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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 第九章 自然循环原理及运算第一节 自然循环的基本原理一、自然循环概述 由汽包、下降管、联箱、上升管等组成的循环回路中,上升管在炉内受热,管 内的水被加热到饱和温度并产生部分蒸汽；而下降管在炉外不受热,管内为饱和水 或未饱和水；因此,上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度,在下联箱 中心两侧将产生液柱的重位差,此压差推动汽水混合物沿上升管向上流淌,水沿下 降管向下流淌；工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到 汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的,而没有任何外来推动力；因此将这 种工质的循环流淌称为 自然循环 ；二、自
2、然循环回路的总压差画出简洁循环回路示意图；下联箱中心截面 面左侧管内工质作用在截面 A-A 的静压为：A-A 两侧将受到不同的压力；截P 1P 0xjghP 9-1 P 1P 2,表示截截面右侧管内汽水混合物作用在截面A-A 的静压为：P 2P 0ss ghP 9-2 从式（ 9-1 ）和式（ 9-2 ）可以看出,由于xjss,所以静压面 A-A 两侧所受压力是不同的,此压力差将推动联箱内工质由左向右移动；循环回路中,工质流淌时要克服磨擦阻力和局部阻力；现依据流体流淌的基本原理分析,流淌状态下联箱中心处的压力：1、下降管系统作用在联箱中心处的压力在流淌时,下降管系统有流淌阻力缺失实际压力P 要
3、比静压小P ,即P ,水向下流淌时在联箱中心处的P 1P 0xjghP xjP a（9-3 ）2、上升管系统作用在联箱中心处的压力由于上升管内工质流淌是由下向上流淌,联箱中心处的压力P 2 应能克服上升管系统的总流淌阻力 P 和重位压差,才能使工质进入汽包,因此1 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - P 2P 0ssghP ssP a（9-4 ）3、总压差（1）下降管系统的总压差为：* P xjP 1P 0xjghP xjP a（9-5 ）（2）上升管系统的总压差为：* P ssP 2P 0ssghP ss
4、aP（9-6 ）在稳固流淌时,联箱中流体只有一个压差值（与汽包压力的差值）,所以这 两个压差值必需相等,即* P xj* P ss（9-7 ）式（ 9-7 ）是用来运算锅炉水循环的主要依据,这种方法称为水循环运算中的 压差法；三、运动压头自然循环回路中的循环推动力称为运动压头,以P 表示P ydxjghssghP a（9-8 ）自然循环回路中的运动压头就是回路中循环的推动力,这一压头将耗用于克 服下降管、上升管及汽水分别装置的流淌阻力,即P ydP xjP ssP flP a（9-9 ）运动压头扣除上升管系统的阻力、汽水分别装置的阻力之后,剩余部分就称为 有效压头,以eP 表示P flP a（
5、9-10 ）P eP ydP ss循环回路的有效压头是用来克服下降管阻力的；因此,自然循环回路中,工 质在稳固流淌情形下,有效压头应与下降管系统的阻力相等,即P eP xj（9-11 ）式（ 9-11 ）也可用来对锅炉进行水循环的运算,这种方法称为水循环运算中 的压头法；四、影响循环推动力的因素运动压头的大小取决于饱和水与饱和汽的密度差、上升管中的含汽率和循环 回路的高度,锅炉的工作压力,炉膛热负荷,锅炉负荷等；2 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其次节 两相流的流型和传热一、蒸发管中汽水两相流的流型
6、在管内两相流中,汽和水不是匀称分布的,它们的流速也不一样；由于管径、混合物中的含汽率和流速不同,两相组成的流型也不一样；流型不同,两相流体的 流淌阻力和传热机理是不同的；流速的大小和传热的强弱又影响到两相流型；用图 9-2 各区域的流型和传热特点；二、蒸发管中汽水两相流的传热 假如热负荷增加,就蒸干点会提前显现,环状流淌结构会缩短甚至消逝,沸腾 传热恶化可能提前在汽泡状流型区域发生；这时由于汽化核心密集,要管壁形成连 续汽膜,将水压向管子中部,由于汽膜导热性很差,导致沸腾传热恶化；一般称这种因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化为第一类沸腾传热恶化,或膜态沸腾,它是由于管外局部热负荷太高造成的；因管
