锅炉原理9.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Principles of Boiler,Page,*,长沙理工大学能动学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Principles of Boiler,Page,*,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,1,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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,2,1,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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,3,自然循环,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,4,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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,5,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,2/4,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,6,两相流体的流动结构,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。,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,7,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,2,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,2,急剧下降，金属壁温,t,b,急剧增加，特性参数是工质的临界含汽率。,4/4,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,8,3,、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,w,0,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,1/4,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,9,两相流体的速度,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,2/4,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,10,4,、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,蒸汽所占截面与管子总截面之比,上升流动,C1,1,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,11,4/4,5,、两相流体的密度,G,、,D,i,X,i,i,i,i,h,i,g,（重位压头）,混合物密度,h,真实密度,zs,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,12,2,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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,13,自然循环,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,14,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,、,H,i,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/m,3,；,P,xj,、,P,s,下降管及上升管流动阻力损失，,Pa,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,15,自然循环的基本概念,运动压头,S,y d,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,S,y x,在数值上等于下降管的阻力,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,16,2,、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,w,0,、工质流量,G,；循环倍率,K,h,确定锅炉总的循环倍率,K,g,检验水循环的可靠性,压差法水循环计算,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,17,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,H,rs,从下联箱到,A,点是热水段，其中,H,rq,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,H,q,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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,18,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,H,cq,，,应与导汽管分开计算,热后段,H,rh,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,3/10,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,19,上升管进入炉膛处（,B,点）工质欠焓,式中 为饱和水的焓值随压力增大而增大的梯度,kJ/,（,kg,Pa,）,B,点工质欠焓,不考虑下降管受热和带汽,4/10,开始加热点,B,工质欠焓,h,B,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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,20,上升管进入炉膛处（,B,点）工质欠焓,B,点工质欠焓,h,B,静压变化,p,式中：,p,xj,、,p,rq,分别为下降系统及 热,前段流动阻力，,Pa,；,p,1,、,p,2,分别为汽包压力及炉,膛 入口,B,处压力，,Pa,5/10,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,21,热水段高度,H,rs,的计算,H,段工质因压力减少而引起饱和水焓的减少量,6/10,H,段高度,开始沸腾点,A,工质欠焓,h,A,为零,在不考虑下降管受热和带汽的情况下,H,1,为受热一段高度；,Q,1,、,G,分别为受热一段吸热量和工质流量,H,段工质吸热引起的焓增,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,22,热水段高度,H,rs,的计算,热水段高度,H,rs,H,段高度,7/10,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,23,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,D,i,选择整台锅炉循环倍率假设值,K,g,，,算出,锅水欠焓假设值,h,qh,划分循环回路,管屏分组（划分计算回路），上升管分段,8/10,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,24,9/10,假定三个循环流速,w,0,计算热水段高度,H,rsi,计算密度,w,0i,G,i,、,D,i,X,i,i,i,i,计算重位压头,h,i,i,g,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）,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,25,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,p0,、循环流速,w,0,、,循环流量,G,及循环倍率,K,h,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,W,0,W,0,W,0,（,G,）,W,0,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,26,3,、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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,27,(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,S,yd,上升,w,0,上升,p,s,上升,w,0,下降,Q,增加，,S,yd,增加起主要作用，,w,0,上升；而,Q,增加过大，阻力增加起主要作用，反使,w,0,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,w,0,),相应增大的能力,可避免管壁超温,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,28,自然循环特性,界限循环倍率和推荐循环倍率,锅炉压力,(Mpa)3.92,5.88 10.2,11.76 13.73,15.69 16.67,18.63,锅炉蒸发量,(t/h)35,240 160,420 400,670 800,界限循环倍率,K,jx,10 5 3 2.5,推荐循环倍率,15,25 7,15 4,8 4,6,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,K,jx,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,K,jx,，,对应的质量含汽率,X,应小于临界质量合汽车,X,lj,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,29,(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,m,2,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,1/3,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,30,并联的上升管组在共同的压差,p,s,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,G=D,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,p,小于受热弱管子液柱重,H,s,g,时，受热弱的管中的水就自上往下流，称为,倒流。,2/3,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,31,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。,3/3,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,32,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,。,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,33,(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,1/4,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,34,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，,W,0,X,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,2/4,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,35,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；,w,xj,、,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,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,36,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。,4/4,2026/3/6 周五,Principles of Boiler,Page,37,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？,