第十一章控制流动锅炉.doc

个人收集整理 勿做商业用途第十一章 控制流动锅炉第一节 控制循环锅炉一、控制循环汽包锅炉（一）控制循环汽包锅炉的工作原理在循环回路中串接一个专门的循环泵，以增加循环回路中的循环推动力,并可人为地控制锅炉中工质的流动,因此称这种锅炉为控制循环锅炉.控制循环锅炉有控制循环汽包锅炉和低倍率循环锅炉两种.控制循环汽包锅炉有时也称为多次强制循环锅炉，其原理如图111所示。循环倍率K的大小对蒸发管的工作安全有很大的影响.目前大容量控制循环汽包锅炉的循环倍率K值在38之间,一般为4左右;质量流速约为10001500/。控制循环汽包锅炉与自然循环锅炉在结构上的最大差异就是控制循环锅炉在循环回路中装置了循环泵。大容量控制循环汽包锅炉一般装有34台循环泵，其中1台备用。循环泵通常垂直装置在下降管的汇总管道上。由于循环回路中装置了循环泵,控制循环汽包锅炉与自然循环锅炉相比具有许多特点.(二）控制循环汽包锅炉的特点1、结构特点（1)水冷壁方面：可以采用较小管径的蒸发受热面，而强制流动又使管壁得到足够的冷却，壁温较低，可减轻水冷壁的高温腐蚀;管壁也可减薄，因此锅炉的金属耗量减少.另外，可更灵活自由地设计布置蒸发受热面,锅炉的形状和蒸发受热面都能采用较好的布置方案，不必受到垂直布置的限制。水冷壁管进口一般装置节流孔板，用以分配各并联管屏的工质流量,改善工质流动的水动力特性和热偏差。（2)汽包方面:在保持同样分离效果的条件下,能提高单个分离器的蒸汽负荷，因此可减少汽水分离器的个数。这样使得汽包直径可缩小、壁厚减薄。而且整个汽包的结构和布置与自然循环锅炉相比也有很大的差异。与超高压锅炉相比，亚临界压力控制循环汽包锅炉汽包内部装置的主要特点为：除可以采用轴流式旋风分离器和不用蒸汽清洗装置外，汽包内装有弧形衬板，与汽包内壁间形成一环形通道,构成汽水混合物汇流箱。汽水混合物从汽包上部引入，沿环形通道自上而下流动，最后进入旋风分离器。这种结构的汽包内壁只与汽水混合物接触，避免了汽包壁受锅水和给水的冲击，减小了汽包上、下壁温差和壁温波动幅度，从而使汽包热应力减小，对汽包起到了较好的保护作用。2、运行特点（1）可以大大提高启动和升降负荷的速度。（2）可提高启动和变负荷速度，以适应机组调峰的需要,并节省启动燃料。在事故停炉后，可利用锅水循环泵和送、引风机联合运行,快速冷却炉膛和水冷壁，使停炉速度加快，缩短检修时间。(3)增加了设备的制造费用，锅炉的运行及维护费用也相应增加。二、低倍率循环锅炉（一）低倍率循环锅炉的工作原理循环倍率K=1.5左右的控制循环锅炉称为低倍率循环锅炉。低倍率循环锅炉与控制循环汽包锅炉相比，工作原理基本相似，但在结构上它没有大直径的汽包，只有置于炉外的汽水分离器，而且循环倍率较低。其工质的流程为：给水经省煤器1与从汽水分离器8分离出来的饱和水在混合物2内混合后，再经过过滤器3，进入循环泵4，升压后再将水送入分离器5，由分配器用连接管分别引到水冷壁7各回路的下联箱。每个回路接一根连接管，连接管的入口都装有节流圈6。水经过蒸发受热面引入汽水分离器，分离出来的水引到混合器,进行再循环，而分离出来的蒸汽引向过热器系统进行过热。（二）低倍率循环锅炉的特点在这种锅炉中，当锅炉负荷变化时，由于循环泵的特性，水冷壁管中工质流量变化不大，如图11-6曲线3所示，因此质量流量变化亦小.蒸发受热面可以采用一次上升膜式水冷壁，而且不需要用很小管径的水冷壁管来保证质量流速。由于循环流量随锅炉负荷变化不大,因此在锅炉负荷降低时循环倍率增加，流动较稳定，管壁也得到了较好的冷却。另外，水冷壁布置比较自由。 