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1、热能与动力工程,第十章强制流动锅炉及水动力特性,热能与动力工程,强制循环锅炉、直流锅炉出现的原因,1 P升高，汽水密度差下降，自然循环推动力下降，所以需要采用强制流动；2 由于压力提高，汽包体积大，壁厚，存在厚钢板供应困难，和制造工艺困难。3 给水处理技术落后，锅内腐蚀严重。,热能与动力工程,直流锅炉也是大容量锅炉发展方向之一。特别是采用超临界参数的锅炉，直流锅炉是唯一能采用的锅炉型式。,热能与动力工程,一、直流锅炉工作原理及过程工质依靠给水泵的压头一次通过预热、蒸发、过热各受热面而加热成为过热蒸汽。给水流量 G 蒸发量 D,给水泵 省煤器 水冷壁 过热器,第一节直流锅炉,热能与动力工程,热能
2、与动力工程,热能与动力工程,二、直流锅炉的特点 本质特点无汽包工质一次通过各受热面，强迫流动受热面无固定界限水冷壁中工质流动特点受热不均对流动影响水动力多值性有脉动现象给水泵压头大；,热能与动力工程,传热过程特点在水冷壁中工质干度 x 由0 一1，因此第二类传热恶化一定出现热化学过程特点要求给水品质高控制调节过程特点直流锅炉对自动控制系统要求高，原因如下负荷变动时，直流锅炉的蓄热能力较低，依靠自身炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低 直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量，以保证物质平衡和能量平衡，才能稳定汽压和汽温。所以直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高。,热能与动力工程,启动
3、过程特点设有启动旁路启动速度快在启动过程中，有工质膨胀现象启动一开始，必须建立启动流量和启动压力,热能与动力工程,设计、制造、安装特点直流锅炉适用于任何压力蒸发受热面可以任意布置节省金属制造方便,热能与动力工程,三、蒸发受热面主要形式（一）、早期采用的形式本生型，即多次串联垂直上升管屏式苏尔寿式，即多行程迂回管屏式拉姆辛型，即水平围绕上升管圈式式,热能与动力工程,垂直上升管屏式 1-垂直管屏；2-过热器；3-外置式过渡区；4-省煤器；5-空气预热器；6-给水如口；7-过热蒸汽出口；8-烟气出口,热能与动力工程,回带管屏式 1-水平回带管屏；2-垂直回带管屏；3-过热蒸汽出口；4-过热器；5-外
4、置式过渡区；6-省煤器；7-给水入口；8-空气预热器；9-烟气出口,热能与动力工程,水平围绕管圈式 1-省煤器；2-炉膛进水管；3-水分配集箱；4-燃烧器；5-水平围绕管圈；6-汽水混合物出口集箱；7-对流过热器；8-壁上过热器；9-外置式过渡区；10-空气预热器,热能与动力工程,（二）、现代直流锅炉采用的形式 由于锅炉向大容量、高参数发展；采用了膜式水冷壁；滑参数运行和给水处理技术发展。因此直流锅炉形式有了很大的变化。一次垂直上升管屏式（UP型）炉膛下部多次上升、炉膛上部一次上升管屏式（FW型）螺旋围绕上升管屏式,热能与动力工程,一次垂直上升管屏式（UP型）,热能与动力工程,两次垂直上升管屏
5、式FW型,热能与动力工程,螺旋围绕上升管屏式,热能与动力工程,（三）螺旋管圈型水冷壁,使用螺旋管圈水冷壁的原因 在定的炉膛周界情况下，如采用垂直布置的水冷壁管，其管子根数基本固定，管子直径不能过细，为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的。容量较小的直流锅炉水冷壁往往存在着单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速,热能与动力工程,解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有下述四种：（1）采用小管径和多次混合的水冷壁（2）水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）（3）采用多次上升垂直管圈型水冷壁（4）采用螺旋管圈型水冷壁
