锅炉原理自然循环锅炉水动力学ppt.pptx

锅炉原理自然循环锅炉水动力学10、1、1强制循环锅炉强制循环锅炉 随着锅炉容量提高,为了保证管内工质具有较高得质量流速,在循环回路上串接一个或多个专门得循环泵,用以控制水与汽水混合物得流动,则称为强制循环锅炉强制循环锅炉或控制循环锅炉控制循环锅炉。为了进一步提高锅炉水动力得安全可靠性,可以在蒸发受热面得进口设置节节流流圈圈,这种锅炉一般称为控制循环控制循环锅炉。自然循环得推动压力一般为0、050、1MPa,循环泵提升压力为0、250、5MPa(a)自然循环锅炉(b)强制循环锅炉;(c)控制循环锅炉;(d)直流锅炉图10-1 锅炉蒸发受热面内工质流动得几种类型自然循环锅炉工程应用得最高蒸汽压力就是1919、11MPa11MPa,单炉得最大容量为885MW885MW。只有当蒸汽压力超过16MPa时,且自然循环不自然循环不可靠可靠,才需要考虑采用强制循环锅炉。当压力超过19、6MPa,则适合采用直流锅炉直流锅炉。强制循环锅炉工程应用得最高蒸汽压力就是19、6MPa,单炉得最大容量1000MW1000MW。当单炉容量超过600MW,一般应在较低得压力时就考虑采用强制循环锅炉或直流锅炉。10、1、3 直流锅炉直流锅炉直流锅炉没有汽包,给水在给水泵得作用下,依次通过加热、蒸发与过热等各个受热面,完成水得加热、汽化与蒸汽过热过程,最后蒸汽过热到规定得温度,各受热面之间并没有固定得界限,直流锅炉可以认为就是循环水量为零得强制循环锅炉得一个特例。直流锅炉与强制循环锅炉相比,取消了汽包,且工质在给水泵压头得作用下一次性通过各受热面。直流锅炉特点就是:受热面可自由布置;金属耗量少,启、停速度快;水容量及相应得蓄热能力较小,对外界负荷变化较敏感;直流锅炉不能连续排污,对给水品质得要求很高;给水泵功率消耗大。10、1、4 复合循环锅炉复合循环锅炉1、复合循环锅炉得基本原理为了克服纯直流锅炉得不足及适应超临界压力锅炉应用得需要,产生了复合循环锅炉 图10-2 复合循环锅炉再循环直流锅炉缺点就是负荷直流锅炉缺点就是负荷降低时降低时,水冷壁内工质水冷壁内工质流量降低流量降低,炉内热量得炉内热量得不到工质得冷却不到工质得冷却,水冷水冷壁管壁容易超温。壁管壁容易超温。(10-1)如果循环泵得工作压头Pb大于水冷壁中工质得流动阻力Plz,则有PCPA,锅炉按强制强制循环锅炉循环锅炉原理工作。(流过水冷壁得工质流量为给水流量与再循环流量之与)如果循环泵得工作压头Pb小于等于水冷壁中工质得流动阻力Plz,则有PCPA,锅炉按直直流原理流原理工作 (再循环管路中无循环流量)。2、全负荷复合循环锅炉图10-3低循环倍率锅炉系统与循环流量曲线在全在全负荷范荷范围内均有内均有Pb大于大于水冷壁中工质得流动阻力水冷壁中工质得流动阻力Plz(即在全即在全负荷范荷范围内循内循环流量均不流量均不为零零)1、省煤器省煤器 2、混合器混合器3、过滤器过滤器4、再再循环水泵循环水泵5、分配器分配器6、节节流圈流圈7、水冷水冷壁壁8、汽水分汽水分离器离器9、备用备用管路管路3、部分负荷复合循环锅炉图10-4 部分负荷复合循环锅炉得工作原理 1、低负荷时,循环管路有循环流量,高负荷时,锅炉按直流锅炉原理工作;2、大多用于超临界压力机组;3、与低循环倍率锅炉得主要差别就是在循环回路上装有循环限制阀、图10-5超临界压力复合循环锅炉1、省煤器2、混合器3、循环泵4、分配器5、水冷壁6、过热器7、循环限制阀8、循环旁路大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静3、复合循环锅炉得特点(1)结构简单可靠。(2)额定负荷时得质量流速可选得低 些,以减小流动阻力与水泵电耗。(3)锅炉最低负荷可降到额定负荷得5 左右,启动旁路系统可按5-10负荷设计,减小设备投资与启动时得工质及热量损失。(4)再循环工质使水冷壁进口工质得焓提高,工质在蒸发管内焓增减少,有利于减少热偏差与提高管内工质流动得稳定性。(5)锅炉在低负荷范围内运行时,工质流量与温度变化幅度小,减小了管壁热应力,有利于改善锅炉低负荷运行时得条件。(6)再循环泵长期在高温高压下工作,制造工艺复杂,技术性能要求高,且循环泵要消耗电能,致使机组远行费用增加。(7)复合循环不仅应用于超临界压力锅炉,而且还应用在亚临界压力锅炉。10、2自然循环基本原理自然循环基本原理10、2、1 概述概述水冷壁上升管在炉内吸收炉膛火焰与烟气得辐射热量,管内部分水蒸发,形成汽水混合物;而下降管在炉外不受热,管内为饱与水或未饱与水。