锅炉水循环原理要点

京能集团运行人员培训教程BEIH Plant Course

锅炉水循环

The Water Cycle of Boiler

MAJ

TD NO.100.2

目录

1电站锅炉汽水蒸发过程流动和吸热的一般特性和原理 (1)

1.1蒸发系统的主要功能和要求 (1)

1.2蒸发系统主要设计原则 (2)

1.3蒸发系统换热性能的主要参数和特征 (4)

1.4管内工质流动特性的基本原理和参数 (6)

1.5水循环的主要类型 (10)

2亚临界及以下状态汽水介质在垂直管中的流动和传热 (13)

2.1垂直上升管内汽水流动和传热分析 (13)

2.2垂直下降管内汽水流动和传热分析 (16)

3亚临界及以下状态汽水介质在水平管中的流动和传热 (22)

4超临界压力及以上状态汽水介质的管内流动和换热特点 (24)

4.1存在临界点区域 (24)

4.2存在拟临界温度 (24)

4.3存在大比热区 (24)

4.4超临界压力下的传热恶化类型 (24)

4.5影响传热恶化的主要因素 (25)

4.6超临界压力水蒸气的比容、比热和焓 (26)

5自然循环锅炉的水循环原理 (27)

5.1自然循环的原理 (27)

5.2自然循环主要热力特征参数 (28)

5.3自然循环主要结构特征 (30)

5.4自然循环主要运行特征 (32)

5.6不稳定工况对锅炉水循环的影响 (34)

5.7自然循环锅炉水循环方面的控制逻辑 (35)

6直流锅炉的水循环原理 (36)

6.1强制流动蒸发受热面中的流动多值性 (36)

6.2直流锅炉蒸发受热面中流体的脉动 (42)

6.3直流锅炉的传热恶化 (46)

6.4直流锅炉的特点 (46)

6.5直流锅炉的启动系统 (47)

6.6直流锅炉的基本型式 (55)

6.7直流炉的运行特性 (59)

6.8超临界直流锅炉水冷壁横向裂纹失效 (62)

6.9直流锅炉水循环方面的控制逻辑 (63)

7控制循环锅炉水循环原理 (66)

7.1控制循环锅炉基本原理 (66)

7.2控制循环锅炉一般设计原则 (67)

7.3控制循环锅炉技术特点 (71)

8锅炉缺水事故的预控 (78)

8.1、汽包水位控制当前存在隐患 (78)

8.2、锅炉缺水事故的控制 (80)

8.3、锅炉缺水事故案例分析 (81)

9设备附图 (86)

10题库 (89)

1电站锅炉汽水蒸发过程流动和吸热的一般特性和原理电站燃煤锅炉汽水系统，是汽水介质在炉内吸收燃煤燃烧所释放的热能，为汽轮机提供规定能级、品质和数量的蒸汽，将燃煤化学能转化为蒸汽热能的换热系统，包括吸收预热热、将给水加热为接近饱和状态的省煤器、吸收过热热和再热热的过热器和再热器，而蒸发设备系统（水冷壁，自然循环包括汽包、下降管，控制循环还包括炉水循环泵），就是吸收蒸发热，把接近饱和状态的给水加热蒸发成为饱和蒸汽的设备系统，同时它的表面以一定形状围成具有密闭性能的炉膛，为燃料着火、燃烧、放热提供空间。其主要热力过程近视为燃煤发电厂整个热力循环（如下图）中的5点至6点的水平段。汽水介质在锅炉蒸发系统工作过程属于管内吸热沸腾、汽液两相流动过程，从内因方面看，其流动特性和吸热特性相互影响且随着工质状态的变化而发生明显变化；从外部条件看，其受管系结构特性和烟气侧传热特性的影响。

1.1蒸发系统的主要功能和要求

1.1.1主要功能

汽水介质沿设定的汽水流程，以一定的流速和物理状态流过蒸发系统的管道、容器和设备，在水冷壁中其作为冷源，以管壁向火界面作为换热面，以燃烧的燃料为热源，以汽水物理状态和流速为主要因素决定的管内换热系数，壁厚、材质和内外清洁度决定的管壁导热系数和由烟气温度决定的火焰辐射换热系数的共同作用为综合换热系数，进行热量交换，使管内汽水总焓值平稳升高、管外烟气温度稳定下降、管壁温度在允许范围内；同时管内流动截面上的介质不因其与换热壁面（热源）的距离不同而产生物性、流速剧烈偏离的层流、热阻升高现象，直至在蒸发设备出口，都有与外部烟气温度相当的综合换热系数，确保整个蒸发

过程都处于安全状态，并将吸收了烟气热量、焓值升高的饱和蒸汽输给过热器系统；在蒸发设备出口，烟气温度可以满足换热系数相对较低的过热段受热面的安全。

1.1.2要求

(1)蒸发量及其焓值满足机组容量和负荷需求。

(2)炉水和蒸汽品质满足锅炉、汽轮机设备系统要求，控制管内化学腐蚀和结垢现象。

(3)蒸发受热面管子金属不发生因超温、温差过大、膨胀受阻、水动力不稳定等异常工况而引起的热应力以及交变应力损伤现象。

(4)蒸发受热面管子外部不发生高温腐蚀和严重结焦现象。

(5)炉膛出口烟气温度满足后部受热面不结焦、不超温条件。

1.2蒸发系统主要设计原则

在锅炉设计过程中，以控制最危险部位的烟气温度和管壁温度为目标，确保水循环相关参数和结构能够适应由燃料特性决定的锅炉热负荷要求。

1.2.1首先根据煤种、机组容量和主要参数，设计和规定锅炉容积热负荷、截面热负荷和壁面热负荷，在确定了炉膛截面尺寸、高度和燃烧器分布形式等水冷壁总的边界条件后，再从烟气侧和汽水侧，计算壁面各部位的热负荷分布情况。

