锅炉原理9.ppt

2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page1,,第九章自然循环原理及计算,1、锅炉水动力学基础汽水混合物的流型与传热两相流体的基本参数2、自然循环锅炉的水循环及计算自然循环的基本概念简单循环回路水循环计算自然循环故障及其可靠性校验,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page2,,1锅炉水动力学基础,1、两相流体的流动结构2、水冷壁管内传热3、两相流体的速度4、两相流体的含汽率5、两相流体的密度,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page3,,自然循环,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page4,,,弹状结构含汽率x增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻力较小的汽弹,1/4,1、两相流体的流动结构,泡状结构当汽水混合物中含汽率x较小时，蒸汽呈细小的汽泡，主要在管子中心部分向上运动,汽水混合物在垂直管中作上升运动汽、液两相数量，即质量含汽率x不断变化；汽、液两相间存在相对运动；产生汽泡趋中效应,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page5,,雾状结构当含汽率x再增大时，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，汽与水形成雾状混合物，称为雾状或液雾结构,两相流体的流动结构,柱状结构含汽率x继续增大，弹状汽泡汇合成汽柱并沿着管子中心流动，而水则成环状沿着管壁流动，形成汽柱状或称水膜环状流动结构,2/4,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page6,,,两相流体的流动结构,汽水混合物在水平管中流动在浮力与重力作用下，管子上部蒸汽多。当流速小到一定程度时，形成汽、水分层流动。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，产生疲劳损坏。,3/4,汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角愈小，汽水分层愈易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，以防止发生分层流动。,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page7,,,,水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾和沸腾传热恶化两种工况,2、水冷壁管内传热,核态沸腾汽泡强烈扰动，传热性能良好，管内壁温度接近于水的饱和温度，得到良好的冷却,沸腾传热恶化第一类传热恶化（膜态沸腾）热负荷很高，管内壁汽化核心急剧增加，形成连续的汽膜，对流放热系数α2急剧下降，管壁得不到液体冷却超温破坏。特性参数为临界热负荷,第二类传热恶化（蒸干）热负荷比前者低、但含汽率很高时（出现液雾状），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，对流放热系数α2急剧下降，金属壁温tb急剧增加，特性参数是工质的临界含汽率。,4/4,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page8,,,,3、两相流体的速度,质量流速单位时间流经单位流通截面的工质质量,循环流速w0上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速式中G为工质的质量流量；为容积流量,1/4,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page9,,,,,两相流体的速度,折算速度假定蒸汽或水容积占据管子全部截面时的速度D为蒸汽质量流量,混合物速度,真实速度,2/4,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page10,,,,,4、两相流体的含汽率,3/4,容积含汽率蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比,质量含汽率X汽水混合物中蒸汽的质量流量与汽水混合物总质量流量之比,截面含汽率φ蒸汽所占截面与管子总截面之比上升流动C1,φβ,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page11,,,,4/4,5、两相流体的密度,G、Di→Xi→βi→φi→ρi→hρig（重位压头）,混合物密度ρh,真实密度ρzs,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page12,,2自然循环锅炉的水循环及计算,1、自然循环的基本概念2、简单回路水循环计算3、自然循环故障及安全性检查,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page13,,自然循环,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page14,,,简单循环回路压差平衡式取向下为正,自然循环的工作原理下降管中水与上升管中汽水混合物间的重位压头差使水在回路中产生环形流动，水循环,,1、自然循环的基本概念,1/2,式中H、Hi下降管的高度（即循环回路的高度）及上升