影响动力车间锅炉水循环的因素分析

论文题目：影响动力车间锅炉水循环的因素分析
摘要：通过对动力车间75T/H蒸汽锅炉水循环的分析，总结出影响水循环回路工作特性的五个主要因素，即锅炉工作压力、水冷壁受热强弱、下降管是否含汽及含汽多少、循环回路的阻力特性和循环回路高度。

在这五个主要因素中，除了循环回路高度由于自身设计问题已不可改变之外，其余四个因素的变化都直接影响着水循环的好坏，因此，调整好这四个主要因素，可以保持良好的水循环，在生产实践中，为指导锅炉安全运行和技术改造提供可靠的保证。

关键词：锅炉,水循环,影响因素
0引言
水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面回路中的循环流动，称为锅炉的水循环。

锅炉水循环分为自然循环和强制循环两种。

依靠工质的密度差循环流动的，称为自然循环；借助水泵的压力使工质流动的循环，称为强制循环。

在工业锅炉中，除热水锅炉外，绝大多数的蒸汽锅炉都采用自然循环。

中石化湛江东兴石油化工有限公司动力车间75T/H 的蒸汽锅炉采用的就是自然循环，以下就以此锅炉为例对自然循环进行分析，从而总结出影响水循环回路工作特性的主要因素。

1自然循环的原理
图1为锅炉的自然循环回路简单示意图。

它由汽包、下降管、下联箱、水冷壁管和上联箱组成。

水自汽包进入不受热的下降管，然后经下联箱进入布置于炉内的水冷壁管，在水冷壁管中受热后部分水汽
化，汽水混合物则由于密度较小向上流动输回汽包，如此形成了水的自然循环流动。

动力车间共有两台锅炉，其中每台锅炉都由1个汽包、4根下降管、4个下联箱、4个上联箱及248根水冷壁管组成这样的12个封闭的循环回路。

锅炉在冷态下，下降管的水和水冷壁中水的温度是相同的，两者的重度是相等的,因此,炉水不会流动,在运行状态下,水冷壁吸收炉膛火焰的辐射热（图2）,产生一部分蒸汽,水冷壁管中汽水混合物的重度比炉膛外不受热的下降管中水的重度小,两者重度差与循环回路高度的乘积,称为流动压头,炉水在流动压头的推动下不断循环,因炉水循环不依靠外力推动,故称为自然循环。

2自然循环的工作特性
自然循环锅炉水冷壁中工质的情况由液相流体转化为气液两相流体的流动,由于给水温度一般都低于饱和温度,进入汽包与锅水混合
后,锅水平均温度也要低于饱和温度,所以水在进入水冷壁后,有一段是未饱和水,故这一段是液相流体的流动, 水冷壁内的水在向上流动的过程中，一边受热一边减压，水流过一段高度H S,到达汽化点Q h 时水温等于该点压力下的饱和温度，开始沸腾,产生气泡,因此在Q h 点以后,转化形成为气液两相流体的流动,往上流动,继续受热,汽化越剧烈,气泡越多,小气泡就联成大气泡,如”炮弹”状,几乎充满整个管子断面,但管壁上还保留一薄层水膜,蒸汽占据中间的部分越来越大,水膜也越来越薄,直到水膜很薄的时候,水对管壁的冷却仍然可以保证,只有当含水量几乎全部蒸发的时候,由于气速过高,才把管壁上的水膜破坏了,于是在高温烟气的作用下,管子发生过热甚至引起爆裂.由此可见,水冷壁的安全性是与含汽量有关.因此,将Q h点以前的一段高度H S称为加热水区段, ,而Q h点以后的这段H g便是水冷壁的含汽区段,也是汽水混合物区段,如此,循环回路的总高度H即为加热水区段H S 和含汽区段H g之和:
H=H S+H g………………………………(1-1)
在水循环稳定流动状态下,作用于图中集箱A-A截面两边的力平衡相等,其表达式为:
P g +H·ρ·g -=P g +H S·g·ρ +H·g·ρg +………………(1-2)式中：ρ——下降管和加热水区段饱和水的密度,Kg/m3;
ρg——水冷壁含汽区段中汽水混合物的平均密度, Kg/m3;
,——分别为下降管和水冷壁的流动阻力,Pa;
g——重力加速度,m/s2.
经移项整理,便可得到下式:
H g·g·(ρ-ρg) =+………………………………(1-3)
上式左边是下降管和水冷壁中工质密度差引起的压头差,也就是驱动自然水循环的动力,称为水循环的动压头,等式的右边,恰好是循环回路的流动总阻力,这说明,当回路中水循环处于稳定流动时,水循环的运动压头等于整个循环回路的流动阻力,即:
S I d = H g·g·(ρ-ρg)………………………………(1-4)
式中: S I d——流动压头.
3自然循环的影响因素
由式（1-4）可见,自然循环的运动压头取决于水冷壁中含汽区段的高度和饱和水与汽水混合物的密度差，以及循环回路的阻力特性。