因此,下降管中水得密度大于上升管中汽水混合物得密度,在下联箱中心A-A截面两侧将产生液柱得重位压差,此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动,水沿下降管向下流动。图10-6 循环回路10、2、2自然循环得参自然循环得参数数 1、物理量得定义 (1)循环流速w0:(2)质量含汽率x:(10-2)(10-3)(3)循环倍率K:(10-4)2、物理量得定义(10-5)(10-6)假设工质不流动:上升系统基本压差上升系统基本压差Yss下降系统基本压差下降系统基本压差Yxj运动压差运动压差Syd系统总阻力系统总阻力简单回路水循环基本方程简单回路水循环基本方程,以此方程为基础建立得计以此方程为基础建立得计算方法称为压差法算方法称为压差法Syd就是水循环产生得动就是水循环产生得动力力,以此方程为基础建立得以此方程为基础建立得计算方法称为运动压头法计算方法称为运动压头法有效压头有效压头Syx下降管总阻力下降管总阻力有效压头法有效压头法10、3两相流体参数与计算两相流体参数与计算10、3、1 汽水两相流得基本参数汽水两相流得基本参数1、蒸汽含量质量含汽率x:容积含汽率:(10-14)(10-15)截面含汽率:(10-16)(10-17)(10-18)水得流通截面积A所占得流通截面积份额:2、蒸汽与水得折算速度及真实速度 蒸汽折算速度w0假定汽水混合物中得蒸汽单独流过整个管道截面时得蒸汽速度:水得折算速度w0:(10-19)(10-20)蒸汽得真实速度w:水得真实速度w:滑移比s:(10-21)(10-22)(10-23)通过试验,可确定s,则截面含汽率:循环流速(假设质量流量相同得饱与水流过整个管道截面所具有得流速:(10-24)(10-25)表明质量表明质量(容积容积)含气率含气率)与截面含气率之间得关与截面含气率之间得关系系3、汽水混合物得密度与速度(10-27)(10-26)汽水混合物得速度为:1010、3 3、2 2 汽水两相流得流型与传热汽水两相流得流型与传热1、垂直上升管内得流型(1)泡状流(2)气泡向管中心聚集,形成弹状流。(压力很高时,不会形成)(3)弹状流液体被击碎,形成环状流(4)雾状流或弥散流 图10-7 垂直管内强迫对流沸腾换热膜态沸腾(易发生在F区)蒸发管内随着汽、水两相流中含汽率得增大,附壁水膜逐渐减薄,当水膜被撕破且汽流核心夹带得散状水滴几乎又不回落到管壁时,管壁便被一层过热蒸汽覆盖,导致管壁对工质放热系数急剧下降,壁温急剧上升得管内传热模式。2、管内传热过程 A单相液体强制对流换热区 B表面沸腾区 C饱与核态沸腾区 D双相流体强制对流换热区 E干涸点 F欠液区 G单相蒸汽强制对流换热3、管壁温度分布管壁温度沿管长得变化取决于局部放热系数。在单相水与表面沸腾区,壁温与工质温度差值不大。进入饱与核态沸腾与双相强制对流换热区,管子内壁温度只比工质温度高几度。水膜干涸消失时,壁温却因传热恶化而飞升。干涸后干涸后,壁温与2得变化有关,若质量流速较高,2增加,壁温飞升后即逐渐飞升后即逐渐有所降低有所降低;反之,壁温可能持续增加。虽然过热蒸汽区得2增加,但蒸汽温度在吸热后不断增加,故壁温也随之不断增高。4、水平管内得流型与传热 图10-8 水平管内得流动形式10、3、3 汽水两相流动阻力得计算汽水两相流动阻力得计算1、均相模型及摩擦阻力计算方法 (1)均相模型及其公式(10-28)(10-29)当流动处于阻力平方区时:碳钢及珠光体合金钢管碳钢及珠光体合金钢管:k=0、06mm,对奥氏体对奥氏体钢管钢管,k=0、008mm,dn单单位为位为mm(2)以均相模型为基础得公式西安交通大学提出摩擦阻力校正系数得计 算方法如下:1)汽水混合物质量流速w=1000kg/(m2、s)2)汽水混合物质量流速w1000 kg/(m2、s)不受热段,值按图10-9(a)查取;受热管段,平均含汽率x=(xc+xr)/2,值按图10-9(b)查取:当xc-xr0、1时:当xc-xr0、1时:(10-33)(10-34)(10-35)图10-9 汽水混合物摩擦阻力公式中线算图(a)不受热管;(b)受热管2、分流模型及重位压降计算方法(1)分流模型气液两相流得主要流型为泡状流与环状流。