自然循环的常见问题

第九章

自然循环原理及计算

§1、锅炉水动力学基础

汽水混合物的流型与传热

两相流体的基本参数

§2、自然循环锅炉的水循环及计算

自然循环的基本概念

简单循环回路水循环计算

自然循环故障及其可靠性校验2/1/20231PrinciplesofBoiler§1锅炉水动力学基础1、两相流体的流动结构2、水冷壁管内传热3、两相流体的速度4、两相流体的含汽率5、两相流体的密度2/1/20232PrinciplesofBoiler自然循环2/1/20233PrinciplesofBoiler

弹状结构含汽率x增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻力较小的汽弹1/41、两相流体的流动结构

泡状结构当汽水混合物中含汽率x较小时，蒸汽呈细小的汽泡，主要在管子中心部分向上运动

汽水混合物在垂直管中作上升运动

汽、液两相数量，即质量含汽率x不断变化；汽、液两相间存在相对运动；产生汽泡趋中效应2/1/20234PrinciplesofBoiler

雾状结构当含汽率x再增大时，管壁上水膜变薄，汽流将水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被带走，汽与水形成雾状混合物，称为雾状或液雾结构两相流体的流动结构

柱状结构

含汽率x继续增大，弹状汽泡汇合成汽柱并沿着管子中心流动，而水则成环状沿着管壁流动，形成汽柱状或称水膜环状流动结构2/42/1/20235PrinciplesofBoiler两相流体的流动结构

汽水混合物在水平管中流动

在浮力与重力作用下，管子上部蒸汽多。当流速小到一定程度时，形成汽、水分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽水波动，产生疲劳损坏。

3/4

汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角愈小，汽水分层愈易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，以防止发生分层流动。2/1/20236PrinciplesofBoiler

水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾和沸腾传热恶化两种工况

2、水冷壁管内传热

核态沸腾

汽泡强烈扰动，传热性能良好，管内壁温度接近于水的饱和温度，得到良好的冷却

沸腾传热恶化

第一类传热恶化（膜态沸腾）

热负荷很高，管内壁汽化核心急剧增加，形成连续的汽膜，对流放热系数α2急剧下降，管壁得不到液体冷却超温破坏。特性参数为临界热负荷

第二类传热恶化（蒸干）

热负荷比前者低、但含汽率很高时（出现液雾状），汽流将水膜撕破或因蒸发使水膜部分或全部消失，管壁直接与蒸汽接触而得不到液体的足够冷却，对流放热系数α2急剧下降，金属壁温tb

急剧增加，特性参数是工质的临界含汽率。4/42/1/20237PrinciplesofBoiler3、两相流体的速度

质量流速单位时间流经单位流通截面的工质质量

循环流速w0

上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速式中：G为工质的质量流量；为容积流量1/42/1/20238PrinciplesofBoiler两相流体的速度

折算速度假定蒸汽或水容积占据管子全部截面时的速度

D为蒸汽质量流量

混合物速度

真实速度2/42/1/20239PrinciplesofBoiler4、两相流体的含汽率3/4

容积含汽率

蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比

质量含汽率X

汽水混合物中蒸汽的质量流量与汽水混合物总质量流量之比

截面含汽率φ

蒸汽所占截面与管子总截面之比上升流动C<1,φ<β；下降流动C>1,φ>β2/1/202310PrinciplesofBoiler4/45、两相流体的密度G、Di→Xi→βi→φi→ρi→hρig（重位压头）

混合物密度ρh

真实密度ρzs2/1/202311PrinciplesofBoiler§2自然循环锅炉的水循环及计算1、自然循环的基本概念2、简单回路水循环计算3、自然循环故障及安全性检查2/1/202312PrinciplesofBoiler自然循环2/1/202313PrinciplesofBoiler

简单循环回路压差平衡式(取向下为正)

自然循环的工作原理下降管中水与上升管中汽水混合物间的重位压头差使水在回路中产生环形流动，水循环1、自然循环的基本概念1/2式中H、Hi―下降管的高度（即循环回路的高度）及上升管各区段的高度，m；

―下降管中工质及上升管各区段工质的平均密度，kg/m3；

Pxj、Ps―下降管及上升管流动阻力损失，Pa2/1/202314PrinciplesofBoiler自然循环的基本概念

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2/2

循环倍率K循环回路中水流量G与回路中产生的蒸汽量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2/1/202315PrinciplesofBoiler2、简单回路水循环计算1/10