管各区段的高度，m；下降管中工质及上升管各区段工质的平均密度，kg/m3；Pxj、Ps下降管及上升管流动阻力损失，Pa,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page15,,,,,自然循环的基本概念,运动压头Syd下降管与上升管中工质柱重差，维持回路自然循环的动力，用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力,2/2,循环倍率K循环回路中水流量G与回路中产生的蒸汽量D之比，即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次,有效压头Syx在数值上等于下降管的阻力,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page16,,,,,,2、简单回路水循环计算,1/10,自然循环锅炉水循环计算的目的确定各回路平均循环流速w0、工质流量G；循环倍率Kh确定锅炉总的循环倍率Kg检验水循环的可靠性,压差法水循环计算,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page17,,,,上升管受热,含汽率X不断增加，分区段进行计算，把结构、受热相近的划为一段。A是上升管开始沸腾点,热水段Hrs从下联箱到A点是热水段，其中Hrq为热前段。采用单相流动计算公式上升管进入炉膛（B点），水具有一定欠焓，开始沸腾点A的位置需计算确定,含汽段Hq热水段以外的上升管管段均为含汽段，采用两相流体公式进行计算,2/10,上升管区段的划分,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page18,,上升管区段的划分,导汽管不受热，含汽率不变对引入汽包汽空间的导汽管，导汽管最高点到超过水位那一段高度为提升段高度Hcq，应与导汽管分开计算,热后段Hrh上升管离开炉膛到上联箱间管段，该管段不受热，若10％上升管总长，则分开单独计算,,当热负荷、管径或管倾斜角度变化较大、水冷壁敷设卫燃带时含汽段应再分段,3/10,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page19,,上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓,4/10,开始加热点B工质欠焓△hB锅水欠焓式中、分别为饱和水焓和锅水焓；为省煤器出口水焓,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page20,,上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓,B点工质欠焓△hB,5/10,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page21,,热水段高度Hrs的计算,ΔH段工质因压力减少而引起饱和水焓的减少量,6/10,ΔH段高度开始沸腾点A工质欠焓△hA为零在不考虑下降管受热和带汽的情况下,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page22,,热水段高度Hrs的计算,热水段高度Hrs,ΔH段高度,7/10,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page23,,简单回路水循环计算程序（图解法）,结构数据按锅炉有关图纸查取热力数据按锅炉热力计算书查取画出蒸发受热面汽水系统图确定上升系统与下降系统的分界点分配热负荷根据炉内热负荷分布曲线，确定每个回路各区段的热负荷及蒸发量Di选择整台锅炉循环倍率假设值Kg，算出锅水欠焓假设值△hqh划分循环回路管屏分组（划分计算回路），上升管分段,8/10,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page24,,9/10,假定三个循环流速w0计算热水段高度Hrsi计算密度w0i→Gi、Di→Xi→βi→φi→ρi计算重位压头hiρig计算上升管流动阻力确定上升管系统压差计算下降管流动阻力确定下降管系统压差,,简单回路水循环计算程序（图解法）,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page25,,简单回路水循环计算程序（图解法）,,分别作出与曲线，两曲线的交点即为系统工作点，从而确定该回路总压差Σ△p0、循环流速w0、循环流量G及循环倍率Kh,10/10,校核锅水欠焓的计算值与假设值之差不超过12.6kJ/kg，且相对误差不超过30，认为合格，否则需要重算,确定整台锅炉循环倍率的计算值，锅水欠焓的计算值,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page26,,3、自然循环故障及安全性检查,1自然循环特性2自然循环故障及安全性检查3循环停滞、自由水面和倒流现象4下降管带汽与汽化5提高自然循环安全性措施,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page27,,,,1自然循环特性,自然循环特性热负荷与循环流速之间的关系锅炉热负荷Q上升，D上升，X上升上升→S下降→H（’-S）g上升→Syd上升→w0上升Δps上升→w0下降,Q增加，Syd增加起主要作用，w0上升；而Q增加过大，阻力增加起主要作用，反使w0下降,1/2,自补偿能力随锅炉热负荷Q质量含汽率x的增加，循环回路水流量G循环水流速w0相应增大的能力可避免管壁超温,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