锅炉原理 第十二章 蒸汽净化

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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
思考:循环倍率K 过大或过小会造成什么样的安全隐患?
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) ，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
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界限循环倍率Kjx 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
思考:锅炉的循环倍率是应该大于还是小于 界限循环倍率?
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UP型垂直上升管屏水冷壁
UP型垂直上升管屏包括一次上升和上升-上升 一次上升型（a） 给水一次流经全部四面墙水冷壁管屏， 没有下降管，管屏沿高度分为上、中和下部三个辐射区， 各区段之间设有混合器，用以消除平行管子间的热偏差 特点：系统简单，流动阻力小；相邻管屏外侧管间壁温 差较小；可采用全悬吊结构；水力特性较为稳定；但对锅 炉负荷适应性较差，金属耗量大 上升-上升型（b） 炉膛下部高热负荷区域布置两个串 联回路，用于提高管内工质质量流速以避免流动异常和传 热恶化
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水冷壁管内传热
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 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α2 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，对应的x 为临界含汽率
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两相流体的流动结构
柱状(环状）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 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
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螺旋管圈型水冷壁
适用于超临界和 亚临界压力，燃 料适应性广
直流锅炉水冷壁形式主要有螺旋管 圈型和垂直上升管屏型
螺旋管圈型水冷壁 由若干根水冷壁 组成管带，沿炉膛四面倾斜上升，无水 平段，各管带均匀地分布在炉膛四壁， 任一高度上管带的受热几乎完全相同
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螺旋管圈型水冷壁的特点 沿炉膛四周热负荷不均匀影 响小 管圈内工质可保证足够高的 质量流速，以减轻传热恶化的影 响 工质焓值较高的管带后段， 可以布置在炉内热负荷较低区域， 对防止管壁超温有利 大锅炉宽管带，各管间热偏 差较大；支吊困难
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
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锅炉原理
主讲教师:陈琪
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小测验
1、简述燃煤电站锅炉机组构成及工作原理。 2、分析降低发电厂供电煤耗和提高环保效果的技术 措施。 3、试着从锅炉的角度分析，提高火电厂热经济性的 途径有哪些？（提高题） 4、分析某台设计煤种为烟煤的锅炉改烧贫煤后可能 发生的故障。 5、分析影响排烟温度的升高的因素及对锅炉效率的 影响。 6、分析固体不完全燃烧损失升高的影响因素及对锅 炉效率的影响。
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两相流体的流动结构
汽水混合物在水平管中流动
在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流 速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分 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，可能产生疲劳损坏
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
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FW型垂直上升管屏水冷壁
FW型垂直上升管屏为多次垂直上升管屏 多次垂直上升管屏 炉膛下部高热负荷区域减小管屏的宽度，炉外加设 下降管，形成多次垂直上升；在上部较低热负荷区，仍采用一次垂直上升 管屏 多次垂直上升管屏的特点 既可保证高热负荷区有较高的质量流速，达到充分冷却的目的；又可 减少高负荷下水冷壁的流动阻力；同时可避免采用刚度差的小直径管 有不受热的下降管，工质流程长，系统阻力较大； 相邻两屏内工质的含汽率不同，管间壁温差大，使各屏热膨胀不同。 应尽量减少管屏串联的次数
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强制循环锅炉水循环系统
4根大直径集中下降管从汽包底部引出并与 汇集联箱连接， 3台循环泵（一台备用）通过 吸入短管与汇集联箱相连，每台循环泵通过2 根出水管与环形下水包（由前、后、左右四侧 水包组成）的前下水包连接。 经由890根水冷 壁管、5个上集箱和48根导汽管，回到汽包。 循环泵台数与下降管根数不等，下降管中的 水通过汇集联箱分配到各循环泵，可均衡循环 泵的入口流量，有利于提高循环泵运行的可靠 性.