6、。,热能与动力工程,螺旋管圈型水冷壁关键参数：管子根数,式中：N 并列管子根数；L 炉膛周界 螺旋管上升角；T 水冷壁管子节距,热能与动力工程,热能与动力工程,螺旋管圈型水冷壁关键参数：上升角度盘旋圈数（圈数太少会部份丧失螺旋管圈在减少热偏差方面的效益；圈数太多会增加阻力而增加给水泵功耗。推荐值：1.52.5圈,热能与动力工程,采用螺旋管圈水冷壁的优点,能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行；管间吸热偏差小；抗燃烧干扰能力强；可以不设水冷壁进口的分配节流环；适应于锅炉变压运行的要求。,热能与动力工程,第二节控制循环锅炉,工质在蒸发管中做多次强制循环流动，仍然用于亚临界压力范围内，故
7、又称为多次强制循环锅炉。,热能与动力工程,可以采用更细的管子；蒸发受热面的垂直布置，比较自由；锅筒、汽水分离器尺寸小，金属耗量少，但循环水泵的投资和运行费用均较大。增加了数台循环水泵，关键设备,一、特点,热能与动力工程,二、强制循环锅炉的水动力特点,由于同直流锅炉一样，同为强制流动，因而，在蒸发受热面的可靠性方面，与对直流锅炉水动力特性的分析一样，存在着：1水动力特性不稳定性问题（多值性）；2流体脉动；3热偏差。,热能与动力工程,三、工作特点,循环倍率K1，但较低（35或更小），因而循环水量小，循环推动力大。由于循环水泵的特性，水冷壁中工质的流量变化不大。与自然循环锅炉相比，控制循环锅炉启动、
8、停炉和变负荷速度更快。运行耗电量较大，费用高（强制循环泵）。,热能与动力工程,复合循环锅炉：低负荷时能保证必需的质量流速，高负荷时质量流速又不过大，是适合于亚临界和超临界压力的一种比较理想的锅炉型式。,第三节复合循环锅炉,热能与动力工程,工作原理,热能与动力工程,复合循环,3,8,4,5,6,1,1循环泵；2锅筒；3省煤器；4炉膛水冷壁 5节流阀；6 分配集箱；7给水泵；8混合器,热能与动力工程,再循环量,给水量,水冷壁流量,100,50,0,50,100,7,A 全负荷复合循环,锅炉负荷/100%,亚临界压力复合循环,热能与动力工程,再循环量,给水量,100,50,0,50,100,水冷壁流
9、量,B 部分负荷复合循环,锅炉负荷/%,1水冷壁；2-汽水分离器；3-省煤器；4-混合器；5-循环泵；6-控制阀；7-节流阀,热能与动力工程,第三节 水动力特性,一、水动力不稳定性（多值性）水动力特性：在一定热负荷条件下，直流锅炉蒸发受热面中，工质流量G与流动阻力p之间的关系当蒸发受热面进出联箱两端压差一定的条件下，管内可能出现多种不同的流量，即水动力特性出现多值性，这样的流动特性就是不稳定的。流量小的管子，管内对流换热系数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。水平管圈特性方程 在一定的热负荷下，管屏的压差与质量流量的关系式。,热能与动力工程,管内工质流动阻力P=P lz=P rs+
10、Pzf,推导可得,热能与动力工程,水动力特性曲线,在此图中，1，3 线为单值特性曲线 2 线为多值特性曲线。但在实际中会出现那种图形，取决于特性方程式中，A,B,C这三个参数的取值。如果出现曲线2所示图形，就表在一个压差下，对应有23个流量，即水动力成多值性。,热能与动力工程,水动力多值性的具体表现是：对于一根管子，流量有时大有时小；对于并联工作的一组管子，有的管中流量大，有的管中流量小。这些现象一旦出现，水冷壁就处在不安全的运行状态。,热能与动力工程,产生原因,在某区段（如曲线2的cd段），随着w 增加，Lrs增加，Lzf减小，使得D减小，相应的 x 也减小；而且x减小影响程度比w 增加影响
