600MW超临界锅炉培训

螺旋管圈水冷壁的这些优 点，使得水冷壁能够工作在热 偏差最小和流量偏差最小的良 好状态。因此，其水动力稳定 性较高，不会产生停滞和倒流， 可以不装节流圈，最适合变压 运行。螺旋管圈水冷壁起源于 水平管圈水冷壁(拉姆辛型)。 水平管圈水冷壁的结构如图133所示。
螺旋管圈水冷壁的主要缺点是： 1、水冷壁及其悬吊结构复杂、制造、安装及检 修工作量大，流动阻力比较大。 2、管带宽度随锅炉容量提高而增大，管带盘旋 圈数减少，热偏差增大。 三 内螺纹管垂直管屏水冷壁
较复杂பைடு நூலகம்
焊口对接 需双向调整
（有时可靠性较低）
水冷壁结渣比较
容易掉落
粘附在膜式 鳍片上
第二节
直流锅炉的水动力特性
一、直流锅炉的水动力不稳定性 亚临界压力直流锅炉和超临界压力直流锅炉低负荷 变压运行时，水冷壁管内工质都处于汽、液两相流动状态。 随着气相份额增大，加速压降增大，重位压降减小，流动 阻力的变化却不确定。综合影响结果是使流量和压差的关 系呈现三次方曲线趋势。即出现静态水动力不稳定现象。 直流锅炉静态水动力不稳定的主要表现是：流量和压 差的关系不是单值性的，而是多值性的。即对应一个压 差，出现两个或两个以上的流量。如图13-4所示。
600MW超临界锅炉
培训讲稿
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
直流锅炉的主要特点和水冷壁型式 直流锅炉的水动力特性 亚临界压力下蒸发管的脉动性流动 直流锅炉的热偏差 超临界压力下水冷壁管内传热
第一节 直流锅炉的主要特点和水冷壁型式
一 直流锅炉的主要特点（1）
1特点 直流锅炉的 主要特点是汽水系统中 不设置锅筒，工质一次 性地通过省煤器、水冷 壁、过热器。
直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高。
一 直流锅炉的特点（6） • 6. 直流锅炉的启停和变负荷速度快
•
为了保证受热面的安全工作，且为了减少启动过程中 的工质损失和能量损失，直流锅炉须设启动旁路系统。 的升、降温速度可快些，锅炉启停时间可大大缩短，锅炉 变负荷速度提高。
• 直流锅炉由于没有汽包，在启停过程及变负荷运行过程中
三 影响直流锅炉水动力多值性的因素 锅炉运行时，影响水动力多值性的具体因素比较 复杂，主要因素有 : 1 工质压力
蒸发管进口的工质压力对水动力多值性的影响起主 要作用。当压力降低时，汽水密度差增大，水动力趋 于不稳定。但是，压力对水动力多值性的影响具有多 重性。即压力降低时，汽水比容差增大，水动力多值 性加剧；但压力降低，工质汽化潜热也随之增大，在 吸热量一定时，蒸发量减少；压力降低，还会使受热 面进口水欠焓相应减小，这又会减弱水动力多值性。 但是，压力降低使汽水比容差变化得较多，因而其综 合影响是加剧了水动力多值性。 图13-11的试验曲线表明了压力对水动力特性的影 响。
• 水动力特性获得单值性的条件是：
7.46r i ( 1)
r ---工质汽化潜热； ρ′---饱和水密度； ρ″---饱和汽密度； α---修正系数 ； 。
给水变为蒸汽的过 程经历了加热、蒸发、 过热三个阶段，由于 直流锅炉没有固定的 汽水分界面，热水段、 蒸发段、过热段的长 度是随热负荷及给水 流量等条件变动的。 当给水流量增加时， 热水段长度延长，蒸 发段长度缩短，过热 段长度也相应缩短。
把式(13-5)和式(13-6)代入式(13-1)、式(13-2)和式(133)，可得 △P=A(ρｗ)3+B(ρｗ)2+C(ρｗ)
(13-7)
式中
i 1 i A [ 1 ( 1)] 8q 2
L i B [1 ( 1)] 2d
即对方程求导数并且令 df ( w) 0 ，可得 d ( w)
dP 3 A( w) 2 2 B( w) C 0 （13-11） d ( w)
