴潤(rùn)濕管壁時(shí)，鹽分沉積在管壁上，也會(huì)造成傳熱惡化。亞臨界壓力的自然循環(huán)鍋爐，其水冷壁內(nèi)工質(zhì)的實(shí)際含汽率很接近其臨界含汽率，故有可能發(fā)生第二類傳熱惡化。直流鍋爐一定會(huì)出現(xiàn)第二類傳熱惡化。質(zhì)量流速ρw

：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量稱為質(zhì)量流速第四節(jié)自然循環(huán)可靠性指標(biāo)循環(huán)流速w0:在飽和水狀態(tài)下進(jìn)入上升管入口的水的流速。質(zhì)量含汽率x:上升管中蒸汽所占循環(huán)流量的份額,或汽水混合物中蒸汽所占的份額。

循環(huán)倍率Ｋ:循環(huán)回路中，進(jìn)入上升管的循環(huán)水量G與上升管出口蒸汽量D之比，稱為循環(huán)倍率，其意義就是上升管中實(shí)際產(chǎn)生一公斤蒸汽需要進(jìn)入多少公斤水循環(huán)倍率K越大，含汽率x愈小，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，對(duì)管壁冷卻作用較好。所以，經(jīng)常用循環(huán)倍率來評(píng)定鍋爐水循環(huán)是否安全。但是K值過大，上升管產(chǎn)汽量太少，上升管內(nèi)工質(zhì)的平均密度增大，循環(huán)回路的運(yùn)動(dòng)壓頭減小，將使循環(huán)流速降低，對(duì)水循環(huán)安全也不利。在一定上升管含汽率范圍內(nèi)，自然循環(huán)回路中上升管受熱增強(qiáng)時(shí)，循環(huán)水量和循環(huán)流速也隨之增大（循環(huán)推動(dòng)力增大），這種循環(huán)特性稱自補(bǔ)償能力；但熱負(fù)荷太大時(shí)，含汽率超過一定值，由于流動(dòng)阻力的快速增加使循環(huán)水流速反而減小，則會(huì)失去自補(bǔ)償能力。最大循環(huán)流速對(duì)應(yīng)的循環(huán)倍率稱為界限循環(huán)倍率。為了保證自然循環(huán)回路的工作安全，鍋爐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。界限循環(huán)倍率和循環(huán)倍率的推薦值汽包壓力（MPa）2～34～610～1214～1617～19蒸發(fā)量（t/h)20～20035～240160～420185～670≥800循環(huán)倍率推薦值K燃煤45～6515～258～155～84～6燃油12～207～124～63.5～5界限循環(huán)倍率Kjx10532.5一水循環(huán)常見故障1.循環(huán)停滯水冷壁分成幾個(gè)以至幾十個(gè)獨(dú)立的水循環(huán)回路。爐膛中溫度場(chǎng)分布不均；上升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)偏差和流量分配偏差；雖然管屏進(jìn)出口聯(lián)箱的壓差是相同的，但每根管子的流動(dòng)速度可能不同。受熱弱的管子中，工質(zhì)密度大，當(dāng)這根管子的重位壓頭接近于管屏的壓差時(shí)，管屏的壓差只能托住液柱，而不能推動(dòng)液柱的運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，管內(nèi)就出現(xiàn)了流體的停滯現(xiàn)象。

第五節(jié)自然循環(huán)常見故障及提高安全性措施停滯現(xiàn)象：循環(huán)流速w0→0，但w0

≠0；即循環(huán)流量G=D，但G≠0，停滯管的流動(dòng)阻力ptz→0。后果：汽泡聚集彎頭和焊縫處，并可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就會(huì)過熱超溫。當(dāng)存在自由水面時(shí)，管子上半部是汽，下半部是水，管子上部就會(huì)過熱超溫。自由水面：進(jìn)入上升管的循環(huán)流量微小，以至在管子微弱吸熱后被蒸發(fā)成汽泡。后果：當(dāng)自由水面的位置波動(dòng)時(shí)，還會(huì)引起管子的疲勞應(yīng)力

水循環(huán)停滯導(dǎo)致水冷壁管傳熱惡化，主要發(fā)生在受熱弱的管子上。由于受熱不均，有的管中工質(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”。在倒流管中，水向下運(yùn)動(dòng)，而汽泡由于受到浮力向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)沽魉俣容^慢且等于汽泡向上運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)，向下流的水帶不走汽泡，造成汽泡不上不下的狀態(tài)，引起汽塞，發(fā)生傳熱惡化，以至使管子出現(xiàn)局部過熱超溫。當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)倒流速度很快時(shí)，管子仍能得到良好冷卻，不出現(xiàn)局部超溫。當(dāng)汽水混合物引出管從汽包汽空間引入時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)倒流。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(huì)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。2.倒流

