第8章锅炉水动力特性

锅炉水动力学的研究任务是研究锅炉蒸发受热面的水动力特性，保证锅炉水循环的可靠性。为了使锅炉安全可靠运行，所有受热面都应受到工质足够的冷却，以保证金属壁温不超过所用钢材的允许工作温度。通过锅炉水动力研究，可以得到锅炉内部工质（水、蒸汽及汽水混合物）的水动力特性及流动阻力。在锅炉的受热面中，省煤器中流动的工质为单相流体水，过热器中工质为单相流体蒸汽，惟有蒸发受热面水冷壁上升管中流动的工质为汽水混合物。在上升管受热过程中，汽液两相比例不断变化，并且两相之间存在相对运动，使管内汽液两相流体的流动规律比单相流体流动复杂的多，且汽相与液相在传热过程中的性质也不同，因此必须首先研究汽液两相流体的流动与传热特性。当前1页，总共41页。

锅炉水动力学基础一、管内汽液两相流体的流动结构汽泡趋中效应：蒸汽密度比水小，在上升两相流中，在相同压力的作用下，汽泡的上升速度比水快，水在管中流动的速度分布是中间大，外侧小。如果汽泡在靠近管边处，汽水相对速度大，阻力大；而汽泡若在管中间则阻力小。汽泡总是往阻力小的地方运动，所以在上升管中，汽泡都向管中间运动。思考：对于下降两相流，汽泡如何运动？当前2页，总共41页。汽水混合物在垂直管中上升运动：混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应两相流流型不同流动阻力和传热机理不同流速大小与传热强弱不同影响流型（a）（b）（c）（d）(a)泡状流：汽水混合物中含汽率较小时，蒸汽呈细小的汽泡，主要在管子中心部分向上运动。(b)弹状流：含汽率增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻力较小的汽弹。当前3页，总共41页。汽水混合物在垂直管中上升运动：混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应两相流流型不同流动阻力和传热机理不同流速大小与传热强弱不同影响流型（a）（b）（c）（d）(c)环状流：含汽率继续增大，弹状汽泡汇合成汽柱并沿着管子中心流动，而水则呈环状水膜沿管壁流动。(d)雾状流：含汽率再增大，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，汽水形成雾状混合物。当前4页，总共41页。2.汽水混合物在水平管中的运动：

在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分层流动。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，可能产生疲劳损坏。汽水混合物流速↓，含汽率↑，管子的倾角↓，汽水分层越易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，且尽量避免使用水平管，以防止发生分层流动。直流锅炉，一般采用提高流速的方法防止汽水分层。当前5页，总共41页。二、蒸发管内的传热垂直蒸发管内的流型与传热的关系在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型不断变化，随流型不同流体与管壁的换热方式也不同，即管内流体的放热系数不断变化。放热系数越大，管壁温度越接近工质温度。图：垂直上升蒸发管中两相流型和传热工况的关系当前6页，总共41页。不同负荷时放热系数与x的关系2.蒸发管内的传热恶化AB单相水对流传热；BC过冷核态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE强制水膜对流传热段；EF传热恶化；FG含水不足段第一类传热恶化：因为膜态沸腾引起的传热恶化。当热负荷很高，管内壁汽化核心急剧增加，形成连续的汽膜，导致对流放热系数急剧下降，管壁得不到液体冷却而超温破坏。其直接原因是热负荷过高。把出现第一类传热恶化时的热负荷称为临界热负荷qcr。当前7页，总共41页。不同负荷时放热系数与x的关系2.蒸发管内的传热恶化AB单相水对流传热；BC过冷核态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE强制水膜对流传热段；EF传热恶化；FG含水不足段第二类传热恶化：因为蒸干引起的传热恶化。热负荷比前者低，但含汽率很高时，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。其直接原因是含汽率过高。把出现第二类传热恶化时的含汽率称为临界含汽率xcr。当前8页，总共41页。传热恶化时，工质与管壁间的放热系数急剧下降，导致管壁温度剧增，可能烧坏管子。同时还会导致管壁温度发生波动，造成金属疲劳损坏。

