直流锅炉的水动力特性
《锅炉原理》课件第8章锅炉水动力特性
锅炉设计因素
水循环方式
不同的水循环方式对水动力特性 有显著影响。例如，强制循环锅 炉需要设计循环泵，而自然循环 锅炉则依靠重力和热力差驱动。
受热面布置
受热面的布置，如蒸发管、过热 器、再热器等的位置和数量，会 影响水动力特性，如流动阻力、
流量分配等。
管径和管长
管径和管长对水动力特性有直接 影响，过小的管径可能导致流动 阻力增大，过长的管子可能增加
锅炉水动力特性的重要性
01
掌握锅炉水动力特性有助于提高锅炉运行效率，降低能 耗和减少环境污染。
02
了解锅炉水动力特性有助于预防和解决锅炉运行中的问 题，保障设备安全和稳定运行。
03
深入理解锅炉水动力特性对于培养专业人才和提高行业 水平具有重要意义。
锅炉水动力特水的密度和比热容
水循环的流动阻力
水循环的安全性
水循环的停滞或中断可能导致受热面 的损坏，影响锅炉的安全运行。
水在锅炉受热面中流动时受到阻力， 需要克服流动阻力以保证水循环的正 常进行。
03 锅炉水动力特性分析
流动特性
流动稳定性
描述水在锅炉内的流动是否能够 保持稳定，避免出现湍流和涡流 。
阻力特性
研究水在流动过程中受到的阻力 ，以及如何通过优化设计减少阻 力。
运行优化
负荷调整
根据实际运行负荷，调整 锅炉的运行工况，使水动 力特性达到最佳状态。
燃烧控制
优化燃烧控制策略，保持 合理的燃烧效率，减少对 水动力特性的影响。
定期维护
定期对锅炉进行维护和清 洗，保持锅炉内部的清洁 ，防止水垢和杂质的堆积 。
水质管理
水质标准
制定合理的水质管理标准，确保锅炉的给水水质 符合要求。
直流锅炉的结构特点及其工作原理
1直流锅炉得结构特点及其工作原理1、0 引言随着电力行业得发展,大机组、大容量、大电网得电力系统已经逐渐取戴了过去得小机组、小电网得电力生产朝流，而直流锅炉作为现代电力生产得主力设备，承载着为社会节约资源、为电力充分发挥作用得重大责任。
因此我们作为一名电厂热工人员就应该全面得去了解直流锅炉得结构特点及其工作原理，为今后得工作打下基础。
1、１直流锅炉得结构特点直流锅炉一般就是按通常称为蒸发受热面得水冷壁得结构与布置方式得不同来分类得，目前国内外直流锅炉主要分为三个类型,如图1—1所示.1) 水平围绕管图型(拉姆辛型)上海锅炉厂生产得22０t／ｈ高压直流锅炉与４０0吨／时超高压直流锅炉都属于水平围绕管圈型直流锅炉。
它得水冷壁就是内许多根平行并联得管子组成得管圈自下往上盘绕而成，为了稳定流动特性与减少各管得热偏差，在所有管子得入口处装有节流孔板。
水平围绕管圈型直流锅炉得水冷壁无下降管及小间联箱，金属消耗量少，疏水排气方便.同时，因管圈四壁围绕,且宽度较狭，能使受热不均匀性减少。
只有在锅炉容量增加较大而管圈变宽时。
才会造成沿高度方向较大得热偏差。
这种形式得直流锅炉，由于各排管子结构不同,难以将水冷壁预先组合.同时，水冷壁管多方向膨胀，因而不能应用简便得敷管式炉墙.采用框架炉墙则金属消耗量增加。
此外,为防止水平管子发生汽水分离，采用了较高得重量流速,加上管子又长，因此整体如阻力较大。
2) 垂直多次上升管屏型（本生型）这种直流锅炉得水冷壁由许多垂直管屏组成,每一管屏都有进出口联箱,各屏间用不受热得下降管联结。
垂直多次上升管屏型直流锅炉，管系简单，管屏能以组件出厂。
水冷壁采用膜式结构，可应用敷管炉墙。
水冷壁垂直向下膨胀，能采用悬吊结构.出于有较多得小间联箱，能起平衡各管因吸热不均而造成得热偏差与平衡产生管间脉动时压力峰得作用，因此这种型式得直流锅炉得水动力特性较其它型式稳定，但可能发生类似自然循环锅炉得停滞利例流现象.应引起足够得注意。
直流锅炉的水动力特性
直流锅炉的水动力特性一. 直流锅炉的优缺点1.直流锅炉的主要优点是：1)原则上它可适用于任何压力，但从水动力稳定性考虑，一般在高压以上（更多是超高压以上）才采用。
2)节省钢材。
它没有汽包、并可采用小直径蒸发管，使钢材消耗量明显下降。
3)锅炉启、停时间短。
它没有厚壁的汽包，在启、停时，需要加热、冷却的时间短，从而缩短了启、停时间。
4)制造、运输、安装方便。
5)受热面布置灵活。
工质在管内强制流动，受热面可从有利于传热及适合炉膛形状而灵活布置。
2.直流锅炉的主要缺点是：1)给水品质要求高。
锅水在蒸发受热面要全部蒸发，没有排污，水中若有杂质要沉积于蒸发管内，或随蒸汽带入过热器与汽轮机。
2)要求有较高的自动调节水平。
直流锅炉运行时，一旦有扰动因素，参数变化比较快，需配备自动化高的控制系统，才能维持稳定的运行参数。
3)自用能量大。
工质在受热面中的流动，全靠给水泵压头，故给水泵的能耗高。
4)启动操作较复杂，且伴有工质与热量的损失。
5)水冷壁工作条件较差。
水冷壁出口工质全部汽化或微过热，沸腾换热恶化不可避免，且没有自补偿特性。