低倍率循环锅炉存在着如下两个方面的问题：一是汽水分离器的分离效率低于自然循环锅炉和控制循环汽包锅炉，其出口蒸汽有一定湿度，对受热面的布置影响较大，而且水位及汽温调节较为复杂；二是需要解决长期在高温高压下运行的循环泵的安全问题。第二节 直流锅炉一、直流锅炉的工作原理直流锅炉没有汽包，整个锅炉是由许多管子并联，并用联箱连接而成的。在给水泵压头的作用下,给水顺序一次通过加热、蒸发、过热各个受热在，即工质沿锅炉汽水管道流过,依次完成水加热、汽化和蒸汽过热过程，最后蒸汽过热到所给定的温度。按照循环倍率的定义，直流锅炉的循环倍率K=1，即在稳定流动时给水流量应等于蒸发量。在低于临界压力的直流锅炉中，工质的状态和参数变化：沿受热管子长度工质的压力P逐渐降低；由于工质不断吸热，工质的焓h逐渐增大、比容在逐渐增加、温度t在加热段和过热段也逐渐升高。只有在蒸发段,工质的温度等于该处压力下的饱和温度，但由于压力是逐渐降低的,所以饱和温度在这个区段略有下降.二、直流锅炉的工作特点在直流锅炉中,由于取消了汽包且工质一次性通过各受热面,因此其工作过程具有如下特点：(1）由于没有汽包，也就是蒸发受热面和过热面之间没有中间分离容器隔断,因此直流锅炉水的加热、蒸发和蒸汽过热的受热面并没有固定的界限。(2）由于没有汽包，直流锅炉的水容量及相应的蓄热能力大为降低。（3)由于没有汽包和汽水分离装置，直流锅炉不能连续排污。因此，直流锅炉对给水品质的要求很高。（4)直流锅炉的蒸发受热面中,工质的流动有时会出现一些流动不稳定、脉动等问题。（5）在直流锅炉的蒸发受热面中，必定出现传热恶化而处于膜态沸腾状态。因此，防止传热恶化是直流锅炉设计和运行中必须注意的问题。（6）直流锅炉要有较高的给水泵压头.在一般电厂汽包锅炉中汽水侧阻力约为12MPa，直流锅炉中则约为35 MPa。(7）启动时，在直流锅炉中则应有专门的系统，以便在启动时有足够的水量通过蒸发受热面，保护受热面管壁不致被烧坏。（8）在直流锅炉中蒸发受热面不构成循环,无汽水分离问题。因此，当压力增高，汽水密度差减小，以致于超临界压力时，直流锅炉仍能可靠地工作.三、直流锅炉的优缺点1、直流锅炉的优点与汽包锅炉相比，直流锅炉具有一系列的优点，主要表现为:(1）适用于任何压力的锅炉(2)金属耗量少(3）制造、安装及运输方便 由于直流锅炉没有汽包,给制造、运输和安装带来了极大的方便。（4)受热面可自由布置（5）启、停速度快2、直流锅炉的缺点直流锅炉也存在如下缺点：（1)对给水品质要求高（2)给水泵功率消耗大（3)对自动调节及控制系统要求高第三节 复合循环锅炉一、复合循环锅炉的工作特点直流锅炉在稳定工况下，水冷壁内的工质流量等于蒸发量。随着锅炉负荷的降低,水冷壁内工质流量按比例减少,而炉膛热负荷下降缓慢。为保证水冷壁管得到足够的冷却，直流锅炉的最低负荷因此受到限制，最低负荷一般为额定负荷的25%30%。如果要保证低负荷时水冷壁管内的质量流速和管壁的安全,则在额定负荷时水冷壁管内工质的质量流速必然很高,因为管内工质的质量流速与锅炉负荷成正比.这样汽水系统阻力大,给水泵能量消耗很大,垂直一次上升管屏必将采用小直径管子，这都是我们所不希望的。另外，在锅炉启动时，为保护水冷壁，管内工质流量也要维持在额定负荷的25%35%，从而使得启动系统的管道和设备庞大复杂，工质和热量损失也很大.为了克服纯直流锅炉以上的不足及适应超临界压力应用的需要，在上世纪60年代产生了复合循环锅炉。它与直流锅炉的基本区别是在省煤器和水冷壁之间连接循环泵、混合器、逆止阀、分配器和再循环管。