超临界锅炉的水动力特性

超临界锅炉的水动力特性第一节锅炉受热面的管壁温度

一、管壁温度计算二、超临界压力锅炉水冷壁壁温

在亚临界锅炉水冷壁，工质的温度tgz是相应压力下的饱和温度，在压力不变时是不变的，此时各管内工质温度的偏差Δtgz=0。对于一定材料、壁厚和管径的炉管，壁厚、材料导热系数、炉管外内径之比不变，此时各水冷壁炉管管壁温度取决于热负荷和管内对流换热系数的大小，由于无传热恶化时管内对流换热系数很高，虽然炉膛内热负荷很高，炉管壁温并不高。根据在亚临界压力锅炉上的试验测量，该量值最大一般在30℃以下，不会由于并列炉管壁温差过大。

对于超临界压力以上压力运行的超临界锅炉水冷壁，工质温度没有对应压力下饱和温度的限制，水冷壁中工质的温度随着吸热量的增加不断上升，管壁计算公式中工质的温度tgz是变化的，它与热负荷和工质流量有关，热负荷越大，工质流量越小的炉管内工质的温度tgz越高，并且由于各管热负荷和工质流量有偏差，造成各管工质温度有偏差，即所谓的热偏差Δtgz不为零。直流锅炉水冷壁工质一次通过所有受热面，也就是说，工质要经过所谓“蒸干”传热恶化的过程，此时，管内对流换热系数大大下降，相同负荷下，由于热负荷造成的管壁温度增量大大上升。

壁管壁温度取决于工质平均温度tgz单管工质温度偏差Δtgz、热负荷和管内对流换热系数，特别是管内对流换热系数的影响很大，所以，超临界锅炉水冷壁管壁温度相对于亚临界压力以下的循环锅炉而言，其壁温高很多，而且由于热偏差和传热恶化的影响，并列水冷壁各管的壁温可以相差很大。因为水冷壁管是焊接在一起的，各管热膨胀受到相邻炉管的约束，过大的壁温差将造成过大的热应力，导致炉管失效。

三、传热恶化时水冷壁壁温的影响因素1．质量流速提高管内工质的质量流速，可以有效降低发生传热恶化时管壁温度上升的幅度，同时使此时的发生传热恶化的界限含汽率也有所增加。2．热负荷受热面的热负荷越高，则发生传热恶化后所出现的壁温上升的幅度越大，同时开始传热恶化点和壁温峰值点都向含汽率较小的方向移动。3．含汽率如传热恶化推迟到较高含汽率时发生，因为蒸汽量较大，流速较高，换热系数较高，发生传热恶化时管壁温度的上升幅度稍有降低。4．压力压力越高，汽水密度差越小，传热恶化造成的壁温上升幅度越小。有试验表明，在一定条件下，压力由14MPa增加到19MPa，发生传热恶化时管壁温度的上升幅度约降低4.5倍。第二节直流锅炉的水动力不稳定性一、超临界压力汽水的特性

在相变点附近温度稍有变化时对应的比热变化很大，且都有一个最大比热区，不过随着压力的提高在最大比热区比热的变化稍有减缓。由图6-2还可知：超临界压力水的比热随着温度的提高而增加，而蒸汽的比热随着温度的提高而减小。对于超临界压力。焓是压力（P）和温度（t）的函数。临界压力及超临界压力在相变点附近，同样当温度稍有变化时，焓值变化很大，但是超过一定压力以后，焓值变化减缓。超临界压力水蒸汽在相交点附近除了工质的比容、比热、焓有明显变化之外，工质的动力粘度，导热系数入均有显著降低，而普郎特数Pr明显增大。随着温度不断升高，动力粘度和导热系数先是下降，而后略有上升、而普郎特数当达到最大值后，随着温度而降低。

二、汽水两相流三、直流锅炉水动力特性的不稳定性

如果将管圈简化成进人管圈的是未饱和的水（即欠热水），加热段长Ｌ，其中预热段为Ｌrs，增加入口工质流量，因管子总长度不变，所以蒸发段（Ｌ-Ｌrs）将减少，蒸汽产量也相应减少。这样就使管圈中汽水混合物的平均比容减少，流动阻力减少。由此可见，在流量G上升的同时，工质平均比容减少，所以压力降（即流动阻力）要看G的增加和比容的减小，两者哪个影响大而定。在图6-4曲线2的o-a段中，工质流量很小，在一定的热负荷下，管圈出口是干饱和蒸汽，甚至是过热蒸汽，流量增加对管圈产汽量影响不大，所以平均比容变化不大。这时管圈的压力降随着流量G的增加而增加。

b-c段，当进入管圈的流量G进一步增加时，由于进入管圈的是欠焓水，而炉内热负荷保持不变，出口仍是饱和蒸汽，干度减少不多，所以工质平均比容减少不多，加热段和蒸发段的流动阻力随着流量G的上升而上升。但是压降梯度减小了。

c-d段，当进入管圈的流量G进一步增加，在一定的热负荷条件下，蒸发点将后移，使蒸发区段缩小，工质平均温度大大下降，工质平均比容急剧下降。因此，虽然加热段阻力随流量上升而增加，然而蒸发段阻力大大下降，管圈总阻力反而下降。

e-f段在e点之后，管圈出口几乎全部是水，因此流量的增加，对比容已无多大的影响，管圈的总压降随着流量增力而增加。由上述分析可知，直流锅炉蒸发受热面出现不稳定流动的根本原因是水汽和水的比容差异（或者说是重度差）。在—定的条件下实际运行的直流锅炉蒸发受热面就会发生这种不稳定的情况。