必须采取一定措施予以防止。
二. 超临界参数锅炉的水动力特性超临界参数锅炉的水动力特性不仅影响着水冷壁的传热特性和安全性，而且在很大程度上影响着汽温特性、调峰性能，甚至影响到燃烧调节性能。
超临界参数锅炉的水动力特性主要决定于水冷壁形式、工质的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分布等因素。
其中工质的热物理特性是指：超临界参数下，在拟临界温度左右的一定范围内，工质受到大比热特性的影响，比容、黏度、导热系数发生急剧变化的特性。
超临界压力下工质的热物理特性显著地影响着直流锅炉水动力的稳定性和下辐射区水冷壁出口工质的温度，进一步影响到自动调节性能。
超临界参数变压运行锅炉，当机组从额定负荷到低负荷时，炉膛水冷壁管圈的运行压力范围将从超临界压力降至亚临界压力，水冷壁管圈内工质将有两种工作状态，即单相流动和两相流动。
直流锅炉的发展和特点
直流锅炉的发展和特点第一部分，直流锅炉的发展。
直流锅炉最早出现在本世纪20—30年代，相继在德国、瑞士、前苏联问世，即出现了三种炉型;1.本生型，蒸发受热面型式为多次垂直上升管屏。
2.苏尔寿型，蒸发受热面型式为多行程迂回管屏。
3.拉姆辛型，蒸发受热面型式为水平围绕管屏。
在50年代末60年代初，直流锅炉用得很不普遍，这主要是受到了两个限制：1.给水处理技术落后。
2.自动调节技术落后。
到了60年代，这两个技术有了很大提高，因此直流锅炉才普遍地发展起来。
在这期间，由于下述四个原因，使直流锅炉型式有了很大的变化：1.锅炉像大容量方向发展;2.模式水冷壁的采用;3.滑参数的应用;4.给水处理技术的发展。
现代直流锅炉蒸发受热面型式主要有三种：(1).一次垂直上升管屏;(2).炉膛下部多次上升、炉膛上部一次上升管屏;(3).螺旋围绕上升管屏。
第二部分，直流锅炉的特点。
1.本质特点。
本质特点包括：(1).没有汽包;(2).工质一次通过，强迫流动;(3).受热面无固定界限。
2.蒸发受热面中的工质流动过程特点。
(1)受热不均对流过程影响。
(2).水动力特性呈多值性。
(3).有脉动现象，流量随时间作周期性波动。
直流锅炉消耗水泵压头大。
3.传热过程特点。
直流蒸汽锅炉是一次通过各受热面，第二类传热恶化现象一定要出现。
4.热化学过程特点。
直流锅炉没有汽包，给水带来的盐分除一部分被蒸汽带走外，其余全沉积在受热面上，因此直流锅炉要求给水品质高。
5.调节过程特点。
对于直流蒸汽锅炉，储热能力不大，当扰动发生时，自补偿能力不足，参数速度变化大。
所以当负荷发生变化时，必须同时调节给水量和燃煤量，以保持物质平衡和能量平衡，才能稳住汽压和汽温。
6.启动过程特点。
启动过程中，为减少直流蒸汽锅炉热量损失和工质损失，要装一个旁路系统。
由于直流蒸汽锅炉没有汽包，升温过程可以快一些，即直流锅炉启动速度快。
7.设计、制造安装特点。
适用于任何压力;2.蒸发受热面可任意布置;3.节省金属;4.制造方便。
直流锅炉水动力及其计算资料重点
变化大的受热面） ●重位压差：垂直管。
2. 集箱效应
（1）集箱的静压分布 分配集箱。工质不断分流，动压→静压。
动量方程
[ pdp (p2ddpn)]w2dxpmfc2w(dwwdwV)xdww 2(dwV)x2dw
假定： ①工质分流连续； ②阻力系数λ为常数； ③Vx与w线性关系，Vx＝cfw； ④略去ρ(dw)2； ⑤分流流量均匀，X＝x/L 。
忽略△pzw和△pjs p plz ZG2v
q与Z不变，△p∝G2v，G↑，v↓，则△p随G 的变化具有不确定性，主要取决于流量增加 和比容减小这两者的相对变化。
q1
G
xc
v j,ij
l jr
l zf
vc , ic
水平蒸发管水动力特性
假设：①受热均匀ql不变；②采用均相流模型，两相流体摩擦
阻力修正系数Ψ=1；③加热段的平均比容取饱和水比容v′；④
根据热量平衡得右二式 ，带入前式计算压差
p
l jr dn
G2 2f 2
l
v
l jr dn
G2 2f 2
v[1
xc 2
(v 1)] v
p AG3 BG 2 CG
A (v v)iq2h
4 f 2dn q1r
B l [ iqh (v v) v]
2 f 2dn r
C
(v v)l 2q1
G p / G pj
l
热负荷不均匀系数
r q p / q pj 烟气侧
受热面积不均匀系数 流量不均匀系数
m H p / H pj
l G p / G pj 工质侧
允许热偏差
yx
直流锅炉启动特点
直流锅炉启动特点
启动压力
启动压力一般指启动前在锅炉水冷壁系统中建立的初始压力。
它的选择除与锅炉型式有关，还与下列因素有关：
1)受热面内的水动力特性
