强迫流动锅炉水动力特性
锅炉水动力特性课件
锅炉水动力系统是发电厂的重要组成部分，其运行状况直接影响到整个发电厂的效率和安全性。锅炉 水动力系统的稳定运行能够保证蒸汽的供应，从而确保汽轮机的正常运转。同时，锅炉水动力系统的 优化运行还能够降低能耗，提高发电效率，为电厂的经济效益和社会效益做出贡献。
锅炉水动力特性分析
流动特性
01
02
温度对水动力特性的影响主要体现在汽化现象和蒸汽流动方 面。随着温度的升高，水的汽化压力增大，可能导致汽塞和 流动阻塞等问题。同时，蒸汽流动的摩擦阻力也随温度升高 而增大。
流动状态与结构
流动状态对锅炉水动力特性的影响主要体现在水循环和热 传导方面。不同的流动状态对水循环的稳定性和传热效果 有显著影响。合理的流动结构和状态是保证锅炉水动力特 性的关键。
压力波动
锅炉运行过程中，压力可 能会出现波动，这会影响 到锅炉的安全和效率。
汽液相变压力
在锅炉的蒸发和冷凝过程 中，汽液相变对压力特性 有重要影响。
传热特性
传热方式
锅炉内的传热主要通过热传导、 热对流和热辐射三种方式进行。
传热效率
锅炉的传热效率与受热面的材料、 温度、水质等因素有关。
传热不均与热偏差
03
层流与湍流
锅炉内的水流状态可能是 层流或湍流，层流流动平 稳，湍流则具有随机性和 不规则性。
流动阻力
水流在锅炉内流动会遇到 阻力，如摩擦阻力和局部 阻力。
流动稳定性
锅炉内的流动稳定性对水 动力特性的影响较大，不 稳定流动可能导致水击等 问题。
压力特性
压力分布
锅炉内的压力分布与水的 温度、密度、位置等因素 有关。
自适应控制
根据锅炉水动力特性的变化， 自动调整控制参数，以适应系 统变化。
13 强制流动锅炉
二、直流锅炉的特点 1. 本质特点
无汽包
工质一次通过各受热面，强迫流动
受热面无固定界限
2. 水冷壁中工质流动特点
受热不均对流动影响 水动力多值性 有脉动现象 给水泵压头大；
3. 传热过程特点
• 在水冷壁中工质干度 x 由0 化一定出现 1，因此第二类传热恶
4. 热化学过程特点
（a）泡状流； （b）弹状流； （c）环状流； （d）雾状流
三、水动力不稳定性（多值性）
当蒸发受热面进出联箱两端压差一定的条件下，管内可能 出现多种不同的流量，即水动力特性出现多值性，这样的 流动特性就是不稳定的。流量小的管子，管内对流换热系
数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。
1. 水平管圈 特性方程
qLrsd Gi qLzfd Gr
( KW ) ( KW ) ( KW )
Lgr L Lrs Lzf
G – 工质流量
Kg
i – 工质进口欠焓
q – 管子平均热负荷 r – 蒸发潜热 d – 管内径
KJ/Kg
KW/m2 KJ/Kg m
沿直流锅炉管子工质的状态和参数不断变化
ρw > (1.3-1.5) ρw*
2. 垂直管圈
垂直管屏的水动力特性，必须考虑重位压差的影响重
位压差的影响对水动力特性的影响有利于水动力特性 趋向稳定 ΔP = ΔP lz + ΔPzw ΔPzw = Hrs ρrs g + Hzf ρzf g 向上流动，重位压差为阻力，阻力增大，减轻多值性； 向下流动，重位压差为动力，阻力减小，加剧多值性。
炉形式有了很大的变化。
一次垂直上升管屏式（UP型） 炉膛下部多次上升、炉膛上部一次上升管屏式（FW型） 螺旋围绕上升管屏式
第五节 锅炉水动力特性
进口水的欠焓：
" i ' ism iqh K
三. 自然循环锅炉水循化的计算
K 为循环倍率定义: 循环倍率等于进入上升管水的流量qm0与上升管出 口汽流量之比：
qm0 K D
K值是水循环的计算结果之一。水动力计算时先推荐假定一个K，计
算后再校核。 若假定值得到的欠焓 iqh 和用计算结果K得到的 iqh值，两者的绝对
研究对象