自然循环锅炉水循环计算的目的

确定各回路平均循环流速w0、工质流量G；循环倍率Kh

确定锅炉总的循环倍率Kg

检验水循环的可靠性

压差法水循环计算2/1/202316PrinciplesofBoiler

上升管受热,含汽率X不断增加，分区段进行计算，把结构、受热相近的划为一段。A是上升管开始沸腾点

热水段Hrs从下联箱到A点是热水段，其中Hrq为热前段。采用单相流动计算公式上升管进入炉膛（B点），水具有一定欠焓，开始沸腾点A的位置需计算确定

含汽段Hq

热水段以外的上升管管段均为含汽段，采用两相流体公式进行计算2/10上升管区段的划分2/1/202317PrinciplesofBoiler上升管区段的划分

导汽管不受热，含汽率不变对引入汽包汽空间的导汽管，导汽管最高点到超过水位那一段高度为提升段高度Hcq，应与导汽管分开计算

热后段Hrh

上升管离开炉膛到上联箱间管段，该管段不受热，若>10％上升管总长，则分开单独计算

当热负荷、管径或管倾斜角度变化较大、水冷壁敷设卫燃带时含汽段应再分段3/102/1/202318PrinciplesofBoiler上升管进入炉膛处（B点）

工质欠焓式中为饱和水的焓值随压力增大而增大的梯度kJ/（kg·Pa）

B点工质欠焓不考虑下降管受热和带汽4/10

开始加热点B工质欠焓△hB

锅水欠焓式中、分别为饱和水焓和锅水焓；

为省煤器出口水焓2/1/202319PrinciplesofBoiler上升管进入炉膛处（B点）

工质欠焓

B点工质欠焓△hB

静压变化p

式中：Δpxj、Δprq—

分别为下降系统及热前段流动阻力，Pa；

p1、p2—

分别为汽包压力及炉膛入口B处压力，Pa5/102/1/202320PrinciplesofBoiler热水段高度Hrs的计算

ΔH段工质因压力减少而引起饱和水焓的减少量

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ΔH段高度开始沸腾点A工质欠焓△hA为零在不考虑下降管受热和带汽的情况下

H1为受热一段高度；Q1、G分别为受热一段吸热量和工质流量

ΔH段工质吸热引起的焓增2/1/202321PrinciplesofBoiler热水段高度Hrs的计算

热水段高度Hrs

ΔH段高度7/102/1/202322PrinciplesofBoiler简单回路水循环计算程序

（图解法）

结构数据按锅炉有关图纸查取

热力数据按锅炉热力计算书查取

画出蒸发受热面汽水系统图确定上升系统与下降系统的分界点

分配热负荷根据炉内热负荷分布曲线，确定每个回路各区段的热负荷及蒸发量Di

选择整台锅炉循环倍率假设值Kg，算出锅水欠焓假设值△hqh

划分循环回路管屏分组（划分计算回路），上升管分段8/102/1/202323PrinciplesofBoiler9/10

假定三个循环流速w0

计算热水段高度Hrsi

计算密度w0i→Gi、Di→Xi→βi→φi→ρi

计算重位压头hiρig

计算上升管流动阻力确定上升管系统压差计算下降管流动阻力确定下降管系统压差简单回路水循环计算程序

（图解法）2/1/202324PrinciplesofBoiler简单回路水循环计算程序

（图解法）

分别作出与曲线，两曲线的交点即为系统工作点，从而确定该回路总压差Σ△p0、循环流速w0、循环流量G及循环倍率Kh10/10

校核：锅水欠焓的计算值与假设值之差不超过12.6kJ/kg，且相对误差不超过30%，认为合格，否则需要重算

确定整台锅炉循环倍率的计算值，锅水欠焓的计算值W0W0W0（G）W02/1/202325PrinciplesofBoiler3、自然循环故障及安全性检查(1)自然循环特性(2)自然循环故障及安全性检查(3)循环停滞、自由水面和倒流现象(4)下降管带汽与汽化(5)提高自然循环安全性措施2/1/202326PrinciplesofBoiler(1)自然循环特性