1.2.2根据各种负荷和工况下的蒸发设备入口、出口的汽水边界条件，结合在其加热过程中的物性变化，计算各部位的壁温最大值。

1.2.3选择合理的水循环方式、蒸发设备结构和工质参数，确保从烟气侧到管壁的热负荷与管壁到管内全截面汽水的综合换热系数相适应。

1.2.4水冷壁的设计特点和安全裕度

水冷壁设计最关键的设计参数在于水冷壁管内质量流速的选取。选取较高的质量流速，可保证在任何工况下其质量流速都大于相应热负荷下的最低界限质量流速，保证水冷壁管有足够的冷却能力。提高工质质量流速是改善传热工况，降低管壁温度，推迟、抑制、防止传热发生恶化的最有效方法。

超临界和超超临界锅炉设计的一个重要原则是要使介质的大比热区远炉内热负荷最高的区域。

为了保证锅炉水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工况情况下管壁温度都不能超温，并且管子之间（特别是相邻管子之间）的管壁温度相差不能太大，以避免产生太大的热应力而造成破坏。

对垂直布置的水冷壁而言，炉膛周界长度、管子直径、管间节距决定了它的质量流速的

大小。而管子直径和节距的选择都有一定的限制，例如管子的直径过细会造成水冷壁管热敏感性高，管子内壁上的结垢和热负荷的变化，使某些管子产生过大的管间流量偏差而使管子超温。因此管子内径的选择不宜过小。同时为了防止管间鳍片过热烧损，管间节距不能太宽，一般以鳍端温度与管子正面顶点温度相等作为鳍片宽度选择的原则。这样一来，在一定的炉膛周界情况下，如果直流锅炉采用垂直布置的水冷壁管，管子直径不能过细，其管子根数基本固定，而为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的。

锅炉炉膛周界尺寸的增加与锅炉容量的增加是不成正比例的。容量较小的直流锅炉水冷壁往往单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速。300MW容量的锅炉水冷壁不能设计成一次垂直上升型管圈；600MW容量的锅炉在负荷低于60%左右时质量流速也显得不足（这里指的是采用较粗的管子且无多次上升垂直全，即采用UP型一次上升水冷壁结构）。根据国外经验，燃煤锅炉水冷壁设计成一次垂直水冷壁管圈的极限容量最小应该在为700MW以上。

解决蒸汽锅炉炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有如下几种：采用小管径和多次混合的水冷壁（如上锅300MW的UP型锅炉，采用内径11mm的管子）；水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）；采用多次上升管圈型水冷壁（FW型锅炉）；在高热负荷区或汽化率高的水冷壁管段采用内螺纹管；采用螺旋管圈型水冷壁。得到广泛采用的是螺旋管圈水冷壁。例如，国产600MW超临界压力直流锅炉采用的就是螺旋管圈水冷壁。

螺旋管圈的一大特点就是能够在蒸汽锅炉炉膛周界尺寸一定的条件下，通过改变螺旋升角来调整平行管的数量，保证燃料较小的锅炉并列管束数量较小，从而获得足够的工质质量流速，使管壁得到足够的冷却，消除传热恶化对水冷壁管子安全的威胁。这样水冷壁的设计就可避免采用热敏感性太大的直径过细的管子。

设计螺旋管圈水冷壁的另一个要素就是螺旋管圈盘绕的圈数。这与螺旋角和蒸汽锅炉炉膛高度有关。圈数太少会部分丧失螺旋管圈在减少吸热偏差方面的效益；圈数太多增加水冷壁的阻力从而增加水泵功耗，而且在减少吸热偏差的效益方面增益不大，合理的盘绕圈数的推荐值是1.5~2.5圈左右。

内螺纹管即使采用光管水冷壁一半的质量流量（1500kg/m2s），就可以避免在燃烧器局部高负荷区发生偏离核态沸腾（DNB），即避免产生膜态沸腾，而且在上炉膛低热负荷、高干度区出现“蒸干”时，管子壁温的上升也比光管小得多，即可以控制“蒸干”时的壁温在钢材允许的范围内。

1.3蒸发系统换热性能的主要参数和特征

由于烟气侧温度比管壁温度高的多（1000℃以上），可以认为管壁的传导导热系数以及炉膛的火焰辐射换热系数，比管内汽水对流换热系数稳定的多，单位距离上的热量传递主要取决于管内对流换热，对流换热强的，管壁温度就会低一些；管内对流换热弱的，管壁温度就会相应升高，有抑制对流换热继续减弱的趋势，同时火焰对管壁的辐射换热会有所降低，管内外两侧热量传递趋于平衡。因此可以说。壁温是反映汽水、烟气两侧热交换是否平衡以及平衡点高低的数值，也是保证受热面安全的主要指标参数。为了保证每一个管子每个流通截面上的壁温在安全范围内，都必须首先从总体热量分配上控制该处的热负荷（火焰温度）与其管内总的对流换热能力相匹配。

从总体来看，对管内流体换热系数的影响因素的分析，可以将管内边界层甚至是整个截面上的流体层看作是在径向方向上，同时由外侧吸热、向内侧放热的流体界面，其两侧的换热系数不一致时，其内部焓值会发生变化，对于有稳定外部条件的管内工质，焓值变化更容易表现为比容变化：