7、壁水膜被蒸干导致的沸腾传热恶化称为 其次类沸腾传热恶化,它是因汽水混合物中含汽率太高所致；腾传热恶化是一种传热现象,表现为管壁对吸热工质的放热系数 2急剧下降,管壁温度随之快速上升,且可能超过金属材料的极限答应温度,致使寿命缩短,材质恶化,甚至即刻超温烧坏；第三节 两相流的特性参数及流淌阻力一、两相流的特性参数 描述汽水两相流流淌特性的物理量称为汽水两相流的特性参数；（一）两相流的流速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,用 表示,并用下 式运算：Gkgm2 s 9-12 A3 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 -
8、 - - - - - - - - 2、循环流速 0 循环回路中水在饱和温度下按上升管入口截面运算的水流速度称为循环流速,用0表示,即kgm 3；（9-13 ）0GmsA式中 饱和水的密度,3、折算流速汽水混合物是由汽和水两相组成的,两者的流速不同；为运算便利常采纳所谓折算流速；假定流过的汽水混合物中某相工质占有管子全部截面时运算所得的流速称为该相的折算流速；明显有蒸汽折算流速0和水的折算流速0之分,它们可分别用下式运算：0DV m/s （9-14 ）AA0GDV Am/s （9-15 ）A在受热蒸发管内,当工质质量流量G 肯定时,不同截面处的蒸汽流量是变化的,管段的平均蒸汽折算流速可依据管段入
9、口和出口截面的蒸汽质量流量 D 和D ,用下式运算：0Dr/DcV r2V cms（9-16 ）2AA蒸发管段中水的平均折算流速为0 G D r2 A G D c V r2 A V c ms（9-17 ）在循环回路中,依据循环流速的定义,循环水流量等于流过工质的总流量,而工质总流量又等于流过的水流量与蒸汽流量之和,即GGDD4 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 或A0A0A0即000ms（9-18 ）水和汽的折算流速实际上是不存在的,折算流速只是反映水或汽的流量,故属于流量参数；4、混合物流速huV 与蒸
10、汽容积 V之和；混流经管子截面的汽水混合物容积等于流过的水容积合物的平均流速为VV00ms 9-19 huA将（ 9-18 ）式中的0代入上式,得： 9-20 hu001ms5、真实流速即A设管子截面积为A 的截面上,水和汽所占管子截面的面积分别为A 和 A ,AA,就该截面上水的真实流速为GDVms 9-21 AV而汽的真实流速为ADVms 9-22 A两相真实流速之差称为相对流速xd：xd；（二）含汽率1、质量含汽率xD 与流过工质总的质量流量G 之比称在汽水混合物中,流过蒸汽的质量流量为 质量含汽率,用x 表示 ：（9-23 ）XDA00A00G5 / 15 名师归纳总结 - - - -
11、 - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 已知某截面上工质的焓,可用下式运算该截面上的质量含汽率：Xiri（9-24 ）式中 i 截面上工质的焓； i 饱和水的焓； r 水的汽化潜热；如已知某管段入口水的焓ri ,就可用下式运算任一截面上的质量含汽率：xQ iir1 9-25 kJkg；Gr式中 Q 管段吸热率,kJs；iri 管段入口水的欠焓,对于沿管长匀称受热的管段,可依据入口和出口质量含汽率rx 和cx 用下式计算其平均含汽率：Xx r2xc 9-26 如将（ 9-23 ）式代入（ 9-20 ）式,就可得：hu01x 1ms 9-27 0代替公
12、式（9-20 ）中的当要求运算某一管段中混合物的平均流速时,以0,或以 X 代替公式（ 9-27 ）中的 x 即可；2、容积含汽率流经管子某一截面的蒸汽容积流量与汽水混合物总容积流量之比称为该截面上的容积含汽率,用表示；即：000 9-28 VA0VVAhu1将公式（ 9-23 ）代入,就得：6 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1111 9-29 x与 x 的关系取决于压力和x （见附录1）；低压时由于饱和汽的密度小,即使 x 较小时值也较大；在任何压力下,随x 的增大值的变化逐步缓慢；3、截面含汽率截