直流炉蒸发受热面内的水动力特性与其工作压力有关，随着压力的提高，能改善或避免水动力不稳定性，减轻或消除管间脉动。
2)工质膨胀现象
启动压力越高，汽水比容差越小，工质膨胀量越小，这样启动分离器的容量可以相对选择的小一些。
3)节流阀的磨蚀
对于外置式分离器和全压启动内置式分离器来说，在锅炉启动时，本体压力高于分离器压力，用阀门进行节流。
显然压力越高，阀门的节流越大，对阀门的磨蚀出越大。
4) 给水泵的电耗
启动压力越高，启动过程卟，给水泵的电耗越大。
综上所述，为了水功力稳定、避免脉动、减少膨胀量，希望启动压力高：但从减少节流阀的腐蚀、噪音和给水泵电耗考虑又不能选得太高。
目前超临界和超超临界锅炉水冷壁普遍采用了螺旋管圈或垂直内螺纹管，启动压力对水动力的稳定性影响不大，锅炉基本都选用了零压力启动，启动分离器采用了足够容量的排放阀，可满足汽水膨胀时水的排量。
由于采用内置式分离器和滑参数启动，对排放阀门的腐蚀甚微。
周磊。
直流锅炉及其水动力特性 (1)
6
启动过程特点：直流锅炉和自然循环锅炉相比， 在结构上有蒸发受热面和启动旁路系统与之不同。 在启动时首先启动启动旁路系统，建立启动流量 和启动压力。此外由于直流锅炉没有汽包，升温 过程比较快，所以启动速度快。 7 ．设计．制造安装特点：（1）适用于任何压力。 （2）蒸发受热面可任意布置。（3）节省金属。 （4）制造方便。
3 水动力多值性产生的原因
Lrs增加 从特性曲线可以看出，曲线2有一下降段ab,即当 w 增加时，
Lzf 减小 ， D
响大。
X 减小 ，
X 减小 ，
减小的影响比 w 增加的影
4 影响因素
（1）工质进口欠焓。当
i =0 时，不会出现多值性。因为当没有热水
段时，蒸发段长度不会发生变化，蒸发量不会变化。水动力不稳定 性发生在同时具有蒸发段和热水段的管屏上。 （2）压力
5
6
7 8 9
由于水冷壁中工质比较稳定地处于饱和温度，各 管屏及管子的管壁温度比较平均，因此膜式水冷 壁的鳍片热应力小，工作可靠性增加。 启动流量小，启动系统简化，启动损失小，速度 快。 苏尔寿罐固定了受热面界限，在调节上可以分成 若干区域。 适用于亚临界参数，容量300~600MW的机组。 需要解决长期在高温高压下再循环泵的运行问题。
３．传热过程特点：因直流锅炉的工质质量含汽率X 由0 1，一定会出现第二类传热恶化。 4 ．热化学过程特点：直流锅炉没有汽包，给水带 来的盐分除一部ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ被蒸汽带走外，其余将全沉积在 受热面上，因此直流锅炉要求给水品质高。 5 ．调节过程特点：直流锅炉，当负荷发生变化时， 必须同时调节给水量和燃煤量，以保持物质平衡 Gg D 和能量平衡，才能稳住汽压和汽温。
一、低循环倍率锅炉
直流锅炉的结构特点及其工作原理
1直流锅炉的结构特点及其工作原理1.0 引言随着电力行业的发展,大机组、大容量、大电网的电力系统已经逐渐取戴了过去的小机组、小电网的电力生产朝流，而直流锅炉作为现代电力生产的主力设备，承载着为社会节约资源、为电力充分发挥作用的重大责任。
因此我们作为一名电厂热工人员就应该全面的去了解直流锅炉的结构特点及其工作原理，为今后的工作打下基础。
1.1 直流锅炉的结构特点直流锅炉一般是按通常称为蒸发受热面的水冷壁的结构和布置方式的不同来分类的，目前国内外直流锅炉主要分为三个类型，如图1—1所示。
1) 水平围绕管图型(拉姆辛型)上海锅炉厂生产的220t/h高压直流锅炉和400吨／时超高压直流锅炉都属于水平围绕管圈型直流锅炉。
它的水冷壁是内许多根平行并联的管子组成的管圈自下往上盘绕而成，为了稳定流动特性和减少各管的热偏差，在所有管子的入口处装有节流孔板。
水平围绕管圈型直流锅炉的水冷壁无下降管及小间联箱，金属消耗量少，疏水排气方便。
同时，因管圈四壁围绕，且宽度较狭，能使受热不均匀性减少。
只有在锅炉容量增加较大而管圈变宽时．才会造成沿高度方向较大的热偏差。
这种形式的直流锅炉，由于各排管子结构不同，难以将水冷壁预先组合。
同时，水冷壁管多方向膨胀，因而不能应用简便的敷管式炉墙．采用框架炉墙则金属消耗量增加。
此外，为防止水平管子发生汽水分离，采用了较高的重量流速，加上管子又长，因此整体如阻力较大。
2) 垂直多次上升管屏型(本生型)这种直流锅炉的水冷壁由许多垂直管屏组成，每一管屏都有进出口联箱，各屏间用不受热的下降管联结。
垂直多次上升管屏型直流锅炉，管系简单，管屏能以组件出厂。
水冷壁采用膜式结构，可应用敷管炉墙。
水冷壁垂直向下膨胀，能采用悬吊结构。
出于有较多的小间联箱，能起平衡各管因吸热不均而造成的热偏差和平衡产生管间脉动时压力峰的作用，因此这种型式的直流锅炉的水动力特性较其它型式稳定，但可能发生类似自然循环锅炉的停滞利例流现象．应引起足够的注意。