假设:水靠管内壁流动,面积为F;汽在管中心流动,面积为F”水与汽之间有相对运动,其真实速度分别为w与w”图10-10 汽水两相得分流模型2、分流模型及重位压降计算方法(2)重位压差计算汽水混合物密度图10-10 汽水两相得分流模型kg/m3(10-36)(10-37)(10-38)以截面含气率表示得以截面含气率表示得汽水混合物密度汽水混合物密度重位压力降计算公式重位压力降计算公式3、两相流体流动局部阻力计算4、两相流体流动加速压降计算5、流动机构模型(10-39)(10-40)基于均相模型基于均相模型,为局部阻力系数局部阻力系数,通通过实验测量确定量确定加速加速压降就是由于受降就是由于受热而引起得而引起得动量量变化化,等于出口截面与等于出口截面与进口口截面截面动量之差量之差10、4自然循环水动力计算与安全自然循环水动力计算与安全10、4、1 自然循环水动力得计算自然循环水动力得计算1、循环回路 简单回路与复杂回路简单回路与复杂回路一个下降管系统单一个下降管系统单独与一个水冷壁管独与一个水冷壁管屏组成得回路屏组成得回路,称称为简单回路为简单回路多个管屏共用一个多个管屏共用一个下降管系统得回路下降管系统得回路则称为复杂回路。则称为复杂回路。(1)压差法自汽包水位至下联箱中心之间得下降管系统得总压差与上升管系统得总压差分别为:图10-12 简单回路得分段实例(10-41)(10-42)(10-43)按照图10-12所示得上升管分段情况,上升管系统得重位压头与加速压降、阻力损失可分别用下式表示:(10-44)(10-45)(10-46)(2)压头法如图10-13所示得分段情况,回路得运动压头与有效压头分别为:(10-44)(10-45)图10-13 压差法确定回路工作点得图解曲线2、循环回路特性曲线与工作点(1)简单回路自然循环特性曲线图解法Pxj图10-14压头法确定回路工作点得图解曲线图10-13 压差法确定回路工作点得图解曲线简单回路得压差特性及工作状态(2)复杂循环回路自然循环特性曲线图解法(2)复杂循环回路自然循环特性曲线图解法图10-16 并联上升系统得特性曲线及工作点图10-15 串联上升系统得特性曲线10、4、2自自然然循循环环得得自自补补偿偿特性特性当x不太大时,运动压头得增加大于流动阻力得增加,因此,随着x得增大,循环流速增大。此时,管内流量也相应增加,称为循环回路具有流量正响应特性正响应特性。当x增大到一定数值后,由于汽水混合物得容积流量过大,将出现流动阻力得增加大于运动压头增加得状况,这时随着x得增大,循环流速反而下降,称为循环回路具有流量负响应特性负响应特性。图10-17 循环流速与上升管质量含汽率得关系自补偿能力得进一步分析:1、停滞10、4、3自然循环故障自然循环故障10、4、3自自然然循循环环故故障障2 倒流倒流10、4、3自然循环故障自然循环故障2、倒流管屏压差小于受热管子液柱重位压差时,水会因重力出现倒流。倒流速度较大时,管子倒不会烧坏。当上升管接到锅筒蒸汽空间时,不会发生倒流,但会出现自由液面,此时,液面上部得管子由于无液膜,容易出现管子烧坏现象。10、4、3自然循环故障自然循环故障3、下降管带汽一方面进入下降管得实际流量减少,循环流量降低;另一方,下降管内出现汽水两相流动,工质密度减小,使下降管侧得重位压差降低,流动阻力也相应增加,Yxj值下降。两方面因素都会导致水循环安全裕度降低,即产生停滞或者倒流得可能性增大。10、4、4 自然循环得安全性自然循环得安全性1、影响安全性得主要因素(1)水冷壁受热不均或受热强度过高 受热弱得管子容易出现停滞或倒流,受热很强得管子容易出现膜态沸腾与蒸干现象,结果都就是导致管子局部发生传热恶化,壁温升高。(2)下降管带汽导致导致Yxj值下降值下降,水循环安全裕水循环安全裕度降低。度降低。(3)上升系统得流动阻力图10-19 水冷壁阻力对循环流量得影响当上升系统流动阻力增加时,平均管得Yss与Yxj交点左移,平均管质量流量减小。由于上升系统得压差增加,受热弱得管子流量也响应增加,但就是流动阻力也增加,使受热弱得管子流量有降低得趋势。因此,受热弱得管子得工作点为图中虚线与Yxj得交点。同时,受热弱得管子流动阻力增加,将使得倒流曲线下移,因此,增加上升系统流动阻力,将使受热弱得管子发生倒流得可能性减小。(4)水冷壁结垢 水垢会引起传热阻力与流动增加,壁温升高、导致管子受热减弱,出现停滞与倒流得可能性增加。(5)锅炉负荷低负荷运行时,运动压差减小,循环流速降低,安全性变差。锅炉负荷快速降低时,锅筒与下降管内水得自汽化过程加快,使循环流量与运动压差同时减小,水循环安全性大幅降低。