锅炉原理第9章

第九章自然循环原理第一节自然循环原理一

自然循环原理

定义：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重位压差，推动工质流动的现象。

自然循环锅炉的循环回路是由锅筒、下降管、分配水管、水冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽水分离器组成的，如图所示；重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐射热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。

静止状态：A-A左侧

A-A右侧

水在回路中循环流动时：上式左侧为循环推动力，即运动压头，右侧为循环系统流动阻力自然循环的实质：由重位压差造成的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。即由于水冷壁管吸热，使下降管中水的密度xj改变成为上升管中汽水混合物的密度ss，并在高度为h的回路中形成了重位压差。回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推动力越大。工质密度差不仅与压力有关，而且与水冷壁管吸热强度有关。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；而压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。

一汽液两相流的流型第二节汽液两相流型及传热核态沸腾：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。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。膜态沸腾（偏离核态沸腾DNB）：如果管外的热负荷很高，汽泡生成的速度大于汽泡脱离壁面的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成蒸汽膜，将管子中心的水与管壁隔开，使管子壁面得不到水膜的直接冷却，导致管壁超温。也称为第一类传热恶化。过渡沸腾：由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程膜态沸腾有可能发生在环状流动阶段，当热负荷进一步提高时，也可能发生在泡状流动阶段，特别是可能发生在过冷沸腾阶段。二蒸发管内的传热膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。这是因为水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小，使得亚临界参数下在水冷壁管内壁面附近流体边界层中的水更容易汽化，即容易形成更多的汽化核心，因而产生膜态沸腾的机会相应增加。膜态沸腾的产生取决于水冷壁管外的热负荷、管内工质的质量含汽率、管内的质量流速、工质压力、管径等多种因素。但主要取决于水冷壁的热负荷与质量含汽率。运行和试验证明，尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水混合物的质量含汽率一般只达到0.3~0.4，但发生传热恶化的可能性较大。采用内螺纹管水冷壁可抑制膜态沸腾内螺纹管抑制传热恶化的作用鳍片光管：x=0.3，壁温开始飞升x=0.6，壁温达到第一个高峰点，此后壁温略有下降，x=0.8，出现蒸干,管壁温度再次出现飞升。内螺纹管：x=0.8，壁温才开始飞升。说明内螺纹管具有显著的抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的作用。第二类传热恶化：“蒸干”管内含汽率x达到一定数值时，贴壁水膜被被中心汽流撕破或蒸干，管壁得不到水的冷却，放热系数明显下降，导致传热恶化。在自然循环锅炉的水冷壁中，正常运行状态下不会出现“蒸干”导致的传热恶化。在非正常运行状态下一旦出现第二类传热恶化，虽然开始时壁温并不太高，但含盐量较高的炉水水滴润湿管壁时，盐分沉积在管壁上，也会造成传热恶化。亚临界压力的自然循环锅炉，其水冷壁内工质的实际含汽率很接近其临界含汽率，故有可能发生第二类传热恶化。直流锅炉一定会出现第二类传热恶化。质量流速ρw

：单位时间内流经单位流通截面的工质质量称为质量流速第四节自然循环可靠性指标循环流速w0:在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速。质量含汽率x:上升管中蒸汽所占循环流量的份额,或汽水混合物中蒸汽所占的份额。

循环倍率Ｋ:循环回路中，进入上升管的循环水量G与上升管出口蒸汽量D之比，称为循环倍率，其意义就是上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水循环倍率K越大，含汽率x愈小，则上升管出口汽水混合物中水的份额较大，管壁水膜稳定，对管壁冷却作用较好。所以，经常用循环倍率来评定锅炉水循环是否安全。但是K值过大，上升管产汽量太少，上升管内工质的平均密度增大，循环回路的运动压头减小，将使循环流速降低，对水循环安全也不利。在一定上升管含汽率范围内，自然循环回路中上升管受热增强时，循环水量和循环流速也随之增大（循环推动力增大），这种循环特性称自补偿能力；但热负荷太大时，含汽率超过一定值，由于流动阻力的快速增加使循环水流速反而减小，则会失去自补偿能力。最大循环流速对应的循环倍率称为界限循环倍率。为了保证自然循环回路的工作安全，锅炉上升管的含汽率必须始终小于界限含汽率，而循环倍率则应始终大于界限循环倍率。界限循环倍率和循环倍率的推荐值汽包压力（MPa）2～34～610～1214～1617～19蒸发量（t/h)20～20035～240160～420185～670≥800循环倍率推荐值K燃煤45～6515～258～155～84～6燃油12～207～124～63.5～5界限循环倍率Kjx10532.5一水循环常见故障1.循环停滞水冷壁分成几个以至几十个独立的水循环回路。炉膛中温度场分布不均；上升系统的结构偏差和流量分配偏差；虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动速度可能不同。受热弱的管子中，工质密度大，当这根管子的重位压头接近于管屏的压差时，管屏的压差只能托住液柱，而不能推动液柱的运动。这时，管内就出现了流体的停滞现象。