亚临界压力及以下状态下，汽水存在两相区即湿蒸汽区域，而超临界压力及以上状态没有两相区，却存在大比热区；在这些区域内，壁面边界层内工质的能量状态和物理状态发生剧烈变化，径向分布的工质差别非常大，边界层流速梯度降低，且这一变化和差别随着热流密度的增大和工质流量的降低而急剧增加，在大到一定程度时工质径向紊流传质被抑制，低比热状态的介质被压迫在管壁上，传热恶化。

当管内工质出入口流量为零时，在热负荷非常小的情况下，管内工质也可以由其管壁中心低温工质和贴壁区向火侧高温工质的密度差，形成单管内部的单相循环流动、均热、蒸发和膨胀过程，此时的管内换热系数非常小，壁温接近烟气温度，如果外部热负荷较大时，可能发生局部汽化或过热现象，这就是说必须控制燃料量，保证各部烟气温度不超过金属允许温度。

1.3.1管内工质的换热系数：

(1)工质比热容是单位质量工质热交换能力的指标参数。

1)存在温差传热的冷热源，比热较大的一侧温度降低幅度较低，也就是说其温度稍有变化就引起对侧的温度发生较大变化。但由于某一特定流体层内部的介质物性有一定差别且在发生变化，因此其平均比热容往往不是定值，可能发生明显变化，也就是说局部的大比热可能不会相应增加全部工质的综合换热系数，有时还会明显降低工质的平均换热系数。

2)当温度不变时，蒸汽的比热容随压力升高而升高；当压力不变时，随温度的升高而升高直至达到超临界状态下的临界温度（不同压力对应不同临界温度）。

3)单相水的比热比单相蒸汽比热大得多，且随压力和温度的升高而缓慢升高，在汽水交界的相变点，比热急剧增大，转变后又急剧降低，这对亚临界状态下的汽化潜热和超临界下的大比热区的机理都是一致的。

4)液态水的比热约为4kJ/(kg·K)，而水蒸气的比热大约为2kJ/(kg·K)左右。正常情况下，锅炉过热受热面和加热受热面中管内单相流体的a2=102～103W/（m2/℃），蒸发受热面沸腾换热的a2高达10 4 W/（m2/℃）。

5)单相汽或水的换热系数都随其质量流速的增加而增加。

6)在压力接近临界压力（0.83倍的临界压力）时，介质温度处于拟临界温度（介质比热最大时的温度）附近，其放热系数有时增大、有时减小。温度高于拟临界温度的为蒸汽状态，低于拟临界温度的为液态状态。在拟临界温度附近，介质的物性随温度变化非常大，对传热影响较大。对于超临界压力下焓值低于1050kJ/kg的水和焓值高于2720kJ/kg的蒸汽，其放热系数可按单相流体计算；对于焓值在1050～2720kJ/kg的管内换热系数，除了与一般放热系数中参数有关外，还与单位质量流量的吸热量即内壁热强度与质量流速之比有关。

(2)对于存在液汽两相状态的蒸发段，由于其两相物性差别较大，特别是比容、比热容、焓值和粘度差别比较大，再加上相变区的汽化潜热或比热急剧转变现象的存在，使流体对外表现的物性（流速、换热系数）呈现出明显的不稳定性。

(3)管内工质紊流强度：管内流体边界层内部及其与中心区的速度梯度差，是截面上径向各流层的静压差推动边界层介质向中心混合，并在传质过程中实现管内均热的内在因素，是决定管内流体总的换热系数的主要条件，其表征参数是紊流强度，间接代表参数为管内平均流速。

管内介质沿管道流程的平均流速，更多的是反映了中心区流速，而边界层的流速方向在一定的结构下可能与主流方向有角度，其实际流速、比热和对中心区的换热系数决定了管内流体对管壁热交换的能力。中心区相对低的静压（流速快），使汽相、高温流体等比容相对较大的介质容易在此聚集、换热，中心冷流体得到加热后，也更容易产生物相转换。也就是说，处于管外受热状态的管子，由管壁提供的热量使边界层介质焓值升高，其在径向对中心区域紊流传质的同时也进行传热，但中心区域的物相密度相对较低的状态（如汽泡）并不意味着其温度或焓值水平比边界层高。

1.3.2管壁截面热负荷：对于通过边界层的热流密度、管内外热交换能量，乃至炉膛烟气辐

射对整个蒸发受热面的热量传递，都必须首先保证热量传递的各环节或界面的工质物性不发生剧烈变化，热量都能在各个环节稳定地传递，不发生积聚现象。

(1)对第一类传热恶化起决定作用的是受热面的热负荷，判定转入传热恶化的界限热负荷称为临界热负荷。

(2)烟气对各部位水冷壁的热量传播主要以辐射放热为主（占90%），主要决定于截面热负荷和壁面火焰温度，一般情况下，投运的最上层燃烧区域上方附近最高；

(3)煤粉一次风布置比较集中时，燃烧器区域热负荷升高，不仅增大了传热恶化的可能性，而且因受热不均，水循环的安全性和经济性也会下降。

(4)锅炉低负荷运行时，虽然壁面温度有所降低，但热负荷分布的不均匀性更大，水循环的安全性和经济性下降。

(5)当炉膛火焰中心升高时，壁面热负荷和壁温的局部分布发生了变化，局部热负荷最高的位置也升高了，管内工质含汽空间段上移，流动阻力下降，水循环流速增大，但因壁面热负荷最大值总体水平变化不大，对水循环的影响较汽包压力的影响较小。

