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1、自然循环锅炉得原理与基本概念一、自然循环原理自然循环就是指 :在一个闭合得回路中 ,由于工质自身得密度差造成得重位压差 ,推动工质流动得现象。具体地说 ,自然循环锅炉得循环回路就是由汽包、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、汽水分离器组成得 ,如图 ,重位压差就是由下降管与上升管 (水冷壁管 )内工质密度不同造成得。而密度差就是由下降管引入水冷壁得水吸收炉膛内火焰得辐射热量后 ,进行蒸发 ,形成汽水混合物 ,使工质密度降低形成得。下图表不了一个简单得自然循环原理得示意图。自然循环得实质 ,就是由重位压差造成得循环推动力克服了上升系统与下降系统得流动阻力 ,
2、从而推动工质在循环回路中流动而自然循环锅炉得“循环推动力”实际上就是由 “热 产生得 ,即由于水冷带管吸热 ,使水得密度改变成为汽水混合物得密度 ,并在高度一定得回路中形成了重位压差。回路高度越高 ,且工质密度差越大 ,形成得循环推动力越大。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、自然循环得基木概念设进人上升管得流量为G,水冷壁得实际蒸发量为D,从汽包引出得蒸汽流量为 0,水冷壁得流通截而为 F,则用于描写自然循环得几个主要概念就是:(1) 循环流速 :在饱与水状态下进入上升管入口得水得流速。(2) 循环信率 K: 上升管中实际产生
3、1Kg 蒸汽需要进入多少千克水。自然循环锅炉水冷壁得安全运行一、影响水冷带安全运行得主要因素锅炉运行中 ,影响水冷带安全运行得因素很多 ,既有管内诸多因素得影响 ,也有管外复杂因素得影响管内得影响因素有 :水质不良导致得水冷带管内结垢与腐蚀;水冷带受热偏差影响导致得个别或部分管子出现循环流动得停滞或倒流;水冷带热负荷过人导致得管子内壁面附近出现膜态沸腾;汽包水位过低引起水冷壁中循环流量不足 ,其至发生更为严重得“干锅” 。管外得影响因素有 :燃烧产生得腐蚀性气体对管壁得高温腐蚀;结洁与积灰导致得对管壁得侵蚀 ;煤粉气流或含灰气流对管壁得磨损、管内得影响因素一般导致管子金属内壁面上得连续水膜被破
4、坏,即由水得冷却变为汽得冷却 ,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得允许温度。超温严重时 ,管子强度下降 ,承压能力下降、这时 ,由于管内工质压力得作用 ,可导致管子局部 “鼓包”、裂口 ,以至发生爆管事故。 管外得因素则一般直接导致管子得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、蒸发管内得停滞、倒流与膜态沸腾1.停滞水冷壁就是将几百根管子并联组合成几个独立得循环回路 ,由于炉膛中温度场分布不均 ,随燃料与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得吸热强度就会存在
5、偏差 ,加上上升系统得结构偏差与流量分配偏差,将导致每根管子与管屏间得受热强度不同 ,阻力不同 ,循环推动力就不同。 虽然管屏进出口联箱得压差就是相同得 ,但每根管子得流动表现可能不同、受热弱得管子中 ,工质密度大 ,当这根管子得重位压头接近于管屏得压差时 ,管屏得压差只能托住液柱 ,而不能推动液柱得运动、这时 , 管内就出现了流体得停滞现象这种现象得具体表现就是:进入上升管得循环流量微小,以至在管子微弱吸热后被蒸发成汽泡 在管内工质不流动得情况下 ,汽泡容易聚集在管子得弯头与焊缝处 ,由于管子受热与汽泡合并 ,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
6、部就是汽 ,下半部就是水 ,管子上部就会过热超温、且当自由水面得位置波动时 ,还会引起管子得疲劳应力。不过 ,超高压与亚临界参数自然循环锅炉水冷壁出口得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得就是水冷壁管得传热恶化。水循环停滞现象主要发生在受热弱得管子上。2、倒流在并联工作得水冷壁管子之间 ,由于受热不均 ,上升管之间形成了自然循环回路这时 ,有得管中工质向上流 ;有得管中工质向下流。工质向下流得管子就叫“倒流管”。从而倒流现象得定义就是 :本来应该就是工质向上流得上升管 ,变成了工质向下流得下降管。从循环特性来瞧 ,倒流现象得表现就是 :倒流管得压差大于同
7、一片管屏或同一回路得平均压差 ,从而迫使工质向下流动。在发生倒流得管子中 ,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得速度时 ,向下流得水带不走汽泡 ,造成汽泡不上不下得状态 ,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 ,管子仍能得到良好得冷却 ,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 ,受热最差得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与倒流以及向上流动得机会并不就是固定得 ,而就是随管外吸热状态与管内工质密度得变化而变化得。膜态沸腾当水