这种锅炉的循环特点是在低负荷时进行再循环，而在高负荷时转入直流运行。与纯直流锅炉相比，复合循环锅炉具有如下特点：（1）由于水冷壁管壁温度工况由再循环得到可靠的保证,可选用较大直径的水冷壁管和采用垂直一次上升管屏而不必装中间混合联箱,也不需在局部热负荷高的区域采用加工困难和流动阻力大的内螺纹管，因此结构简单可靠。(2）由于再循环使流经水冷壁管的工质流量增大，因此额定负荷时的质量流速可选得低些，以减小流动阻力和水泵能耗.（3）锅炉的最低负荷可降到额定负荷的5左右，启动旁路系统可按额定负荷的5%10设计，既减小设备投资又减少启动时的热量损失。(4）再循环工质使水冷壁进口工质的焓提高，工质在蒸发管内焓增减少，有利于管内工质的流动稳定和减少热偏差。（5）循环泵长期在高温高压下工作，制造工艺复杂，且技术性能要求高。另外，循环泵要消耗一定量的电能，致使机组运行费用提高。（6)由于启动负荷低，再热器前烟温便于控制，为简化保护再热器的旁路管道创造了条件。(7)锅炉在低负荷范围内运行时，工质流量变化小,温度变化幅度小，减小了热应力。有利于改善锅炉低负荷运行时的条件。（8)由于复合循环锅炉能降低在额定负荷下工质的质量流速，因而可降低整个锅炉汽水系统的流动阻力。二、复合循环锅炉的工作原理复合循环锅炉有串联式和并联式两种基本结构型。1、串联式复合循环锅炉的工作原理画出系统图。省煤器出口在混合器A点处的压力为: （11-1）因循环泵的提升压头，水冷壁的流动阻力，代入式（11-1）中，则有 或 （112）由式（112）可知：（1）如果循环泵的工作压头大于水冷壁中工质的流动阻力，则,即。这时在再循环管路中就会有循环流量,通过水冷壁的工质流量等于给水量与循环流量之和，即=+ （11-3)（2）当循环泵的工作压头等于水冷壁中工质的流动阻力时，则,即，再循环管路中无流量通过.这时通过水冷壁的工质流量就等于给水流量，即 (11-4）（3）当循环泵的工作压头小于水冷壁内工质的流动阻力，则，即，这是由于再循环管路上装有逆止阀，在逆止阀的作用下，再循环管路中没有工质通过,再循环管路不起作用。此时通过水冷壁的工质流量仍等于给水流量.在实际工作过程中，复合循环锅炉循环泵的提升压头一定，而锅炉负荷降低时，给水量减少，水冷壁管内工质的质量流速随之减小，水冷壁的流动阻力减小。当锅炉负荷降低到某一数值，使得水冷壁的流动阻力小于循环泵的压头,即当时，再循环管内便会有循环流量流过。这时复合循环锅炉就成为控制循环锅炉。反之，锅炉负荷增加到某一数值，使得时，在逆止阀的作用下，再循环管路中的循环流量。这时复合循环锅炉就成为纯直流锅炉。从上面的分析可以看出，复合循环锅炉的流动特性是由循环泵的特性、水冷壁的流动特性及再循环管路的流动特性所决定。设计中只要很好地组合这三者的关系，就可获得预期的复合循环锅炉的流动特性。如果提高循环泵的工作压头或降低水冷壁的流动阻力,就能使复合循环时的锅炉负荷提高。如果降低再循环管路的流动阻力，就可提高在低负荷下通过水冷壁的流量。2、并联式复合循环锅炉的工作原理画出系统图.并联式复合循环锅炉的工作原理与串联式基本相同，所不同的是循环泵与给水泵并联工作.根据水冷壁管路的压力平衡,省煤器出口混合器A点的压力为： (11-5）根据再循环管路的压力平衡，省煤器出口混合器A点的压力为： （116）上两式中水冷壁流阻，；循环泵的工作压头,.由式(115)、式(116)得： (11-7）由式（11-7）可见，和串联式复合循环锅炉的相似，只要循环泵的工作压头大于水冷壁中的流动阻力,再循环管路中就会有循环工质流过。