1. 研究工质在锅内流动时水动力学问题。 （单相流体的阻力，汽水混合物流型、流 动阻力、流动稳定性、汽水分离过程及汽 水两相混合及分配等） 2. 单相流体管内流动的热交换过程及管内汽 水混合物沸腾换热及传热恶化条件。 3. 工质侧的热化学问题。
研究方法
1. 试验室模化设备上研究，设备简便，费 用少。 2. 半工业性锅炉上已经过试验室研究，但 需在较大的设备上做进一步验证。 3. 实际锅炉上。
一. 锅炉水循环的基本方式
复合循环： 复合循环锅炉主要用于超临界压力参数锅炉，主要原因： 在临界状态下，汽水密度没有差别，直流锅炉在低负荷时 常出现流动不稳定，一般采用较大的工质流速以满足低负 荷时的安全工作，因此，在满负荷时的流动阻力非常大。 复合循环锅炉主要特点是： 在省煤器出口与蒸发器之间安装一台循环泵，形成一个循 环回路，它只在低负荷时工作，使一部分水经过再循环管 路在蒸发受热面中进行再循环，以充分冷却蒸发受热面， 当高负荷时停止工作，自动切换成直流锅炉运行状态。
误差小于12kJ/kg,相对误差不超过30%。
三. 自然循环锅炉水循化的计算
1. 锅炉炉水欠焓分析： 当省煤器出口水已沸腾，则 iqh 0 ，净段水的欠焓为：
" i ' ism D iqh K D jd
第10和11章锅炉水动力特性与传热汇总
锅炉水动力学基础
汽水混合物的流型与传热
两相流体的基本参数
自然循环锅炉的水循环及计算
自然循环的基本概念
循环回路水循环计算
自然循环故障及其可靠性校验
强制流动锅炉
控制循环锅炉 直流循环锅炉 复合循环锅炉 直流锅炉的水动力特性 直流锅炉的启动旁路系统 1
两相流体的流动结构
汽水混合物在垂直管中作上升运动
w0
w0
w0
w0A 0A w0A
whu＝w0
１＋x(
－１)
ms
(9-27)
二 汽液两相流体流动的分流模型
蒸发管内的流型主要表现为泡 状流、环状流。这种流型的特 征是在管子壁面处形成环状水 膜，蒸发产生的蒸汽集中在管 子中心处 汽液两相流动的分流模型是： ①管内的汽水混合物是分开流 动的，汽在管子中央流动，水 贴近壁面流动；②汽和水之间 有相对速度。
11
• 核态沸腾：水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸发，
形成许多小汽泡。如果此时管外的热负荷不大，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。
• 过渡沸腾：由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程
• 膜态沸腾：如果管外的热负荷很高，汽泡生成的速度大
膜态沸腾的产生取决于水冷壁管外的热负荷、管内
工质的质量含汽率、管内的质量流速、工质压力、管径等多种 因素。但主要取决于水冷壁的热负荷与质量含汽率。
运行和试验证明，尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水 混合物的质量含汽率一般只达到0.3~0.4，但发生传热恶化的可 能性较大。
采用内螺纹管水冷壁可抑制膜态沸腾
• 含汽段：含汽段是上升管的主要区段，在含汽段，管内汽水 混合物的密度大小或密度分布变化较大，一般应根据吸热强度 或管子直径、管子倾斜度将含汽段分成若干段分别计算。
第5节 锅炉水动力特性
三. 自然循环锅炉水循化的计算
锅炉炉水欠焓分析： 1. 当省煤器出口水已沸腾，则 iqh 0 ；净段水的欠焓为：
iqh
i'
is"m K
D D jd
2. 当部分给水通过蒸汽清洗装置，则认为蒸汽将清洗水层的水都 加热到饱和水，炉水欠焓为：
iqh
i'
is"m K
1 qx
1 qx
i'
is"m r
局部阻力Δpjb（Pa)为：
p jb
2
2
式中：ζ为单相流体局部阻力系数，由试验确定。
汽水混合物的局部阻力也采用均相流模型，计算式为：; 2 0
2
1
x jb
' "
1
式中：
' jb
为汽水混合物的局部阻力系数，由试验确定； x jb
为产生局部
阻力处的质量含汽率。
