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1、第十一章第十一章 强制流动锅炉的水动力特性及运行强制流动锅炉的水动力特性及运行 锅锅炉炉按按蒸蒸发发受受热热面面中中汽汽水水混混合合物物流流动动的的工工作作原原理理进行分类可以分为：进行分类可以分为：自然循环锅炉：只靠汽水密度差推动工质流动。自然循环锅炉：只靠汽水密度差推动工质流动。强强制制循循环环锅锅炉炉：利利用用水水泵泵压压头头和和汽汽水水密密度度差差推推动动工工质流动。质流动。直流锅炉：工质不循环，一次通过个受热面的锅炉。直流锅炉：工质不循环，一次通过个受热面的锅炉。第一节第一节 强制循环锅炉和直流锅炉工作原理强制循环锅炉和直流锅炉工作原理及工作过程特点及工作过程特点 由于压力的提高，导
2、致密度差的下降，循环推动力下降，自然循环的可靠性降低。而且压力的提高，汽包体积，壁厚增大。从而导致另一种循环形式的诞生，那就是强制循环。强制循环锅炉就是利用水泵压头和汽水密度差来推动工质流动。n强制循环锅炉的主 导思想是解决由于压力提高，密度差下降，循环推动力下降。所以在循环回路下降管系统增加了一个循环泵。省煤器循环泵水冷壁过热器上联箱（一）工作原理一、强制循环锅炉的工作原理和特点（二）强制循环锅炉的特点1.由于增加了水泵的推动力,工质流量可以人为地控制,水流量 可以小些,即循环倍率K K可以小一些,一般为1.58,通常K K为4 左右2.可采用小直径水冷壁3 可采用小直径旋风分离器,因而可以
3、减小汽包直径二直流锅炉的工作原理（一）工作原理在给水泵压头作用下，工质顺次通过预热，蒸发，过热各受热面，而被预热，蒸发，过热到所需要的温度简言之，直流锅炉是工质一次通过各受热面，没有循环的强制流动锅炉。给水泵省煤器水冷壁过热器（二）工作过程直流锅炉循环倍率K=G/D=1因没有汽包，所以没有固定的受热面，在工况变化时，受热面长度发生变化工作过程中的参数变化（）工质焓值，沿受热面长度不断增加（）压力由于克服流动阻力不断下降（）温度，预热段温度不断上升，蒸发段由于压力不断降低，过热段温度不断上升（）比容不断上升三直流锅炉工作过程特点本质特点：（）没有汽包（）工质一次通过，强迫流动（）受热面无固定界限
4、蒸发受热面中工质流动工程特点（）强制流动锅炉没有自补偿能力，即受热强的管子，流动速度小（）在热负荷一定情况，蒸发受热面两端压差一定，一根管子流量可以有多个数值（）有脉动现象（）直流锅炉消耗水泵压头大传热过程特点：因直流锅炉的工质质量含汽率X由0 1，一定会出现第二类传热恶化。4 热化学过程特点：直流锅炉没有汽包，要求给水品质高。5 调节过程特点：直流锅炉，当负荷发生变化时，必须同时调节给水量和燃煤量，以保持物质平衡 和能量平衡，才能稳住汽压和汽温。6 启动过程特点：直流锅炉有启动旁路系统，启动时首先启动旁路系统，建立启动流量和启动压力。此外由于直流锅炉没有汽包，所以启动速度快。7 设计、制造安
5、装特点：（1）适用于任何压力。（2）蒸发受热面可任意布置。（3）节省金属。n自然循环锅炉主要用于高压（9.812.74MPa)和超高压(13.7215.68MPa)也可用于亚临界(16.6618.62MPa).n强制循环锅炉 强制循环锅炉适用于自然循环锅炉的工作范围,但只有在压力在15.68MPa以上时,才有经济性.n直流锅炉 直流锅炉可以用于任何压力,但当 只有采用直流锅炉四、四、三种类型锅炉工作压力范围及比较三种类型锅炉工作压力范围及比较第二节 直流锅炉蒸发受热面的结构形式一直流锅炉结构特点 1）蒸发受热面布置自由 2）没有汽包，主要是外置式过渡区和汽水分离器 3）有启动旁路系统二对蒸发受
