自然循环锅炉

第七章自然循环锅炉蒸发系统§1

蒸发设备§2

自然循环原理§3

水冷壁内汽液两相流流型及传热§4

自然循环的可靠性指标及常见问题2/3/20231PrinciplesofBoiler一、水冷壁㈠水冷壁的作用㈡水冷壁的分类二、汽包三、下降管四、联箱§1

蒸发设备自然循环锅炉蒸发设备主要由汽包、下降管、水冷壁(上升管)、联箱及其连接管道组成。

工质在这些蒸发设备组成的闭合回路中循环流动，称为水循环。水冷壁主要吸收炉膛火焰及烟气的辐射热量，使水冷壁管内的水汽化为蒸汽。2/3/20232PrinciplesofBoiler一、水冷壁㈠水冷壁的作用㈡水冷壁的分类§1

蒸发设备悬挂在炉膛四周的水冷壁主要吸收炉膛火焰及烟气的辐射热量，使水冷壁管内的水汽化为蒸汽；可以降低炉膛出口烟气温度，防止炉膛出口结渣，保护炉膛出口受热面；还可以起到悬挂炉墙的作用。分两种：光管壁——广泛采用敷管式炉墙。

膜式壁（大型锅炉均采用）对于蒸汽锅炉，水冷壁主要为蒸发受热面；对于热水锅炉或超临界压力直流锅炉，水冷壁主要为加热受热面。蒸发受热面：大型锅炉中主要是水冷壁。作用使水蒸发2/3/20233PrinciplesofBoiler光管式水冷壁2/3/20234PrinciplesofBoiler膜式(鳍片管)水冷壁2/3/20235PrinciplesofBoiler销钉式(刺管)水冷壁（卫燃带）；2/3/20236PrinciplesofBoiler水冷壁的分类对炉墙的保护好，只需保温材料，不用耐火材料，故炉墙重量轻，便于采用悬吊结构；可防止管壁超温。

炉膛气密性好，可减少漏风，降低热损失，提高锅炉效率；

有较大的辐射受热面积，可降低受热面金属耗量；可工厂预制；

炉墙蓄热能力小，炉膛燃烧室升温快，可缩短锅炉的启停时间。膜式壁图7-1膜式水冷壁的结构（a）光管焊成的膜式水冷壁；（b）肋片管焊成的膜式水冷壁2/3/20237PrinciplesofBoiler膜式水冷壁：两种类型见图7-1。结构尺寸：606.5mm的轧制鳍片管或63.57.5mm的焊接鳍片管；水冷壁的分类2/3/20238PrinciplesofBoiler内螺纹管水冷壁：工质在管内流动时产生强烈的扰动。把液体压向壁面，强迫汽泡脱离管壁被水带走，破坏膜态汽层。可有效防止膜态沸腾产生，避免管壁超温。用于炉内高热负荷区域的膜式水冷壁，确保水冷壁安全可靠。水冷壁的结构2/3/20239PrinciplesofBoiler1、汽包作用2、汽包内部装置§1蒸发设备二、汽包2/3/202310PrinciplesofBoiler汽包图片2/3/202311PrinciplesofBoiler汽包系统2/3/202312PrinciplesofBoiler图7-2汽包的外形实例2/3/202313PrinciplesofBoiler⑴汽包接受省煤器来的给水，并向过热器输送饱和蒸汽，同时它与下降管、水冷壁管连接，组成自然水循环系统，所以，汽包是加热、蒸发、过热三个过程的连接枢纽，也是这三个过程的分界；⑵增加锅炉的蓄热量并蓄水：锅炉蓄热量的变化是依靠汽压的变化来实现的，能缓冲压力与水位；⑶汽包内装有各种净化装置。如汽水分离装置、蒸汽清洗装置、排污及加药装置等、从而改善了蒸汽品质。⑷汽包上装有压力表、水位计和安全阀等附件，汽包内还装有事故放水装置，可保护锅炉安全。汽包作用

2/3/202314PrinciplesofBoiler汽包作用

某亚临界参数锅炉汽包：汽包内壁设置弧形衬套5，由沿汽包长度延伸的挡板构成。汽水混合物由上部进入汽包，沿弧形衬套向下流动，均匀加热汽包壁，可减少汽包上下壁温差及相应的热应力。枢纽：连接省煤器、蒸发受热面、过热器蓄能、蓄水：缓冲压力与水位汽包上装有汽水分离、蒸汽清洗、排污锅内加药等装置。汽包上装有压力表、水位计和安全阀等附件，汽包内还装有事故放水装置，可保护锅炉安全。2/3/202315PrinciplesofBoiler汽包与内部装置

下降管管座：位于汽包底部，保证下降管入口上部有最大的水层高度，以防下降管进口处工质汽化；下降管入口处装有十字架，以消除大直径下降管进口产生漏斗形水面，防止蒸汽进入下降管，保证锅炉水循环的安全。汽包的外形，如图7-2所示。汽包是长圆筒的密闭承压容器，开有很多管孔。300MW锅炉直径约1.8m，壁厚15cm，长约22m。2/3/202316PrinciplesofBoiler2/3/202317PrinciplesofBoiler汽包筒体上部有：饱和蒸汽引出管管座1，汽水混合物引入管管座2；汽包筒体下部有：给水管管座连续排污管管座12事故放水管管座汽包与内部装置