直流锅炉
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Principles of Boiler
2015-7-16
七台河职业学院
§3 直流锅炉的水动力特性
一、水动力特性
（一）水动力特性的基本概念
强制流动蒸发受热面管屏中，一定热负荷条件下，管内工质流量G （或 ）与管屏进出口压差 p 之间的关系，称为水动力特
性曲线。如图8-9所示。
一个 p 对应一个 q ——水动力特性稳定， 如曲线1；
p plz ZG2
G ——管内工质质量流量，kg/s；
——管内工质平均比体积， m3/s 。
（8—2）
Z ——结构特性系数，与管子内径、长度、管子内壁粗糙度等有关；
由式8-2可知，流动阻力
p
不仅与工质的流量有关，还与流体的比体积有关。
当热负荷一定时，随着流量增加，蒸汽量减少，汽水混合物比容下降，故
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§4 直流锅炉启动系统
二、直流锅炉启动系统的分类
⒈内置式分离器启动系统 内置式分离器启动系统的特点：
①从根本上消除了分离器解列或投运操作所带来的汽温波动问题，因 为该系统的启动分离器与蒸发段、过热器之间没有任何阀门。 ②在锅炉启停及低负荷运行期间，启动分离器处于湿态运行，分离器 如同汽包一样，起汽水分离作用，避免了过热器带水运行。 ③系统简单，操作方便，对自动控制要求较低，同时有利于设备维修。 ④由于分离器强度要求很高，同时对启动分离器的热应力控制较严， 将影响升负荷率，但其疏水系统相对比较复杂。
§3 直流锅炉的水动力特性
二、强制流动蒸发受热面中的脉动
㈠脉动现象
脉动现象是指在强制流动的蒸发管中，蒸发管的工质流量随时间发生周期性 变化的现象，它是一种动态水动力特性不稳定。 由于流量脉动，引起管子出口处蒸汽温度或热力状态的周期性波动，使同 受热面交界处的管壁交变地与不同状态的工质接触，致使该处的金属温度周 期性变化，导致金属的疲劳损伤，其变化规律，如图8-15所示。
锅炉考试重点
第一、二章1、锅炉、汽轮机、发电机是火电厂三大主机2、按燃烧方式分锅炉分为层燃炉、室燃炉、旋风炉、流化床路。
3、高位发热量是指1kg煤完全燃烧所放出的热量，其中包括燃烧产物中的水蒸气凝结成水所放出的气化潜热，单位kj/kg.低位发热量不包括燃烧产物中的水蒸气凝结成水所放出的气化潜热。
4、灰熔点及其影响因素：1，灰的成分及各成分含量比例。
2，灰所处环境介质的性质对灰的融化温度影响。
3，灰分含量不同。
5、灰的熔融特性：在高温中逐渐融化。
灰的变形温度DT，软化温度ST，流动温度FT.6、煤的可磨性指数Kkm，值越大越容易制粉。
7、煤的磨损指数，煤对磨煤机的磨损程度，Ke表示。
8、挥发分Vdaf大于等于10%为无烟煤，10—20%贫煤，20—40%烟煤，40%以上为褐煤。
9、各类煤的燃烧特性：1，无烟煤，黑色光泽，机械强度高，便于运输贮存，含碳量高，挥发分少，不已燃尽。
2，贫煤的干燥无灰基挥发分含量低，含碳量高，不易着火，不易结焦。
3，烟煤，易殿然，燃烧快，火焰长，含氢较高，发热高，弱胶结性。
4，褐煤，挥发分较高，着火燃烧较容易，易自燃，不易运输贮存。
10、理论空气量：1kg收到基燃料完全燃烧而又没有剩余氧存在时所需要的空气量，称为理论空气量。
11、空气理论焓的计算：1kg燃料燃烧所需要的理论空气量在定压下从0度加热到Tk度所需的热量。
第三、四章1、Qr包括燃料收到基低位发热量、燃料的物理显热、外来热源加热空气时带入的热量和雾化燃油所用蒸汽带入的热量。
2、最佳磨煤通风量，钢球装在一定是，制粉单位电耗最小值所对应的磨煤机通风量。
3、钢球磨煤机，适合硬度大、磨损性强的煤及无烟煤。
贫煤、高灰分、劣质煤。
能在运行中补充钢球，延长检修寿命。
缺点：设备大，金属耗量大，初投资耗电多，制粉不均匀，低负荷不经济。
4、中速磨煤机适合烟煤，贫煤，适合变负荷运行。
5、高速磨煤机，烟煤，褐煤，可省去排粉机。
6、一次风，携带煤粉进入炉膛的空气。
直流锅炉的运行特性04
一、静态特性（一）汽温静态特性稳定工况下，以给水为基准的过热蒸汽总焓升可按下式计算式中——锅炉输入热量，kJ/kg;——锅炉效率；、——给水焓、过热器出口焓，kJ/kg;——再热器相对吸量，；——再热器吸热量，kJ/kg。
1. 煤水比B/G保持式中、、和不变，则当锅炉给水量从变化到，对应的燃料量变化到时，过热器出口焓值的变化量可写为式中、——工况变动前、后的过热器出口焓，kJ/kg;、——工况变动前、后的煤水比，对于亚临界锅炉，。
若保持给水流量不变，燃料量增加10%（），则过热蒸汽出口焓将增加216kJ/kg，相应的温升约为；如果热负荷不变，而工质流量减少10%（），则过热蒸汽焓增为247kJ/kg，相应的温升约。
