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1、电厂锅炉原理,第七章 蒸发设备 第十章 自然水循环原理及计算,第七学习单元：自然水循环常见问题及防止,任务1：蒸发设备结构、作用、布置认知任务2：自然水循环基本原理及计算任务3：水循环常见问题的分析与防止,学习目标：掌握蒸发设备的结构、作用、布置的基础上，明确自然水循环的基本原理，并会实际运行锅炉进行水循环安全性分析。,本单元主要学习任务,任务1：蒸发设备结构、作用及布置认知,何谓蒸发设备？有哪些设备构成？各设备的结构、作用？如何布置？,一、概述,蒸发设备的组成：汽包、下降管、水冷壁、联箱及其连接管道,图7-1 自然循环蒸发设备示意图1汽包；2下降管；3下联箱；4水冷壁；5上联箱；6导气管；7
2、炉墙；8炉膛,下降管：大直径集中型，46根,联箱：圆筒形容器,上联箱：收集工质下联箱：分配工质,二、汽包,圆筒形容器，由筒身和封头组成长20m左右，内径1.52m布置于炉外顶部不受热，采用悬吊结构,图7-4汽包的悬吊结构1汽包；2U形吊杆；3炉顶钢梁,（一）汽包的结构,汽包安装,图7-3 汽包的外形结构实例1筒身；2封头；3人孔门；4管座,（二）汽包的作用,加热、蒸发、过热三个过程的连接枢纽和大致分界点一定的蓄热能力，稳定汽压内部装置可以提高蒸汽品质外接附件保证锅炉工作安全（水位计、安全门、压力表）,图7-5 受热面管子和管道与汽包的连接1省煤器；2汽包；3下降管；4水冷壁；5过热器,限制汽包
3、上下壁、内外壁温差小于50 oC，防止产生过大热应力,（三）汽包的安全运行,限制工作压力（设置安全阀）,运行中，通过控制燃烧速率、限制启停炉的速度来达到控制壁温差的目的,三、水冷壁,水吸热转变为蒸汽；降低烟温，防止结渣；保护炉墙；降低锅炉造价,（一）水冷壁的作用（4个方面）,水冷壁安装图,二、水冷壁的结构及类型,光管式（已基本不用）销钉式（特殊结构中用，如卫燃带、流化床密相区）膜式（广泛应用）,光管式,销钉式,膜式壁,（三）水冷壁的布置,水冷壁的悬吊及热膨胀(上部固定，下部自由膨胀),图7-11 折焰角结构（a）早期的折焰角结构；（b）新型折焰角结构,折焰角,作用：1、提高火焰在炉内的充满度，
4、改善了炉内燃烧工况，又改善了屏式过热器的空气动力特性，增加了横向冲刷作用；2、延长了水平烟道的长度，便于对流式受热面布置，使锅炉整体结构紧凑。,燃烧器区域的水冷套,双面曝光水冷壁,布置：沿炉膛高度2.53m布置一层；布置于炉外不受热；固定在水冷壁上，但可以相对滑动,图7-15刚性梁的布置,（四）刚性梁,作用：加固水冷壁和炉墙,烟侧：高温腐蚀、结渣（固排炉）、炉底析铁（液排炉）,五、水冷壁的安全运行,水侧：沸腾传热恶化、流动不正常等,高温腐蚀是高温受热面烟气侧在高温烟气环境下且管壁温度较高时发生的的腐蚀。,影响水冷壁外部腐蚀的最主要因素是水冷壁附近的烟气成分和管壁温度,减轻措施（1）改进燃烧。（
5、2）避免出现管壁局部温度过高。（3）保持管壁附近为氧化性气氛。（4）采用耐腐蚀材料。,任务2：自然水循环原理及计算,自然水循环的原理？水循环安全性的可控性指标有哪些？这些指标如何进行计算？,图10-1 循环回路示意图1汽包；2下降管；3下联箱；4水冷壁,一、自然循环基本原理,自然水循环：依靠汽水密度差推动工质在回路中流动的循环,1自然循环回路的总压差,稳定流动时：,即有,2循环回路的运动压头,压差公式移项并整理得,（1）运动压头：回路中工质流动的推动力,稳定流动时：,（2）有效压头：运动压头扣除上升系统的总阻力后的剩余压头,稳定流动时：,锅炉的工作压力：随压力的提高，饱和水和饱和汽的密度差减小