3.汽水分層當(dāng)汽水混合物在水平或微傾斜管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，出于汽、水密度不同，水在管子下部流動(dòng)，汽在管子上部流動(dòng)，形成明顯的分界面，這種現(xiàn)象稱為汽水分層。當(dāng)汽水混合物流速較高時(shí)，擾動(dòng)劇烈，汽水混合較好，管子能得到良好的冷卻。若汽水混合物流速過低，出現(xiàn)汽水分層時(shí)，管壁上部溫度明顯高于下部溫度，造成上部管壁超溫。同時(shí)，上下管壁溫差將形成溫差熱應(yīng)力。另外，隨著水面波動(dòng)，在汽水分界面附近，溫度交替變化還會(huì)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。防止汽水分層的措施是盡可能避免布置水平或傾角小于150的沸騰管。如在結(jié)構(gòu)上不可避免時(shí)，要盡可能提高管內(nèi)汽水混合物的流速。4下降管帶汽當(dāng)下降管含有蒸汽時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)平均密度減小，運(yùn)動(dòng)壓頭減小，而工質(zhì)的體積流量將增大，使下降管的流動(dòng)阻力增加。循環(huán)流速和循環(huán)倍率降低，使得受熱弱的上升管更容易發(fā)生循環(huán)停滯等故障。如果下降管中的蒸汽被帶入水冷壁管，還會(huì)使水冷壁并列管流量分配不均，加劇并列管間的熱偏差。下降管含汽的原因：下降管受熱產(chǎn)生蒸汽；水在下降管入口汽化；水進(jìn)入下降管時(shí)帶汽；由于鍋爐壓力突然下降引起鍋水自汽化。二影響水冷壁安全運(yùn)行的主要因素水質(zhì)不良導(dǎo)致的水冷壁管內(nèi)結(jié)垢與腐蝕，水冷壁受熱偏差或管內(nèi)流動(dòng)阻力的影響，導(dǎo)致個(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；鍋筒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”；燃燒產(chǎn)生的腐蝕性氣體對(duì)金屬管子外壁面的高溫腐蝕；結(jié)渣和積灰導(dǎo)致的對(duì)金屬管壁的侵蝕；煤粉氣流或含灰氣流對(duì)金屬管壁的磨損。

1.水冷壁受熱不均或受熱強(qiáng)度過高鍋爐運(yùn)行中，爐內(nèi)火焰偏斜、水冷壁局部結(jié)渣和積灰是造成水冷壁吸熱不均的主要原因。受熱很弱的管子容易出現(xiàn)停滯或倒流，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。

下將管入口產(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。進(jìn)入下降管的實(shí)際水流量減少，即循環(huán)流量降低；由于下降管內(nèi)出現(xiàn)汽水兩相流動(dòng)，工質(zhì)密度減小，使下降管側(cè)的重位壓差降低，且流動(dòng)阻力也相應(yīng)增大。導(dǎo)致水循環(huán)安全裕度下降，即產(chǎn)生停滯、倒流的可能性增大。防止下降管帶汽的辦法：在下將管入口安裝隔柵；運(yùn)行時(shí)注意維持正常的鍋筒水位。水位過低，下降管入口不但容易產(chǎn)生旋渦漏斗，而且使下降管入口處的靜壓力降低，容易產(chǎn)生水的自汽化。

2.下降管帶汽或自汽化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，管子金屬內(nèi)壁面上無水膜冷卻，而管外吸收高溫火焰的熱量不能被水流及時(shí)帶走，管壁溫度就會(huì)升高。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。

4上升系統(tǒng)的流動(dòng)阻力影響上升系統(tǒng)流動(dòng)阻力的因素很多。如分配水管、水冷壁、汽水導(dǎo)管的管徑和水冷壁流通截面的比值、管子彎頭數(shù)量、汽水分離器的結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)、循環(huán)流速、鍋爐負(fù)荷等。5變負(fù)荷速度過快或低負(fù)荷運(yùn)行鍋爐低負(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，使水冷壁重位壓差增大，循環(huán)回路的運(yùn)動(dòng)壓頭減小，循環(huán)流速就會(huì)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，由于鍋筒水室內(nèi)水的自汽化和下降管內(nèi)水的自汽化，使循環(huán)流量和運(yùn)動(dòng)壓頭同時(shí)減小，循環(huán)安全性大幅度降低。控制變負(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。

為保證水冷壁的安全運(yùn)行，首要條件是必須保證任何一根水冷壁管子內(nèi)壁面上都有連續(xù)的水膜足以冷卻管子，以保證其在任何工況下都不會(huì)超溫。從鍋爐設(shè)計(jì)制造和鍋爐運(yùn)行考慮，都必須針對(duì)影響水冷壁安全性的因素，采取相應(yīng)的技