13、面含汽率又称真实含汽率 ,用hu表示；它是管道断面上蒸汽所占截面A 与管子总截面A 之比,即： 9-30 A1AAA此外,VVVA 9-31 huA由此可得：hu令huC,就得C 9-32 在定义和hu时,都把它们看作流量参数,也就是并没有考虑两相之间的速度 差 别 ； 实 际 两相 流 体中 , 两 相 间 存 在速 度 差别 ； 例 如 , 在 上升 流 动时 ,因而 hu,所以 C 1；即；下降流淌时,及 hu,所以 C 1,；如取汽和水的流速相等,即,就 C 1,这时；比例系数 C 是混合物流速 hu与蒸汽真实流速 之比,因而也就考虑到蒸汽和水的相对流速 xd；随压力的上升,汽和水的相
14、对流速减小,在接近临界压力时C1,而；C 值是由综合试验数据求得的；附录2 给出了垂直上升管中 C 的数值,附录2（a）是当 hu 3 . 5 ms、0 . 9 时的 C 值；当 hu 3 5. ms 时,就应用附录2（c）；当 0 9. 时,对于直流锅炉 值按附录2（ b）查得；（三）两相流的密度1、流量密度 hu在汽水两相流中,混合物的质量流量与体积流量之比称为流量密度,用 hu表7 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 示；huGVVV 1VV 流量密度是由流量参数kgm 3 9-33 G、V 得到的,
15、没有考虑汽水的相对滑动,故实际上流量密度是不存在的；它用于流淌阻力、动量、质量流速等以流量特性为基础的各工程的运算；2、真实密度某段管段中汽水混合物实际存在的密度称为 真实密度,用 zs表示 ；如汽水混合物布满高度为 h 、总截面积为 A 的管段中,水和汽所占截面分别为 A 和 A ,就有 : A h A h A h zsA A就真实密度为：zs 1 9-34 A A真实密度用以运算管子中两相流的质量、重位压头及必需考虑非均相流的各工程；在上述各特性参数中,、0、0、0、hu、 X 、及hu是以工质流量或每一相的流量为基础来表示的参数,故又称之为流量参数；流量参数可用于流体的质量流量、容积流量
16、等的运算；而真实流淌特性参数、及zs是以汽水两相流实际流淌情形为基础的流淌参数,即考虑了汽、水流速不同的差异；真实流淌特性参数用于管内两相流的质量、重位压头等的运算；二、两相流的流淌阻力设有一任意放置的受热管段,两相流体流经1-2 两个截面时（如图9-6 所示）,其压力降P 可用下式表示： 9-35 PP 1P zP lzP jsP zw1、流体加速压降某一管段中工质的加速压降等于管段出口截面的动量与管段进口截面动量之差：Pjs21（9-36 ）依据等截面管道中质量流速不变的原理可知：0；如分别对管子进口截面（其干度为x ）和出口截面（其干度为x ）应用公式（9-37 ）,代入（9-8 / 1
17、5 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 36 ）式整理后,可得：Pjs021 x2x1（9-37 ）2、重位压差当两截面间的高度差为h 时,重位压差为：P zwhzsgP a（9-38 ）式中zs 管段内工质的平均真实密度,由式（9-34 ）可知：zskgm3（ 9-39 ）3、摩擦阻力对于匀称混合物的汽水混合物,可按混合物流速hu和混合物密度hu来运算管段中的摩擦阻力：P ml2 huhuP a（9-40 ）d2在稳固流淌时,由循环流速的定义可知：huhu0；将（ 9-27 ）式代入上式可得：Pml2 01x 1P
18、 a（9-41 ）d2如将式（ 9-20 ）代入式（ 9-40 ）而不用式（9-27 ）就可得摩擦阻力的另一表达式：Pml2 010 1P a（9-42 ）；d20考虑到两相流结构对的影响,在运算中加入一修正系数当管段中汽水混合物含汽率沿管长不变时,摩擦阻力缺失按下式运算：Pml2 01X1P a（9-43 ）2d式中的修正系数由附录3（b）查取；当管段中汽水混合物的含汽率沿管长变化时,按下式运算摩擦阻力缺失：Pml2 01X1P a（9-44 ）d2管段的平均修正系数按下式运算：9 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - -
19、 - - - cXcXrXr（9-45 ）Xcrc、r 分别为管段出口、入口截面的平均修正系数,由附录3（ a）查取；4、局部阻力由局部阻力所引起的压力缺失,按下式运算：P jb12 01X1 P a（ 9-46 ）223 第四节自然水循环的牢靠性指标及运算方法一、自然水循环工作的牢靠性指标1、质量流速和循环流速0质量流速和循环流速的定义式参见（9-12 ）、（ 9-13 ）式；循环流速是一个流量参数,虽然它能反映水流速度的快慢,能判定水循环的安 全性,但它是按上升管入口水量运算得到的；对于受热不同的上升管,即使循环流 速相同,但由于产汽量不同,在上升管出口处的汽水混合物中含水量就不同；对受