11、程度大。因此，随着w 增加，P rs 增加的值比 Pzf 减小的值少。,热能与动力工程,单值性条件,热能与动力工程,影响直流锅炉水动力多值性的因素,锅炉运行时，影响水动力多值性的具体因素比较复杂，主要因素有:,1）工质压力,热能与动力工程,蒸发管进口的工质压力对水动力多值性的影响起主要作用。当压力降低时，汽水密度差增大，水动力趋于不稳定。但是，压力对水动力多值性的影响具有多重性。即压力降低时，汽水比容差增大，水动力多值性加剧；但压力降低，工质汽化潜热也随之增大，在吸热量一定时，蒸发量减少；压力降低，还会使受热面进口水欠焓相应减小，这又会减弱水动力多值性。但是，压力降低使汽水比容差变化得较多，因
12、而其综合影响是加剧了水动力多值性。图13-11的试验曲线表明了压力对水动力特性的影响。,热能与动力工程,2）质量流速,直流锅炉蒸发管内的质量流速随负荷而变，锅炉负荷越低，越容易发生水动力多值性。因为质量流速越小，工质流量分配越不均匀。从式(13-7)来看，质量流速越小，各项系数的影响作用就越大，越容易发生水动力多值性。,热能与动力工程,3）蒸发管进口水欠焓,热水段的存在说明蒸发管进口工质欠焓。在热负荷一定的条件下，工质欠焓越大，Lrs就越大，Lzf就越小，虽然热水段阻力Prs有所增大，但由于受Lzf减小，尤其是受汽水混合物平均速度降低的影响，蒸发段阻力Pzf降低的更多，使压降P随流量G的增加出
13、现多值性。工质欠焓增大主要发生在高加解列的场合，如果此时质量流速过小，则水动力多值性就难以避免。工质进口水焓值对水动力特性的影响见图13-12。,热能与动力工程,热能与动力工程,4）热负荷q,图13-13的曲线表示了热负荷对蒸发管水动力特性的影响。在亚临界压力下，当锅炉负荷和给水温度一定时，水冷壁热负荷变化直接影响蒸发点的位置变化，从而影响水动力特性。例如，当q降低(水冷壁吸热量Q降低)时，增加了热水段Lrs的长度，减小了蒸发段Lzf的长度，相当于增大了工质欠焓，使水动力趋于不稳定。,热能与动力工程,热能与动力工程,5）锅炉负荷,图13-14表示了负荷变化对水动力特性的影响。直流锅炉在低负荷运
14、行时，比高负荷时的水动力稳定性要差得多。因为低负荷时，压力低，质量流速小，进口工质欠焓大，热负荷降低，热偏差增大。可见，此时在多种不利因素的同时作用下，水动力不稳定性的程度必然增大。,热能与动力工程,热能与动力工程,6）重位压头,影响垂直上升管屏的水动力特性的因素更为复杂。即影响水平管水动力特性的因素同样影响着垂直管屏，而且受重位压头和热偏差的影响，垂直管屏不但可能出现水动力不稳定现象，还可能出现停滞和倒流问题。因此，垂直管屏水动力稳定性条件要求更高。,热能与动力工程,7）工质的热物理特性,超临界压力锅炉的水冷壁管内工质虽然是单相流体，但由于工质的温度随吸热量增加而变化，当工质温度处于大比热区
15、且吸热量同时增大时，工质温度变化不大，但比容发生剧烈变化，引起工质的膨胀量急剧增大，有可能产生水动力不稳定现象。,热能与动力工程,提高水动力稳定性的方法,1）提高质量流速w,现代直流锅炉为防止水动力不稳定性，选用较高的质量流速。提高质量流速，即可避免水动力多值性，又可防止停滞和倒流，因此提高质量流速是提高水动力稳定性的最有效的方法。,热能与动力工程,2）提高启动压力p,采用变压运行的螺旋管圈水冷壁的直流锅炉，应避免低负荷时的工作压力过低。对于垂直管屏，如果不采用实现变压运行的新技术，则最好采用全压启动方式。,热能与动力工程,3）采用节流圈,在水冷壁入口安装节流圈可增大热水段的阻力。加装节流圈后