下降管带汽或汽化，会使管中工质密度减小，运动压 头下降，影响回路水循环 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 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
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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
提高自然循环安全性措施
水冷壁管采用适当的管径,减少管子的长度和弯头等,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
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
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提高自然循环安全性措施
避免下降管带汽或自汽化 防止下降管进口自汽化
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第三节 强制流动锅炉及其水动力特性
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强制循环锅炉及特点
压力提高，机组热经济性提高；但 压力增至一定值，汽水密度差’-” 下降，运动压头下降；汽水分离困难，必然取消汽包，强制流动锅炉是锅 炉发展的必然结果。主要有直流锅炉、强制循环锅炉和复合循环锅炉三种 强制循环锅炉具有汽包，循环回路下降管系统增设循环泵，工质流动的 动力为循环泵的压头和工质重位差 可采用小直径水冷壁，水冷壁可自由布置 采用体积较小的高效分离器，可减小汽包直径 工质质量流速较高，循环倍率较自然循环小， 一般为35；循环稳定，不易出现循环异常，但可 能出现流动不稳定、脉动等 工质强制流动，可使各承压部件均匀受热或冷 却，缩短锅炉启、仃时间.
问题二：循环停滞、自由水面和倒流现象
并联的上升管组在共同的压差∑Δ ps 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，循环流速降低，可能发生循 环异常
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
循环停滞
自由水面
上升管引入汽包水空间 当管组压差 Δ p 小于受热弱管子液柱重 Hsg 时，受热管中的水就自上往下流，称为倒流
（a ） （b ）
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直流锅炉水冷壁布置
在炉膛折焰角以上采 用垂直上升管屏，以便 采用全悬吊结构；炉膛 上部热负荷较低，两相 邻垂直管屏外侧管子的 管壁温差较小，不至于 造成膜式水冷壁损坏 在炉膛高热负荷区采 用螺旋管圈型水冷壁， 以减小炉内热偏差
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直流锅炉工作特点
加热、蒸发和过热受热面 没有固定的界限，汽温变化大 如减小给水量，开始沸腾点 前移，加热水段长度L1缩小， 蒸发段长度L2也缩小，锅炉受 热管总长度不变，故过热段长 度L3相对增大，过热汽温上升
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界限循环倍率和推荐循环倍率
锅炉压力(Mpa) 锅炉蒸发量(t/h) 界限循环倍率Kjx 推荐循环倍率
3.92～5.88 35～240 10 15～25
10.2～11.76 160～420 5 7～15
13.73～15.69 400～670 3 4～8
16.67～18.63 ≥800 >2.5 4～6
l-汽包；2-下降管；3-汇合联箱；4-管环泵； 5-循环泵出口阀；6-循环泵出口管；7-环形联 箱（下水包）；11-后墙延伸水冷壁； 12-水冷 壁出口联箱；13-汽水引出管；14-折焰角
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直流锅炉工作原理
直流锅炉没有汽包，给水在给水泵压头的作用下，顺序流过热水 段、蒸发段和过热段受热面一次将给水全部变成过热蒸汽，蒸发区 循环倍率K=1 沿管子长度方向工质参数变化情况 热水段: 水的焓和温度逐渐增高， 比容略有加大，压力则由于流动阻 力而有所降低 蒸发段: 汽水混合物的焓继续提高， 比容急剧增加，压力降低较快，相应的 饱和温度随着压力的降低亦降低一些 过热段: 蒸汽焓、温度和比容均增大， 压力则由于流动阻力较大而下降更快
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自然循环故障及安全性检查
问题一：传热恶化
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 自然循环锅炉在超高压以上，尤其在亚临界压力以上，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，可能出现第二类传热恶化，必须采取相应措施. 自然循环锅炉在压力低于11MPa或受热管局部热负荷低于400kw／m2时 一般不会出现传热恶化。
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第十二章 锅炉水动力特性与传热
锅炉水动力学基础
汽水混合物的流型与传热
自然循环锅炉的水循环
自然循环的基本概念 自然循环故障及其可靠性校验
强制流动锅炉
强制循环锅炉 直流锅炉 复合循环锅炉