三. 循环回路的特性曲线
给水在给水泵提供的压力 作用下，顺序一次通过加 热、蒸发、过热，工质在 锅炉的内部不进行循环。
超临界锅炉只能采用直流 锅炉的型式，但直流锅炉 不一定都是超临界锅炉。
(4)复合循环锅炉（ Combined circulation）
在直流锅炉和强制循环锅炉的工作 原理基础上发展起来的一种新型 汽水循环方式，应用于超临界压 力的范围。
qx 为清洗水量与给水量之比；r为锅筒压力下的汽化热（kJ/kg)
三. 自然循环锅炉水循化的计算
3. 给水全部进入清洗装置时，iqh 0
4. 下降管因带汽使工质产生的焓增 idq 可根据压力和下降管
从锅筒水容积的含汽率 xj ，查图2-42和2-43。
三. 自然循环锅炉水循化的计算
锅炉的水动力特性分析与介绍_(直流)
NCEPU
热负荷大小、运行工况及水冷壁入口水的欠焓对 流动稳定性都有影响。
超临界压力直流锅炉在启动和低负荷时，其压力 低，因此仍有流动稳定性的问题。 即使是超临界压力下，当水平布置的蒸发受热面 沿管圈长度方向热焓变化时，工质的比容也随之 发生变化，尤其在最大比热区，其变化更大，因 此仍有流动多值性的问题。
NCEPU 四、蒸发管内的汽液两相流型与传热
（一）、汽液两相流的流型
1、泡状流 在连续的液相中，分散存在着小汽泡。 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， 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。
i 8q
1 i 1 1 2 r
L i 1 1 2d r
L2 q C 2 1 d r
NCEPU 三、直流锅炉蒸发受热面的脉动性流动
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。 脉动种类
管间脉动
屏间(屏带或管屏间)脉动
整体脉动(全炉脉动)
NCEPU
管间脉动
并联工作的管子之间，某些管 子的进口水流量时大时小。 对于一根管子，进口的水量最 大时，出口蒸汽量最小； 一部分管子的水流量增大时， 另一部分水流量却在减小；与 此同时，出口蒸汽量也在进行 周期性变化。 整个管组的进水量和蒸汽量变 化不大。
Δp= f (G) 直流锅炉水动力不稳定的表 现为：流量与压差的关系不 是单值性的，而是多值性的， 即对应一个压差，出现一个 或两个以上的流量。
锅炉原理 10自然循环锅炉水动力学
h F d hF d h F d h 以截F 面含/F 气 率表示F 的/F 汽水混合物密（度10-36）
h ( 1 ) ( )kg/m3
重位压力降计算（公1式0-37）
P z w h g h h g [ ( 1 ) ]
（10-38）
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• 4. 水平管内的流型和传热
图10-8 水平管内的流动形式
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• 10.3.3 汽水两相流动阻力的计算 • 1. 均相模型及摩擦阻力计算方法
(1) 均相模型及其公式
Pmc
l
dn
wh2h
2
当流动处于阻力平方区时：
1 4(lg3.7
dn
)2
k
（10-28）
（10-1）
• 如果循环泵的工作压头△Pb大于水冷壁中工 质的流动阻力△Plz ，则有PC＞PA，锅炉按强
制循环锅炉原理工作 。（流过水冷壁的工质 流量为给水流量与再循环流量之和）
• 如果循环泵的工作压头△Pb小于等于水冷壁 中工质的流动阻力△Plz，则有PC≤PA，锅炉按
直流原理工作 （再循环管路中无循环流量）。
• 截面含汽率φ ：
（10-16）
A" A
（10-17）
• 水的流通截面积A’所占的流通截面积份额：
A' AA" 1
AA
（10-18）