(6)火焰偏斜、直接冲刷水冷壁也是造成局部热负荷偏高的常见异常。

1.3.3管内通流面积与烟气侧换热面积的比值：对于一定容量和参数的锅炉，水冷壁对烟气侧的换热面积（炉膛高度、炉膛周界）已由煤种、机组容量和燃烧方式确定，蒸发系统出口（不一定是水冷壁出口）的工质总焓值或总焓增是一定的，而管内换热面积和通流面积（由管子内截面周长或面积或直径、管子节距、管排长度、管排上升角度或管内表面结构形式决定）是决定管内流动工况和换热系数的主要结构参数。

水冷壁出口为干度较小的湿蒸汽锅炉（如多次强制和自然循环锅炉），其焓增有一部分通过在外部循环回路中放热给省煤器来水，使水冷壁入口工质焓值接近饱和水，水冷壁管内预热段和大干度湿蒸汽区较小，管内换热绝大部分以沸腾换热为主，从工质物性来看，总的换热系数大；没有外部循环的直流锅炉，其换热系数相对较小的单相预热段、大干度区较大，工质物性表现出来的总的换热系数相对较低；而从总的水冷壁通流量来看，相同容量的直流炉比多次循环炉小一半，因此必须减小其通流截面即减小管径（同时壁厚也减小，有利于换热）或管排数来提高工质流速、采用管内表面特殊形式（内螺纹、扰流子），才能弥补物性换热系数低的不足。

1.4管内工质流动特性的基本原理和参数

1.4.1水动力特性：一定负荷下，经过锅炉受热面的工质质量流量与流动压降之间的关系。

Δp=f(G)或Δp=f(ρw），作为实际粘性流体压力降的计算公式：

gh d l p ρρρωλξ±+=∆∑2)()(2

mc jb zw js P P P P P ∆=∆+∆+∆+∆

ΔP 为总压降，定义为管道始端和终端压力之差。ΔPmc 、ΔPjb -摩擦阻力、局部阻力之和称流动阻力ΔPld ；重位压降ΔPzw 、加速压降ΔPjs 。在电站锅炉水循环中，加速压降一般可以忽略不计。其中影响流动阻力ΔP ld 的因素有：

(1)摩擦阻力系数一般与管子粗糙度及工质雷诺数有关。在锅炉中，由于水温高，水的粘度小，因而水及蒸汽的Re 数一般均为＞105，管内流动工况在完全粗糙管区。此时摩擦阻力系数与Re 数无关。一般情况下，水温越高流动阻力越小，而且越容易产生层流现象。

(2)流动阻力与循环流速的平方成正比，而循环流速又与质量流量、比容成正比，而工质比容与其温度和压力有关，水、蒸汽的比容随温度的升高而增加，蒸汽比容随压力的升高而降低。汽水在相变点附近比容发生大幅变化。

(3)一般情况下，蒸汽的流动阻力比水大得多。

(4)对于一次上升管来说，截面含汽率、介质温度即介质平均比容决定重位压降，其升高后阻力下降，循环水量的增加有利于管壁的冷却，这就是自补偿特性。但比容的增加，也同时增加了流动阻力，当截面含汽率、平均比容增加到一定程度，流动阻力增加的幅度大于重位压降降低的幅度时，总的管阻压降反而会升高，循环流量降低。

1.4.2单相流体的流动结构型式为层流和湍流（紊流）；汽水混合物的流动结构型式（简称流型）比较复杂，影响因素有：压力、流量、热负荷、管子几何形状及流动方向。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。汽水侧介质流动一般为紊流流动，其特点有：无序性：流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性；耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。扩散性：除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和传递动量等扩散性能。

(1)由于管内贴壁边界层介质流速以较大梯度低于中心区域介质流速，因此其不断被中心区域卷吸混合，通过与中心区域介质的紊流传质过程，较好地实现了热量由管壁向中心区域的传递过程；这是决定管内介质对流换热系数的主要因素，对传热恶化现象起着重要影响作用。另外如果发生稳定的汽水相变，不同状态间的介质传质和传热能力也会明显提高。

(2)一般情况下，工质间相对流速越高，紊流特性就越强，互相卷吸混合的程度就越剧烈。

(3)汽液两相流的流动特征参数可分为两类：由物质平衡或热量平衡方程式算得的参数－流量参数、流体流动时的真实的流动特性参数－实际流动特性参数，由试验确定。

1.4.3主要指标参数：

(1)汽水混合物的质量流量G h ：单位时间内通过通道总流通截面的流体质量。

(2)汽水混合物的容积流量Q h ：单位时间内通过通道总流通截面的流体容积。

()3/h q s Q Q Q m s =+

(3)质量流速：单位时间流经单位流通截面的工质质量。

0h G G w f f

ρ== 相应热负荷下的最低界限质量流速是水冷壁设计时的主要参数。

(4)循环流速w 0：上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速。

s m F G o /,ρω'=ss f G w ρ'=36000ss f G

w ρ'=36000

式中：G 0为工质的质量流量；f 为管截面积，m2。

(5)质量含汽率：在汽水混合物中，蒸汽质量流量所占混合物总质量流量的比例。

()""0''""00/q s q w x G G G w w ρρρ

=+=+ 对第二类沸腾传热恶化起决定影响作用的参数是质量含汽率。判定转入传热恶化区的含汽率称为临界含汽率，也称为界限含汽率。

(6)循环倍率K 定义为：上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水。

x

D G K 10== 与界限含汽率相对应的循环倍率称为界限循环倍率，记为kjx 。当k> kjx 时，若运行中负荷变化，则水循环具有自补偿能力。反之，水循环将失去自补偿能力，随热负荷的增加，循环速度反而减小。