20、热强的上升管,由于产汽量较多,出口水量较少,管子内壁四周可能维护不住连续 流淌的水膜；同时,汽水混合物比容增大、流速提高,可能撕破很薄的水膜,造成 其次类沸腾传热恶化,使管壁超温；因此,循环流速不是反映水循环安全的唯独指 标；K 2、循环倍率 循环倍率的定义为：循环回路中,进入上升管的循环水量 G 与上升管出口蒸 汽量 D 之比,称为循环倍率,用符号 K 表示,其数学表达式为K G 9-47 D 循环倍率 K 的意义 是上升管中每产生 1kg 蒸汽需要进入上升管的循环水量,或 1kg 水全部变成蒸汽在循环回路中需要循环的次数；循环倍率K 与质量含汽率x 互为倒数关系；循环倍率K 愈大 ,含汽率
21、x 愈10 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 小,就上升管出口汽水混合物中水的份额较大,管壁水膜稳固,对管壁冷却作用较好；所以,常常循环倍率来评定锅炉水循环是否安全；但K 值过大,上升管产汽量太少,上升管内工质的平均密度 ss增大,循环回路的运动压头减小,将使循环流速降低,对水循环安全不利；3、自补偿才能和界限含汽率Xjx随着受热面热负荷增大,上升管的产汽量增加,质量含汽量x 增大,一方面运动压头增大；另一方面上升管的流淌阻力也随着增大；循环流速是增大仍是减小取决于这两个因素中变化较大的一个；当x 不太
22、大时,运动压头的增加大于流淌阻力的增加；因此,随着x 的增大,循环流速增大；当x 增大到肯定数值后,连续增大x,由于流淌阻力与工质流速的平方成正比,将显现流淌阻力的增加大于运动压头增加的状况,这时随着x 的增大,循环流速反而下降；循环流速0与上升管质量含汽率x 的关系如图9-7 所示；图中最大循环流速max所对应的上升管质量含汽0率 x,称为 界限含汽率Xjx；界限含汽率Xjx的倒数就称为界限循环倍率Kjx；在上升管含汽率小于界限含汽率范畴内,自然循环回路上升管受热增强时,循环水量和循环流速也随之增大,这种循环特性称自补偿性或自补偿才能；如热负荷太大,上升管含汽率超过界限含汽率,这时随着受热面
23、吸热增强,循环水量和循 环流速反而减小,就失去自补偿才能；为了保证自然循环回路的工作安全,锅炉应 始终在自补偿范畴内；因此,上升管的含汽率必需始终小于界限含汽率,而循环倍 率就应始终大于界限循环倍率；二、自然水循环的运算方法（一）循环回路的分段 简介（二）自然循环的运算方法 自然水循环的运算方法有 压差法 和压头法 两种；我国电站锅炉水动力运算 方法举荐用压差法进行运算,即下降管系统的总压差等于上升管系统的总压差；11 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1、压差法按图 9-8 可写出自汽包水位面至下联箱
24、中心之间的下降管系统总压差P 和 xj *上升管系统总压差* P 分别为：* P xjhxjgP xjP 9-49 * P ssh iiP lEP jsP flP 9-50 由本章第一节分析可知,自然循环在稳固流淌时,上升管系统和下降管系统的总压差必需相等,即* P xj* P ss；这就是压差法的基本方程；2、压头法 运动压头 P yd 扣除上升管系统的阻力和汽水分别装置的阻力之后,剩余部即为 有效压头 P ：P e P yd P ss P fl P a 自然循环在稳固流淌时 P e P xj；这就是用压头法运算自然循环的基本方程 式；（三）循环回路的特性曲线及工作点 自然水循环的运算过程可
25、归纳为建立基本方程式和解基本方程式；基本方程式 的解法有特性曲线图解法两种；在用压头法运算自然循环的过程中,上升管系统和 下降管系统的总压差的运算与循环流速有关；而在水循环运算未完成之前又无法确 定实际的循环流速；所以须采纳试算法,即先假定一个循环流速 0；分别运算出 下降管系统和上升管系统的总压差；假如两者不相等,再在原循环流速 0 的基础 上增加（或削减）一个附加量,依次算下去,直到两者相等（或达到所要求的精 度）为止；下面就采纳压头法运算自然循环的特性曲线图解法进行说明；1、简洁回路自然循环特性曲线图解法 2、复杂回路自然循环特性曲线图解法（1）串联各部分管内工质质量流量相同；（2）系统