3.1汽水混合物的密度差与下列因素有关
3.1.1锅炉工作压力
饱和水汽化为饱和水蒸汽后，比容要增大。

增大的数值与压力有关。

压力越大，比容增加的倍数就越小。

这是因为饱和水蒸汽的物理性质与饱和水不同。

饱和水是不可压缩的，比容基本上不受压力的影响;但水的饱和温度随压力增大而升高。

因此，压力升高使饱和温度升高，饱和水的比容受饱和温度升高的影响而膨胀增大。

饱和水蒸汽是可压缩的，比容受压力的影响很大。

所以，压力升高，尽管饱和温度也相应升高，使比容增大，但由于压力升高，使比容压缩得更小，因此，饱和水蒸汽的比容反而要减小;反之，压力减小，饱和水蒸汽
的比容就增大。

饱和水蒸汽比容与饱和水比容的比值随压力升高而降低。

当压力升高至临界压力22.12兆帕时，两者之比为1。

即增大的倍数为零。

由于密度是比容的倒数，因此，饱和水的密度与压力的关系是随压力升高而减小，饱和水蒸汽的密度是随压力升高而增大。

饱和水与饱和水蒸汽的密度差与压力的关系是随压力增大而减小。

当压力达到临界值及以上时，密度差为零。

压力不是自然循环的直接动力，但压力对自然循环有根本性的影响。

压力不同，饱和态汽、液两相的密度不同。

压力越低，饱和水与饱和蒸汽的密度差越大。

水冷壁中汽水混合物和下降管中水之间的密度差越大，在一定的回路高度上就可以形成较大的运动压头；压力越高，汽液两相的密度差越小，水冷壁中汽水混合物与下降管中水的密度差也越小，在同样的回路高度上只能形成较小的运动压头。

在水的临界压力下，饱和水与饱和蒸汽之间的界限消失，二者具有相同的密度，因而根本无法形成自然循环。

从这个角度来讲，低压锅炉易于建立和维持自然循环，因而普遍采用自然循环。

我车间锅炉所产蒸汽的压力工艺指标控制在 3.5-3.75MPa范围内，因此，为了保持良好的水循环，并在满足生产需要的条件下，应尽可能将工作压力控制在低限。

另外，运行中汽压突变对水循环是非常不利的，如果汽压突然升高，由于水的饱和温度相应升高，水冷壁管中瞬间蒸发量降低，原来受热弱的管子中水循环会变慢和停止，可能导致管子损坏，反之，当汽压突降时，汽包和下降管中的饱和水可能沸腾起来，从而破坏水循环。

3.1.2下降管是否含汽及含汽多少
如果下降管中全部是水而不含蒸汽，下降管中水与水冷壁中汽水混合物的密度差会形成一定的运动压头。

如果下降管中含汽，就会增加下降管的阻力，从而减小下降管与水冷壁中工质的密度差。

下降管中含汽量越多，下降管与水冷壁中工质的密度差越小，对水循环越不利。

对流管束中下降流动的管子同样受热，其含汽并影响水循环是难以避免的。

水冷壁系统下降管含汽或带汽主要有以下几方面的原因：
（1）在汽包中汽水混合物的引入口与下降管入口距离太近或下降管入口位置过高。

（2）锅水进入下降管时，由于进口流阻和水流加速而产生过大压降，使锅水产生自汽化。

（3）下降管进口截面上部形成漩涡斗，使蒸汽吸入。

（4）汽包水室含汽，蒸汽和水一起进入下降管。

（5）下降管受热产生蒸汽。

（6）锅炉汽压急剧降低时，由于饱和温度降低而造成下降管发生汽化而产生蒸汽。

所以，为了保证水循环的正常进行，必须采取一定的设计及运行措施，以防止下降管带汽产汽。

为避免发生下降管带汽，应使下降管与最低水位之间有一定的高度差；对于大管径的，可在下降管入口处装格栅或十字板，防止产生大旋涡；下降管与上升管的管口应有一定的距离；此外，下降管应避免受热，锅炉给水尽量布置在下降管进
口处，以降低下降管的进口水温。