自然循环特性

热负荷与循环流速之间的关系锅炉热负荷Q上升，D上升，X上升：上升→S下降→H（’-S）g上升→Syd

上升→w0上升

Δps

上升→w0下降

Q

增加，Syd

增加起主要作用，w0上升；而Q增加过大，阻力增加起主要作用，反使w0下降

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自补偿能力

随锅炉热负荷Q(质量含汽率x)的增加，循环回路水流量G(循环水流速w0)相应增大的能力

可避免管壁超温2/1/202327PrinciplesofBoiler

自然循环特性

界限循环倍率和推荐循环倍率锅炉压力(Mpa)3.92～5.8810.2～11.7613.73～15.6916.67～18.63锅炉蒸发量(t/h)35～240160～420400～670≥800界限循环倍率Kjx

1053>2.5推荐循环倍率15～257～154～84～6

循环倍率K

衡量锅炉水循环可靠性的指标之一

K过大（x过小)，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障；

K过小（x过大），将失去自补偿能力，造成管壁超温

2/2

界限循环倍率Kjx

对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速）时的循环倍率

回路循环倍率K应大于界限循环倍率Kjx

，对应的质量含汽率X应小于临界质量合汽车Xlj

2/1/202328PrinciplesofBoiler(2)自然循环故障及安全性检查

自然循环锅炉蒸发受热面金属安全工作的条件是保证管子内壁有连续水膜覆盖受热最弱上升管不出现流动的停滞、倒流、汽水分层等水循环故障；受热最强上升管不发生沸腾传热恶化下降管不出现带汽或汽化

自然循环锅炉在压力低于11MPa或受热管局部热负荷低于400kw／m2时一般不会出现传热恶化，正常水力工况破坏是蒸发管过热的主要原因。

自然循环大型锅炉在亚临界压力，因含汽率较高，（锅炉容量增大，炉膛周界相对减小，水冷壁根数减少而长度增加），循环倍率较低，有可能出现第二类传热恶化1/32/1/202329PrinciplesofBoiler

并联的上升管组在共同的压差∑Δps

下运行。当管组中各管受热不均匀时，受热弱的管中含汽率少，运动压头小，可能发生水循环故障。循环停滞、自由水面和倒流现象

上升管引入汽包水空间当受热弱的管中水流量等于蒸发量，即G=D时，将出现循环停滞现象

上升管引入汽包汽空间

发生循环停滞时管中工质无法到达上升管的最高点，出现自由水面。自由水面以下区域，产生少量蒸汽，以上的区域为缓慢流动的蒸汽

上升管引入汽包水空间当管组压差Δp

小于受热弱管子液柱重Hsg

时，受热弱的管中的水就自上往下流，称为倒流。2/32/1/202330PrinciplesofBoiler

循环停滞汽泡通过基本静止的水面上浮，管子弯头处蒸汽积累，出现自由水面时，水面以上管壁与蒸汽接触，均使冷却能力下降，管子易超温爆管；自由水面上下波动，还会引起疲劳破坏循环停滞、自由水面和倒流危害

倒流当水的倒流速度与汽泡上浮速度相等，即汽泡处于上、下波动状态而形成蒸汽塞时，管子超温。3/32/1/202331PrinciplesofBoiler

汽包中的水进入下降管时，因流阻和加速产生压降使进口处发生自汽化(3)下降管带汽与汽化

下降管进口截面上部形成涡漩漏斗状，蒸汽被吸入下降管中

汽包水容积内所含蒸汽被带入下降管中

下降管受热产生蒸汽1/1

下降管带汽或汽化，工质密度减小，运动压头下降。2/1/202332PrinciplesofBoiler(4)提高自然循环安全性措施

减小并联管子吸热不均

保持炉内温度场均匀设计时将整面水冷壁划分为若干个独立的循环回路；采用四角布置燃烧器；将炉膛四角上1～2根管子取消或将炉膛设计成八角形运行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管积灰和结渣；限制最小负荷，避免因部分燃烧器停用造成更大的吸热不均沿高度方向采用多个小功率燃烧器；减小炉内热偏差，避免局部热负荷过高

降低汽水导管和下降管中的流动阻力，提高循环流速和循环倍率可采用增加管子的流通截面、采用大直径的管子、减少管子的长度和弯头等措施1/42/1/202333PrinciplesofBoiler提高自然循环安全性措施

水冷壁管采用适当的管径较小的管径可以节省金属耗量；但从水循环安全方面考虑，应维持足够大的循环流速W。和不太高的含汽率X，故大容量锅炉不应采用过小的管径

在一定