B2－3AC >0 (对应三个实根，多值性） B2－3AC=0 (对应一个实根，单值性) B2－3AC<0 (对应一个实根，单值性) 由此可见，水动力单值性的条件为 B2－3AC≤0 （13-12） 亚临界压力以下，水平蒸发管水动力多值性的直观 表现可用示意图13-7说明，
三种型式直流锅炉的结构图 (a)垂直上升管屏式；(b)回带管屏式；(c)水平围绕管圈式
二 螺旋管圈水冷壁 螺旋管圈水冷壁的优点是： 1、工作在炉膛下辐射区的水冷壁同步经过炉膛内 受热最强的区域和受热最弱的区域； 2、水冷壁中的工质在下辐射区一次性沿着螺旋管 圈上升，没有中间联箱，工质在比容变化最大的阶 段避免了再分配； 3、可灵活选择并联工作的水冷壁管子根数和管径， 保证较大的质量流速。
一 直流锅炉的特点（5） • 5. 直流锅炉的自动控制系统要求高
•
直流锅炉无汽包且蒸发受热面管径小，金属耗量小， 使得直流锅炉的蓄热能力较低。当负荷变化时，依靠自身 炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低。当负 荷发生变化时，直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量， 以保证物质平衡和能量平衡，才能稳定汽压和汽温。所以
当压力等于或超过临界压力时，由于蒸汽的密度与 水的密度一样，汽水不能靠密度差进行自然循环，只能 采用直流锅炉
一 直流锅炉的特点（3） 3. 直流锅炉可采用小直径蒸发受热面管且蒸发受热面布置 自由 • 直流锅炉采用小直径管会增加水冷壁管的流动阻力， 但由于水冷壁管内的流动为强制流动，且采用小直径管大 大降低了水冷壁管的截面积，提高了管内汽水混合物的流 速，因此保证了水冷壁管的安全。 由于直流锅炉内工质的流动为强制流动，蒸发管的布 置较自由，允许有多种布置方式，但应注意避免在最后的 蒸发段发生膜态沸腾或类膜态沸腾。
水动力多值性 的具体表现是：对 于一根管子，流量 有时大有时小；对 于并联工作的一组 管子，有的管中流 量大，有的管中流 量小。这些现象一 旦出现，水冷壁就 处在不安全的运行 状态。
二 亚临界压力下直流锅炉的水动力特性
1、亚临界压力下水平蒸发管的水动力特性
分析图13-5的水平蒸 发管中流量和压差的关 系，因为重位压降 △PZW=0，而比容变化引 起的加速压降仅占总压 降的3.5％，可以忽略不 计。则管子出口的压降 应等于流动阻力，如果 不计管子进出口的局部 阻力，则有：
2 质量流速
直流锅炉蒸发管内的质 量流速随负荷而变，锅炉负 荷越低，越容易发生水动力 多值性。因为质量流速越小， 工质流量分配越不均匀。从 式(13-7)来看，质量流速越小， 各项系数的影响作用就越大， 越容易发生水动力多值性。
二 直流锅炉的水冷壁型式 直流锅炉出现的初期，水冷壁有三种相互独立的结 构型式：即本生型、苏尔寿型和拉姆辛型。现代直流锅 炉的水冷壁结构型式演变为两种型式：一种是垂直管屏， 另一种是螺旋管圈。 一 垂直管屏光管水冷壁
随着火电机组的大容量化，为了保证炉膛下 辐射区水冷壁管内的质量流速，下辐射区水冷壁 的流路一般设计成二次垂直上升。
炉上的应用证明这项技术在抵抗膜态沸腾方面已经 成熟。其主要特点是：用内螺纹管防止由超临界压力过 渡到亚临界压力区域时可能发生的膜态沸腾；同时水冷 壁入口装有节流圈，使各水冷壁管内的质量流量与吸热 量相匹配。采用螺旋管圈水冷壁的600 MW超临界直流 锅炉，在额定负荷下的质量流速为2800kg/(m2.s)。可 见采用内螺纹管垂直管屏水冷壁，减小了水冷壁的阻力 损失，降低了给水泵的功率消耗。
其工作原理如 图13-1所示。
一 直流锅炉的特点（2） 2．直流锅炉适用于压力等级较高的锅炉
•
根据直流锅炉的工作原理，任何压力的锅炉在理论上 都可采用直流锅炉。但实际上没有中、低压锅炉采用直流 型，高压锅炉采用直流型的较少，超高压、亚临界压力等 级的锅炉可较广泛地采用直流型，而超临界压力的锅炉只 能采用直流型。流动阻力的变化却不确定。综合影响结果 是使流量和压差的关系呈现三次方曲线趋势。即出现静态 水动力不稳定现象。
