自然循环原理及计算课件

自然循环和强制循环锅炉NaturalcirculationandForcedcalculationboiler自然循环和强制循环锅炉Naturalcirculation自然循环基本原理定义：闭合的回路中，由工质自身的密度差造成的重位压差推动工质流动的现象。重位压差来源：

下降管不吸热，密度大上升管吸热汽化成汽水混合物，密度小自然循环基本原理定义：闭合的回路中，由工质自身的密度差造成的自然循环回路总压差下降管侧

上升管侧

水在回路中循环流动时：

下降管侧压差Yxj等于上升管侧压差Yss(取向下为正)自然循环回路总压差下降管侧水在回路中循环流动时：

下降管侧自然循环回路总压差

运动压头Syd

下降管与上升管中工质柱重差，维持回路自然循环的动力，用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力自然循环回路总压差运动压头Syd自然循环回路总压差

循环倍率K

循环回路中：水流量G与蒸汽量D之比，即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次

有效压头Syx

在数值上等于下降管的阻力自然循环回路总压差循环倍率K

循环回路中：水流量G与蒸汽影响自然循环的因素自然循环的实质：

重位压差—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由于水冷壁管吸热

使水的密度ρxj改变成为汽水混合物的密度ρhu

并在高度为H的回路中形成了重位压差。影响自然循环的因素自然循环的实质：

重位压差—循环推动力回路高度越高，形成的循环推动力越大。水冷壁管吸热强度越大、密度差越大，形成的循环推动力越大。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工质的压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。影响自然循环的因素回路高度越高，形成的循环推动力越大。影响自然循环的因素汽水两相流的流型泡状流弹状流环状流雾状流汽水两相流的流型泡状流弹状流环状流雾状流汽水两相流的流型泡状流：连续液相中,分散散存在着小汽泡。弹状流：汽泡浓度增大，小汽泡聚合成大汽泡，直径逐渐增大。汽泡直径接近于管子内径时，形成弹状流。汽水两相流的流型泡状流：连续液相中,分散散存在着小汽泡。汽水两相流的流型环状流：汽弹内压力增大，汽泡破裂，液相沿管壁流动，形成一层液膜；汽相在管子中心流动，夹带着小液滴。雾状流：管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量含汽率x=0.8，即蒸汽中仍然夹带着小液滴，形成雾状流。自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制x≤0.4，所以一般不会出现雾状流。汽水两相流的流型环状流：汽弹内压力增大，汽泡破裂，液相沿管壁汽水两相流的流型单相水的流动（A段）：水温↑，未至饱和温度，无蒸汽。过冷气泡状流动（B段）：紧贴管子内壁面的水温↑至饱和并产生汽泡，管子中部水仍欠热，平均水温tg逐渐升高。汽水两相流的流型单相水的流动（A段）：水温↑，未至饱和温度，汽水两相流饱和汽泡状流动（C段）——全部工质至饱和温度，汽泡不再凝结，含汽量从x=0开始逐渐增大。弹状流动（D段）——随着含汽量增大，汽泡聚合成弹状，温度保持饱和温度。汽水两相流饱和汽泡状流动（C段）——全部工质至饱和温度，汽泡汽水两相流环状流动（E段）——含汽量↑，汽弹连接成柱，形成环状流动。环状流动后期，中部汽流增加，流速升高，蒸汽开始携带水滴。雾状流动（F段）——含汽量很大，壁面水膜蒸干，成为蒸汽带水滴雾状流动。温度仍为饱和温度。汽水两相流环状流动（E段）——含汽量↑，汽弹连接成柱，形成汽水两相流环单相汽流动（G段）——该段起始点水滴已全部蒸干，x=1，蒸汽进入过热状态，温度开始上升。随着压力增加，汽弹状流动逐渐消失，到10MPa以上，汽弹状流动已不复存在。随着工质含汽量增加，由汽泡状流动直接转变为汽柱状流动。自然循环锅炉正常工作时，其质量含汽率小于2~20%，处于汽泡状流动工况。汽水两相流环单相汽流动（G段）——该段起始点水滴已全部蒸干，汽水两相流传热-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。蒸发管内小汽泡不断在管子内壁上的汽化核心上产生和离开,锅水及时填补到汽泡脱离的位置而冷却壁面。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。汽水两相流传热-核态沸腾水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸汽水两相流传热恶化沸腾传热恶化分为第一类沸腾传热恶化和第二类沸腾传热恶化两类。第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处），也称作脱核态沸腾