(7)上升管单位流通截面蒸发量：

K F D ss ss '

6.3/0ρϖ=

自然循环锅炉质量含汽率一般0.2-0.4之间，循环倍率为最大2.5-5。控制循环锅炉质量含汽率一般≥0.4-0.5左右，循环倍率一般2-2.5。直流锅炉锅炉质量含汽率一般0.8-1，循环

倍率最小为1。

上升管单位流通截面蒸发量是研究循环速度与循环倍率的内在关系的重要参数，对于300MW机组，Dss/Fss的推荐值为650～800t/(m2.h)，界限值1300 t/(m2.h)。

(8)流量补偿特性：

流量偏差的影响因素大致是管组结构阻力系数分布、热负荷分布和重位压降分布。也取决于重位压差和摩擦阻力的比值大小，当工质流速很高、重位压差远小于摩擦阻力时，吸热量较强的管子摩擦阻力增大的数值大于重位压降减小的数值，所以流量减小。反则，在小流量下呈现正补偿特性。说明吸热偏差对管组的流量偏差具有双重影响。

1)超临界光管垂直管屏水冷壁为了保证炉膛下辐射区管内的质量流速，下辐射区的水冷壁流路一般设计为2～3次垂直上升。在现代大功率锅炉上，为了避免产生较大的热偏差和提高工质的质量流量，仅采用二次垂直上升的形式，两个流路之间用不受热的下降管相连接。水冷壁由中间联箱，工质的二次再分配易导致分配不均；以提高质量流速防止水冷壁的流动不稳定性，致使热偏差和流量偏差相互影响的不良作用扩大化，不适合变压运行；一般超临界锅炉光管水冷壁的设计质量流速高达2800～300Kg/m2s，流量分配为负流量补偿特性，受热偏高的管子流量反而会降低，容易发生管子壁温升高，不利于锅炉安全运行。

2)内螺纹垂直管屏的正流量补偿特性（自然循环特性）和负流量补偿特性（直流特性）：即在亚临界工况下，管内工质流速很低（低于1200Kg/m2s），水冷壁的动压损失（或流动阻力损失）在压力总损失中所占比例很小，静压损失（重位压降）起决定作用，流量分配为正流量补偿特性；负流量补偿特性，即在超临界工况下。内螺纹管内工质流量流速很高（大于1200Kg/m2S），动压损失在总压力损失中比例很高，动压损失起决定作用，流量分配为负流量。内螺纹垂直管屏锅炉在低负荷亚临界范围内，由于自然循环的正补偿特性，能够抵抗膜态沸腾引起的传热恶化，在临界压力及以上范围内，也具有抵抗类膜态沸腾的作用，即使在大比热区的蒸汽也具有增强传热、降低壁温的作用。适宜于变压运行。

3)超临界压力下，工质的热物理特性决定了工质温度随吸热量增加的特性，并不会因为低流速下出现的自然循环特性而改变，水冷壁出口工质温度首先决定于工质的热物理特性，但是因为自然循环的补偿特性使得其增长受到一定程度的抑制。因此即使在超临界压力下，质量流速越低、热负荷越低，自然循环特性越明显，出口工质的上升幅度就越小。

4)当质量流速低于500 Kg/m2s时，内螺纹管的旋流作用减弱。即水冷壁的最低质量流速不能低于500 Kg/m2s。在此条件下，600MW～100MW超临界锅炉水冷壁最大质量流速将达到1800 Kg/m2s,以上。质量流速超过1200Kg/m2s时，就会失去正流量补偿特性，转变为

负流量补偿特性。

西门子公司对于低质量流速下的内螺纹管和光管进行了大量试验，结果表明：当压力在20MPa以下时，即使在100 Kg/m2s的低质量流速下，内螺纹管仍具有良好的传热效果，在接近蒸发终点才出现传热恶化；在近临界压力区，传热恶化提前出现，在x=0.6的位置出现壁温突然升高的现象；内螺纹管不仅改善了传热特性，而且也改变了压降特性。

另外三菱公司也对内螺纹管和光管的最低质量流速做了深入的研究，结果表明：内螺纹管大大降低了最低质量流速，在25%～30%MCR时最低质量流速可以降低到500Kg/m2s，而光管水冷壁一般控制在允许质量流速为1000 Kg/m2s。

1.5水循环的主要类型

我们已经知道，工质在蒸汽锅炉管内的一般流程是：给水流经加热受热面（省煤器）进入蒸汽受热面（水冷壁或蒸汽锅炉管束）产生蒸汽，在过热受热面（过热器）中达到额定蒸汽参数。其中，省煤器及过热器内的工质流动均属于强迫流动，且是一次性流过这些部件，它们的流动和传热特性都是相同的，有所不同的是蒸发受热面及超临界压力时的中间一部分受热面。根据工质流经蒸发受热面的流动动力和循环方式，蒸汽锅炉的水循环可以分为自然循环、多次强制循环、一次性通过（直流）以及复合循环等四种。除自然循环外，其余三种型式的锅炉蒸发管内工质的流动均属于强迫流动。自然循环和多次强制循环方式适用于低于超临界压力的蒸汽锅炉。