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• 2．蒸汽和水的折算速度及真实速度 • 蒸汽折算速度w0″——假定汽水混合物中的蒸
汽单独流过整个管道截面时的蒸汽速度：
w0AG
m/s
下降管总阻力
有效压头法
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第11章 自然循环锅炉水动力(全)
有效压头法
S yx = (ρ xj − ρ ss )gh − ∆pss = ∆pxj
有效压头是循环回路中的部分水循环动力， 有效压头是循环回路中的部分水循环动力， 稳定流动时克服回路中下降管的流动阻力。 稳定流动时克服回路中下降管的流动阻力。
3. 直流锅炉
流动动力： 流动动力：给水泵 特征：①无锅筒，工质一次性通过 特征： 锅筒， 水冷壁。 水冷壁。 ②水冷壁布置自由，金属耗 水冷壁布置自由， 量少，制造方便。 量少，制造方便。 ③启停速度比较快，适应电 启停速度比较快， 网负荷变化，适用压力范围广， 网负荷变化，适用压力范围广，尤 其是超临界参数的锅炉。 其是超临界参数的锅炉。
3. 两相流体的流动模型 均相流模型 假定两相流体流动时和非常均匀，看作是 假定两相流体流动时和非常均匀， 具有平均流体特性的均质单相流体， 具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两相 之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。 之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。该 模型可以应用单相流体的各种方程式， 模型可以应用单相流体的各种方程式，必要时 借助于试验系数对方程式进行修正。 借助于试验系数对方程式进行修正。 适用于泡状流型。 适用于泡状流型。
第十一章 自然循环锅炉水动力特性
§11—1锅炉水动力学基础 锅炉水动力学基础 一、 锅炉水循环方式
循环—工质流经蒸发受热面的流动方式 循环 工质流经蒸发受热面的流动方式 划分—依据流动动力 划分 依据流动动力 自然循环锅炉 强迫循环锅炉： 强迫循环锅炉：多次强制循环锅炉 直流锅炉 复合循环锅炉 自然循环和多次强制循环方式适用于低于 临界压力的锅炉
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第13章 强迫流动锅炉水动力特性
1. 直流锅炉的水平蒸发管中为什么会发生水动力多值性？
答：产生多值性的原因是：管内有水有气。具体地说就是：当热负荷一定时，由
于蒸发管内同时存在加热水段和蒸发段，水和蒸汽的比容差别极大，使得工质的
平均比容随流量的变化而急剧变化，从而产生了水动力特性的多值性。
2. 试述水平蒸发管中发生水动力多值性的影响因素及其影响作用，防止发生水
动力多值性的措施有哪些？
答：(1). 影响因素及影响作用
a． 压力——一般来说随着压力的增加，水动力特性趋向稳定。这是由于随
着压力的升高，饱和水和蒸汽的物性接近。两者的比容差值减小，当流
量变化时，工质的平均比容变化减小。
b． 入口水的欠焓——进口水的欠焓越小，水动力特性曲线越趋于稳定。这
是由于当热负荷一定时。欠焓减小，蒸发段增长，蒸汽产量增加，使工
质的平均比容随流量的增加不剧烈。
c． 加热水段结构特性——增大加热段的阻力可以减小水动力特性的多值
性。这是由于增大加热段阻力相当于增加了流量对压差的影响，总压降
中蒸发段阻力的比例相应减小后，减弱了汽水混合物的比容对压差的影
响，使得特性曲线趋于单值性。
d． 热负荷——提高热负荷相当于减小了工质欠焓的影响，能使管中产生更
多的蒸汽，削弱了平均比容变化的影响，因此阻力上升较快。
(2). 防治措施
a．减小蒸发管进口水的欠焓；b. 在进口欠焓不变的条件下，增大加热水段
的阻力(一般采用加节流圈或在加热段采用较小的管径蒸发段采用较大的管
