第九章、自然循环原理及计算

2024/2/241第九章、自然循环原理及计算

2024/2/242第一节自然循环的基本原理一、自然循环概述自然循环是指：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汽包、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12-1所示。二、自然循环回路的总压差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。下联箱中心截面A—A两侧将受到不同压力：左侧静压：P1=P0+ρxjgh右侧静压：P2=P0+ρssgh2024/2/2432024/2/2442024/2/2452024/2/2461、下降管系统作用在联箱中心处的压力P1=P0+ρxjgh-△Ｐxj

2、上升管系统作用在联箱中心处的压力P2=P0+ρssgh+△Ｐss3、总压差下降管系统的侧压差：Ｙxj＝P1-P0＝ρxjｇh－△Ｐxj

，Ｐa上升管系统的侧压差：Ｙss＝P2-P0＝ρhugh＋△Ｐss

，Ｐa水在回路中循环流动时，下降管侧的压差Ｙxj与上升管侧的压差Ｙss相等。即：Ｙxj＝Ｙss这就是水循环计算的压差法。2024/2/247三、运动压头Pyd=Ｈρxjｇ－Ｈρhug，Ｐa也即，

Pyd＝△Ｐxj＋△Ｐss+△Ｐfl有效压头:Pe＝Ｐyd-(△Ｐss2+△Ｐfl)Pe＝△Ｐxj水循环计算的压头法。四、影响循环推动力的因素自然循环的实质是由重位压差造成的自然循环推动力（即运动压头）克服了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。运动压头的大小取决于饱和水与饱和蒸汽的密度差、上升管的含汽率和循环回路的高度。压力升高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。2024/2/248第二节、蒸发管内的汽液两相流型及传热一、汽液两相流的流型

在汽液两相流中，汽泡与液体之间存在许多形状的分界面且不断变化，将这些“界面”人为地分成几类，就称为“流型”。锅炉蒸发管内的流型主要分为四类，即泡状流、弹状流、环状流、雾状流。如图12-4所示。(1)泡状流。在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。(2)弹状流。泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效应的作用，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。(3)环状流。由于汽弹的内压力增大，当汽弹的内压力大于汽泡的表面张力时，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。(4)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χ＝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χ≤0.4，所以一般不会出现雾状流。2024/2/2492024/2/2410泡状流2024/2/2411弹状流2024/2/2412环状流（柱状流）2024/2/24132024/2/2414二、蒸发管内汽水两相流的传热1、蒸发管内的流型与传热的关系在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化。不同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化。放热系数越大，管壁温度越接近工质温度。2、蒸发管内的传热恶化（1）第一类传热恶化当水冷壁管受热时，蒸发管热负荷q低于某一临界热负荷qc，管内壁不断产生汽化核心，也同时随水流扰动不断脱离管壁。管中心的水不断地向壁面补充，这时的管内被称为核态沸腾。以上的流动工况和传热工况发生于热负荷不大的条件下。2024/2/24152024/2/2416如果管外的热负荷很高，超过临界热负荷qc，汽泡形成速度大于脱离的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成完整稳定的汽膜，热量通过汽膜层传到液体再产生沸腾蒸发，此时管子壁面得不到水膜的直接冷却，就会导致管壁超温，这种现象就称为膜态沸腾。也称为第一类传热恶化。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。开始发生膜态沸腾时的热负荷称为临界热负荷qc，为第一类传热恶化的特性参数。（2）第二类传热恶化在蒸发管中可能发生的另一类传热恶化的工况是“蒸干”，当管内汽水混合物中含汽率x达到一定数值时，管内流动结构呈环形水膜的汽柱状，当水膜撕裂，管壁得不到水的冷却，传热系数明显下降，称为第二类传热恶化。2024/2/2417发生第二类传热恶化时的含汽率称为临界含汽率xc,即发生第二类传热恶化的特性参数。在自然循环锅炉的水冷壁中，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。三、自然循环锅炉传热恶化分析第一类沸腾传热恶化通常发生在含汽率x较小或水存在欠热（x＜0），以及热负荷高的区域。此时传热系数急剧下降，管子内壁温度与工质温度之差△tz飞升很快。第二类沸腾传热恶化发生在x较大，热负荷不太高的情况下，传热系数降低较第一类传热恶化时小，因而飞升值较第一类沸腾传热恶化时低。自然循环锅炉水冷壁局部最高热负荷均低于其临界热负荷，因此不会发生膜态沸腾。超高压以下自然循环锅炉水冷壁出口工质含汽率都低于临界含汽率，所以也不会发生第二类传热恶化。2024/2/2418不同传热方式的传热系数自然对流换热空气水1～10200～1000强制对流换热气体高压水蒸汽水20～100500～35001000～15000相变换热沸腾换热凝结换热2500～350005000～250002024/2/2419亚临界压力自然循环锅炉，其水冷壁内工质的实际含汽率接近临界含汽率xc,所以可能发生第二类传热恶化。第二类传热恶化发生热负荷较低，发生时热负荷比第一类传热恶化时低得多。第二类传热恶化发生后，管壁温度存在周期性波动，容易导致管壁疲劳损坏。四、内螺纹管抑制传热恶化的作用运行和试验证明，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，但由于采用了内螺纹管水冷壁，抑制了膜态沸腾的发生。图12-6表示了内螺纹管和光管的壁温随质量含汽率的变化关系。试验条件为：p=18.5ＭPa，q＝490kw/m2，ρω=1000～1100kg/(m2s)。试验用内螺纹管的结构如图12-7所示。2024/2/24202024/2/2421内螺纹管结构

