锅炉水循环

自然循环锅炉的原理与基本概念一、自然循环原理自然循环是指：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重位压差，推动工质流动的现象。

具体地说，自然循环锅炉的循环回路是由汽包、下降管、分配水管、水冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽水分离器组成的，如图，重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造成的。

而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐射热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。

下图表不了一个简单的自然循环原理的示意图。

自然循环的实质，是由重位压差造成的循环推动力克服了上升系统和下降系统的流动阻力，从而推动工质在循环回路中流动而自然循环锅炉的“循环推动力”实际上是由“热”产生的，即由于水冷带管吸热，使水的密度改变成为汽水混合物的密度，并在高度一定的回路中形成了重位压差。

回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推动力越大。

而密度差与水冷壁管吸热强度有关，在正常循环情况下，吸热越多，密度差越大、工质循环流动越快。

二、自然循环的基木概念设进人上升管的流量为G，水冷壁的实际蒸发量为D，从汽包引出的蒸汽流量为D0，水冷壁的流通截而为F，则用于描写自然循环的几个主要概念是：(1)循环流速：在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速。

(2)循环信率K：上升管中实际产生1Kg蒸汽需要进入多少千克水。

自然循环锅炉水冷壁的安全运行一、影响水冷带安全运行的主要因素锅炉运行中，影响水冷带安全运行的因素很多，既有管内诸多因素的影响，也有管外复杂因素的影响管内的影响因素有：①水质不良导致的水冷带管内结垢与腐蚀；②水冷带受热偏差影响导致的个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流；③水冷带热负荷过人导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾；④汽包水位过低引起水冷壁中循环流量不足，其至发生更为严重的“干锅”。

管外的影响因素有：①燃烧产生的腐蚀性气体对管壁的高温腐蚀；②结洁和积灰导致的对管壁的侵蚀；③煤粉气流或含灰气流对管壁的磨损。

管内的影响因素一般导致管子金属内壁面上的连续水膜被破坏，即由水的冷却变为汽的冷却，冷却能力急剧下降，从而出现传热恶化，引起管壁工作温度超过金属材料的允许温度。

超温严重时，管子强度下降，承压能力下降。

这时，由于管内工质压力的作用，可导致管子局部“鼓包”、裂口，以至发生爆管事故。

管外的因素则一般直接导致管子的管壁减薄或金属管壁超温，同样使管子承压能力下降，引起爆管或泄漏。

二、蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾1.停滞水冷壁是将几百根管子并联组合成几个独立的循环回路，由于炉膛中温度场分布不均，随燃料和燃烧调蔡以及锅炉负荷(锅炉蒸发量)变化等因素变化，温度场分布也发生变化这样，水冷壁管屏之问或管子之间的吸热强度就会存在偏差，加上上升系统的结构偏差和流量分配偏差，将导致每根管子和管屏间的受热强度不同，阻力不同，循环推动力就不同。

虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动表现可能不同。

受热弱的管子中，工质密度大，当这根管子的重位压头接近于管屏的压差时，管屏的压差只能托住液柱，而不能推动液柱的运动。

这时，管内就出现了流体的停滞现象这种现象的具体表现是：进入上升管的循环流量微小，以至在管子微弱吸热后被蒸发成汽泡在管内工质不流动的情况下，汽泡容易聚集在管子的弯头和焊缝处，由于管子受热和汽泡合并，可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就会过热超温。

当存在自由水面时，管子上半部是汽，下半部是水，管子上部就会过热超温。

且当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力。

不过，超高压和亚临界参数自然循环锅炉水冷壁出口的汽水混合物引入汽水分离器，不会出现自由水面。

所以，水循环停滞实际上导致的是水冷壁管的传热恶化。

水循环停滞现象主要发生在受热弱的管子上。

2.倒流在并联工作的水冷壁管子之间，由于受热不均，上升管之间形成了自然循环回路这时，有的管中工质向上流；有的管中工质向下流。

工质向下流的管子就叫“倒流管”。

从而倒流现象的定义是：本来应该是工质向上流的上升管，变成了工质向下流的下降管。

从循环特性来看，倒流现象的表现是：倒流管的压差大于同一片管屏或同一回路的平均压差，从而迫使工质向下流动。

在发生倒流的管子中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动。

当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时，向下流的水带不走汽泡，造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化，以至使管子出现局部过热超温当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好的冷却，不会出现超温。

当汽水混合物引出管从汽包汽空问引入时，不会出现倒流。

当水冷壁受热不均比较严重时，受热最差的管子有时可能出现停滞，有时可能出现倒流。

所以，同一根管子出现停滞和倒流以及向上流动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内工质密度的变化而变化的。

3.膜态沸腾当水冷壁管受热时，在管子内壁而上开始蒸发，形成许多小汽泡如果此时管外的热负荷不人，小汽泡可以及时地被管子中心水流带走，并受到“趋中效应”的作用力，向管子中心转移，而管中心的水不断地向壁面补充这时的管内沸腾被称为核态沸腾。

如果管外的热负荷很高，在管子内壁面上，汽泡生成的速度大于汽泡脱离壁面的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成蒸汽膜(即在水冷雌管子内壁面上产生了“蒸汽垫”)，将管子中心的水与管壁隔开，使管子壁面得不到水的冷却，引起管子壁面处出现传热恶化，导致管壁超温。

膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。

锅炉蒸发管内的流型主要分为以下几类：即泡状流、弹状流、环状流和雾状流。

(1)泡状流。

在连续的液相中，分散散存在着的小汽泡。

(2)弹状流。

泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效应的作用，小汽泡聚合成大汽泡，直径逐渐增大。

汽泡直径接近于管子内径时一，形成弹状流。

(3)环状流。

由于汽泡的内压力增大，当汽泡的内压力大于汽泡的表面张力时，汽泡破裂，液相沿管壁流动，形成一层液膜，汽相在管子中心流动，夹带着小液滴。

(4)雾状流。

管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量含汽率X=0.8，即蒸汽中仍然夹带着小液滴，形成雾状流。

自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制质量含汽率x≤0.4，所以一般不会出现雾状流。

三、蒸发管内的传热在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化。

不同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化。

放热系数越大，管壁温度越接近工质温度。

在汽泡状流动的初级阶段是过冷沸腾阶段。

因为此时的壁面温度大于饱和温度，在壁面上产生小汽泡，而管子中心流体温度尚未达到饱和温度，汽泡被带到水流中很快凝结而消失，放热系数增大。

在汽泡状流动的后期和环状流动阶段，由于不断吸热，管内的水流达到饱和温度在壁面上产生的蒸汽不再凝结，壁面上不断产生汽泡，又不断脱离壁面，水流中分散着许多小汽泡，此时饱和核态沸腾开始，并一直持续到环状流动阶段结束。

此阶段中，管内放热系数变化不大，管壁温度接近流体温度。

在有卷吸的环状流动阶段，环状流的液膜变薄，管子壁面上的热量很快通过液膜传递到液膜表面，此时在管子壁面上不再产生汽泡，蒸发过程转移到液膜表面进行。

放热系数略有提高，管壁温度接近流体温度。

在雾状流动阶段，由于管子壁面的水膜被蒸干，只有管子中心的蒸汽流中夹带着小液滴，壁面由雾状蒸汽流冷却，工质对管壁的放热系数急剧减小，管壁温度发生突变性提高。

随后，由于流动速度增加，工质对管壁的放热系数又有所增大，管壁温度略有下降。

当雾状流蒸汽中水滴全部被蒸干以后，形成单相的过热蒸汽流动，放热系数进一步减小，管壁温度进一步上升。

以上的流动工况和传热工况发生在热负荷不大的条件下。

当热负荷不断增大到一定程度时，壁面上产生的汽泡就来不及向管子中心转移，水也来不及向壁面上补充，就会产生膜态沸腾。

膜态沸腾可能发生在环状流动阶段，当热负荷进一步提高时，也可能发生在泡状流动阶段，特别是可能发生在过冷沸腾阶段。

四、内螺纹管抵抗传热恶化的作用内螺纹管抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的机理是：由于工质受到螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近的扰动，使水冷壁管内壁面上产生的汽泡可以被旋转向上运动的液体及时带走，而水流受到旋转力的作用，紧贴内螺纹槽壁而流动，从而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的“汽膜”，保证了管子内壁面上有连续的水流冷却。

五、影响循环安全性的主要运行因素1、水冷壁受热不均或受热强度过高。

锅炉运行中，炉内火焰偏斜、水冷壁局部结渣和积灰是造成水冷壁吸热不均的主要原因。

如前所述，那些受热很弱的管子容易出现停滞或倒流，受热很强的管子可能出现膜态沸腾。

其结果都是导致管子局部发生传热恶化，管壁温度升高。

2、下降管带汽或自汽化。

下降管入口产生旋涡漏斗时，旋涡中心将有部分蒸汽被水流抽吸进入下降管。

这样，一方面进入下降管的实际水流量减少，即循环流量降低；另一方面，由于下降管内出现汽水两相流动，工质密度减小，使下降管侧的重位压差降低，且流动阻力也相应增大。

这两方面的因素都会导致水循环安全裕度下降，即产生停滞、倒流的可能性增大。

防止下降管带汽的办法，除了在下将管入口安装隔栅外，运行时，应注息维持正常的汽包水位。

水位过低，下降管入口不但容易产生旋涡漏斗，而且下降管入口处的静压力降低，容易产生水的自汽化。

3、水冷壁管内壁结垢。

锅炉运行水质不合格，含盐量超标，当水在管内受热蒸发时，盐分从水中析出，沉积在管壁上，管子金属内壁上无水膜冷却，而管外吸收高温火焰的热量不能被水流及时一带走，管壁温度就会升高。

这种破坏绝不亚于停滞、倒流和膜态沸腾的影响。

与此同时，水冷壁管内结垢时，流动阻力也随着增大，容易引起停滞或倒流。

4、上升系统的流动阻力。

影响上升系统流动阻力的因素很多，如分配水管、水冷壁、汽水导管的管径、流通截面；管子弯头数量和汽水分离器的结构阻力系数、循环流速、锅炉负荷等。

5、变负荷速度过快或低负荷运行。

锅炉低负荷运行时，蒸发量减少，水冷壁管内工质密度增大，使水冷壁重位压差增大、循环回路的运动压头减小，循环流速就会降低，因而低负荷运行时的水循环安全性较差。

在快速变负荷，尤其是在快速降负荷时，循环系统内由于压力降低，工质的自汽化过程加快，由于汽包水室内水的自汽化和下降管内水的自汽化，使循环流量和运动压头同时减小，循环安全性大幅度降低。

因此，控制变负荷速度是保证水循环系统安全工作的重要条件之一。