6、热面的基本要求 1)管子不被烧坏 2)能解决膨胀问题 3)蒸发受热面能够制造出来 4)制造,安装方便三.早期直流锅炉蒸发受热面的形式 1 本生型:蒸发受热面型式为多次垂直上升管屏 2 苏尔寿型:蒸发受热面型式为多行程迂回管屏 3 拉姆辛型:蒸发受热面型式为水平围绕管屏 本生型苏尔寿型拉姆辛型四、现代直流锅炉蒸发受热面的主要型式1一次垂直上升管屏(UP锅炉)既适用于亚临界，又适用于超临界。2炉膛下部多次上升，上部一次上升管屏(FW型)。适合于300600MW容量机组。不适宜滑压运行（中间有联箱）。3螺旋式水冷壁管屏 该型式特别适用于滑压运行炉膛水冷壁：炉膛水冷壁：下部螺旋盘绕上升下部螺旋盘绕上升
7、 从水冷壁进口到折焰角下一定距离。上部垂直上升上部垂直上升 均为膜式结构均为膜式结构 两者间由过渡水冷壁转两者间由过渡水冷壁转换连接。换连接。第三节第三节 直流锅炉蒸发受热面水动力学直流锅炉蒸发受热面水动力学一蒸发受热面安全工作问题l安全工作条件 (1)管壁温度 小于 材料允许温度.(2)相邻管壁温度差 50二二 水动力特性不稳定性水动力特性不稳定性（一）水平管圈水动力特性 水动力特性是指在一定热负荷情况下，管屏压差与流量的关系。1 特性方程式 其中 工质在受热管中的质量流速 双相流摩擦阻力校正系数 受热面平均热负荷 进口处工质欠焓水动力特性曲线132abc在此图中，1，3 线为单值特性曲线
8、2 线为多值特性曲线。曲线2所示图形，就表示在一个压差下，对应有23个流量，即水动力成多值性。2 水动力特性单值条件 对特性方程式求导得 进口处工质欠焓3 水动力多值性产生的原因 从特性曲线可以看出，曲线2有一下降段ab,即当 增加时，增加，减小，减小 ，减小，减小的影响比 增加的影 响大。（1）工质进口欠焓。当 =0 时，不会出现多值性。因为当没有热 水段时，蒸发段长度不会发生变化，蒸发量不会变化。随 增加而单调上升。愈大，水动力多值性愈明显。水动力不稳定性发生在同时具有蒸发段和热水段的管屏上，水动力多值性不会发生在只有蒸发段的管屏上。4 影响因素（2）压力 。发生水动力多值性的最根本的原因
9、是汽水密度不同当 增加时，（）下降，因此水动力特性趋向稳定。（3）热负荷Q。Q增加，使 长度减小，如果没有热水段，一定不出现多值性，故热水段长度减小，水动力特性趋向稳定。（4）热水段阻力。增加热水段阻力，可以使水动力特性稳定。蒸发段阻力变小对 影响小，趋于稳定。（5）质量流速。质量流速越低，工质流量分配越不均匀，越容易发生水动力多值性。（6）重位压头。影响水平管水动力特性的因素同样也影响着垂直管屏，垂直管屏水动力稳定性要求更高。（7）工质大比热特性。当工质处于大比热区范围内，且吸热量同时增大时，比容发生剧烈变化，引起工质的膨涨急剧增大，容易发生水动力不稳定现象。5 解决水动力稳定性的方法（1）
10、减小 。（2）增加热水段阻力采用节流圈。（3）提高启动压力 。（4）减小热偏差。（5）提高质量流速 。（6）控制下辐射区水冷壁出口温度。流圈阻力特性；3加节流圈后的水动力特性 1 在垂直管圈中，由于重位压差 的影响，热水段，蒸发段高度，m 热水段，蒸发段密度，（二）垂直管圈的水动力特性（一）垂直管圈水动力特性 当 增加时，下降，D 减少,下降,增大，增加。的作用，是使水动力特性趋向稳定。2 负荷变化时垂直管屏的水动力表现（1）当 上升时，所占比例增加，这时水动力特性 与水平管圈相似，即表现了强迫流动特点，受热强的管子，流 动速度慢。（2）当 下降时，所占比例减小，这时 起主 要作用，与自然循环