3.1.3水冷壁的吸热强度
汽水混合物的密度差不仅与上述因素有关，而且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，工质循环流动速度越高。

在锅炉运行中，在保证吸热强度的情况下，也要防止锅炉受热面接渣，因为锅炉结渣覆盖了水冷壁的部分受热面，会使这些管子受热减弱，造成管中循环流速太低，甚至发生循环停滞现象，为此，要尽量防止结渣的发生，并及时清除结渣，维持正常水循环。

3.2含汽区段的高度与下列因素有关
3.2.1循环回路高度
运动压头与回路高度成正比，回路越高，运动压头越大；如果回路短矮，或者回路与水平面夹角过小，或者水平布置，运动压头就要减小，甚至为零。

需要注意的是，回路增高时，运动压头增大的同时流动阻力也要增大。

动力车间锅炉的水循环回路高度为设计值，因此，在正常的生产运行中，由于这个因素的不可变性，相应的其对水循环的影响也已确定不变了。

3.2.2水冷壁受热强弱
一般来说，水冷壁受热越强，管内产生的蒸汽量就越多，汽水混合物的密度就越小，形成的运动压头则越大。

对共用同一下降管的许
多并列水冷壁来说，受热强的水冷壁中水循环流动也强，受热弱的管中水循环流动也弱。

同一水冷壁中，受热量增加，管内含汽量增加，进入该水冷壁的循环水量也增加。

这种循环水流量与吸热量自行适应的能力叫自然循环的“自补偿能力”。

3.3循环回路的阻力特性
运动压头用以克服回路阻力。

如果回路阻力系数过大，管径过小而管子过长，回路中的循环流速就将减小；反之，对同样的运动压头就可以获得较大的循环流速。

在一定的热负荷下，循环回路的有效压头随循环水量的增加而减小，这是因为含汽量减小，同时水冷壁管的阻力也有所增大所致。

另一方面，下降管阻力随循环水量的增加而增加。

在水管锅炉中，如果受热管水平放置或微倾斜布置，而流速不高时，则由于此时汽与水的密度不同，蒸汽偏于管子的上部流动，水在下部流动，形成汽水分层，在这种情况下，由于蒸汽的导热系数比水低的多，就可能使管子上部的壁温过高而烧坏，在分界面处，由于水面波动，壁温时高时低，容易引起疲劳裂缝，此外，在汽水分层流动时，管子上半部受不到水的冲刷，而水面波动时，又常有水滴溅到上面全部蒸发，于是水滴中的盐分沉积在管壁上，使管子更易过热烧坏。

另外，流速低，水中的泥渣也可能沉积在管壁上，加速管子的过热而烧坏。

由流体力学知识我们知道，流体在管路中流动时的阻力分为沿程阻力和局部阻力两种，下降管和水冷壁管阻力以沿程阻力为主，局部
阻力可忽略，而在下降管和水冷壁管中产生的阻力又和下列因素有关：
（1）管路几何尺寸——管长、管内径
（2）流动条件——流速
（3）流体的性质——密度、黏度
4 结论
通过对中石化湛江东兴石油化工有限公司动力车间75T/H蒸汽锅炉水循环的分析，总结出影响水循环回路工作特性的五个主要因素，即锅炉工作压力、水冷壁受热强弱、下降管是否含汽及含汽多少、循环回路的阻力特性和循环回路高度。

而在循环回路高度一定的情况下，锅炉工作压力愈低，运动压头愈大；水冷壁管吸热愈强，运动压头也愈大；下降管中含汽量越多，下降管与水冷壁中工质的密度差越小，运动压头愈小；循环回路的阻力愈大，运动压头也愈小。

在锅炉运行中，控制好这些因素，对于锅炉安全运行，保证良好的水循环是非常有利的。

参考文献：
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