第一类传热恶化，防止受热面热负荷过高，即可避免第一类传热恶化。第二类传热恶化，对自然循环锅炉，只要保证蒸发管出口含汽率不至过高，即可避免；但对直流锅炉，蒸发管内出现含水不足的状况不可避免，因此无法防止第二类传热恶化，只能设法减少传热恶化时壁温的上升幅度。当前9页，总共41页。三、两相流的流动参数汽液两相流体流动模型均相模型：假定在管内汽水是均匀混合的，水和汽之间无相对速度，只考虑汽水比体积的不同。是研究汽液两相流动的基础。分流模型：假定管内汽水混合物分开流动，汽在管子中央流动，水贴近壁面流动；汽水之间有相对速度。蒸发管内的流型主要为泡状流、环状流，因此分流模型更接近蒸发管内的真实流动情况。分流模型当前10页，总共41页。2.汽液两相流的特征参数①流量质量流量G(kg/s)=进入上升管的循环流量M0

=上升管中蒸汽流量D+饱和水流量M容积流量V(m3/s)=水容积流量V’+蒸汽容积流量V’’②流速质量流速ρw

：单位时间内流经单位流通截面的工质质量。循环流速w0：循环回路中水在饱和温度下按上升管入口截面计算的水流速度。当前11页，总共41页。折算流速：假定流过的汽水混合物中的蒸汽/水占有管子全部截面时，计算所得的蒸汽/水流速称为该截面的蒸汽/水折算流速。混合物流速wm：汽水混合物均匀混合时，单位时间内流过单位截面积的混合物容积。当前12页，总共41页。真实流速：按分流模型计算出的汽/水流速。

汽水滑动比S：汽水两相真实流速之比。S>1：w’’>w’，为汽水混合物向上流动S<1：w’’<w’，为汽水混合物向下流动S=1：w’’=w’，为均相流动工况分流模型分流模型当前13页，总共41页。③含汽率质量含汽率x：蒸汽质量流量D与工质总质量流量G之比，也称为蒸汽干度。容积含汽率β

：流经管内某一截面的蒸汽容积流量与汽水混合物总容积流量之比。截面含汽率φ：在某一截面上，蒸汽所占截面积F’’与管子总截面积F之比（分流模型）。当前14页，总共41页。④密度流量密度ρm

：汽水混合物的质量流量与体积流量之比。真实密度ρtr：流通截面上的工质密度（分流模型）。分流模型当前15页，总共41页。3.汽液两相流的压降工质流经某管段时，在进出口截面1、2间的压力降：当前16页，总共41页。①两相流的摩擦阻力：除了汽水混合物与管壁的摩擦阻力，还有汽相与液相之间的相对速度引起的摩擦阻力，不同流型摩擦阻力也不相同。②两相流的局部阻力：包括流经管子弯头、管子进口、管子出口、阀门和分叉管时，因流动方向改变或流通截面改变而产生的流动阻力。当前17页，总共41页。③流体加速压降：流体在管内因受热或压力变化等原因会引起流速改变，并使得流体沿流程的动量及其对应的静压发生改变，这种因动量改变而引起的静压改变就是流体的加速压降。④重位压差：两流通截面之间的高度差为h时，两相流体重位压差为当前18页，总共41页。