锅炉的水循环

(a)自然循环锅炉；(b)控制循环锅炉；(c)直流锅炉；(d)复合循环锅炉

1—省煤器；2—锅炉；3—下降管；4—下集箱；5—水冷壁；

6—过热器；7—给水泵；8—循环泵

1.5.1自然循环锅炉

自然循环锅炉蒸发受热面中工质的流动动力是不受热的下降管与受热的上升管之间的密度差。自然循环锅炉特征是有一个锅筒，是蒸发受热面和过热器之间的固定分界点。主要特点是流动方式简单，水动力特性稳定，运行可靠，以往在亚临界压力以下的锅炉中得到广

泛使用。

1.5.2控制循环（多次强制循环）锅炉

多次强制循环锅炉蒸发受热面中，工质的流动动力除了依靠汽水混合物与水的密度差之外，主要依靠锅炉循环回路的下降管上装加的循环泵的压头。下降管上的循环泵是其与自然循环的主要区别。多次强制循环锅炉主要用于亚临界压力锅炉。

1.5.3直流锅炉

直流锅炉蒸发受热面中工质的流动动力是锅炉给水泵的压头。直流锅炉没有锅筒，蒸发受热面中的工质为一次性通过的强迫流动，这是与自然循环锅炉的主要区别。适用的压力范围很广，尤其是超临界参数的锅炉。

1.5.4复合循环锅炉

复合循环蒸汽锅炉是在蒸汽锅炉的基础上，美国燃烧工程公司根据控制循环锅炉的经验发展起来的一种新型蒸汽锅炉，主要用于超临界压力参数蒸汽锅炉。由于在超临界压力时汽水没有差别，只能采用直流蒸汽锅炉。但是，直流蒸汽锅炉在低负荷时常出现流动不稳定问题，因此采用较大的工质流速以满足低负荷时的安全工作，这就使得满负荷时的流动阻力非常大，由此发展出了复合循环蒸汽锅炉。其基本特点是在中间也装了一台循环泵，它只在低负荷时工作，此时一部分水经过在循环管路在中的受热面中进行再循环，以充分冷却蒸发受热面，而在高负荷时停止工作，切换成直流锅炉运行状态，再循环管路中没有循环流量，如此一来可大幅度减小蒸发受热面中的流动阻力。

本质上来说，复合循环的应用是为了解决直流蒸汽锅炉在高负荷时流动阻力太大，而低负荷时又因流过蒸发受热面的工质流量太低不能保证传热性能这个矛盾的。它是结合一般直流蒸汽锅炉和强制循环蒸汽锅炉的优点而发展起来的，故称为复合循环。一般来说，复合循环蒸汽锅炉是在给水管路上与给水泵串联（或并联）一个循环泵后得到的。在低负荷时，由于循环泵的作用，可使通过水冷壁的流量大于锅炉的蒸发量，一部分工质通过循环管返回炉膛辐射受热面的入口，因而可以得到比较高的质量流速。高负荷时，工质流过水冷壁的阻力增大，当这个阻力大于循环泵的压头时，再循环管路就不起作用，通过水冷壁的流量就是锅炉的给水量。从蒸汽锅炉某一负荷开始，再循环量等于零，这是称循环泵的工作属于“浮动”状态，这个锅炉负荷又称为“复合循环负荷”。

由于复合循环能降低额定负荷下工质的质量流速，因而有降低整个锅炉汽水系统阻力的显著优点。所以它不仅可应用于超临界压力蒸汽锅炉，而且还可以用在亚临界压力蒸汽锅炉上。这时在汽水系统中，除了混合器外还应设有汽水分离器。如果在亚临界压力条件下再提

高全负荷下的再循环量，那么串联式全负荷循环锅炉实际上就是低循环原理工作的，因此也有人把它划为强制循环类蒸汽锅炉。但它有两点不同于强制循环蒸汽锅炉：

（1）循环倍率小，额定负荷时的循环倍率K≤2，一般为1.3～1.8。而强制循环循环倍率K 一般为4，因此得名为低循环倍率蒸汽锅炉。

（2）低循环倍率锅炉有苏尔寿罐，起贮存汽水、固定受热面界限的作用，而强制循环蒸汽锅炉有锅筒，因此低循环倍率锅炉是无锅筒低循环倍率强制循环蒸汽锅炉。

2亚临界及以下状态汽水介质在垂直管中的流动和传热

2.1垂直上升管内汽水流动和传热分析

2.1.1单相液体强制对流换热区：此区段位于液体温度尚未达到饱和温度。

A区的单向水：当单相水在垂直管中向上流动时，管中截面上的流速是不均匀的。由于水的黏性作用，近壁面的水速较低，速度梯度较大；管子中心的水速最大，速度梯度为零。当近壁水中含有蒸汽泡又不太大时，由于浮力作用，气泡上升速度要比水速大。由于速度梯度的影响，气泡外侧遇到较大的阻力，气泡本身会产生内侧向上而外侧向下的旋转运动，旋转运动引起的压差将气泡推向管子中心。这样上升两相流中气泡上升较快并相对集中在管子中心部位。区域A中的水温低于饱和温度，为单相水的对流传热，金属壁温度稍高于水温。

A区段：对流换热，换热系数与管内流速相关，沿着管长方向由于流体温度的上升而略有增加，热负荷的影响很小,基本上是一常数。

2.1.2蒸汽锅炉表面沸腾也称过冷沸腾区：此区段位于泡状流动的初期，蒸汽锅炉管壁温度已具有形成汽化核心的过热度，蒸汽锅炉内壁面上开始产生气泡，但由于主流的平均温度仍低于饱和温度，存在过冷,因此形成的汽泡或者脱离壁面进入中心水流后即被冷凝而消失，或者仍然附着在壁面上。此时管子截面上的热力学含汽率x＜0，当所有的水均加热到饱和，即x=0，此区段结束。