从影响水动力稳定性的因素可以知道。提高流动稳定性的措施：（1）提高蒸发受热面的压力。当压力上升汽水比容差减少。当压力达到临界值时，汽水容差为零。此时压降与流量成单值关系。正如前面已经指出过的那样既使超临界压力直流锅炉，由于在相变区，工质性质有一些特殊的变化。仍存在流动稳定性问题，尤其是在在启动和低负荷运行时。所以单纯的提高工质的工作压力，不能完全消除水动力的多值性，还必须辅以其他措施。（2）减少蒸发受热面（水冷壁）入口欠焓。减小入口欠焓，有利于水动力的稳定。在实际设计锅炉时。为了确保安全在上述不等式中再加上—个安全系数a（与压力有关）。减少入口欠焓意味着提高给水温度，但给水温度的提高是受到设计和运行条件限制的如入口欠焓接近于零（即离饱和温度太近）时若运行工况稍有变化，水冷壁入口就汽化，反而会造成流量分配不均匀，而产生过大的热偏差。

（3）水冷壁人口处装节流圈（或者节流伐）。由于节流圈或节流阀要求装在水冷壁的进口，所以通过这些节流件的工质始终是单相的水。阻力降与流量成平方关系。（4）水冷壁采用分级管径。所谓分级管径就是水冷壁的加热段和蒸发段采用了不同的管子直径。（5）提高水冷壁入口的质量流速。提高水冷壁人口的质量流速，实际上相当于增加流量G。当然，在一定的条件下提高质量流速有各种方法。在单向服流动阻力与(ρω)2成正比，所以升高

阻力也升高。在双相区段正如前面已经指出过

阻力取决G与比容，如果升高的影响大于比容的减少，阻力将随增加而增加，使总阻力始终随增加而增加，从而得到稳定的水动力特性，但是的提高与水冷壁的结构式和允许压降等有关。超临界压力直流锅炉由于其相变区的汽水特性，在一定的条件下仍可能出现多值，为了保证有足够陡度的水动力特性曲线，启动时最低质量流速＞600~700kg／(m2·s)。

第三节直流锅炉蒸发受热面中流体的脉动脉动是直流锅炉蒸发受热面中另一种形式的不稳定流动现象，在两端管屏两端压差相同，当给水量和流出量总量基本不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周期性波动，这种现象称为管间脉动。脉动现象是一种不稳定的水动力特性。因为随着时间而变化，因此称为动态不稳定性。而多值性不随时间而变化，因此称为静态不稳定性。脉动有三种：全炉整体脉动、屏间（屏带或管屏）脉动和管间脉动。

管间脉动。（1）在蒸发管进出口集箱内压力基本不变的情况下，管屏间管子中有些流量增加，另一些流量减少。（2）同一根管子，给水量随时间作周期性波动，蒸发量也随时间作周期性波动，它们的波动相位差为180°。且给水量波幅比蒸汽波幅大。（3）脉动是不衰减的。（4）对于垂直上升管屏，也有管间脉动现象发生，由于热水段高度的周期性波动，重位压差也作周期性波动，并与流量的波动相差一个相位，且对脉动更敏感，更加严重。脉动过程中，整个管组的总给水量和总蒸发量并无变化。但对某一根管子而言。进口水量和加热段阻力以及出口汽流量和蒸发段阻力的波动是反向的，波动经一次扰动后，便能自动持续地以不变的频率振动。一旦发生这种管间脉动时；管壁水膜周期性地被撕破，相变点附近的金属壁温波动很大，严重时甚至达到150℃。在脉动时，并联各管会出现很大的热偏差，当超过容许的热偏差值时。也将使管子超温过热而损坏。

管屏脉动。脉动在一个管屏与另一个管屏之间发生。整体脉动。整体脉动是指整个锅炉或个别部件受热面中工质流量的波动。这种脉动在燃煤量、给水量、蒸发量急剧波动时，以及给水泵——给水管道——给水调节系统不稳定时可能发生，当这些扰动消除后即消失。关于脉动现象，进行了大量的试验研究和理论分析工作，至今还未完全清楚其机理。下面介绍一个比较合理的说法。脉动现象是当流量G大时，蒸发量D小；流量G小时，蒸发量D大。据此可以做出这样的判断：在管子中间某一点一定存在着一个压力波。当某点压力高时，进水端压差下降，流量G减少；当大大增加时，可能引起水倒流，出口端压差增加，蒸发量D增大。当某点压力下降时，进水端压差增加，流量G增加；出口端压差减小，D减小。脉动的不衰减性表明：压力波是不衰减的。

与水动力多值性一样，影响脉动的重要因素有工质压力、热负荷、管圈人口欠焓、质量流速等。防