但必须注意，这里循环泵的工作压头是相应于再循环管路内的流量的，而水冷壁的流动阻力是相应于水冷壁内的流量。同串联式系统一样，当时,再循环管路中没有工质通过，为纯直流方式工作。在并联式系统中，由于循环泵串接在再循环管路上，如果不采取专门措施，则应保证总有工质流过,因此这种系统比较适合于全负荷复合循环,而不适合于部分负荷复合循环.第四节 直流锅炉的流动特性直流锅炉蒸发受热面的流动特性，包括两相流体的水动力不稳定性、并联管圈的流体脉动现象和热偏差。一、 直流锅炉的水动力特性1、水动力特性水动力特性是指在一定的热负荷下，强制流动受热管圈中工质质量流量G与流动压降之间的关系.用函数形式表示 或该函数形式的具体组成，即管圈进、出口之间的压降可用下式表示：或 （11-8）由式（118)可知，管圈进、出口之间的压降由流动阻力、重位压头和加速压降几项组成。根据计算，加速压降的数值，一般只有蒸发受热面总压降的3.5%左右.在讨论水动力特性时，可忽略不计。这样式（11-8）可简化为 （11-9）由流体力学知识可知，流动阻力由摩擦阻力和局部阻力所组成，即 （1110）其中 (11-11) （11-12）将式（1110)、式（1111)、式（1112）代入式(119)，则 (11-13）如果式（11-13）中汽水混合物的平均质量流速用质量流量G表示，然后再用汽水混合物的平均比容代替平均密度，则式（11-13）可表示为压降与流量G和平均比容的关系如下： （1114)对于一定管圈来说,可作为常数，并用K表示,则式（11-14）可简化为 （1115)式(1115）即强制流动水动力特性的函数关系式。将式（11-15）作成曲线，如果对应一个压降只有一个流量G，这样的水动力特性是稳定的，或者说是单值的。但如果对应一个压降可能有二个甚至三个流量，也即是在并联工作的各管子中，虽然两端压差是相等的，却可以具有不相等的流量,则称为水动力不稳定性，或者多值性。对直流锅炉来说，为什么会产生这种不稳定的流动特性,采取什么措施可以避免它的产生？下面就不同的水冷壁型式加以讨论。2、水平蒸发受热面中的水动力特性对于水平围绕上升管带、螺旋式和水平迂回管屏式的水冷壁的水动力特性可按水平布置管圈来分析。由于它们的管圈长度相对于高度要大得多，即，因此在对其进行水动力特性分析时，可略去不计。于是式（11-15）可进一步简化为 （1116）式(1116）说明在管圈总阻力系K一定时，压降与成正比。当进入管圈的流量G增加时，由于加热区段长度增加,蒸发区段长度（）减小，因此蒸汽产量下降，并且管圈中汽水混的平均比容减小。可见，在流量G增加的同时引起了工质平均比容的减小。这样式(1116)中压降随流量G的变化，要看G与的变化幅度，最终从两个值中哪个影响为大而定。（1）产生原因 画出水动力特性曲线图并进行定性分析：在段中，工质流量较小，管子出口为过热蒸汽。此时流量增加,汽水混合物的平均比容变化较小,因此压降总是随着流量的增加而增加。在段中，当流量G继续增加时，由于管外热负荷未变化，蒸汽产量因蒸发段长度的减少而有所下降,平均比容也随之减小，这样压降的增加（因G增加)就要逐渐缓慢一些.在段中，流量已相当大,随着流量G的进一步增加，管内蒸汽量更少，且逐渐趋近于零，工质的平均比容急剧减小.此时G与对压降的影响以后者为大，压降反而随流量G的增加而下降。在C点以后，管内产汽量为零，即管子出口为单相水，这时流量G的增加对工质的比容已无多大影响，因而压降又随流量G的增加而增加。由以上分析可知，强制流动蒸发受热面中产生这种多值性（即不稳定性）流动的根本原因是蒸汽和水的比容或密度不同所引起的，发生在既有加热段又有蒸发段的受热蒸发管内。