2．给水温度当给水温度降低时，若保持煤水比不变，则由上式可知，过热器出口焓（汽温）将随之降低。
只有调大煤水比，使之与增大了的过热蒸汽总焓升相对应，才能保持汽温稳定。
3．过量空气系数炉内过量空气系数主要是通过再热器相对吸热量的变化而影响过热汽温的。
当炉内送风量增大时，对流式再热器的吸热量因烟气流量的增大而增加，而辐射式再热器的吸热量则基本不变，因此再热器总吸热量及相对吸热量增大，在煤水比未变动的情况下，根据上式过热器出口汽温将降低。
运行中也需要改变设定的煤水比。
4．锅炉效率当锅炉效率降低时，过热汽温将下降。
运行中炉膛结焦、过热器结焦、风量偏大，都会使排烟损失增大，效率降低；燃烧不完全也是锅炉效率下降的一个因素。
上述情况出现时均会使煤水比发生变化。
5.变压运行变压运行时的主蒸汽压力是锅炉负荷函数。
当负荷降低时主蒸汽压力下降，与之相应的工质理论热量（从给水加热至额定出口汽温所必须吸收的热量）增大，如煤水比不变，则汽温将下降。
如保持汽温，则煤水比按比例增加。
再热汽温稳定工况下，再热器出口焓值(kJ/kg)按下式计算式中——再热器进口焓值，kJ/kg；d ——再热汽流量份额。
保持式中、、和不变，则当锅炉给水量从变化到，对应的燃料量变化到时，再热器出口焓值的变化量可写为在任何负荷下，当燃料量与给水量成比例变化是时（m1=m0）即可保证再热汽温为额定值。
《锅炉原理》4
锅炉原理第十三章强制流动锅炉及其水动力特性§13-1直流锅炉一．直流锅炉的工作原理和特点1．直流锅炉的工作原理：在给水泵的压头作用下，工质顺序一次通过加热、蒸发、过热受热面。
进口工质为水，出口工质为过热蒸汽。
在蒸发、过热受热面之间没有固定的分界线。
2．强制流动锅炉和自然循环锅炉结构上的不同主要是水冷壁的形式不同。
3．直流锅炉的优点：（1） 不用汽包，制造方便，降低制造成本，减少钢材消耗量。
（2） 没有汽包等厚壁元件，热应力小，惯性小，负荷变化速度快。
（3） 强制流动，安全有保障，受热面布置自由。
（4） 适合亚临界参数，也适合超临界参数。
4．需要解决的问题：（1） 对锅炉给水品质要求高。
因为不能排污，给水的全部盐分都进入蒸汽，70年代以后化学工业发展，化学处理水的树脂成本降低。
（2） 对自动控制系统要求高（工况参数变化太快，不好控制）。
（3） 要求有启动旁路系统。
启动的时候总要求有流动的水冷却水冷壁，否则水冷壁不安全。
在水冷壁的出口还是汽水混合物的时候，必须在启动旁路内进行汽水分离，把蒸汽送往过热器，水回到除氧器。
5．强制流动锅炉的分类强制流动锅炉⎪⎩⎪⎨⎧锅炉锅炉、部分负荷再循环强制流动锅炉：低倍率环锅炉强制循环锅炉：控制循直流锅炉 6．强制流动锅炉水冷壁的型式：水平围绕管圈式（拉母津式）、垂直管屏式（本生式）和回带式三种，见图13-2。
§13-4强制流动锅炉蒸发受热面的水动力特性一．系统的流动阻力1． 在强制流动的受热面中有：流动阻力、重位压头损失、加速压力损失。
2． 在水平围绕管圈中流动阻力大，重位压头损失小；在垂直管屏中，流动阻力和重位压头损失不相上下。
3． 用总压力损失与质量流量的函数表示强制流动锅炉受热面的水动力特性。
二．平置蒸发管中流动的不稳定性1．水平围绕管圈是平置蒸发管。
在强制流动锅炉运行的时候，平置蒸发管的入口水总是有欠焓的。
因而平置蒸发管中有热水段和蒸发段。
锅炉原理第10章强制流动锅炉及水动力特性
热能与动力工程
强制循环锅炉、直流锅炉出现的原因 1 P升高，汽水密度差下降，自然循环推动力下降，
所以需要采用强制流动； 2 由于压力提高，汽包体积大，壁厚，存在厚钢板
供应困难，和制造工艺困难。 3 给水处理技术落后，锅内腐蚀严重。
热能与动力工程
直流锅炉也是大容量锅炉发展方向之一。 特别是采用超临界参数的锅炉，直流锅炉是唯 一能采用的锅炉型式。
推荐值：1.5~2.5圈
热能与动力工程
采用螺旋管圈水冷壁的优点
• 能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行； • 管间吸热偏差小； • 抗燃烧干扰能力强； • 可以不设水冷壁进口的分配节流环； • 适应于锅炉变压运行的要求。
热能与动力工程
第二节 控制循环锅炉
• 工质在蒸发管中做多次强制循环流动，仍然用于亚临界压 力范围内，故又称为多次强制循环锅炉。
数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。
水平管圈 特性方程
热能与动力工程
管内工质流动阻力ΔP = ΔP lz = ΔP rs + ΔPzf
推 导 可 得
P A 3 B 2 C
A
i 8q
1
1＋
i
2r
1
热能与动力工程
第一节 直流锅炉