（Departurefromnucleateboiling(DNB)）因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化称为第一类传热恶化，或称膜态沸腾，它是由于热负荷太高造成。此时，管壁温度迅速上升。多数情况下管壁过热而烧坏。开始发生核态沸腾偏离时的热负荷称临界热负荷。汽水两相流传热恶化沸腾传热恶化分为第一类沸腾传热恶化和第二类汽水两相流传热恶化第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处），也称作脱核态沸腾

汽水两相流传热恶化第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处），也称汽水两相流传热恶化第二类沸腾传热恶化(发生在x较高处)：因管壁水膜被“蒸干”导致的沸腾传热恶化称为第二类沸腾传热恶化。原因：汽水混合物中含汽率太高所致。汽水两相流传热恶化第二类沸腾传热恶化(发生在x较高处)：因管传热恶化分析类型x热负荷锅炉类型管壁温度温度波动第一类小大超临界飞升大无第二类大小亚临界上升小有传热恶化分析类型x热负荷锅炉类型管壁温度温度波动第一类小大超特性参数-定义自己学习特性参数(G-总流量:kg/s;D-蒸汽流量:kg/s)质量流速:kg/(m2s)循环流速(上升管入口):m/s折算流速

蒸汽折算流速:m/s

水折算流速:m/s特性参数-定义自己学习特性参数(G-总流量:kg/s;D汽水混合物的容积流量为V＝V＇＋V〃汽水混合物的流速whu入口上面水上面汽特性参数-定义自己学习汽水混合物的容积流量为V＝V＇＋V〃汽水混合物的流速wh汽水混合物的流速whu质量含汽率：汽的质量占汽水混合物的质量比特性参数-定义自己学习汽水混合物的流速whu质量含汽率：汽的质量占汽水混合物的质量容积含汽率：汽的容积占汽水混合物的容积比特性参数-定义自己学习容积含汽率：汽的容积占汽水混合物的容积比特性参数-定义自己学截面含汽率：汽的面积与管子总截面积之比特性参数-定义自己学习截面含汽率：汽的面积与管子总截面积之比特性参数-定义自己学习两相流的密度—流量密度特性参数-定义自己学习两相流的密度—流量密度特性参数-定义自己学习两相流的密度—真实密度特性参数-定义自己学习两相流的密度—真实密度特性参数-定义自己学习流动阻力计算重位压降摩擦压降加速压降工质压降包括：重位、摩擦、加速压降流动阻力计算重位压降摩擦压降加速压降工质压降包括：重位、摩擦流动阻力两相流体流动阻力=

液相水与管壁的摩擦阻力

+

汽相和液相之间的相对速度引起的摩擦阻力。汽液两相流动的阻力>比单相水的流动阻力。两相流体流动阻力计算：

采用单相流体流动阻力计算公式

带入均匀混合的汽水混合物的流速和密度

用修正系数考虑汽液相对速度和流型的影响。流动阻力两相流体流动阻力=

液相水与管壁的摩擦阻力

流动阻力两相流动的摩擦阻力计算公式为——两相流体摩擦阻力修正系数

，由试验确定，＝f(w,x,p)(1)w＝1000kg/(m2·h)国内采用的方法是：＝１

(2)w＜1000kg/(m2·h)(3)w＞1000kg/(m2·h)流动阻力两相流动的摩擦阻力计算公式为——两相流体摩擦阻力修两相流体的重位压降蒸发管中沿管子高度方向上，汽水混合物的密度是不断变化的，两相流体的重位压降的计算，应该根据密度的变化分段计算或采用积分计算方法进行。工程上常采用分段计算

（截面含汽率φ）两相流体的重位压降蒸发管中沿管子高度方向上，汽水混合物的密度两相流体的加速压降工质受热引起动量增加引起的静压降低

——加速压降。两相流体的加速压降工质受热引起动量增加引起的静压降低

水循环可靠性计算-循环倍率循环倍率：上升管循环水量与出口蒸汽量之比。

1kg水全部变成蒸汽在循环回路中循环的次数。

质量含汽率是出口蒸汽量与循环水量之比。1Kx=循环倍率与质量含汽率互为倒数。循环倍率越大，出口的含汽率越低，管壁水膜对管壁的冷却效果越好。水循环可靠性计算-循环倍率循环倍率：上升管循环水量与出口蒸汽水循环可靠性计算-流速特性参数