（2）影响水动力多值性的主要因素：（a)工作压力的影响 锅炉压力越高，水动力特性越稳定。(b)入口焓值的影响 管圈进口工质温度（或焓值）越高,水动力特性趋向越稳定。(c）管圈热负荷和锅炉负荷的影响 当管圈热负荷增加时，水动力特性趋向于稳定.锅炉负荷高时，压力和热负荷都相应提高，水动力特性较稳定。3、垂直布置蒸发受热面中的水动力特性直流锅炉垂直布置的蒸发受热面包括多次上升管屏、一次上升管屏及多流程上下回带管屏。由于垂直布置的管屏的高度相对较高,接近于管子长度，重位压力降对水动力特性的影响很大，有时成为压降的主要部分。因此，在分析其水动力特性时，必须同时考虑流动阻力和重位压力降与流量的关系.由上述分析可知,垂直一次上升管屏的水动力特性一般是稳定的。但各管受热总是不均匀的，受热弱的管子中工质平均含汽率x必然较小，则该管内工质的平均比容就要小于管屏中其他各管的平均比容。这样受热弱的管子的重位压力降就大于管屏中其他各管的平均重位压力降。当受热弱的管子的热负荷低至使其重位压力降增加到恰好等于管屏总压降时,则此管中会出现流动停滞，这时流动阻力等于零;热负荷进一步降低时,甚至发生倒流.因此，这种管屏同自然循环锅炉的垂直上升管屏一样，也会出现停滞甚至倒流现象。4、消除或减小水动力不稳定性的措施(1)提高工作压力 (2)适当减小蒸发区段进口水的欠焓 （3）增加加热区段阻力 （4）加装呼吸联箱 二、直流锅炉蒸发受热面中流体的脉动(一）脉动现象和种类在直流锅炉蒸发受热面中，并联管圈间还存在另一种不稳定的水动力现象,即所谓的脉动现象.脉动现象是指流量随时间发生周期性变化的现象。脉动现象与水动力不稳定的区别，在于前者是周期性的波动，而后者是非周期性的波动。由于直流锅炉各受热面间无固定分界，脉动将引起水流量、蒸汽量及出口汽温的周期性波动，流量的忽大忽小使加热、蒸发和过热区段的长度发生变化，因而不同受热面交界处的管壁交变地与不同状态的工质接触，致使该处的金属温度周期性的变化，导致金属的疲劳损伤。脉动现象有全炉(整体）脉动、管屏间脉动和管间（同屏各管之间）脉动三种，而后两种，尤其是最后一种居多。发生管间脉动时,管子入口水流量G与出口蒸汽量D都有忽高忽低的周期性变化，而且G与D的变化方向相反,即G增大时D减小，G减小时D增大。对比同管屏中一部分管子与另一部分管子内的流量，从图1127还可看出，当一部分管子的进水量增加时，另一部分管子的进水量减小；相反，当减小时，增大。同时,当一部分管子出口蒸汽量减小时，另一部分管子出口蒸汽量增加；相反，当增加时，减小.也就是说，发生脉动时,管子内的G和D都有周期性的变化,但G与D的变化方向相差180的相位角；管屏中这部分管子与那部分管子之间G或D的变化与也相差180的相位角。这样就形成了管子之间的脉动。有时这种脉动甚至在一个管屏与另一个并联管屏之间发生,这就称为管屏间脉动。（二)产生脉动的原因管间脉动产生的原因尚待进一步研究。不过从上述现象可以判断出一点,既然管子在各瞬时的水和蒸汽和流量总是不一致的，那么管内一定存在着压力的波动。对产生脉动的原因在此作简单解释由上述过程分析可知：产生脉动的外因，为某些管子在蒸发开始段受到外界热负荷变动的扰动；而其内因,则由于该区段工质及金属的蓄热量发生周期性变化。因为在开始蒸发段附近交替地被水或汽水混合物所占据（）,又由于工质温度、局部压力以及放热系数（工质速度的改变)的变动，就改变着其中工质和金属的蓄热量.如当该处局部压力升高时，从炉内得到的热量部分储蓄在管子金属及水中,蒸发量减少；当压力降低时，这些储蓄在管子金属与水中的热量又重新释放给了工质，蒸发量增加.