一、直流锅炉工作原理及过程 工质依靠给水泵的压头一次通过预热、蒸发、
过热各受热面而加热成为过热蒸汽。 给水流量 G ＝ 蒸发量 D
给水泵 省煤器
水冷壁
过热器
热能与动力工程
热能与动力工程
热能与动力工程
二、直流锅炉的特点 1. 本质特点
自然循环锅炉和直流循环锅炉的特点分析
自然循环锅炉和直流循环锅炉的特点分析一、自然循环锅炉的特点自然循环研究的对象是自然循环锅炉蒸发系统里工质的行为.自然循环锅炉的蒸发系统由汽包、下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成。
这个蒸发系统是闭合的，工质在闭合的蒸发系统内流动称为循环。
自然循环的研究内容是：上升管受热、循环回路里工质吸热和流动的特性。
就学科来讲，自然循环属于水动力学和沸腾传热范畴,通常称为自然循环水动力学。
自然循环的工作原理是：工质依靠上升管受热所产生的密度差沿着闭合的路线运动。
需要指出:蒸汽走的路线不是闭合的路线,在回路里，只有水在那里循环流动，所以又称为水循环.二、直流循环锅炉的特点（1) 因没有汽包，所以不能把受热面固定下来，在工况变化时，受热面长度发生变化。
也因为没有汽包，直流循环锅炉升温快,即是启动速度快.（2) 适用于亚临界和超临界以及超超临界压力锅炉。
(3）工质一次通过受热面，蒸发量D等于给水量G。
借用循环倍率的概念,直流锅炉循环倍率K=G/D=1.正因为工质一次通过受热面，所以第二类传热恶化现象一定会发生。
(4) 水冷壁的流动阻力全部要靠给水泵来克服,这部分阻力约占全部阻力的25％～30%。
所需的给水泵压头高，既提高了制造成本,又增加了运行耗电量。
（5) 直流锅炉启动时约有30％额定流量的工质经过水冷壁并被加热,为了回收启动过程的工质和热量并保证低负荷运行时水冷壁管内有足够的重量流速,直流锅炉需要设置专门的启动系统，而且需要设置过热器的高压旁路系统和再热器的低压旁路系统。
加上直流锅炉的参数比较高，需要的金属材料档次相应要提高,其总成本不低于自然循环锅炉。
（6) 直流循环锅炉没有自动补偿能力，即受热强的管子，流动速度小.(7）为了达到较高的重量流速，必须采用小管径水冷壁。
这样,不但提高了传热能力而且节省了金属，减轻了炉墙重量，同时减小了锅炉的热惯性。
(8）直流循环锅炉在设计、制造、安装过程中适用于任何压力，制造方便，而且节约金属.(9)低负荷运行时,给水流量和压力降低，受热面入口的工质欠焓增大，容易发生水动力不稳定.由于给水流量降低,水冷壁流量分配不均匀性增大；压力降低，汽水比容变化增大；工质欠焓增大，会使蒸发段和省煤段的阻力比值发生变化。
直流锅炉的运行特性
式中 Δ pzw——重位压差，Pa； Δ Plz——流动阻力，Pa。
对于一次上升垂直管屏，额定负荷下重位压差 上Δpzw与流动阻力上ΔPlz相差不多。在低负荷下， 总压差中以重位压差上Δpzw为主，水冷壁系统在低 负荷下是自然循环特性。高负荷时，总压差中以流 阻上ΔPlz为主，水冷壁系统是强迫流动特性。
μ=B’/B, g=G’/G
2．给水温度
当给水温度降低时，若保持煤水比不变， 则由上式可知，过热器出口焓（汽温）将随 之降低。只有调大煤水比，使之与增大了的 过热蒸汽总焓升相对应，才能保持汽温稳定。
3．过量空气系数
炉内过量空气系数主要是通过再热器相 对吸热量的变化而影响过热汽温的。当炉内 送风量增大时，对流式再热器的吸热量因烟 气流量的增大而增加，而辐射式再热器的吸 热量则基本不变，因此再热器总吸热量及相 对吸热量增大，在煤水比未变动的情况下， 根据上式过热器出口汽温将降低。运行中也 需要改变设定的煤水比。
工质流量增加时，重位压头也随之增大，这是由于含汽率减 小的缘故。因此，高负荷时的水动力稳定性都是较好的。
再热汽温
稳定工况下，再热器出口焓值 h "zr (kJ/kg)按 下式计算 BQr rzr ' h "zr h zr dG
h' zr
式中
——再热器进口焓值，kJ/kg； d ——再热汽流量份额。
Qr 和 rzr 不变，则当锅炉给水量 保持式中h zr、 、 G0 从变化到 G1 ，对应的燃料量变化到 B1 时，再热器 出口焓值的变化量可写为
（二）汽压静态特性
1．燃料量扰动 燃料量增加ΔB，汽轮机调速汽门开度不变： (1)给水流量随燃料量增加，保持煤水比不变（mo ＝ ml），由于锅炉产汽量增大，汽压上升。 (2) 给水流量保持不变，煤水比增大（ m1＞m。）， 为维持汽温必须增加减温水量，同样由于蒸汽流 量增大，汽压上升。 (3) 给水流量和减温水量都不变，则汽温升高，蒸汽 容积增大，汽压也有所上升。这是由于在汽轮机 调门开度不变的情况下，蒸汽流速增大使流动阻 力增大所致。但如果汽温的升高在允许的较小值， 则汽压无明显变化。
超临界锅炉水动力