在B区内，紧贴壁面的虽已达到饱和温度并产生气泡，但管子中心的大量水仍处于欠热

状态，生成的汽泡脱离壁面后与水混合，又凝结将水加热。该区域的壁温高于饱和温度，进行着过冷核态沸腾传热。

B区段：进入表面沸腾，换热系数明显增加，热量传递了单相流体的强制对流外，还通过沸腾换热将潜热转移到主流中，流速与热负荷对该阶段的放热系数都有影响，随着工质温度升高沸腾换热的比例逐渐升高。

2.1.3蒸汽锅炉饱和核态沸腾区：

(1)C区的泡状流动：当水进入C区时，全部达到饱和温度，传热转变为饱和核态沸腾方式，此后生成的汽不再凝结，含汽率逐渐增大，汽泡分散在水中。这种流型称为泡状流动。C区段：饱和核态沸腾，一般x接近0.3，热负荷的影响其决定作用，热量的传递主要是沸腾换热，流速几乎没有影响，旺盛沸腾区。直径在1mm以下的细小气泡近似球形，直径大于1mm的汽泡呈现多中种多样的形状。

除了沸腾换热外，由于汽液混合物流速的大大增加，可达进口水速的几倍乃至十几倍，

宏观对流作用的影响再次显示出来，因此a2又开始增加，且与双相强制对流换热区没有明显的分界。饱和核态沸腾时的a2非常大，因为此时内壁面上的汽化核心数相当多，大量的汽泡形成、长大和脱离，除了其本身携带走潜热以外，还把近壁层附近形成了非常猛烈的微观对流。

(2)D区的弹状流动：在D区内汽泡增多，小汽泡在管子中心聚成大汽弹，形成弹状流动。汽弹与汽弹之间有水层。D区段：双相强制对流换热区，随着气相增加，混合物的流速增加，对流占据的份额增加，当流速相当高时，热负荷的作用非常微弱，速度成为决定因素。蒸汽锅炉管内的小汽泡随着含汽率的增加而合并成一系列头部为球形，尾部扁平，长度不等，形状如汽弹的大汽泡。弹状汽泡直径接近于管子的内径，占据了大部分管子截面。但汽弹与管壁之间仍存在一层缓慢流动的液膜，液膜中及两汽弹之间也可能夹有小汽泡。当管内汽速增大时，汽弹由于相互碰撞,可能分裂成不规则形状的蒸汽快团。实验表明，弹状流型只出现在低压时，汽弹尺寸可达1m以上，并随压力增高而减小。压力大于10MPa时，弹状流型就会消失，其原因是汽水分界上的表面张力随压力增高而减小。

(3)E区的环状流动：当汽量增多、汽弹相互连接时，形成中心为汽而周围有一圈水膜的环状流动（E区）。干涸点，接近饱和蒸汽下的对流换热。在环状流动时，管壁上液膜厚度可能比弹状时还厚得多，液膜中仍含有气化核心产生的细小汽泡。在汽和液相的界面出现大的波浪，气流卷吸波峰的液体进入主流，在汽柱内形成大小不等的液滴，较大的液滴有时还聚合成团，细小液滴则形成长条纤维。

2.1.4 F区的带液滴环状流型（双相强制对流换热区）：环状流型的后期中心蒸汽量很大，其中带有小水滴，同时周围的水环逐渐变薄，即为带液滴的环状流型（F区）。环状水膜减薄后的导热能力很强，可能不再产生气泡、发生核态沸腾而成为强制水膜对流传热，热量由管壁经强制对流水膜传到水膜同中心气流之间的表面上，并在此表面上蒸发。由于这时的蒸汽流速非常高，中心汽流会从四周液膜表面上卷吸出许多细小的水滴散布在气流中，随汽流一起运动。液滴与壁面的导热蒸发，壁面与蒸汽的对流换热，气流中蒸汽热量传递给液滴，使其蒸发，如果壁温很高还可能有辐射热形式；主要与质量流速有关，质量流速大，该区段换热能力强，壁温升高程度减小。

2.1.5蒸汽锅炉的干涸点：随着液膜不断地蒸发及被中心汽流卷吸的结果，沿着流动方向液膜愈来愈薄，最终蒸汽锅炉管壁上的液膜在某一x值下被蒸干或撕破而完全消失，出现干涸，即传热恶化现象。这是蒸汽锅炉管壁面直接同蒸汽接触，使得壁面温度急剧上升。

2.1.6 G区的雾状流型（蒸汽锅炉干涸后的换热区也称欠液区）：当壁面上的水膜完全被蒸干

后就形成雾状流型（G区）。这是汽流中虽有一些水滴，但对管壁的冷却不够，传热恶化，管壁温度会突然升高。此后随汽流中水滴的蒸发，蒸汽流速增大，壁温又逐渐下降。单相蒸汽的对流换热，与速度有关。

这一区段的放热系数a2比上一区段显著下降，其变化趋势取决于工质的质量流速。如果流速较大（大于700kg/㎡.s），由于主流中的液滴因紊流扩散撞击壁面的几率增加，液滴快速蒸发使得蒸汽流速进一步增加，故a2又随x 的增加而上升，如果流速较小，液滴不易撞击壁面，使壁面热量的传递速率减缓，壁温升高，则a2可能继续下降。

