自然循环锅炉水动力特性

第12章 自然循环锅炉的水动力循环
1. 如何建立自然循环锅炉的水动力基本方程，分为几种型式？
答：（1）压差法：从锅炉液位面到下集箱中心高度之间，计算的上升管压差
与下降管压差相等。

方程式为：xj xj ss ss P gh P gh ∆-=∆+ρρ，式中，h ——锅炉液位面到下集箱的中心高度；ss ρ、xj ρ——分别为上升管和下降管中工质的平均密度；ss P ∆、xj P ∆——分别为上升管和下降管中工质流动阻力。

（2）运动压头法：循环回路中产生的水循环动力，在稳定流动时，用于克服回路中工质流动的总阻力。

方程式为：()xj ss ss xj P P gh ∆+∆=-ρρ
（3）有效压头法：循环回路中运动压头克服上升管得流动阻力后剩余的部分水循环动力，在稳定流动时，用于克服回路中下降管的流动阻力。

方程式为：()xj ss ss xj P P gh ∆=∆--ρρ
2. 作图示出热负荷变化对上升管压差特性曲线及回路工作点的影响。

答：
图中φ为截面含汽率，x 为质量含汽率，ss P ∆为上升管流动阻力，gh ss ρ为重位压差。

如图可见，随着吸热量q 的增加，φ和x 都增大，但两者的增大趋势却有很大区别。

x 随q 增大是线性增加，因此，ss P ∆也几乎是随q 的增加而呈线性增加。

而φ随q 增大是非线性增
上升管压差与吸热量的关系
加，当工质吸热比较少，x 较小时，φ随q 增大增加得很快，即φ的增加远大于x 的增加；而在某一x 或φ值后，x 增加φ却增加得很慢。

这是由于水与水蒸气的物性决定的，因为当水转变为蒸汽时，体积急剧膨胀，与此对应，gh ss ρ随q 的增大开始下降的很快，而后下降的较慢。

因此，gh ss ρ和ss P ∆的叠加使得ss S 和q 的关系呈现先下降后上升的形状。

简单回路压差特性及工作状态
开始在q 较少、x 较小、循环倍率K 较大处，随着q 的增加，ss S 的特性曲线下移，因此回路的工作点向右移，循环流量0G 增加。

这种情况持续到一定程度，当K 小于jx K 时，q 再进一步增加，因上升管压差升高而使ss S 的特性曲线上移，工作点的位置左移，循环流量0G 减小。

3. 自然循环锅炉的自补偿能力是如何形成的？
答：开始在q 较少、x 较小、循环倍率K 较大处，随着q 的增加，φ的增加大于x 的增加，则回路的动力压头大于的增加大于宗族里的增加，此时回路中的动力大于阻力，使得循环流量0G 相应增加。

当循环倍率K 大于某一界限循环倍率jx K 时，循环回路具有因上升管吸热量q 增加而使循环流量0G 随之增加的能力，称为自然循环回路的自补偿能力。

4. 简述自然循环锅炉的水循环计算方法和步骤。

答：（1）确定循环流量或流速，循环倍率，循环回路的各种压差，以及可靠性指标；
（2）计算时的受热状况、工质流速、压差等参数为管组或回路的平均值，但在进行安全性校验时，需按条件最差的管子进行；
（3）锅炉在通常的负荷变化范围内对水循环特性影响不大，通常只对额定参数进行计算；
（4）对结构特性和受热状况基本相同的回路，可选其中一个回路进行计算。

5. 如何用图解法确定复杂回路总工作点和各管屏的工作点？
答：主要步骤为:
（1）分别计算作出各管组或管子在一定条件下的压差特性曲线；
（2）寻找共同部分，合成各曲线得总xj S 和ss S 曲线，交点为回路总工作点；
（3）从总工作点反推求各管组或管子压差特性曲线的工作点。