消除脉动措施
增大管内工质质量流量 ρw 增大热水段阻力 －加节流圈；采用逐步扩大的管径（省煤 器采用较小管径） 减少蒸发段阻力 －增加呼吸联箱，呼吸联箱处使压力均衡 合适的压力和热负荷
§4 蒸发受热面中热偏差
一、热偏差 定义
并列管组中各管，因为各管子的结构尺寸、内部阻力系
数和热负荷可能各不相同，因此每根管子中蒸汽的焓增 也就不同，这种现象叫做热偏差。
临界压力Pc ＝ 22.129 MPa 临界温度t c ＝ 374.15℃
加热过程 ： 未饱和水
饱和蒸汽
过热蒸汽
主要工质物性参数 变化规律
超临界压力下定压比热Cp具有最大值时的温度为拟临界温
度或类临界温度。
在临界温度和类临界温度附近，工质的各主要参数发生比
较大的变化。见图 比热（比热容）：单位质量的某种物质，温度升高或降低 1℃所吸收或放出的热量,叫做这种物质的比热
一、脉动种类
整体脉动
屏间（屏带或管屏）脉动
管间脉动
特点：
管屏两端压差相同的情况下，管屏间管子中的有些流量
在增加，另外一些管子的流量减少
同一根管子，给水量随时间作周期性波动，蒸发量也随
时间作周期性波动，它们的波动相位差为180°
脉动是不衰减的 对于垂直上升管屏，也有管间脉动现象发生 。且对脉动
四、消除及减轻措施
减小受热不均匀 减小结构不均匀
减小受热不均对热偏差的影响（螺旋管圈）
加节流圈
增大管内工质质量流量 ρw
§5 蒸发受热面中传热恶化现象
管内工质沿着长度方向吸热并且含汽率的增加，工质的流
动结构也相应发生变化。由于流动结构不同，传热特性不
同，以及管内工质温度的变化，则管壁温度也随之变化 。
直流锅炉运行特点
直流锅炉运行特点直流锅炉的水工况和汽包锅炉存在原理上的不同，因此其启动、停止、正常运行控制、调整和汽包锅炉在和汽水系统相关的操作上有很大的不同。
其他烟风、燃烧、辅助系统则基本上是相同的。
直流锅炉是通过以给水泵为动力使炉水强制流动来达到受热面的冷却和蒸汽的产生。
在锅炉正常运行中蒸汽流量始终等于给水和减温水流量的和。
在直流锅炉的启动过程中为确保水冷壁的冷却，直流锅炉都设置有相应的启动分离系统，为保证锅炉启动的安全性和经济性，直流锅炉根据水冷壁的结构特点都限制有最小的点火给水流量，用来保证锅炉水动力工况的稳定和水冷壁的冷却。
沁北电厂的锅炉下部水冷壁采用螺旋水冷壁和内螺纹管，相对提高了水冷壁管内的工质质量流速，增强了工质在水冷壁管内的扰动，其锅炉的启动给水流量相对较小，为最大蒸发量的21%。
直流锅炉启动的初级阶段炉水通过水冷壁、启动分离器后汽水分离，蒸汽通过过热器后通过旁路系统排往凝汽器，水根据水质指标进行排放或回收。
当炉膛的热负荷和启动给水流量相适应后给水通过水冷壁全部蒸发，分离器排水阀关闭，锅炉转入直流工况。
锅炉进入直流工况后通过严格匹配给水流量和燃料量来控制主蒸汽温度。
启动分离器蒸汽温度是煤量和给水量是否匹配的超前控制信号，主蒸汽一、二级减温水是主汽温度调节的辅助手段，一级减温水用于保证屏式过热器不超温，二级减温水用于对主蒸汽温度的精确调整。
直流锅炉由于没有排污系统，为防止受热面结垢锅炉的给水必须品质要求非常高的除盐水。
在锅炉的上水和启动阶段要通过冷态冲洗和热态冲洗来清除管道和受热面内存在的盐类和杂质。
在机组的正常运行中必须要有严格的化学监督并通过在凝结水系统的单元除盐系统清除受热面腐蚀或外界带入汽水系统的盐类。
沁北电厂给水指标：总硬度～0μmol/l；化水处理后溶解氧30～200μg/l；铁≤10μg/l；铜≤5μg/l；二氧化硅≤15μg/l；油～0mg/l；PH值8.0～9.0；电导率25℃≤0.2μS；钠≤5μg/l。
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直流锅炉蒸发受热面出现不稳定流动的根本原因 是汽和水的比容差以及水冷壁进口有热水段存在， 在一定条件下实际运行的直流锅炉蒸发受热面就 会发生这种流动不稳定的工况。 具体表现：
对于一根管子，流量时大时小； 对于一根管子，流量时大时小； 对于并联运行的一组管子，有的管子流量大， 对于并联运行的一组管子，有的管子流量大，有的管 子流量小。 子流量小。
NCEPU 四、蒸发管内的汽液两相流型与传热