这就是脉动得以持续进行的内在因素。应该指出，上述对脉动产生原因的分析并不是很完善的.由于对这个问题研究得还不够，因此存在着多种对脉动产生原因的解释，上面只能算是一种通俗的说明。这个说法似乎主要对水平管或微倾斜管才能适用，而事实上实践证明，垂直管中也可能产生脉动现象，有时甚至是相当敏感的.（三）减小及防止脉动产生的措施虽然对产生脉动的原因研究得还不够的可靠性。通过以上对脉动产生原因的分析，可提出减小及防止脉动产生的相应措施。1、提高质量流速2、增大加热段与蒸发段的阻力比值3、提高工作压力4、锅炉启停和运行方面的措施5、锅炉设计方面的措施(1）在蒸发受热面结构上应使并列管圈的长度、直径等几何尺寸尽量相同;（2）保证管圈进口有足够的质量流速；（3)加热区段采用较小直径的管子，以提高该区段流动阻力；（4)在蒸发区段装中间联箱及呼吸联箱；(5）在管圈进口装节流圈，实践证明这是消除脉动的最有效方法。此时进口压力提高，在开始蒸发点产生的局部压力升高远低于进口压力，因而流量波动减小，直至消除。三、蒸发受热面中的热偏差及其防止措施（一)影响热偏差的因素1、吸热不匀炉膛内烟气温度分布不论从宽度、深度或高度方向来看都是不均匀的。锅炉的结构特点、燃烧方式和燃料种类不同，则热负荷不均匀程度不同。一般来说，垂直管屏的吸热不均匀程度大于水平管圈，燃油锅炉的吸热不均匀程度大于燃煤锅炉.锅炉运行时,如火焰偏斜、炉膛结渣等，会产生很大的热偏差。以上所述，既适用于直流锅炉，又适用于其他类型的锅炉，如自然循环锅炉。除一次垂直上升管屏在低负荷下运行的情况之外,直流锅炉均没有自补偿能力，这与自然循环锅炉有很大区别。在直流锅炉蒸发受热面中，吸热多的管子，由于管内工质比容大、流速高，以致阻力大，因而管内工质流量减少；而流量的减少反过来又促使工质的焓增更大，比容更大，这会导致热偏差达到相当严重的程度.由此可见，直流锅炉的吸热不均,还会影响流量不均，从而扩大了热偏差，这对管壁的安全不利。2、流量不均（1）流动阻力的影响 （2)重位压力降的影响 在垂直上升的蒸发管屏中，重位压降在总压降中的作用不能忽略，必须考虑重位压力降对热偏差的影响。(二)减轻与防止热偏差的措施1、加装节流圈2、减小管屏或管带宽度3、装设中间联箱和混合器4、采用较高的工质流速5、合理组织炉内燃烧工况此外，还要严格监督锅炉的给水品质，防止蒸发管内结垢或腐蚀,从而避免引起管内工质流动阻力的变化。第五节 沸腾传热恶化及其防止措施一、蒸发受热面的沸腾传热恶化可以说直流锅炉蒸发受热面的沸腾传热恶化，特别是第二类沸腾传热恶化是不可避免的。直流锅炉蒸发受热面的沸腾传热恶化现象主要与工质的质量流速、工作压力、含汽率和管外热负荷等因素有关,并常以临界含汽率作为判断沸腾传热恶化出现的界限。随工作压力的升高，饱和温度升高，饱和水的表面张力减小,受热面管子内壁上的水膜容易被撕破，导致壁温升高。热负荷增大则汽化核心增多,容易形成沸腾传热恶化的蒸所膜。而工质质量流速的影响有两重性,当流速减小时,一方面水膜扰动减弱,水膜的稳定性增强；另一方面传热能力下降，管壁温度升高。二、沸腾传热恶化的推迟与防止措施对沸腾传热恶化问题有两种预防方法:一是彻底防止沸腾传热恶化发生；二是允许它发生，但把沸腾传热恶化发生的位置推移至热负荷较低处，使管壁温度不致超过允许值。在直流锅炉中，蒸发管内必然会出现蒸干现象.因此，问题的关键是降低沸腾传热恶化时管壁温度，而不是防止它的产生。目前采取的措施有:1、保证一定的质量流速2、采用内螺纹管3、加装扰流子4、降低受热面的热负荷14