自然循环锅炉的水循环与计算一、自然循环工作原理蒸发受热面内的工质，依靠下降管中的水与上升管中的汽水混合物之间的密度差所产生的重位压差进行循环。在回路中，蒸汽行程并非闭合路线，仅有水在循环流动，因此又称为水循环。自然循环回路汽包→下降管→下联箱→水冷壁（上升管）→汽包当前19页，总共41页。自然循环回路二、自然循环基本概念简单循环回路压差平衡式：运动压头：下降管中的工质柱重和上升管中的工质柱重之差是自然循环回路的推动力，称为运动压头。有效压头：用于克服下降管中的流动阻力。当前20页，总共41页。循环倍率K：进入上升管的循环水流量G与上升管出口蒸汽流量D之比。是衡量锅炉水循环可靠性的指标之一。自然循环特性：锅炉热负荷Q↑，D↑，X↑↓，Sdr↑，w0↑↑，w0↓上升管w0与x的关系当x不太高时，运动压头增加幅度大于流动阻力增加幅度，因此循环流速w0随x的增加而增加；当x过高时，流动阻力增加幅度超过运动压头增加幅度，因此循环流速w0随x增加反而减小。上升管w0与x的关系上升管w0与x的关系当前21页，总共41页。上升管w0与x的关系自然循环自补偿能力：当x不太高时，随着热负荷Q的增大，质量含汽率x增大，循环水流速w0相应增大的能力称为自补偿能力。自然循环的自补偿能力可避免管壁超温。循环倍率是衡量锅炉水循环可靠性的指标之一：K过大，x过小：运动压头过小，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；可能出现第二类传热恶化。界限循环倍率Kth：自然循环开始失去自补偿能力时的循环倍率。回路循环倍率K应大于界限循环倍率。当前22页，总共41页。界限循环倍率和推荐循环倍率三、简单回路水循环计算自然循环锅炉水循环计算的目的：根据循环回路工质流动过程中压差与流量的平衡关系，计算确定回路的循环流速和循环倍率，校验循环回路中蒸发受热面的安全性。当前23页，总共41页。简单循环回路2.简单回路水循环计算原理：①上升管区段划分：以水冷壁下联箱为起点，进行上升管区段划分。热水段hhw：进入的水由于静压升高和省煤器出口水不饱和而需被继续加热才能达到沸腾。在沸腾点之前，上升管内为单相水。含汽段hvc：为上升管主要区段，由于受热其含汽率变化较大，应根据吸热强度或管径、倾斜度而分段计算。当前24页，总共41页。简单循环回路热后段hlp：导管不受热，该段含汽率保持不变。超高段hov：高于汽包水位的一段导汽管，其产生的运动压头小于零，视为阻力损失。②循环特性方程组：压差方程：流量方程：水冷壁吸热方程：当前25页，总共41页。四、自然循环故障自然循环锅炉蒸发受热面安全工作的条件是保证管子内壁有连续水膜覆盖。正常水力工况被破坏是蒸发管过热的主要原因，即管壁经常或周期性地与停滞或缓慢流动的蒸汽接触，造成管壁超温。1.循环停滞、自由水面和倒流：循环停滞：当循环回路中某个上升管的循环水量G降低到仅等于该管子所产生的蒸汽流量D时，这种工况称为循环停滞。受热弱的管子含汽率小，运动压头不足，循环流速降低，易出现循环停滞。循环停滞导致汽泡易聚集为大汽泡，形成汽塞，使管子局部超温。当前26页，总共41页。自由水面：当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，即出现自由水面。自由水面以上是汽，以下是水，管子上部会过热超温，且当自由水面波动时，引起管子疲劳损伤。倒流：当上升管引入汽包水容积，并且受热很弱时，上升管中工质的重位压差大于循环回路的工作压差，上升管中会发生水自上而下的流动，称为循环倒流。上升管引入汽包汽空间时不会发生倒流。若倒流速度大，管子可有足够冷却；若倒流速度小，汽泡沿管壁缓慢流动或上下波动，则可能导致管子烧坏。当前27页，总共41页。2.膜态沸腾：