8、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得热负荷不人 ,小汽泡可以及时地被管子中心水流带走,并受到“趋中效应”得作用力 ,向管子中心转移 ,而管中心得水不断地向壁面补充这时得管内沸腾被称为核态沸腾、如果管外得热负荷很高 ,在管子内壁面上 ,汽泡生成得速度大于汽泡脱离壁面得速度 ,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” ),将管子中心得水与管壁隔开 ,使管子壁面得不到水得冷却 ,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。锅炉蒸发管内得流型主要分为以下几类 :即泡状流、弹状流、
9、环状流与雾状流、(1)泡状流。在连续得液相中,分散散存在着得小汽泡。(2)弹状流。泡状流中 ,汽泡浓度增大时 ,受趋中效应得作用 ,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。由于汽泡得内压力增大 ,当汽泡得内压力大于汽泡得表面张力时 , 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。( )雾状流、管子壁面上得水膜完全蒸干时,蒸干点得质量含汽率X= 、 8,即蒸汽中仍然夹带着小液滴,形成雾状流。自然循环锅炉得蒸发管中,因为限制质量含汽率x0、4,所以一般不会出现雾状流。三、蒸发管内得传热在蒸发过程得各个阶段 ,蒸
10、发管内得流型在不断变化。不同得流型状态下,流体对管子壁面得热交换方式不同,冷却能力也不同 ,即管内流体得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、在汽泡状流动得初级阶段就是过冷沸腾阶段。 因为此时得壁面温度大于饱与温度 ,在壁面上产生小汽泡 ,而管子中心流体温度尚未达到饱与温度 ,汽泡被带到水流中很快凝结而消失 ,放热系数增大。在汽泡状流动得后期与环状流动阶段 ,由于不断吸热 ,管内得水流达到饱与温度在壁面上产生得蒸汽不再凝结 ,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 ,此时饱与核态沸腾开始 ,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
11、不大 ,管壁温度接近流体温度。在有卷吸得环状流动阶段 ,环状流得液膜变薄 ,管子壁面上得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 ,由于管子壁面得水膜被蒸干 ,只有管子中心得蒸汽流中夹带着小液滴 ,壁面由雾状蒸汽流冷却 ,工质对管壁得放热系数急剧减小 ,管壁温度发生突变性提高、 随后 ,由于流动速度增加 ,工质对管壁得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 ,形成单相得过热蒸汽流动 ,放热系数进一步减小 ,管壁温度进一步上升。以上得流动工况与传热工况发
12、生在热负荷不大得条件下、 当热负荷不断增大到一定程度时 ,壁面上产生得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 ,特别就是可能发生在过冷沸腾阶段。四、内螺纹管抵抗传热恶化得作用内螺纹管抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化得机理就是:由于工质受到螺纹得作用产生旋转 ,增强了管子内壁面附近得扰动,使水冷壁管内壁面上产生得汽泡可以被旋转向上运动得液体及时带走,而水流受到旋转力得作用,紧贴内螺纹槽壁而流动 ,从而避免了汽泡在管子内壁面上得积聚所形成得“汽膜”,保证了管子内壁面上有连续得水流冷却。五
13、、影响循环安全性得主要运行因素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、水冷壁局部结渣与积灰就是造成水冷壁吸热不均得主要原因。如前所述,那些受热很弱得管子容易出现停滞或倒流,受热很强得管子可能出现膜态沸腾。其结果都就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 ,一方面进入下降管得实际水流量减少,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 ,使下降管侧得重位压差降低,且流动阻力也相应增大、这两方面得因素都会导致水循环安全裕度下降,即产生停滞、倒流得可能
14、性增大。防止下降管带汽得办法 ,除了在下将管入口安装隔栅外 ,运行时 ,应注息维持正常得汽包水位、水位过低 ,下降管入口不但容易产生旋涡漏斗 ,而且下降管入口处得静压力降低 ,容易产生水得自汽化。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得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、倒流与膜态沸腾得影响、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、上升系统得流动阻力。影响上升系统流动阻力得因素很多,如分配水管、水冷壁、汽水导管得管径、流通截面 ;管子弯头数量与汽水分离器得结构阻力系数、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、循环回路得运动压头减小,循环流速就会降低 ,因而低负荷运行时得水循环安全性较差、在快速变负荷,尤其就是在快速降负荷时,循环系统内由于压力降低 ,工质得自汽化过程加快,由于汽包水室内水得自汽化与下降管内水得自汽化,使循环流量与运动压头同时减小,循环安全性大幅度降低。因此,控制变负荷速度就是保证水循环系统安全工作得重要条件之一。