page28,,,,,,自然循环特性,界限循环倍率和推荐循环倍率锅炉压力Mpa3.92～5.8810.2～11.7613.73～15.6916.67～18.63锅炉蒸发量t/h35～240160～420400～670≥800界限循环倍率Kjx10532.5推荐循环倍率15～257～154～84～6,循环倍率K衡量锅炉水循环可靠性的指标之一K过大（x过小，运动压头太小，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,2/2,界限循环倍率Kjx对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速）时的循环倍率回路循环倍率K应大于界限循环倍率Kjx，对应的质量含汽率X应小于临界质量合汽车Xlj,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page29,,2自然循环故障及安全性检查,自然循环锅炉蒸发受热面金属安全工作的条件是保证管子内壁有连续水膜覆盖受热最弱上升管不出现流动的停滞、倒流、汽水分层等水循环故障；受热最强上升管不发生沸腾传热恶化下降管不出现带汽或汽化,自然循环锅炉在压力低于11MPa或受热管局部热负荷低于400kw／m2时一般不会出现传热恶化，正常水力工况破坏是蒸发管过热的主要原因。,自然循环大型锅炉在亚临界压力，因含汽率较高，（锅炉容量增大，炉膛周界相对减小，水冷壁根数减少而长度增加），循环倍率较低，有可能出现第二类传热恶化,1/3,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page30,,,并联的上升管组在共同的压差∑Δps下运行。当管组中各管受热不均匀时，受热弱的管中含汽率少，运动压头小，可能发生水循环故障。,循环停滞、自由水面和倒流现象,上升管引入汽包水空间当受热弱的管中水流量等于蒸发量，即GD时，将出现循环停滞现象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，出现自由水面。自由水面以下区域，产生少量蒸汽，以上的区域为缓慢流动的蒸汽,上升管引入汽包水空间当管组压差Δp小于受热弱管子液柱重Hsg时，受热弱的管中的水就自上往下流，称为倒流。,2/3,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page31,,循环停滞汽泡通过基本静止的水面上浮，管子弯头处蒸汽积累，出现自由水面时，水面以上管壁与蒸汽接触，均使冷却能力下降，管子易超温爆管；自由水面上下波动，还会引起疲劳破坏,循环停滞、自由水面和倒流危害,倒流当水的倒流速度与汽泡上浮速度相等，即汽泡处于上、下波动状态而形成蒸汽塞时，管子超温。,3/3,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page32,,,汽包中的水进入下降管时，因流阻和加速产生压降使进口处发生自汽化,3下降管带汽与汽化,下降管进口截面上部形成涡漩漏斗状，蒸汽被吸入下降管中,汽包水容积内所含蒸汽被带入下降管中,下降管受热产生蒸汽,1/1,下降管带汽或汽化，工质密度减小，运动压头下降。,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page33,,4提高自然循环安全性措施,,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；防止水冷壁管积灰和结渣；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；减小炉内热偏差，避免局部热负荷过高,降低汽水导管和下降管中的流动阻力，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,1/4,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page34,,提高自然循环安全性措施,水冷壁管采用适当的管径较小的管径可以节省金属耗量；但从水循环安全方面考虑，应维持足够大的循环流速W。和不太高的含汽率X，故大容量锅炉不应采用过小的管径,在一定负荷和工作压力下，随着的增大，W0X值升高,大容量锅炉炉膛周界的相对长度减小，水冷壁管数量减少，但高度增加，即每根管产生的蒸汽量增加，水冷壁管出口含汽率X和循环流速W。都比较高,2/4,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page35,,提高自然循环安全性措施,防止下降管带汽下降管入口处加装十字板或栅格板,,防止下降管进口自汽化式中h为下降管进口以上到正常水位的高度；wxj、i分别下降管中的水速和进口阻力系数下降管进口之上应保证一定的水柱高度，且水速不能过大,3/4,避免下降管带汽或自汽化,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page36,,提高自然循环安全性措施,,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在管子内壁上开出单头或多头螺旋形槽道，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。,4/4,,2021/3/24,PrinciplesofBoiler,Page37,问题与思考题,1、什么是运动压头，有效压头，循环流速，循环倍率。2、什么是自然循环的自补偿能力3、什么是循环停滞、倒流、自由水位有何危害4、什么是两类传热恶化，试述其防止措施5、在锅炉设计与运行中，可以采用哪些措施以提高自然循环提高水循环的安全性,,