6、，运动压头也减小。因此，目前自然循环锅炉的的最高汽包压力约为19MPa，压力再高就很难保证水循环的稳定性，这时需要采用强制流动，即借助水泵的压头来推动工质流动。,3、运动压头的影响因素（重点）,回路高度：增加循环回路的高度，运动压头增大。,下降管工质密度：下降管含汽，下降管内工质的平均密度将减小，运动压头也随之降低。,上升管内工质密度：上升管受热增强时，产汽量增多，汽水混合物的平均密度减小，运动压头随之增大。,二、自然水循环的可靠性指标,水冷壁内流动的工质是汽水两相流，其流动状态决定其换热状态，进而影响到水循环的可靠性。流动状态是由两相流动特性参数来描述的。,（一）两相流动特性参数,1、流速参
7、数,（1）质量流速单位时间内流经单位流通截面的工质质量称为质量流速,kg/（m2s）,（2）循环流速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水速,（4）混合物流速,（5）真实流速,折算蒸汽流速：折算水速：,（3）折算流速,2、含汽率参数,3、密度参数（了解）,（1）质量含汽率在汽水混合物中，流过蒸汽的质量流量D与流过工质总的质量流量G之比,（2）容积含汽率,（3）截面含汽率,流动密度、真实密度,（一）循环流速 循环流速的大小直接反映了管内工质带走管外传入的热量及所产生汽泡的能力。循环流速越大，单位时间进入上升管的工质越多，从管壁带走的热量及所产生的汽泡越多，管壁的冷却条件
8、越好。,（二）循环倍率与自补偿特性,在循环回路中，上升管的入口循环水量G与出口蒸汽量D之比，即,意义：上升管中每产生1kg蒸汽需要进入上升管的循环水量，或进入上升管的水全部变成蒸汽需要在循环回路中循环的次数,（二）水循环可靠性指标,1循环倍率的概念,一要保证锅炉具有自补偿特性（xxjx=1/Kjx)二要保证不出现沸腾传热恶化(xxc),图10-12 循环流速与上升管质量含汽率的关系,2自补偿特性,当x xjx：失去自补偿能力,3界限循环倍率kj,定义：自然循环的安全限值。,界定条件,回路安全工作条件：KKj,Kj=max(Kjx，Kc),三、水循环计算（了解）,（1）建立方程（压差法、压头法）
9、（2）解方程（计算机试算法、特性曲线图解法）,水循环计算的目的,根据回路的压差和压头公式，确定回路的安全指标，鉴定回路工作可靠性,水循环计算的方法：,循环回路,简单回路复杂回路,【管内两相流动的压力降计算】1重位压头2流体加速压降3流动阻力,向上流，取“+”，向下流，取“-”,图10-14 简单回路的分段实例,水循环计算基本方程式,（1）压差法,pxj=pss,（2）压头法,公式中的各项在确定时参见图10-14进行,假定三个循环水速，计算三个对应的下降系统、上升系统的总压差，然后将各压差与G的对应点在p-G坐标上标出，并分别将三点连成两条平滑的pxj-G 和pss-G曲线。这两条曲线的交点就是
10、这个简单回路的工作点。,图10-15压差法确定简单回路工作点的图解曲线,图10-16压头法确定简单回路工作点的图解曲线,循环回路特性曲线与工作点,概念：在热负荷一定的条件下，回路的压头、压差、阻力等与循环水量和循环流速之间的函数关系曲线,1.简单回路自然循环特性曲线图解法,参见图10-13（c）的复杂回路，弄清各串联、并联关系叠加原则：串联系统，同一流量下，压差（头）相加；并联系统，同一压差（头）下，流量相加,图10-17 串联上升系统的特性曲线,图10-18 并联上升系统的总特性曲线及回路工作点的图解法,2.复杂回路自然循环特性曲线图解法,图10-3（c）复杂回路,任务3：自然水循环常见问题
11、分析及防止,并列管之间存在受热不均，有受热强些的，有受热弱些的，从而出现了不同的水循环问题。,受热强管：沸腾传热恶化受热弱管：循环停滞、倒流、自由水位等,另外，在运行中还会出现下降管带汽现象,（一）汽水两相流的流型和传热,图10-2 均匀受热垂直上升蒸发管中两相流的流型和传热工况,一、沸腾传热恶化,1、流型,2、传热,不安全点：蒸干点，此点的含汽率称为临界含汽率Xc,现象：热负荷很高，在过冷沸腾区，汽泡生成速度过快，管中心为水，贴壁层为一圈水膜，传热恶化，壁温飞升。条件：qqc,1沸腾传热恶化的现象及发生条件,图10-3 传热恶化示意图（a）第一类沸腾传热恶化；（b）第二类沸腾传热恶化,（二）