2024/2/24222024/2/2423与光管相比内螺纹管传热特性

质量流速1500kg/m2s内螺纹管核态沸腾偏离核态沸腾膜态沸腾核态沸腾

质量流速1500kg/m2s光管2024/2/2424表12-1内螺纹管与光管中质量含汽率的允许变动范围

内螺纹管光管汽包压力MPa16.6/18.1/19.3/20.716.6/18.1/19.3/20.7最大允许的χ0.940/0.915/0.875/0.7800.485/0.385/0.185/0.185燃烧器区域χ0.155/0.165/0.185/0.2330.155/0.165/0.185/-△χ允许范围0.785/0.750/0.690/0.5400.330/0.220/0.0/-2024/2/2425第三节汽液两相流的特性参数及流动阻力一、汽液两相流体流动的均相模型（一）两相流的流速均相模型：所谓汽液两相流体流动的均相模型是假定在通道内汽和水是均匀混合的；水和汽之间无相对速度；只考虑汽的比容比水的比容大。1、质量流速ρω单位时间内流经单位流通截面的工质质量称质量流速，用ρω表示。2、循环流速ω0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称为循环流速。2024/2/24263、折算流速假定流过的汽水混合物中某相工质占有管子全部截面时计算所得的流速称为该相的折算流速。4、混合物流速ωhu2024/2/24275、真实流速（二）含汽率1、质量含汽率x在汽水混合物中，流过蒸汽的质量流量D与流过工质总的质量流量G之比称为质量含汽率。2024/2/24282、容积含汽率β3、截面含汽率φ2024/2/2429（三）两相流的密度1、流量密度ρhu2、真实密度二、两相流的流动阻力1、流体加速压降当流体在管中受热或压力变化时，由于动量增加而引起静压下降，这就是加速压降。2024/2/24302、重位压差3、摩擦阻力2024/2/24314、局部阻力2024/2/2432三、汽液两相流体流动的分流模型