16、，管子的总压降为 P=PlzPjl，Pa（13-16）当流量增大时，节流圈的阻力随着增大，使热水段的流动阻力总是占优势。节流圈对水动力稳定性的作用如图13-15所示,热能与动力工程,热能与动力工程,4）减小进口工质欠焓i,对于直流锅炉，水冷壁进口工质欠焓是必然存在的。i=0时，因局部的汽泡不会被凝结或因工质比容变化，水冷壁进口联箱中分配给每根水冷壁管的流量不均匀性就可能增大。但欠焓减小，减小了热水段长度，增加了蒸发段长度，有利于提高水动力的稳定性。,热能与动力工程,5）减小受热偏差,运行实践表明，水动力不稳定性主要是由汽水比容变化增大和热偏差造成流量分配不均引起的。因此，减小水冷壁的受热偏差是
17、维持水动力稳定性的重要条件。锅炉运行中，应及时吹灰，防止水冷壁结渣、积灰；防止火焰偏斜，保持良好的火焰充满度；在燃烧器区域投入再循环烟气并使燃烧器多层布置且增大喷口间距。这些措施均可以减小水冷壁管外的受热偏差。尤其要注意在低负荷运行时，热偏差有增大的趋势。,热能与动力工程,6）控制下辐射区水冷壁出口温度,对于超临界压力锅炉，下辐射区水冷壁处于热负荷最高的区域，吸热最强，为了避免工质的比容剧烈变化，应将工质的大比热区避开热负荷较高的燃烧器区。这就要求控制下辐射区水冷壁出口工质的温度，使其低于拟临界温度。,热能与动力工程,7）控制水冷壁热负荷,在亚临界压力下，当负荷一定时，控制水冷壁热负荷实际上控
18、制了蒸发点位置，使热水段和蒸发段的阻力保持稳定；在超临界压力下，则控制了汽水比容的剧烈变化。,热能与动力工程,垂直管圈垂直管屏的水动力特性，必须考虑重位压差的影响重位压差的影响对水动力特性的影响有利于水动力特性趋向稳定,P=P lz+Pzw,Pzw=Hrs rs g+Hzf zf g 当质量流速增加时，垂直管中重位压差的影响减少，这时的水动力特性趋向于水平管圈的水动力特性;当质量流速小时，垂直管中重位压差的影响大，这时的水动力特性趋向于自然循环管子的水动力特性。,热能与动力工程,在超临界压力下在大比热区考虑到管内工质沿截面的不等温性；在大比热区温度的微小变化会引起动力粘度较大的变化，从而引起摩
19、擦阻力系数较大的变化，也有可能出现水动力多值性的问题。,热能与动力工程,二、蒸发受热面中流体的脉动现象 在两端管屏两端压差相同，当给水量和流出量总量基本不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周期性波动，这种现象称为管间脉动。动态不稳定水动力特性：脉动（随时间变化）静态不稳定水动力特性：多值性（不随时间变化）1、脉动种类 整体脉动屏间（屏带或管屏）脉动 管间脉动,热能与动力工程,特点：管屏两端压差相同的情况下，管屏间管子中的有些流量在增加，另外一些管子的流量减少 同一根管子，给水量随时间作周期性波动，蒸发量也随时间作周期性波动，它们的波动相位差为180脉动是不衰减的 对于垂直上升管屏，也有管间脉动
20、现象发生。且对脉动更敏感，更加严重,热能与动力工程,热能与动力工程,2、管间脉动分析 脉动产生机理（尚未完全弄清楚）脉动现象是当流量G大时，蒸发量D小；流量G小时，蒸发量D大 脉动现象解释在管子中间某一点一定存在着一个压力峰。当某点压力P高时，进水端压差（P1-P）下降，流量G减少，当P大大增加时，可能引起水倒流；出口端压差（P-P2）增加，蒸发量D增大。当某点压力下降时，进水端压差增加，流量G增加；出口端压差减小，D减小。,热能与动力工程,压力峰 压力峰形成,压力峰下降,压力重新形成,热能与动力工程,脉动危害发生这种管间脉动时，热水段、蒸发段、过热段都在作周期性波动，在交界处附近壁温周期性变
21、化，最大波动甚至达到150，因而使管子产生疲劳破坏。并联各管会出现很大的热偏差，当超过容许的热偏差值时，也将使管子超温过热而损坏。,热能与动力工程,消除脉动措施增大管内工质质量流量 w 增大热水段阻力 加节流圈；采用逐步扩大的管径（省煤 器采用较小管径）减少蒸发段阻力 增加呼吸联箱，呼吸联箱处使压力均衡合适的压力和热负荷,热能与动力工程,三、蒸发受热面中热偏差 1、热偏差 定义并列管组中各管，因为各管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷可能各不相同，因此每根管子中蒸汽的焓增也就不同，这种现象叫做热偏差。热偏差系数,热能与动力工程,热能与动力工程,2、特点直流锅炉工质在水冷壁中全部蒸发，热偏差会对