12、汽水两相流的沸腾传热恶化,现象：热负荷不太高时，环状流的水膜被蒸干，传热恶化，壁温飞升条件：xxc,（2）第二类沸腾传热恶化,（1）第一类沸腾传热恶化,第一类沸腾传热恶化通常发生在含汽率较小或水存在欠热、以及热负荷高的区域。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，a2 的下降较第一类沸腾传热恶化时小，因而t 飞升值较第一类沸腾传热恶化时低。对于自然循环锅炉，在水循环正常的情况下，水冷壁局部最高热负荷均低于其临界热负荷，因此一般不会发生第一类沸腾传热恶化。由于发生第二类时的热负荷比发生第一类恶化时的低得多，因此，它发生的可能性比第一类要大得多。超高压以下的自然循环锅炉，正常情况
13、下的水冷壁出口工质含汽率 x 都低于临界含汽率xc，故也不会发生第二类沸腾传热恶化。亚临界压力的自然循环锅炉，其水冷壁内工质的实际含气率相对较大，很接近其临界含汽率值，故发生第二类沸腾传热恶化的可能较大。,2自然循环锅炉沸腾传热恶化特点,（1）保证一定的质量流速（2）降低受热面的局部热负荷（3）采用内螺纹管（4）加装扰流子,图10-5 内螺纹管结构,图10-6 内螺纹管降温效果光管；2内螺纹管；tbh饱和温度；tnb内壁温度,3沸腾传热恶化的防止措施,图10-7 扰流子结构,图10-8 扰流子降温效果p=18.5MPa；w=1500kg/(m2s)1无扰流子，q=500kJ/m2；2装扰流子，
14、q=400kJ/m2；tgz饱和温度；tnb内壁温度,二、下降管带汽,措施：提高水位、减小入口流速、增大入口水欠焓,1、下降管入口锅水自汽化,因为,所以，不汽化的条件,即,下降管带汽后，回路运动压头降低，循环流速降低，安全性降低,危害：,图10-20下降管入口处的旋涡斗,图10-21 格栅和十字隔板的结构与布置（a）格栅；（b）十字隔板,2.漩涡斗带汽,措施：维持水位、加装格栅、十字隔板,3.汽包内锅水含汽,图10-22 循环停滞示意图,三、循环停滞、倒流、汽水分层,1循环停滞,并列上升管受热不均时，受热弱的上升管产汽量少，循环流速低。当循环流速低到接近或等于零，进入该上升管中的循环水量G只能
15、补充该管所蒸发掉的水量时，称为循环停滞。,对引入汽包汽空间的上升管来讲，发生停滞时，由于停滞管的运动压头很小，不足以将密度较大的汽水混合物提升到最高点再进入汽包。因此，水将停留在上升管的某一部位，形成自由水位,循环倒流发生在引入汽包水空间的上升管或具有上下联箱的水冷壁管组中，且该管受热较弱以致其重位压差大于回路工作压差。这时，该上升管内工质是自上向下流动，即该管实际成为一根受热的下降管。,图10-24 汽水分层,对于水平或微倾斜管，若管内工质流速低，则会出现汽水分层。尽可能的不布置水平或倾斜度小于15的蒸发管,2循环倒流,3汽水分层,在结构和布置上（1）按受热面热负荷的大小划分循环回路（2）改
16、善炉膛四角边管的受热状况。（3）采用平炉顶结构运行方面（1）保持炉膛火焰中心位置，避免火焰偏斜。（2）保持水冷壁清洁，防止局部结渣积灰。（3）避免锅炉长时间低负荷运行。,四、提高水循环安全性的措施,1减小并列蒸发管吸热不均,降低下降管和汽水导管的阻力，可以有更多的剩余压头克服上升管的阻力，从而提高循环流速和循环倍率，有利于上升管的工作安全，措施有：（1）采用大直径下降管（2）选择较大的下降管截面积比和汽水引出管截面积比（3）防止下降管带汽,2降低下降管和汽水导管的阻力,3确定合适的上升管高度、管径及上升管单位截面蒸发量,小 结,1、蒸发设备的组成及作用？2、自然水循环的原理？3、运动压头的概念及影响因素？4、可靠性指标概念及意义？5、沸腾传热恶化分类？异同点？防止？6、下降管带汽原因及防止？7、循环停滞、倒流、自由水位发生原因及防止？,作 业,画出蒸发设备构成简图？并分析水侧常见问题及防止措施？,
