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1、NCEPUNCEPU超临界锅炉的水动力特性超临界锅炉的水动力特性NCEPUNCEPU一、超临界参数的基本特性一、超临界参数的基本特性v 随着压力的提高，水的饱和温度相应随之提高，汽化潜热随着压力的提高，水的饱和温度相应随之提高，汽化潜热减小，水和汽的密度差也随之减小。减小，水和汽的密度差也随之减小。v 当压力提高到当压力提高到22.115MPa22.115MPa时，汽化潜热为零，汽和水的密时，汽化潜热为零，汽和水的密度差也等于零，该压力称之为度差也等于零，该压力称之为临界压力临界压力。v 水在该压力下加热到水在该压力下加热到374.15374.15时，即全部汽化成蒸汽，该时，即全部汽化成蒸汽，
2、该温度称之为临界温度。温度称之为临界温度。 NCEPUNCEPU比容比容v 在临界压力以下时，水一旦达到饱和温度，蒸发时工质的比容以垂直线方式急剧上升。v 而在临界和超临界压力时，虽然没有像临界压力以下的蒸发现象，但在相变点附近，工质的比容还是增加得相当快，也即密度显著减小。 NCEPUNCEPU比热比热 在超临界压力下，水冷壁内工在超临界压力下，水冷壁内工质存在质存在大比热特性大比热特性。在相变点。在相变点附近温度稍有变化时，比热变附近温度稍有变化时，比热变化很大，且都有一个最大比热化很大，且都有一个最大比热区，随着压力的提高在最大比区，随着压力的提高在最大比热区比热的变化稍有减缓。热区比热
3、的变化稍有减缓。 对应定压比热最大位置处的工对应定压比热最大位置处的工质温度称为质温度称为拟临界温度拟临界温度。 拟临界温度左侧为水，右侧为拟临界温度左侧为水，右侧为汽。汽。NCEPUNCEPU其它参数其它参数v 在超临界压力的大比热容区内，工质比容、粘度、导热系数等也都剧烈变化，离开大比热容区后则变化趋缓。v 除了比热容以外，上述参数的变化都是单方向的，随着温度的升高，比容增大，粘度、导热系数降低。 NCEPUNCEPU二、亚临界和超临界压力下的流动稳定性二、亚临界和超临界压力下的流动稳定性v 在直流负荷以下和启动过程中，炉膛水冷壁进口工质为未在直流负荷以下和启动过程中，炉膛水冷壁进口工质为
4、未饱和水，出口为汽水混合物饱和水，出口为汽水混合物; ;v 由于两相介质密度的差异，将可能出现水动力不稳定的问由于两相介质密度的差异，将可能出现水动力不稳定的问题，主要表现为题，主要表现为水动力多值性水动力多值性和和脉动脉动。NCEPUNCEPU水动力多值性水动力多值性v 水动力特性：水动力特性：是指一定热负荷下，是指一定热负荷下，强制流动受热面管屏中工质流量强制流动受热面管屏中工质流量G与流动压降与流动压降p之间的关系，也之间的关系，也可用函数形式表示可用函数形式表示:p= f (G)v 表现为：流量与压差的关系不是表现为：流量与压差的关系不是单值性的，而是多值性的，即对单值性的，而是多值性
5、的，即对应一个压差，出现一个或两个以应一个压差，出现一个或两个以上的流量。上的流量。v 同一片管组的各管子结构和受热同一片管组的各管子结构和受热情况均相同，在相同的压力差下，情况均相同，在相同的压力差下，不同管子会出现不同管子会出现2 2种甚至种甚至3 3种不同种不同的流量，这种现象即为水动力多的流量，这种现象即为水动力多值性。值性。NCEPUNCEPUv 并联蒸发管发生多值性流动时，部分流量小的管子会并联蒸发管发生多值性流动时，部分流量小的管子会因出口工质温度过高而引起管壁超温，同时管子中的因出口工质温度过高而引起管壁超温，同时管子中的流量还可能随时间而经常变化，使蒸发管中的起沸点流量还可能
6、随时间而经常变化，使蒸发管中的起沸点经常移动，致使起沸点附近的管壁温度反复波动，从经常移动，致使起沸点附近的管壁温度反复波动，从而容易引起管子金属疲劳破坏。而容易引起管子金属疲劳破坏。v 强制流动水冷壁水动力多值性出现得强制流动水冷壁水动力多值性出现得根本原因根本原因是：由是：由于汽和水的比容差以及热水段和蒸发段共存，且由于于汽和水的比容差以及热水段和蒸发段共存，且由于蒸发段中由于扰动使工质比容变化较大引起的。蒸发段中由于扰动使工质比容变化较大引起的。v 提高压力，减小汽、水的质量体积差，可有效防止多提高压力，减小汽、水的质量体积差，可有效防止多值性发生，这也是多值性一般出现在亚临界压力以下、