蒸发管内的流型主要表现为泡状流、环状流。这种流型的特征是在管子壁面处形成环状水膜，蒸发产生的蒸汽集中在管子中心处，如图12-8所示。设：水的流通断面为Ｆ＇，蒸汽的流通断面为Ｆ〃，管段的高度为△H，水的真实流速为ω＇，汽的真实流速为ω〃，则汽水的相对速度为△ω＝ω〃－ω＇。图12-8中表示的即为汽液两相流动的分流模型，模型比较接近管内的真实流动情况。所谓汽液两相流动的分流模型是：①管内的汽水混合物是分开流动的，汽在管子中央流动，水贴近壁面流动；②汽和水之间有相对速度。由此导出的汽液两相流动参数可视为接近真实的参数。2024/2/24332024/2/2434第四节、水循环的可靠性指标及计算方法一、影响水冷壁安全运行的主要因素影响水冷壁安全运行的因素很多。诸如：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；汽包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。循环流动的停滞、倒流或膜态沸腾一般导致管子金属内壁面上的连续水膜被破坏，本章主要叙述与水循环特性有关的停滞、倒流和膜态沸腾。二、自然循环工作的可靠性指标设进入上升管的流量为Ｇ，水冷壁的实际蒸发量为Ｄ，从汽包引出的蒸汽流量为Ｄo，水冷壁的流通截面为Ｆ，则用于描写自然循环的几个主要概念是：

2024/2/24351、质量流速ρω定义为：单位时间内流经单位流通截面的工质质量，称为质量流速。2、循环流速ωo定义为：在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速。即

3、质量含汽率χ定义为：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。即4、循环倍率Ｋ定义为：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之比。

5、名义循环倍率Ｋo定义为：按汽包引出的饱和蒸汽量计算的循环倍率。

2024/2/24366、汽包水室凝汽量△Ｄ：在汽包水室中被凝结的蒸汽量就称为汽包水室凝汽量，记作△Ｄ。由于凝汽量的存在，水冷壁中的质量含汽率应按实际蒸发量计算。凝汽量与循环流量的比值被称为凝汽率χnq。

χnq＝△Ｄ/Ｇ△Ｄ＝Ｄ－Ｄo

凝汽率与锅炉压力和负荷有关。7、自补偿能力和界限含汽率自然循环的一个重要特性是吸热较多的管子中，工质循环流量自动增加，循环流速会自动提高，循环安全性越高，这就是自然循环特有的自补偿特性。发生自然循环锅炉失去自补偿能力时的质量含汽率称为界限质量含汽率xjx,对应的循环倍率称为界限循环倍率Kjx

。自然循环锅炉x＜xjx，K＞Kjx。2024/2/2437w0

XXjx(Kjx)2024/2/2438三、简单回路和回路区段的划分1、简单回路一根下降管与一个水冷壁管屏连接而成的回路称为简单回路。简单回路也可以是由一组结构基本相同的下降管与一组结构、位置、流动方向和热负荷都基本相同的水冷壁管屏连接而成的回路。2、上升管区段的划分水循环计算时，需要从水冷壁下联箱为起点，对上升管进行区段划分，如图12-9。通常将上升管划分为：（1）热水段：进入的水由于静压升高和省煤器出口水不饱和而不能立刻开始沸腾，因而需要确定沸腾点。在沸腾点之前，上升管内为单相水。（2）含汽段：含汽段是上升管的主要区段，在含汽段，管内汽水混合物的密度大小或密度分布变化较大，一般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。2024/2/24392024/2/24402024/2/2441（3）热后段：此区段的上升管不吸热，管内汽水混合物的密度不变。当管内汽水混合物引入汽包顶部时，汽水导管将超过汽包水位面高度，此段称为超高段。四、水循环特性曲线和循环回路的工作点根据水冷壁吸热方程分别求解上升系统和下降系统的压差方程和流量方程，上升系统和下降系统的总压差曲线交点就是水循环回路的工作点。1、简单回路的特性曲线图解法（压差法）如图12-11所示。2、复杂水循环回路大容量自然循环锅炉通常由4～6根大直径下降管与20～24个以上的水冷壁管组相联接，即一根下降管与4～6个水冷壁管组相联接，形成复杂回路。在水循环计算时，一般将一根下降管与2个或2个以上的水冷壁管组相联接的循环回路称为复杂回路，如图12-12。2024/2/2442下降管系统的侧压差：Ｙxj＝P1-P0＝ρxjｇh－△Ｐxj