26、总压差是各部分各自的特性曲线在流量相同时压差的叠加值；并联系统的特点是：12 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - （1）并联的各上升系统压差相等；（2）总流量是在等压差下各系统流量的总和；第五节 自然循环常见故障及提高安全性措施一、自然循环的常见故障 一般常见的故障有：循环停滞、循环倒流、显现自由水面、汽水分层等；1、循环停滞 2、循环倒流 3、汽水分层防止汽水分层的措施是尽可能防止布置水平或倾角小于 构上不行防止时,要尽可能提高管内汽水混合物的流速；二、下降管含汽15的沸腾管；如在结当下降管含有蒸汽时,
27、管内工质平均密度减小,运动压头减小,而工质的体 积流量将增大,致使下降管的流淌阻力增加；这样能克服的上升管阻力减小,循环 流速和循环倍率降低,使得受热弱的上升管更简洁发生循环停滞等故障；锅炉下降管含汽的缘由主要有：下降管受热产生蒸汽；水在下降管入口自汽 化；水进入下降管时带汽；由于锅炉压力突然下降引起锅水自汽化等等；三、大型自然循环锅炉的水循环安全问题 对于高参数大容量自然循环锅炉,由于各上升管内工质的含汽率增大,回路高 度提高及大直径集中下降管的采纳等,循环推动力（即运动压头）增大；因此,如 采纳合理的设计布置,在亚临界压力下仍可采纳自然循环锅炉,如国产 DG-1000/16.8 自然循环锅
28、炉；对于这类锅炉其产生循环停滞和倒流的可能性很 小；对亚临界压力的自然循环锅炉,理论运算和体会证明,水冷壁安全运行的主要 任务之一是防止沸腾传热恶化；高参数大容量自然循环锅炉水循环的主要危害在于受热最强管子的传热恶化；四、提高水循环安全性的措施13 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 影响水循环安全性的常见因素有：并列上升管吸热不匀称,下降管带汽,下降管、汽水引出管和汽包内分别装置阻力过大,以及压力变化速度等；1、蒸发管吸热不均 假如吸热有显著差别的管子并联在一组上升管系统内,就受热弱的管内就可能发生水循
29、环故障；为减小并列蒸发管吸热不均,现代锅炉在结构和布置上常用的措施有：（1）按受热忱形划分循环回路,将每面墙的水冷壁按受热强弱情形划分为如 干个独立的循环回路,每一回路中并列管子的受热忱形与结构尺寸差异不大；（2）改善炉膛四角管子的受热忱形,由于炉膛四角布置的管子吸热最弱,因 此四角最好不布置管子,或将炉膛截面切角形成八角炉膛；另外,布置在炉膛四角 的一些吸热差的管子最好划分成单独的独立循环回路；（3）采纳平炉顶结构用平炉顶取代前斜壁顶栅,可使两侧墙水冷壁吸热区段 的高度基本相同,削减吸热不匀；为减小并列管吸热不均,在运行方面应留意以下几点：（1）保持炉膛火焰中心位置,防止火焰偏斜；（2）保持
30、水冷壁清洁,防止局部结渣积灰；（3）防止锅炉长时间低负荷运行；2、下降管阻力减小下降管阻力实行的措施有：在设计时,应力求减小总阻力系数,可采纳大直径下降管,布置的管路应力求简洁；挑选较大的下降管截面积与上升管截面积之比（AxjA ss）,以减小下降管内工质流速；另外,在设计和运行时,应实行一些防止下降管带汽的详细措施；3、汽水引出管和汽包内分别装置的阻力减小汽水引出管阻力的措施 汽水引出管与上升管的截面积之比（,可采纳较大直径引出管,增大流通截面积,即AycA ss）,减小汽水混合物在引出管内的流速,降低引出管的流淌阻力；另外,管路布置也应尽量简洁；4、压力变化速度 在严峻的不稳固工况下,压力
31、变化速度很大,而压力的快速波动,将引起水循14 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 环的变化；在升压过程中,在受热弱的上升管中,由于其本身含汽率小,蓄水量多,压 力上升时,产汽量更少,故运动压头降低更多,有可能产生循环的停滞或倒流；循 环停滞或倒流是否会产生,由升压速度的大小和受热弱管子的受热忱形来打算；当 受热弱管子的吸热量大于该管克服循环停滞（或倒流）所需要的最小吸热量时,就 该升压速度是答应的,这时循环停滞或倒流也就不会发生；,工质饱和温度随之降低,工质和金属释放出积蓄的热量,上 在降压过程中 升管
32、中产汽量增加,当降压速度不是太大,下降管中不产生蒸汽时,回路的运动压 头增加；此外,受热较弱的管子中,由于存水量多,蓄热量大,降压时产汽量也较 多,相当于增加了更多的吸热量；因此,降压对水循环是有利的；假如降压速度过 大,下降管中产生蒸汽,这一方面使下降管中流淌阻力增加,另一方面使循环回路 的运动压头下降；此时对受热弱的管子可能发生循环停滞或倒流,影响水循环的可 靠性；因此,锅炉工况变化时,要掌握压力的变化速度在答应范畴内；由于压力变化速度过大,一方面使承压部件产生较大的机械应力；另一方面可能使正常的水循环 遭到破坏,产生循环故障；15 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页