22、传热恶化造成很大的影响，且水冷壁出口工质温度已过热，所以水冷壁热偏差对水冷壁管子安全有很大的影响，不可忽视。超临界压力时，工质不存在恒定的饱和温度，偏差管工质温度差别更高。,热能与动力工程,3、影响因素热力不均匀热负荷分布不均匀。锅炉炉膛中沿宽度方向烟气的速度场、温度场和热流的分布不均匀是造成水冷壁并联管组吸热不均匀的主要原因。和机组容量，炉内燃烧、流动工况，燃烧器布置和运行方式，负荷变化，煤种变化等有关。,热能与动力工程,水力不均匀水平管圈,热负荷的影响结构的影响工质在受热面进口处的焓值的影响压力的影响,热能与动力工程,水力不均匀垂直管圈,热能与动力工程,重位压差的影响类似于自然循环自补偿作
23、用的影响，使重位压差有减轻或改善流量不均的作用；重位压差占流动阻力比例愈大，其影响愈大，流量不均愈小。决定重位压差占总流动阻力比例的因素是质量流速，它取决于锅炉的负荷。负荷增加，重位压差在总阻力中所占份额减少，即锅炉在高负荷时，重位压差作用减小，流动特性表现出强迫流动特性。当锅炉在低负荷时，重位压差在总阻力中所占份额增大，重位压头作用增大，流动更多地表现出自然循环特性。在负荷较低时，有可能导致出现流动的停滞和倒流。,热能与动力工程,4、消除及减轻措施 减小受热不均匀 减小结构不均匀 减小受热不均对热偏差的影响 加节流圈 增大管内工质质量流量 w,热能与动力工程,四、蒸发受热面中传热恶化现象 管
24、内工质沿着长度方向吸热并且含汽率的增加，工质的流动结构也相应发生变化。由于流动结构不同，传热特性不同，以及管内工质温度的变化，则管壁温度也随之变化。,汽化类型：蒸发与沸腾。,热能与动力工程,管内工质流动沸腾传热工况,热能与动力工程,局部出现膜态沸腾或出现蒸干，使得管内换热减弱，在蒸发受热面管段某一处会出现壁温的峰值，甚至使管子烧坏。这两种现象统称为传热恶化。1、临界压力以下传热恶化类型第一类传热恶化当热负荷较高（大于某个值）时，可能出现核态沸腾直接过渡到膜态沸腾的现象，称为偏离核沸腾，或用DNB（Departure from Nucleate Boiling）来表示。管内2减小，壁温升高。,热
25、能与动力工程,特征参数 临界热负荷 q lj影响q lj的因素：质量流速、含汽率、压力、管子内径和管子长度与内径的比值,热能与动力工程,第二类传热恶化所谓第二类传热恶化是发生在环状流动或者汽雾状流动情况下，因水膜撕破或“蒸干”所造成的管内2减小，壁温升高的传热恶化现象。特征参数 界限干度（质量含汽率）x jx汽流中的水滴还湿润管壁时，x jx与热负荷有关。汽流中的水滴没有润湿管壁时，x jx与压力、质量流速和管径有关,热能与动力工程,2、超临界直流锅炉传热恶化特点第一类传热恶化可能出现第二类传热恶化一定出现在大比热区内，也会发生传热恶化，称为类膜态沸腾。在大比热区，比容（密度）的变化相当大，工
26、质的温度几乎不变；在管子内壁面附近工质密度比中心处小34倍，在流动截面上存在不均匀性，出现最小的传热系数。当热负荷高时，出现传热额恶化。,热能与动力工程,超临界压力下传热恶化实验曲线p=23MPa，w=400kg/(m2.s)1 q=698kW/m2；2 q=6580kW/m2；3 q=465kW/m2；4 q=349kW/m2,热能与动力工程,热能与动力工程,3、解决传热恶化措施使用较好的材料 如SA213-T23钢，耐温极限可达460 推迟传热恶化 提高界限含汽率，使得传热恶化出现在低热负荷区，从而降低壁温抑止传热恶化 提高w 使用内螺纹管或扰流子,热能与动力工程,内螺纹管(a)单头(b)多头(c)优化结构,(a),(b),(c),热能与动力工程,热能与动力工程,热能与动力工程,第五节超临界机组锅炉实例,HG-1950/25.4-YM1,