7、值性发生，这也是多值性一般出现在亚临界压力以下、低负荷时及锅炉启动过程中的原因。低负荷时及锅炉启动过程中的原因。NCEPUNCEPUv 压力越高，其水动力特性压力越高，其水动力特性P=f (G)P=f (G)越趋于稳定。越趋于稳定。 v 提高压力，减小汽、水的提高压力，减小汽、水的质量体积差，可有效防止质量体积差，可有效防止多值性发生。多值性发生。NCEPUNCEPUv热负荷大小、运行工况及水冷壁入口水的欠焓对流动稳定性都有影响。v超临界压力直流锅炉在启动和低负荷时，其压力低，因此仍有流动稳定性的问题。v即使是超临界压力下，当水平布置的蒸发受热面沿管圈长度方向热焓变化时，工质的比容也随之发生变
8、化，尤其在最大比热区，其变化更大，因此仍有流动多值性的问题。 NCEPUNCEPU脉动性流动脉动性流动v定义定义：在管屏两端压差相同，当给水量和流出量在管屏两端压差相同，当给水量和流出量基本不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周基本不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周期性波动的现象，叫脉动现象。期性波动的现象，叫脉动现象。v脉动种类脉动种类 管间脉动管间脉动 屏间屏间( (屏带或管屏间屏带或管屏间) )脉动脉动 整体脉动整体脉动( (全炉脉动全炉脉动) )NCEPUNCEPUv管间脉动管间脉动 并联工作的管子之间，某些管并联工作的管子之间，某些管子的进口水流量时大时小。子的进口水流量时大时小
9、。 对于一根管子，进口的水量最对于一根管子，进口的水量最大时，出口蒸汽量最小；大时，出口蒸汽量最小； 一部分管子的水流量增大时，一部分管子的水流量增大时，另一部分水流量却在减小；与另一部分水流量却在减小；与此同时，出口蒸汽量也在进行此同时，出口蒸汽量也在进行周期性变化。周期性变化。 整个管组的进水量和蒸汽量变整个管组的进水量和蒸汽量变化不大。化不大。NCEPUNCEPUv管屏脉动管屏脉动 与管间脉动相似，指的是各个管屏之间的脉动现象。与管间脉动相似，指的是各个管屏之间的脉动现象。 v整体脉动整体脉动 全部并联管屏中流量同时发生的周期性波动。全部并联管屏中流量同时发生的周期性波动。 使用特性比较
10、平缓的离心式给水泵造成的。使用特性比较平缓的离心式给水泵造成的。 当给水量、燃料量、压力剧烈变化时，会引起整体脉当给水量、燃料量、压力剧烈变化时，会引起整体脉动。动。 特点：振幅是变化的，没有严格的周期，逐步衰减。特点：振幅是变化的，没有严格的周期，逐步衰减。 NCEPUNCEPUv脉动的危害脉动的危害 脉动脉动工质压力、温度的周期性变化，引起：工质压力、温度的周期性变化，引起： 管壁温度周期性变化，引起管子疲劳破坏；管壁温度周期性变化，引起管子疲劳破坏； 过热段长度周期性变化过热段长度周期性变化出口气温周期性变化出口气温周期性变化气温难于控制，引起管壁超温；气温难于控制，引起管壁超温； 脉动
11、严重时，引起管屏的机械振动，造成管屏脉动严重时，引起管屏的机械振动，造成管屏机械应力破坏。机械应力破坏。NCEPUNCEPUv 防止脉动的措施防止脉动的措施1.1.增大质量流速增大质量流速 气泡不易变大，管内不会形成较高的局部压力，保持稳定的进口水气泡不易变大，管内不会形成较高的局部压力，保持稳定的进口水量。量。2.2.提高进口压力。提高进口压力。p p高，汽水密度差小，局部压力升高的现象不易发生。高，汽水密度差小，局部压力升高的现象不易发生。3.3.降低蒸发点热负荷和热偏差降低蒸发点热负荷和热偏差 将蒸发点移到热负荷低的区域，蒸发点热负荷低，局部压力大幅度将蒸发点移到热负荷低的区域，蒸发点热
12、负荷低，局部压力大幅度变化可以避免；减小热偏差，防止个别管子流量降低导致的比容剧烈变化可以避免；减小热偏差，防止个别管子流量降低导致的比容剧烈变化引起的压力变化。变化引起的压力变化。4.4.防止脉动性燃烧防止脉动性燃烧 蓄热少，热惯性小，热水段长度、蒸发段长度不断变化，引起流动蓄热少，热惯性小，热水段长度、蒸发段长度不断变化，引起流动阻力变化、重位压头变化，导致脉动发生。阻力变化、重位压头变化，导致脉动发生。 5.5.加装节流圈加装节流圈NCEPUNCEPU三、蒸发管内的传热三、蒸发管内的传热液体对流传热液体对流传热过冷沸腾过冷沸腾饱和核态沸腾饱和核态沸腾强制水膜对流传热强制水膜对流传热欠液区