G-总流量:kg/s;D-蒸汽流量:kg/s)质量流速:kg/(m2s)循环流速(上升管入口):m/s水循环可靠性计算-流速特性参数

G-总流量:kg/s;D水循环可靠性计算-界限含汽率自补偿能力

—热负荷低，产汽量少，循环流速低。

—热负荷高，产汽量多

上升的运动压头增大

流速增加，流动阻力增加

（与流速平方正比）最大循环流速对应的含汽率X

称之为界限含汽率界限含汽率水循环可靠性计算-界限含汽率自补偿能力

—热负荷低，产汽量少水循环可靠性计算-界限含汽率自补偿能力当上升管的含汽率低于界限含汽率时，热负荷增加，循环水量和循环流速都增加若热负荷过大，增加热负荷反而导致循环流速减小。

界限含汽率水循环可靠性计算-界限含汽率自补偿能力界限含汽率水循环可靠性计算-循环倍率循环倍率的推荐范围 保证锅炉具有自补偿性；

不出现传热恶化的最小循环倍率 推荐的循环倍率大于界限值，又不偏离太远

避免循环流速过低

不能足够冷却下部热负荷较大的区域水循环可靠性计算-循环倍率循环倍率的推荐范围循环倍率循环倍率机组容量/主汽压力循环倍率循环倍率机组容量/主汽压力水循环可靠性计算水循环计算：

新设计锅炉、旧有锅炉结构发生大的改动。校验循环系统是否安全可靠。水循环可靠性计算水循环计算：

新设计锅炉、旧有锅炉结构发生大水循环计算：从水冷壁下联箱为起点的整个上升管热前hrq热水hrs含汽hhq热后hrh动压hd阻力hc上升管：水冷壁下联箱到汽包热前段：不受热热水段：静压升高及省煤器出口水不饱和，不立刻沸腾，需吸热达到饱和温度，上升管内单相水。含汽段：含汽段是上升管的主要区段。管内汽水混合物密度大小变化较大，应根据吸热强度或管子直径、管子倾斜度将含汽段分成若干段分别计算。热后段：不吸热，管内汽水混合物的密度不变。动压段：上联箱到汽包水位，产生运动压头。阻力损失段：汽包水位上的部分。水循环计算：从水冷壁下联箱为起点的整个上升管热前hrq热水h两种水循环计算方法：压差法、压头法我国《电站锅炉水动力计算方法》热水段：静压升高及省煤器出口水不饱和，不立刻沸腾，需吸热达到饱和温度，上升管内单相水。含汽段：含汽段是上升管的主要区段。管内汽水混合物密度大小变化较大，应根据吸热强度或管子直径、管子倾斜度将含汽段分成若干段分别计算。热后段：不吸热，管内汽水混合物的密度不变。动压段：上联箱到汽包水位，产生运动压头。阻力损失段：汽包水位上的部分。两种水循环计算方法：压差法、压头法我国《电站锅炉水动力计算方两种水循环计算方法：压差法上升管和下降管的总压差：

两种水循环计算方法：压差法上升管和下降管的总压差：

两种水循环计算方法：压差法上升管总压差=下降管的总压差，即压差法的基本方程。

两种水循环计算方法：压差法上升管总压差=下降管的总压差，即压两种水循环计算方法：压差法下降管的阻力：两种水循环计算方法：压差法下降管的阻力：两种水循环计算方法：压差法下降管的阻力：K：粗糙度

碳钢和珠光体合金钢取0.06mm，

奥氏体合金钢取0.008mm。两种水循环计算方法：压差法下降管的阻力：K：粗糙度

两种水循环计算方法：压差法上升管的重位压降：φ：截面含汽率两种水循环计算方法：压差法上升管的重位压降：φ：截面含汽率两种水循环计算方法：压差法上升管的流动阻力：ψ：摩擦阻力校正系数两种水循环计算方法：压差法上升管的流动阻力：ψ：摩擦阻力校正两种水循环计算方法：压差法上升管的分离器阻力：两种水循环计算方法：压差法上升管的分离器阻力：两种水循环计算方法：压差法上升管的加速压降：两种水循环计算方法：压差法上升管的加速压降：两种水循环计算方法：压差法水循环的求解：试算法和图解法。试算法：计算机的发展为试算法带来巨大方便