11、相似，表现了自然循环的特性，受热强的 管子，流动速度快。三 蒸发受热面的脉动现象1.定义：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期性波动的现象，叫脉动现象。管间脉动2.脉动种类 管屏脉动 整体脉动3 产生脉动的原因 1）压力峰的形成 2）压力的下降 3）压力峰重新形成4 脉动的消除 1）增大 2）提高进口压力 3）增大热水段阻力采用节流圈 4）降低蒸发点的热负荷和热偏差 5）防止脉动性燃烧 6）给水泵特性平缓的水泵特性和较陡的水泵特性相比，假定压差变化相同，平缓的水泵特性流量变化大，而较陡的水泵特性流量变化较小。1比容一、超临界压力下的工质热物理特性2比
12、热第四节第四节第四节第四节 超临界压力锅炉水冷壁管内传热超临界压力锅炉水冷壁管内传热超临界压力锅炉水冷壁管内传热超临界压力锅炉水冷壁管内传热1比容2比热类膜态沸腾：由于管子内壁面附近的流体粘度、比热、导温系数、密度等物性参数发生显著变化引起的。（流体边界层的层流化；紊流边界层流化）传热恶化发生在管子入口处和大比热区 对于直流锅炉，不可能避免传热恶化，只有采取推迟和抑制。主要方法：1）使用好材料 2）采用内螺纹管，螺旋式导流器（扰流子）二、超临界压力下水冷壁管内传热第五节 低循环倍率锅炉一 低循环倍率锅炉构成原理 低循环倍率锅炉是在苏尔寿直流锅炉和强制循环锅炉的基础上研制出来的 其具体结构，如左
13、图所示过热器苏尔寿罐省煤器再循环泵混合器水冷壁二 低循环倍率锅炉的工作特点1 由于有再循环流量，在额定负荷情况下，由给水量确定的 可以小于传热要求的临界质量流速，所以使给水泵压头和功率大大减少。2当锅炉负荷变化时，由于再循环泵的作用，水冷壁管中质量流速变化不大，因此 变化小。3低循环倍率锅炉由于循环倍率低，循环水量少，可以用直径较小的汽水分离器取代汽包。4低循环倍率锅炉由于循环倍率大于1，水冷壁平均出口干度在0.6左右，因此传热恶化比一次上升直流锅炉的传热恶化大为减轻，因而一般可以不用螺纹管。6 启动流量小，启动系统简化，启动损失小，速度快。7苏尔寿罐固定了受热面界限，在调节上可以分成若干区域
14、。8适用于亚临界参数，容量300600MW的机组，也可用在超临界参数上。9需要解决长期在高温高压下再循环泵的运行问题。5 由于水冷壁中工质比较稳定地处于饱和温度，各 管屏及管子的管壁温度比较平均，因此，使膜式水冷壁的鳍片热应力小，工作可靠性增加。1质量流速2流量的分配3节流圈4再循环泵的工作可靠性三 低循环倍率锅炉蒸发受热面水动力方面的几个问题n在启动和低负荷运行时，采用再循环流量而不是只用给水量来冷却水冷壁。n在高负荷运行时，只采用直流的给水量而又不使用再循环流量来冷却水冷壁。第六节 部分负荷复合循环锅炉一 部分负荷复合循环锅炉的构成原理二二部分负荷复合循环锅炉的工作特点部分负荷复合循环锅炉
15、的工作特点n水冷壁的工质流速：由于在低负荷时有再循环流量，当高负荷按直流方式运行时，可以选用较低的 ，而在低负荷是则利用再循环来得到足够的 。n循环倍率。n水冷壁结构。n旁路系统。n适用与超临界大容量锅炉（600MW）。第七节 直流锅炉的启动系统一、直流锅炉启动过程的主要问题无汽包，启动一开始就必需不间断地向锅炉送进给水，有必要设置专门的回收工质与热量的系统。直流锅炉启动必须与汽轮机的启动密切配合。汽水的热膨胀问题再热器保护二、启动系统的作用建立启动压力和启动流量回收工质和热量实现锅炉各受热面之间和锅炉与汽轮机之间工质状态的配合。汽水分离器有内置式和外置式两种汽水分离器有内置式和外置式两种:内
16、置式分离器在启动完毕后，并不从系统中切除内置式分离器在启动完毕后，并不从系统中切除而是串联在锅炉汽水流程内，因此它的工作参数而是串联在锅炉汽水流程内，因此它的工作参数(压力压力和温度和温度)要求比较高，但控制阀门可以简化。要求比较高，但控制阀门可以简化。外置式分离器在锅炉启动完毕后与系统分开，工外置式分离器在锅炉启动完毕后与系统分开，工作参数作参数(压力和温度压力和温度)的要求可以比较低，但控制阀门的要求可以比较低，但控制阀门要求较高。要求较高。图2-1 1000t/h直流锅炉外置式启动旁路系统1启动分离器；2除氧器；3锅炉；4水冷壁、顶部过热器、包覆过热器；5低温过热器；6汽轮机高压缸；7汽