热负荷过高，汽泡在管子内壁面聚集形成完整的汽膜，使管壁得不到水膜直接冷却，导致管壁超温。3.下降管带汽与汽化：

汽包中的水进入下降管时，因流阻和加速产生压降使下降管进口处发生自汽化；下降管进口形成涡漩漏斗状吸入蒸汽；汽包水容积内所含蒸汽被带入下降管中。这些都会导致下降管带汽。其后果是使下降管中工质密度减小，运动压头下降，影响回路正常水循环。当前28页，总共41页。五、提高自然循环安全性措施：①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，以减小炉内热偏差，避免局部热负荷过高②降低汽水导管和下降管中的流动阻力相当于增加了工质流动的推动力，因而可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实现。当前29页，总共41页。③水冷壁管采用适当的高度、管径和流动阻力高度：高度↑，下降管与上升管内工质柱重差↑，利于水循环；高度↑，管子出口含汽率x↑，可能导致第二类传热恶化，或循环倍率过低，循环回路失去自补偿能力。管径：管径↓，金属耗量↓，管内工质含汽率x↑，运动压头↑，但流动阻力↑，同样可能导致传热恶化和循环倍率过低。流动阻力：上升管内流阻↑，运动压头↓，不利水循环；但上升管内流阻过小，会导致上升管内工质流量随压差变化太敏感，不利于水循环稳定。④防止下降管带汽对高压以上锅炉，在下降管入口处加装格板；采用大直径集中下降管时，应在入口处加装十字板或格板。当前30页，总共41页。⑤使流体在管内产生旋转流动或破坏汽膜边界层，避免传热恶化采用内螺纹管：当工质在内螺纹管内流动时，发生强烈扰动，将水压向壁面并迫使汽泡脱离壁面被水带走，破坏汽膜层的形成，使管内壁温度降低。加装扰流子：扰流子是塞在管中的螺旋状金属薄片。在推迟传热恶化和降低壁温方面，扰流子可起到与内螺纹管类似的作用，在强化传热方面不及内螺纹管。当前31页，总共41页。光管：在x=0.3左右，壁温开始飞升，在x=0.6左右，壁温达到第一个峰值，此后由于汽水混合物的流速增大，壁温略有下降。大约在x=0.8左右，由于蒸干壁温再次出现飞升。内螺纹管：在x=0.8时壁温才开始飞升，充分说明了内螺纹管具有显著抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的作用。水冷壁壁温与含汽率x的关系1-内螺纹管2-光管当前32页，总共41页。

内螺纹管抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的机理：由于工质收到螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近的扰动，使水冷壁管内壁面上产生的气泡可以被旋转向上运动的液体及时带走。水流收到旋转力的作用，紧贴内螺纹槽壁面流动，从而避免了气泡在管子内壁面上的积聚所形成的汽膜，保证了管子内壁面上有连续的水流冷却。由于推迟了传热恶化，因此发生传热恶化的管子位置离炉膛火焰中心较远，对应热负荷较低，且汽水流速较高，使管壁温度不会因传热恶化而升高幅度过大。当前33页，总共41页。

强制流动锅炉提高压力可以提高机组的热经济性，因此高参数是锅炉发展的必然趋势。当压力提高时，汽水密度差’-’’减小，自然循环的推动力下降，因此须采用强制流动。强制流动锅炉主要有三种类型：控制循环锅炉、直流锅炉和复合循环锅炉。

强制流动锅炉工作原理：为提高循环推动力，在循环回路下降管系统增设循环泵。蒸发受热面内的工质循环的推动力为汽水密度差及循环泵压头。当前34页，总共41页。控制循环锅炉①结构：具有汽包，循环回路下降管系统增设循环泵8，工质流动动力为循环泵压头和工质密度差。②特点：采用循环泵后，循环推动力增大，循环倍率降低，循环稳定。循环可靠性主要取决于循环泵的可靠性。当前35页，总共41页。复习：采用循环泵使循环回路能克服较大的流动阻力，因此控制循环的蒸发系统有如下特点：

水冷壁可根据锅炉形状自由布置，不必按吸热量不同划分多个回路。

可采用小直径水冷壁管，节省金属耗量；汽包内可采用更高效的汽水分离器，可减小汽包直径。

工质质量流速较高，对管子冷却条件好，循环倍率比自然循环小，一般为25。循环稳定，不易出现循环异常，但可能出现流动不稳定、脉动等。

水冷壁下联箱（环形下水包）内可装置节流圈来调节各水冷壁管的水流量，减小水冷壁的热偏差。

循环泵制约系统可靠性，并使设备制造和运行费用增加。当前36页，总共41页。2.直流锅炉①直流锅炉工作原理：给水在给水泵的压头下，顺序通过热水段、蒸发段和过热段受热面，一次将给水全部转变为蒸汽。直流锅炉循环倍率K=1，不存在汽包。

沿管子长度方向工质参数变化情况：

热水段：水的焓和温度逐渐增高，比容略有加大，压力则由于流动阻力而有所降低。当前