假定一个初始循环流速；

计算下降管的总压差；计算上升管的总压差；下降管总压差与上升管总压差对比，通过二者的差值修正初始循环流速，重新计算，直到误差满足要求。两种水循环计算方法：压差法水循环的求解：试算法和图解法。两种水循环计算方法：压差法水循环的求解：试算法和图解法。图解法

给定三个不同的循环流速w01、w02、w03分别计算三个对应的下降管总压降:上升管总压降：两种水循环计算方法：压差法水循环的求解：试算法和图解法。下降两种水循环计算方法：压差法上升管的总压降曲线与下降管的总压降曲线的交点就是循环回路的循环流速w0。两种水循环计算方法：压差法上升管的总压降曲线与下降管的总压降自然循环常见故障及提高安全性措施循环流速的计算：以许多并联管的平均值为基础。

实际运行过程中，不同并联管之间的工作条件存在一定差别，甚至较大差别。

可能破坏水循环的正常运行。自然循环常见故障及提高安全性措施循环流速的计算：以许多并联管自然循环常见故障水循环故障：因为水循环不正常导致炉管损坏的现象，主要包括：

循环停滞

循环倒流

出现自由水面

汽水分层自然循环常见故障水循环故障：因为水循环不正常导致炉管损坏的现自然循环常见故障循环停滞

并联管中，受热弱的管子产汽量少，循环流速低。当低到进入管中的循环水量等于产汽量时，称为循环停滞。

由于水的流速低，产生的气泡会发生局部聚集，此处的管壁不能得到足够的冷却发生失效。自然循环常见故障循环停滞

自然循环常见故障循环倒流

并联管中，受热弱的管子的重位压降大于大于回路的工作压差。此时，该受热弱的管子内部工质水由上向下流动。该上升管变成了下降管。

如果不受热，管内工质的密度与下降管的密度相同，必定成为下降管。

如果下流的速度高，带动汽泡下流，能够足够冷却水冷壁，

如果下流速度小，汽泡不下流而停滞，水冷壁得不到足够冷却而失效。自然循环常见故障循环倒流

并联管中，受热弱的管子的重位压降自然循环常见故障汽水分层：汽水混合物在水平或微倾斜管内流动时，如果流速过低，汽水混合物不能充分混合，由于二者密度差导致分层，水在下部流动、汽在上部流动的现象。

发生汽水分层时，汽侧管壁温度明显高于水侧温度。可能造成汽侧管壁超温失效。

由于波动汽水分界面处管壁温度交替变化会产生交变应力。

自然循环常见故障汽水分层：汽水混合物在水平或微倾斜管内流动时自然循环常见故障下降管含汽

下降管受热产生蒸汽

下降管入口自汽化

汽进入到下降管

锅炉压力突降锅水自汽化

自然循环常见故障下降管含汽

下降管受热产生蒸汽

下降管入自然循环常见故障下降管含汽的危害

下降管内的比容增加，下降流动阻力增加；

下降管内的工质密度降低，克服上升管的流动阻力减小；

下降管内的汽进入下联箱后，水冷壁并联管流量分配不均，加剧热偏差。

上述不利因素都可能导致水冷壁管得不到足够冷却而失效。自然循环常见故障下降管含汽的危害

下降管内的比容增加，下降自然循环常见故障下降管入口锅水自汽化PΔPzw为避免汽进入下降管，必须保证汽包一定高的的水位自然循环常见故障下降管入口锅水自汽化PΔPzw为避免汽进入下自然循环常见故障大型自然循环锅炉水循环安全问题

集中下降管+较高的循环回路+上升管出口较高的含汽率，水冷壁管的流速足够高，循环停滞和循环倒流的可能性很小。

主要是传热恶化问题自然循环常见故障大型自然循环锅炉水循环安全问题

集中下降管+自然循环常见