2/3/202318PrinciplesofBoiler

涡轮式旋风分离器6沿汽包长度方向分两排对称布置，对汽水混合物进行第一次粗分离；

波形板干燥器3

在汽包顶部沿长度方向分前后两组（每组两排，对称布置）呈鸟翼状倾斜的立式，

进行第三次分离。

立式波形板（又称顶帽）布置在分离器的顶部，进行第二次分离；汽水混合物经三次分离，水经疏水管4引至汽包水容积，蒸汽通过顶部布置的多孔板进行均流，由饱和蒸汽引出管将蒸汽引至炉顶过热器。汽包与内部装置

2/3/202319PrinciplesofBoiler汽包的安全运行汽包的应力：包括机械应力和热应力——汽包的强度计算汽包的超压保护：在汽包和过热器出口装置100%容量的安全阀或汽轮机旁路三用阀（机组启停、蒸汽溢流、超压保护）。汽包的运行保护：在锅炉进水、启动、停运和负荷变化时都可能发生过大的汽包上下壁、内外壁温差并产生相应的热应力。运行中必须限制汽包上下、内外壁温差。2/3/202320PrinciplesofBoiler1、下降管的作用锅炉下降管的作用是把汽包内的水连续不断地通过下联箱供给水冷壁，保证水冷壁中有连续流动的工质，确保水冷壁的安全运行，同时维持正常的水循环。2、下降管的布置现代大机组锅炉大都采用4～6根大直径集中型下降管，以减小下降管系统的流动阻力，以提高自然循环的可靠性，并能节约钢材，简化布置。§1蒸发设备三、下降管2/3/202321PrinciplesofBoiler1、联箱的作用联箱的作用是汇集、混合、分配工质。2、下降管的结构布置在炉外，不受热，是由无缝钢管两端焊接平封头构成，在联箱上有若干管头与管子焊接相连。水冷壁下联箱底部还设有定期排污装置、炉底蒸汽加热装置等。§1蒸发设备四、联箱2/3/202322PrinciplesofBoiler水冷壁2/3/202323PrinciplesofBoiler主给水系统2/3/202324PrinciplesofBoiler§2

自然循环原理根据锅炉蒸发系统工质流动的工作原理，锅炉可分为自然循环锅炉和强制流动锅炉。控制循环锅炉和直流锅炉属强制流动锅炉。直流锅炉是靠给水泵压头使水和汽水混合物在水冷壁管内强制流动。控制循环是在下降管侧装设炉水再循环泵以推动工质在循环回路中循环流动；自然循环是靠下降管和上升管系统中工质密度差所产生的重位压差来推动工质在循环回路中流动。

控制循环锅炉和自然循环锅炉均属汽包锅炉。一、自然循环的概念2/3/202325PrinciplesofBoiler自然循环工作原理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，称为水循环。在自然循环锅炉中，流动阻力是由下降管和上升管系统的重位差来克服的。用来克服水循环回路总阻力的压头，也就是自然循环的推动力称为自然循环的运动压头。

2/3/202326PrinciplesofBoiler

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，Pa式中：2/3/202327PrinciplesofBoiler§2

自然循环原理汽包锅炉循环回路是由汽包、下降管、联箱、水冷壁（上升管）所形成的工质流动的封闭线路。水循环是指锅炉水在循环回路中循环流动的现象。自然水循环的概念：密度差重位压差循环动力

在炉顶端，有贮水、贮汽的汽包，内有汽水分离装置，炉膛内壁有彼此紧密排列的水冷壁管，炉膛内的高温火焰将水冷壁管内的水加热成汽水混合物上升进入汽包，而炉外下降管则将汽包中的低温水靠自重下降至下连箱与炉内水冷壁管接通，靠炉外冷水下降而炉内水冷壁管中热水自然上升的锅炉叫自然循环（汽包）锅炉，而当压力高到16.66~17.64MPa时，水、汽重度差变小，必须在循环回路中加装循环泵，即称为控制循环锅炉。当压力超过18．62MPa时，应采用直流锅炉。2/3/202328PrinciplesofBoiler§2

自然循环原理在自然循环锅炉中，流动阻力是由下降管和上升管系统的重位差来克服的。用来克服水循环回路总阻力的压头，也就是自然循环的推动力称为自然循环的运动压头，用来表示。即：

（7——5）

——循环回路的高度，m；——上升管中工质的平均密度，kg/m3；——下降管中工质的平均密度，kg/m3。

二、自然循环的运动压头2/3/202329PrinciplesofBoiler§2

自然循环原理在自然循环系统中运动压头中用来克服下降管系统阻力的压头称为有效压头，用来表示。即：

（7——7）

——自然循环的有效压头；——自然循环的运动压头；——上升管系统的阻力压降。

三、自然循环的有效压头2/3/202330PrinciplesofBoiler§2

自然循环原理自然循环在工质稳定流动时，有效压头数值上等于下降管侧阻力，即：