第五节自然循环常见故障及提高安全性措施停滞现象：循环流速w0→0，但w0

≠0；即循环流量G=D，但G≠0，停滞管的流动阻力ptz→0。后果：汽泡聚集弯头和焊缝处，并可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就会过热超温。当存在自由水面时，管子上半部是汽，下半部是水，管子上部就会过热超温。自由水面：进入上升管的循环流量微小，以至在管子微弱吸热后被蒸发成汽泡。后果：当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力

水循环停滞导致水冷壁管传热恶化，主要发生在受热弱的管子上。由于受热不均，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流。工质向下流的管子就叫“倒流管”。在倒流管中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动。当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时，向下流的水带不走汽泡，造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化，以至使管子出现局部过热超温。当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好冷却，不出现局部超温。当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时，不会出现倒流。当水冷壁受热不均比较严重时，受热最差的管子有时可能出现停滞，有时可能出现倒流，所以同一根管子出现停滞和倒流以及向上流动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内工质密度的变化而变化的。2.倒流

3.汽水分层当汽水混合物在水平或微倾斜管内流动时，出于汽、水密度不同，水在管子下部流动，汽在管子上部流动，形成明显的分界面，这种现象称为汽水分层。当汽水混合物流速较高时，扰动剧烈，汽水混合较好，管子能得到良好的冷却。若汽水混合物流速过低，出现汽水分层时，管壁上部温度明显高于下部温度，造成上部管壁超温。同时，上下管壁温差将形成温差热应力。另外，随着水面波动，在汽水分界面附近，温度交替变化还会产生交变热应力。防止汽水分层的措施是尽可能避免布置水平或倾角小于150的沸腾管。如在结构上不可避免时，要尽可能提高管内汽水混合物的流速。4下降管带汽当下降管含有蒸汽时，管内工质平均密度减小，运动压头减小，而工质的体积流量将增大，使下降管的流动阻力增加。循环流速和循环倍率降低，使得受热弱的上升管更容易发生循环停滞等故障。如果下降管中的蒸汽被带入水冷壁管，还会使水冷壁并列管流量分配不均，加剧并列管间的热偏差。下降管含汽的原因：下降管受热产生蒸汽；水在下降管入口汽化；水进入下降管时带汽；由于锅炉压力突然下降引起锅水自汽化。二影响水冷壁安全运行的主要因素水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流；水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾；锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重的“干锅”；燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀；结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀；煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。

1.水冷壁受热不均或受热强度过高锅炉运行中，炉内火焰偏斜、水冷壁局部结渣和积灰是造成水冷壁吸热不均的主要原因。受热很弱的管子容易出现停滞或倒流，受热很强的管子可能出现膜态沸腾，其结果都是导致管子局部发生传热恶化，管壁温度升高。

下将管入口产生旋涡漏斗时，旋涡中心将有部分蒸汽被水流抽吸进入下降管。进入下降管的实际水流量减少，即循环流量降低；由于下降管内出现汽水两相流动，工质密度减小，使下降管侧的重位压差降低，且流动阻力也相应增大。导致水循环安全裕度下降，即产生停滞、倒流的可能性增大。防止下降管带汽的办法：在下将管入口安装隔栅；运行时注意维持正常的锅筒水位。水位过低，下降管入口不但容易产生旋涡漏斗，而且使下降管入口处的静压力降低，容易产生水的自汽化。

2.下降管带汽或自汽化3.水冷壁管内壁结垢锅炉运行水质不合格，含盐量超标，当水在管内受热蒸发时，盐分从水中析出，沉积在管壁上，管子金属内壁面上无水膜冷却，而管外吸收高温火焰的热量不能被水流及时带走，管壁温度就会升高。水冷壁管内结垢时，流动阻力也随着增大，容易引起停滞或倒流。

4上升系统的流动阻力影响上升系统流动阻力的因素很多。如分配水管、水冷壁、汽水导管的管径和水冷壁流通截面的比值、管子弯头数量、汽水分离器的结构阻力系数、循环流速、锅炉负荷等。5变负荷速度过快或低负荷运行锅炉低负荷运行时，蒸发量减少，水冷壁管内工质密度增大，使水冷壁重位压差增大，循环回路的运动压头减小，循环流速就会降低，因而低负荷运行时的水循环安全性较差。在快速变负荷，尤其是在快速降负荷时，循环系统内由于压力降低，工质的自汽化过程加快，由于锅筒水室内水的自汽化和下降管内水的自汽化，使循环流量和运动压头同时减小，循环安全性大幅度降低。控制变负荷速度是保证水循环系统安全工作的重要条件之一。

为保证水冷壁的安全运行，首要条件是必须保证任何一根水冷壁管子内壁面上都有连续的水膜足以冷却管子，以保证其在任何工况下都不会超温。从锅炉设计制造和锅炉运行考虑，都必须针对影响水冷壁安全性的因素，采取相应的技