垂直管圈水冷壁与螺旋管圈水冷壁比较
垂直水冷壁
螺旋管水冷壁
（内螺纹管）
（光管）
与光管相比内螺纹管传热特性
膜态沸腾
核态沸腾
偏离核 态沸腾
核态沸腾
质量流速1500 kg/m2s内螺纹管
质量流速1500 kg/m2s光管
安装中的垂直水冷壁（SV）和螺旋管圈水冷壁 可靠性比较
焊口对接 只需单向调整
高可靠性
蒸发段的平均质量含汽率χｐ为：
p
qdLzf 2G
qd ( L Lrs ) （13-4） 2G
热水段长度Lrs为：
Lrs
Gi di ( w) qd 4q
（13-5）
把式(13-5)代入式(13-5)，可得
p
2q L i ( w)d 2
（13-6）
•
一 直流锅炉的特点（4） 在工作压力相同的条件下，水冷壁管的壁厚与管径成正比， 直流锅炉采用小管径水冷壁且不用汽包，可以降低锅炉的 金属耗量。与自然循环锅炉相比，直流锅炉通常可节省约 20%～30%的钢材。 • 4．直流锅炉的给水品质要求高 • 没有汽包，不能进行锅内水处理，给水带来的盐分除 一部分被蒸汽带走外，其余将沉积在受热面上影响传热， 使受热面的壁温有可能超过金属的许用温度，且这些盐分 只有停炉清洗才能除去，因此为了确保受热面的安全，直 流锅炉的给水品质要求高。通常要求凝结水进行100％的 除盐处理。
直流锅炉的水冷壁出口布置有汽水分离器，亚临界 压力直流锅炉或超临界压力直流锅炉在低负荷变压运行 时，汽水分离器的作用类似于自然循环锅炉的锅筒，其 主要作用是使水冷壁和过热器分开，将水冷壁出口的汽 水混合物分离成汽和水，以控制进入过热器的蒸汽的干 度。所以，分析直流锅炉水动力多值性时，通常只考察 热水段和蒸发段。即认为对于水动力多值性起决定作用 的是热水段的阻力和蒸发段的阻力。
分析式（13-14）可知，当流量增加时，热水段高 度增大，蒸发段高度减小；与此同时，蒸发量减少，质 量含汽率下降，使得蒸发段的汽水混合物密度增大；虽 然管段总高度并未改变，但工质平均密度增大，使重位 压头增加。流量越大，重位压头就越大，对水动力特性 的影响就越大。
图13-8中的曲线表示垂直上升管的重位压头对水 动力特性的影响。 由图可见，对垂直上升流动，当重 位压头较大时，如果不计重位压头时的水动力特性是 多值性的，则考虑重位压头后的水动力特性就有可能 变为单值性的。即上升流动时，重位压头具有减弱水 动力不稳定的作用。
（13-8）
（13-9）
L2 q C 2 ( 1) d
（13-10）
式(13-7)为水平蒸发管水动 力特性关系式。即△P=f（G） 的函数关系的具体形式。随着 系数A、B、C的变化，方程的 解发生变化，反映的曲线形状 也相应变化。 曲线可出现三种情况，如 图13-6所示。
△P=△Plz=△Prs +△Pzf 热水段流动阻力△Prs为：
, Pa
（13-1）
Lrs w2 Lrs ( w) 2 Prs d 2 d 2
蒸发段流动阻力△Pzf为：
（13-2）
L Lrs ( w) 2 Pzf [1 p ( 1)] （13-3） d 2
对于垂直下降管的流动，重位压头对水动力特性 的影响为 △P=△Plz－△Pzw ， Pa 13-15）
图13-9的曲线表示了垂直下降管中重位压头对水 动力特性的影响。由图可见，当重位压头较大时，如 果不计重位压头时，水动力特性是单值性的，则考虑 重位压头后的水动力特性就可能变为多值性的。即下 降流动时，重位压头具有增强水动力不稳定的作用。
2 亚临界压力下垂直管的水动力特性
亚临界压力下，在垂直蒸发管中，重位压头对水动 力特性的影响很大。有时，重位压头会成为总压降的主 要部分，从而影响着压差与流量的关系。 在垂直蒸发管中，如果不计加速压降，则管子进出口的 压差应为 △P=△Plz＋△Pzw ， Pa （13-13） △Pzw=Hrsρrs g＋Ｈzfρzfｇ ，Pa （13-14） 式中 Hrs、 Hzf—热水段、蒸发段高度，m； ρrs，ρzf－热水段、蒸发段的工质密度，kg/m3。