，Ｐa上升管系统的侧压差：Ｙss＝P2-P0＝ρhugh＋△Ｐss

，Ｐa水在回路中循环流动时，下降管侧的压差Ｙxj与上升管侧的压差Ｙss相等。即：Ｙxj＝Ｙss这就是水循环计算的压差法。2024/2/2443

2024/2/24443、复杂回路的水循环特性曲线图解法（压差法）图12-12所示复杂回路的水循环特性曲线如图12-13所示。图中曲线1′、1″、1表示上升系统1′-1-1″的特性曲线，上升系统包括分配水管、上升管、汽水引出管以及汽水分离器；曲线2‘、2〃、2表示上升系统2’-2-2〃的特性曲线。将分配水管、上升管、汽水引出管以及汽水分离器的压差相加，即可分别得到两个上升系统的压差－流量曲线Ｙs1＝f(Ｇ)和＝f(Ｇ)。然后再将两个系统的流量相同的压差下相加，得到曲线Ｙs1+Ｙs2，此曲线与下降管的压差曲线Ｙxj的交点，形成了这一复杂回路的工作点。下降管侧压差：Ｙxj＝P1-P0＝ρxjｇh－△Ｐxj

，Ｐa上升管侧压差：Ｙss＝P2-P0＝ρhugh＋△Ｐss

，Ｐa并联管道，压差相同，流量相加；串联管道，流量相同，压差相加。2024/2/24452024/2/2446第五节、自然循环常见故障及提高循环安全性的措施一、自然循环的常见故障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。如前所述，那些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。2、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。这种破坏绝不亚于停滞、倒流和膜态沸腾的影响。与此同时，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。2024/2/24473、上升系统的流动阻力影响上升系统流动阻力的因素：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。4、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，由于汽包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。因此，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。5、循环停滞锅炉炉膛四周的水冷壁由数百根管子并联组合成，它们分成几个以至几十个独立的水循环回路，如图12-3所示。2024/2/2448由于炉膛中温度场分布不均，水冷壁管屏之间或管子之间的吸热强度就会存在偏差，加上上升系统的结构偏差和流量分配偏差，将导致每根管子和管屏间的受热强度不同，循环推动力也不同。即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，当管子的重位压头接近于管屏的压差时，受热弱的水冷壁管内就会出现流体的停滞现象。从循环特性来看，停滞现象是：循环流速ωo→0，但ωo≠0；即循环流量G=D，但G≠0；停滞管的压差等于下降管的压差，即Ytz=Ｙxj，但停滞管的流动阻力△Ｐtz→0。当汽水混合物从汽包汽空间引入时，还会出现自由水面。具体表现是：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。危害：在管内工质不流动的情况下，汽泡容易聚集在管子的弯头和焊缝处，由于管子受热和汽泡合并，可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就会过热超温。2024/2/2449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；且当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力。6、倒流在并联工作的水冷壁管子之间，由于受热不均，上升管之间形成了自然循环回路。这时，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”。倒流现象是：本来应该是工质向上流的上升管，变成了工质向下流的下降管。从循环特性来看，倒流现象的表现是：倒流管的压差大于同一片管屏或同一回路的平均压差，即Ｙdl＞Ｙhl。从而迫使工质向下流动。7、汽水分层水平或倾斜管发生。2024/2/2450

2024/2/2451二、下降管带汽或自汽化下降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。这样，一方面进入下降管的实际水流量减少，即循环流量降低；另一方面，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，使Ｙxj值下降。这两方面的因素都会导致水循环安全裕度下降，即产生停滞、倒流的可能性增大。下降管带汽原因：下降管入口阻力大、入口旋涡斗、汽包水的自汽化(汽包水欠焓)、锅炉水带汽、汽包液面高度、下降管受热。防止下降管带汽的办法：除了在下降管入口安装隔栅外，运行时应注意维持正常的汽包水位。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。保证汽包