13、欠液区蒸汽对流传热蒸汽对流传热NCEPUNCEPU两类传热恶化两类传热恶化（1 1）由于受热增强，汽泡产）由于受热增强，汽泡产生的速度超过汽泡脱离的生的速度超过汽泡脱离的速度，在金属管壁与水之速度，在金属管壁与水之间形成一层汽泡，把水和间形成一层汽泡，把水和管壁隔开，即由核态沸腾管壁隔开，即由核态沸腾变成变成膜态沸腾膜态沸腾，管壁温度，管壁温度突然升高的现象叫突然升高的现象叫第第类类传热恶化传热恶化。关键参数为热。关键参数为热负荷。负荷。（2 2）管壁上的水膜被）管壁上的水膜被蒸干蒸干，管壁温度突然升高的现象管壁温度突然升高的现象叫叫第第类传热恶化类传热恶化。关键。关键参数为含汽率。参数为含汽
14、率。NCEPUNCEPU五、超临界压力下的传热特性五、超临界压力下的传热特性 v 超临界压力下水在一定温度条件下达到最大值，此最大比超临界压力下水在一定温度条件下达到最大值，此最大比热值比一般水和水蒸汽的比热（热值比一般水和水蒸汽的比热（4.2kJ/(kg4.2kJ/(kg）大很多。）大很多。如如24MPa24MPa时，最大比热为时，最大比热为115kJ/(kg)115kJ/(kg)。v 称比热称比热8.4kJ/(kg8.4kJ/(kg）的区域为大比热区。）的区域为大比热区。v 一般认为此最大比热点可以当作在超临界压力下区分水和一般认为此最大比热点可以当作在超临界压力下区分水和蒸汽的分界点。蒸
15、汽的分界点。v 由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著的变化，因由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著的变化，因此在一定条件下，仍然可能会发生传热恶化。由于这种传此在一定条件下，仍然可能会发生传热恶化。由于这种传热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾，因而就称之热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾，因而就称之类膜态沸腾类膜态沸腾。v 在拟临界温度附近，物性参数变化很大。当管壁温度大于在拟临界温度附近，物性参数变化很大。当管壁温度大于拟临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度时，则水在拟临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度时，则水在壁面处开始沿半径方向物性有很大变化。壁面处开始沿半径方向物
16、性有很大变化。NCEPUNCEPUv 管子壁面处的工质黏度比中心处的小很多，引起流体流动管子壁面处的工质黏度比中心处的小很多，引起流体流动层流化；边界层中的流体密度降低，产生浮力，促使紊流层流化；边界层中的流体密度降低，产生浮力，促使紊流传热层流化；边界层中流体的导热系数降低，避免处流体传热层流化；边界层中流体的导热系数降低，避免处流体的流速远小于管中心的流速，在热负荷较大处导致传热恶的流速远小于管中心的流速，在热负荷较大处导致传热恶化。化。v 壁温飞升值，决定于热负荷和管内质量流速的大小。壁温飞升值，决定于热负荷和管内质量流速的大小。 v 防止传热恶化、降低管壁温度的措施，主要有采用内螺纹防止传热恶化、降低管壁温度的措施，主要有采用内螺纹管和提高工质质量流速等。管和提高工质质量流速等。NCEPUNCEPU主要手段有主要手段有: :v 在膜态沸腾出现的区域采用性能优良的材料，使管壁温度在膜态沸腾出现的区域采用性能优良的材料，使管壁温度小于材料允许温度小于材料允许温度; ;v 增大工质质量流量，以提高临界热负荷增大工质质量流量，以提高临界热负荷; ;v 采用内螺纹管，内螺纹管增加了管内流体的扰动，使膜态采用内螺纹管，内螺纹管增加了管内流体的扰动，使膜态沸腾大大推迟。沸腾大大推迟。