径)。
3. 重位压降对强制垂直流动蒸发管的水动力特性有什么影响？
答：
（1）当工质垂直向上流动时，重位压差起到了截流圈的作用，改善了水动
力特性，可以部分或完全消除多值性；
（2）当工质垂直向下流动时，重位压差恶化了水动力特性，使不计重位压
差时的单值性流动阻力曲线叠加后出现多值性。
4. 管组发生整体脉动的原因是什么？
整体脉动是所有并联蒸发管的流量和蒸发量同时发生周期性波动，一般可分
为两种形式：
一种形式的整体脉动是由于燃料量、蒸汽量、给水流量以及锅炉压力的急剧
波动引起的。这种脉动的水流量变化没有严格的周期性，振幅也是变化的，并且
是衰减型的，当扰动消除后脉动就会停止。
另一种形式的整体脉动与给水泵的特性曲线（压差与流量的关系曲线）有关，
表现为随着水泵压头的增加，其流量减小，但不同型式水泵的特性曲线的斜率是
有差别的。直流锅炉或强制循环锅炉的给水泵工作时，当工况变化使压力增加时，
送入锅炉的给水量减少，相应又使蒸发段的蒸汽量减少而压力降低，这样又使给
水量增多，给水量的增加又使压力增高，如是形成周期性的脉动。
5. 试述水平蒸发管组发生持续性管间脉动的条件、特点、成因及其影响因素。
图13－11是水平管组脉动时各参数的变化示意图。管组的进出口压差为
ΔP
0=P1-P2，加热段与蒸发段的长度和流动阻力分别为Ljr、Lzf和ΔPjr、ΔPzf
在稳
定流动过程中，其进口水质量流量G与出口蒸汽量D相等，如图(a)所示。若有
一扰动，例如始沸点附近的热负荷突然增大，该处蒸汽量将增多，局部压力P
jb
升高，相应使加热段的压力增高， 而P1并未改变，故该部分管的G减小δG，
则其加热段缩短，ΔPjr减小了δΔPjr，始沸点的界面移向进口端，而其余管子中
的水流量增加；同时蒸发段的长度增加和压差增大，使出口蒸汽量D增加δD，
则ΔPzf增加了δΔPzf，此时管子中各参数的如图(b)所示。
图13－11 脉动中参数的变化示意图
当扰动发生，G减小后，若两段的阻力变化满足
jr
zf
dPdPdGdD
则管内总流动阻力ΔPlz增大，ΔPlz>ΔP0，使得G进一步减小。因此，扰动发生
后，管内流动阻力的变化加强了扰动的继续发展，该扰动引发的脉动是持续型的。
影响水平蒸发管脉动的因素有管圈结构特性、压力、进口欠焓、质量流速和
热负荷等。管间脉动的产生及它的振幅和周期与很多的结构和工况因素有关。
6. 如何校验蒸发管组的工质发生脉动流动现象。
我国电站锅炉水动力计算方法中的脉动校验方法有两种：一种是动态蓄质量
系数方法，一种是界限质量流速法。
7. 防止蒸发管组发生脉动的措施有哪些？
为了减轻和避免发生脉动，在设计蒸发管组时要选择合适的工质进口欠焓
（与水动力多值性同时考虑），将始沸点布置在较低的热负荷区，必须保证启动
和低负荷时的进口工质的质量流速ρw大于上述的界限质量流速（ρw）jx。若某
管组的计算质量流速小于（ρw）jx，则应采取措施重新计算，直到计算质量流速
大于（ρw）jx 为止。
通常采用的措施有：变管径的蒸发管组，在管组进口加装节流圈，在蒸发区
段加装呼吸集箱。
8. 试述多次强制循环锅炉的水循环特点。
（1）强制循环的循环倍率K决定锅炉的经济性和运行的安全性。
（2）循环泵在高温高压下长期运行，其可靠性是循环回路可靠工作的重要
保证，因此要对循环泵进行可靠性校核。
（3）蒸发系统在全部锅炉负荷范围内，工质在水冷壁中均进行再循环。
（4）在各循环回路或管子的进口加装节流圈来强制流量的分配。
9. 试述复合循环锅炉的工作原理及其特点。
符合循环锅炉的基本工作原理是，在启动与低负荷运行时，水冷壁中通过的
是再循环水和给水的流量之和，即按强制循环锅炉方式工作；而在高负荷运行时
自动切换成直流锅炉系统，再循环管路中没有循环流量，水冷壁中仅通过给水流
量。
这种复合循环方式在锅炉结构上可以取消直流锅炉的启动及低负荷旁路保
护系统，在超临界压力下还可以取消强制循环锅炉的锅筒或汽水分离器。