蒸干后，管内为蒸汽携带液滴的雾状流动，直到液滴完全蒸发变成干蒸汽为止。这一区段的换热依靠液滴碰到蒸汽锅炉管壁面时的导热及含液滴蒸汽流的对流换热，此时可能处于蒸汽有些过热而液滴仍为饱和温度的热力学不平衡状态。因此在该区段管子的某一截面上，热力学含汽率x=1。

2.1.7 H区的过热区（单相蒸汽强制对流换）：进入过热蒸汽区后，换热由遵循单相强制对流动的规律。由于蒸汽温度比内壁温度增加得快一些，放热系数a2随着蒸汽温度的提高而略有增大。

2.1.8随着热负荷的增加，沸腾换热的区域减小，沸腾换热系数增加，但是干涸提前，如曲线1和2相比；热负荷增加到某一个值后，沸腾放热系数增加，将没有D区段即两相对流换热区段，直接到干涸点，曲线2和曲线3比较；再度增加热负荷，沸腾段减少，换热系数进一步增加，甚至没有沸腾段，在过冷区域产生干涸现象，如曲线4和曲线5。

管壁温度沿管长的变化取决于局部放热系数。在单相水和表面沸腾区，蒸汽锅炉壁温与工质温度差值不大，并随蒸汽锅炉温度的提高而增加，进入饱和核态沸腾和双相强制对流换热区，由于放热系数a2很大，并随x的增加而提高，而工质温度保持在饱和温度，故蒸汽锅炉内壁温度只比工质温度高几度，两者在干涸点线逐渐接近。当水膜干涸消失时，a2剧烈下降，虽然工质温度仍处于饱和温度，蒸汽锅炉壁温却因传热恶化而飞升。干涸后区域壁温与a2的变化有关，壁温飞升通常是指温度的变化区域很小，而温度的飞升值很高。干涸后区域壁温与a2的变化有关，若质量流速较高，a2增加，蒸汽锅炉壁温飞升后即逐渐有所降低；反之，蒸汽锅炉壁温肯呢过持续增加。到过热蒸汽区后，虽然a2增加，但蒸汽温度在吸热后不断增加，故蒸汽锅炉壁温也随之不断增高。

2.2垂直下降管内汽水流动和传热分析

汽液两相流体在垂直管内向下流动时流型的研究资料相对较少。由空气与水或其它液体的混合物作为工质得出的实验结果表明，下降流动时的流型类似于上升流动的流动结构，也

出现泡状、弹状和环状等几种流型。与上升管不同的是，含汽率较小时的泡状流型中的小汽泡主要聚集在管子中心区域向上运动。下降流动时，由于汽泡受到向上的浮力的作用，只有当水的速度大于汽泡的上浮的速度，汽泡才被带着向下流动。若混合物的流速较小，则汽泡可能发生停止或上升。在压力为3～18MPa范围内，能将气泡带着往下运动的最小流速约为02.～0.1m/s。随着蒸汽锅炉压力的增加，汽水密度差减小，最小流速也可取的小一些。

2.2.1垂直上升流中可能发生的换热异常情况

当沸腾管中的汽水流动状态为气泡流型、弹状流型和环状流型时，其传热区域属于核态沸腾，此时管子的内壁不断被水膜冲刷，工质的放热系数很大，通常在58.15KW/(m2•℃)以上，管壁温度比饱和温度一般只高出25℃以下，管子工作是安全的。在高参数大容量锅炉的炉膛高热负荷区域的沸腾管中，有时会遇到膜态沸腾问题。产生膜态沸腾时，沸腾管内壁与蒸汽接触导致传热恶化，此时工质的放热系数急剧下降使壁温陡然升高，远远超过工质的饱和温度，管子很容易损坏。

(1)第一类传热恶化（膜态沸腾）：如果管内含汽率较小、管外的热负荷很高，使管子内壁的整个面积都产生蒸汽，流速又低，蒸汽来不及被水流带走，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成，形成了管子中间是水、四周是完整稳定的气膜流动状态，热量通过气膜层传到液体再产生沸腾蒸发，此时管子壁面得不到水膜的直接冷却，就会导致管壁超温，这种现象就称为膜态沸腾。也称为第一类传热恶化。在高参数大容量锅炉的炉膛高热负荷区域的沸腾管中，有时会遇到膜态沸腾问题。产生膜态沸腾时，沸腾管内壁与蒸汽接触导致传热恶化，此时工质的放热系数急剧下降使壁温陡然升高，远远超过工质的饱和温度，管子很容易损坏。发生传热恶化现象和热负荷、质量含汽率、质量流速、压力及管径有关。发生第一类传热恶化的主要决定因素是受热面的热负荷。对于电站锅炉，要达到临界热负荷一般可能性不大。就是说，第一类传热恶化在电站锅炉中发生的可能性是比较小的。

通常用发生传热恶化时的临界热负荷qcr(CHF)作为第一类传热恶化发生的特征参数。临界热负荷：对第一类传热恶化起决定作用的是受热面的热负荷，判定转入传热恶化的界限热负荷称为临界热负荷。由于此热负荷很高，发生传热恶化后放热系数急剧降低，一般比正常核态沸腾低一个到两个数量级，因此，在大多数情况下当受热面热负荷达到或接近临界热负荷时，管子就被烧坏。在一般情况下，蒸汽锅炉不会出现这样高的热负荷，但是在接近临界压力时，水的临界热负荷显著降低，因此有可能出现膜态沸腾。临界热负荷qlj为五个独立变量的函数：工质参数：质量流速、含汽率、压力；管结构参数：管径、管长与内径之比。

1)当管内含汽率很小时，液体的流速决定于质量流速。由于有流动，汽泡生成后还来不