合成规律：在稳定工况下，串联回路时的流量相等，在相同流量下压差叠加；并联回路的两端压差相等，在相同压差下流量叠加。

6. 试述影响上升管热水段高度的因素及其影响作用。

答：加热水段高度rs h 主要取决于上升管始热点的欠焓的大小，其影响因素有：
（1）下降管水的入口欠焓qh i ∆。

当qh i ∆增大时，使始热点的工质欠焓相应增加，加热
水段高度rs h 增加。

（2）下降管的受热焓增或散热焓减xj i ∆。

当下降管受热时，工质焓增使得始热点的工
质欠焓减小，则rs h 降低；散热时工质欠焓增加，则rs h 升高。

（3）下降管的带汽焓增dq i ∆。

下降管带入的蒸汽随着下降流动将会冷凝放热，其潜热
用于加热水，使管内工质的焓增加，则工质欠焓减小，rs h 降低。

（4）下降管的阻力xj P ∆。

下降管的阻力xj P ∆增大，始热点的工质压力降低，相应的饱
和温度减小，使得该点的欠焓减小，则rs h 降低。

（5）下降管的重位压差hq gh ρ。

下降管的重位压差hq gh ρ增大，始热点的工质压力提高，
相应的饱和温度增加，使得该点的欠焓增加，则rs h 升高。

7. 讨论自然循环锅炉中为什么会出现循环停滞、自由水位及倒流。

答：发生停滞现象是因为受热弱管子的密度增大。

它与下降管构成的循环回路中的密度差减小，即流动动力减弱，导致该管的流量减小，所以发生循环停滞总是在受热弱的管子中。

当上升管引入锅筒的蒸汽空间时，循环停滞时将在受热弱的上升管中形成自由水面。

分析倒流时的压差特性曲线。

随着循环流量放热增加，重位压头和流动阻力均增加，倒流压差有可能增大或减小。

当热负荷、压力以及几何尺寸一定时，倒流压差特性曲线为有极大值的二次曲线。

在倒流流量较小的范围内，重位压头随倒流流量不断的增加，已超过流动阻力的增加，则倒流压差继续增大至极大值，即最大倒流压差处。

其后，随着倒流流量的继续增大，重位压头增大小于流动阻力的增加，因此倒流压差一路递减。

显然，回路或管屏的工作点压差大于该管的最大倒流压差，则不会发生倒流现象。

反之，则发生倒流。

8. 自然水循环的可靠性指标有哪些，对水循环有何影响？
答：水循环可靠性指标主要有：
（1） 循环停滞或自由水面，发生流动停滞时，在停滞管的弯头、焊缝等处易于积聚
汽泡，倾斜管段上可能形成汽水分层，管壁上由于水的不断蒸发使得该管炉水
中盐的浓度增大而可能沉积水垢。

当形成自由水面时，管子上部空间由于与蒸
汽相接触，其冷却更差而更易过热烧坏，且管壁温度随着不稳定的水位波动可
能产生热疲劳损坏。

（2）循环倒流。

若发生低速倒流，汽泡易在弯头或水平段滞留造成管子损坏。

（3）下降管内的工质带汽或汽化，使循环动力下降、减弱、直至破坏。

（4）循环倍率。

超高压以上锅炉，随着蒸发受热面热负荷和质量含汽率的提高，若循环倍率过小，有可能出现沸腾传热恶化。

（5）水质工况。

锅炉的水质成分不合格，含盐量过高。

这会在管壁上形成水垢或沉积水渣，使得管壁温度升高而破坏。

（6）
9.分析讨论影响自然循环回路中出现停滞、倒流的主要因素及其对水循环可靠性的影响作
用。

答：循环可靠性的影响因素：
（1）压力的影响：在低压时，重位压差小而流动阻力大，其倒流的压差低，停滞比倒流容易发生。

随着压力的提高，重位压差增大而流动阻力减小，在正流量区
压差的变化非常有限；而倒流压差增大较多，与低压曲线间的距离较大，则倒
流容易发生。

（2）热负荷的影响：在高热负荷时，停滞比倒流更容易发生。

当热负荷降低时，重位压差增大而流动阻力减小，倒流较容易发生。

（3）回路阻力的影响：在自然循环锅炉中，管内的流量是由回路的密度差所决定。

当密度差增大时，由于回路的循环动力增加使得管内的流量相应增加，此时虽
然流动阻力也增加，但是提高了循环的可靠性，对循环是有利的。

由于回路结
构特性的原因使得回路的阻力增大，这就要求回路有足够的循环动力才能保证
循环的可靠性，否则回路中的流量将会减少，降低循环的可靠性，对循环是不
利的。

（4）下降管含有蒸汽的影响：下降管中如果含有蒸汽，会使管中工质密度减小，重位压头大为下降，循环回路的运动压头降低。

此外，下降管中的工质因变成两
相流动而阻力增大。

这两方面的原因使得下降管特性曲线及回路的工作点大为
降低，因而对水循环不利。

（5）
10.简述提高自然循环可靠性的主要措施。

答：（1）设计时，必须保证受热弱管的工作点压差大于停滞、自由水面及最大倒流压差，
并且满足式05.1/0≥tz S S 、式()05.1/0≥∆+ts tz p S S 以及式05
.1/max 0≥dl S S 的要求。

（其中，0S 为回路工作点压差；ts p ∆为提升压差；tz S 为受热弱管的停
滞压差；max dl S 为受热弱管的最大倒流压差。

）
（2）根据热负荷的强弱划分循环回路。

（3）减小循环回路的流动阻力。

（4）防止下降管带汽。

（5）受热上升管不采用无绝热的水平管及水平倾角不大于︒15的倾斜管，避免出现汽
水分层现象。