17、轮机中低压缸；8凝汽器；9凝升泵；10低压加热器；11给水泵；12高压加热器；13分离器至高压加热器的气管路；14分离器至除氧器的气管路；15高温过热器；16分离器至除氧器的水管路；17再热器；18分离器至再热器的气管路；19分离器至凝汽器的气管路；20除氧器至凝汽器的放水门；21启动调节门；22大旁路；23低温过热器 机组启动时，低温过热器出口25、26关闭，工质经水冷壁、包覆管、低温过热器之后，进入启动分离器，也可以提前经启动调节门21进入启动分离器。在分离器中汽、水分离。汽的出路有：去过热器、去再热器、去高压加热器、去除氧器，去凝汽器。水的出路有：去除氧器、去凝汽器、去地沟。水的回收途径
18、与水质指标有关：水含铁量小于80ug/L回收入凝汽器，回收工质，但热量损失了；水中含铁量大于1000ug/L排入地沟不回收。回收入除氧器水箱与回收入凝汽器比，前者水阻力小得多，节省给水泵电耗。借助分进调节门21或23的节流，可使启动分离器的压力低于锅炉本体（指分离器之前的受热面）的压力，这样，本体保持高的启动压力有利于水动力稳定并减小工质的膨胀量，而启动分离器内的压力（即输出蒸汽的压力）则可灵活地根据汽轮机进汽参数要求和工质排放能力加以调节。直流锅炉内置式启动旁路系统 启启动动分分离离器器布布置置在在炉炉膛膛水水冷冷壁壁出出口口，分分离离器器与与水水冷冷壁壁、过过 热热 器器 之之 间间 的的
19、 连连 接接 无无 任任 何何 阀阀 门门。一一 般般 在在（35%37%35%37%）MCRMCR负负荷荷以以下下，由由水水冷冷壁壁进进入入分分离离器器的的为为汽汽水水混混合合物物，分分离离器器出出口口蒸蒸汽汽直直接接进进入入过过热热器器，疏疏水水通通过过疏疏水水扩扩容容器器回回收收工工质质或或通通过过除除氧氧器器回回收收工工质质和和热热量量。当当负负荷荷大大于于（35%37%35%37%）MCRMCR负负荷荷时时，分分离离器器中中全全部部是是蒸蒸汽汽，呈呈干干态态运运行行。此此时时内内置置式式分分离离器器相相当当于于一一个个蒸蒸汽汽联联箱箱，必必须须承承受受锅锅炉炉全全压压，这这是是与与外
20、外置置式式分分离离器的最大不同点。器的最大不同点。疏疏水水控控制制阀阀（AAAA、ANAN、ANBANB阀阀）用用于于控控制制分分离离器器的的水水位位和和疏疏水水的的流流向向。锅锅炉炉湿湿态态运运行行时时，分分离离器器水水位位由由ANBANB阀阀自自动动维维持持，当当水水位位高高于于ANBANB阀阀的的调调节节范范围围时时（如如工工质质膨膨胀胀），再再相相继继投投入入AAAA、ANAN阀阀参参与与水水位位调调节节。AAAA阀的通流量设计可保证工质膨胀峰值流量的排放。阀的通流量设计可保证工质膨胀峰值流量的排放。三、汽水分离器的作用和构造 直流锅炉和复合循环锅炉在启动和低负荷时，为了锅炉本身各受热面间以及与汽机间的工质状态的匹配，为了启动过程中热量和工质的回收，必须备有启动旁路系统。而汽水分离器是启动旁路系统中的一个重要组成部分。(一)汽水分离器作用（1）组成循环回路，建立启动流量（2）实现进入的汽水混合物的汽水两相分离，使分离出来 水的质量和热量得以回收，并由它作为提供过热器、再 热器暖管和汽机冲转带负荷的汽源(3)对于内置式分离器而言，在启动时它能起到固定蒸发终点的作用，这样使汽温、给水量、燃料的调节成为互不干扰的独立部分(4)它是提供启动和运行工况下某些参数的自动控制和调 节信号的信号源(即作为中间点温度)