）、汽液两相流的流型 （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。 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， 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， 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， 逐渐增大。汽泡直径接近于管子内径时， 形成弹状流。 形成弹状流。 3、环状流 由于汽泡的内压力增大， 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， 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； 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。 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， 管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸汽中 仍然夹带着小液滴，形成雾状流。 仍然夹带着小液滴，形成雾状流。
NCEPU 五、超临界压力下的传热特性
超临界压力下水在一定温度条件下达到最大值， 超临界压力下水在一定温度条件下达到最大值，此最大比 热值比一般水和水蒸汽的比热（<4.2kJ/(kg℃））大很多。 ））大很多 热值比一般水和水蒸汽的比热（<4.2kJ/(kg℃））大很多。 如24MPa时，最大比热为115kJ/(kg℃)。 24MPa时 最大比热为115kJ/(kg℃)。 115kJ/(kg℃) 称比热＞8.4kJ/(kg℃）的区域为大比热区。 称比热＞8.4kJ/(kg℃）的区域为大比热区。 一般认为此最大比热点可以当作在超临界压力下区分水和 蒸汽的分界点。 蒸汽的分界点。 由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著的变化， 由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著的变化，因 此在一定条件下，仍然可能会发生传热恶化。 此在一定条件下，仍然可能会发生传热恶化。由于这种传 热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾， 热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾，因而就称之 类膜态沸腾。 类膜态沸腾。 在拟临界温度附近，物性参数变化很大。 在拟临界温度附近，物性参数变化很大。当管壁温度大于 拟临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度时， 拟临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度时，则水在 壁面处开始沿半径方向物性有很大变化。 壁面处开始沿半径方向物性有很大变化。
NCEPU
管子壁面处的工质黏度比中心处的小很多， 管子壁面处的工质黏度比中心处的小很多，引起 流体流动层流化；边界层中的流体密度降低， 流体流动层流化；边界层中的流体密度降低，产 生浮力，促使紊流传热层流化； 生浮力，促使紊流传热层流化；边界层中流体的 导热系数降低， 导热系数降低，避免处流体的流速远小于管中心 的流速，在热负荷较大处导致传热恶化。 的流速，在热负荷较大处导致传热恶化。 壁温飞升值， 壁温飞升值，决定于热负荷和管内质量流速的大 小。 防止传热恶化、降低管壁温度的措施， 防止传热恶化、降低管壁温度的措施，主要有采 用内螺纹管和提高工质质量流速等。 用内螺纹管和提高工质质量流速等。
NCEPU
水平管忽略重位压差和加速压降，压差表示为：
1 G ) 2 ∆plz = ∆pmc + ∆p jb = ( ∑ ξ qs + d 2 A ρ qs 1 = ( ∑ ξ qs + ) 2 G 2υ qs d 2A
当流量增加时， 增加， 当流量增加时，热水断长度 Lrs 增加，蒸发段长度 Lzf 减小， 减小，质量含汽率x减小， 减小，出口蒸汽量D 减小，质量含汽率x减小，υ qs 减 平均密度增大； 小,平均密度增大；x减小的影响比流量增加的影响大 出现随流量增加压差下降的过程。 时，出现随流量增加压差下降的过程。
NCEPU
（二）蒸发管内的传热 液体对流传热 过冷沸腾 饱和核态沸腾 强制水膜对流传热 欠液区 蒸汽对流传热
NCEPU
（三）两类传热恶化 （1）由于受热增强，汽泡产 由于受热增强， 生的速度超过汽泡脱离的 速度， 速度，在金属管壁与水之 间形成一层汽泡， 间形成一层汽泡，把水和 管壁隔开， 管壁隔开，即由核态沸腾 变成膜态沸腾 膜态沸腾， 变成膜态沸腾，管壁温度 突然升高的现象叫第 突然升高的现象叫第Ⅰ类 传热恶化。 传热恶化。关键参数为热 负荷。 负荷。 （2）管壁上的水膜被蒸干， 管壁上的水膜被蒸干， 蒸干 管壁温度突然升高的现象 类传热恶化。 叫第Ⅱ类传热恶化。关键 参数为含汽率。 参数为含汽率。
λ ∆ iϕ 8qρ ′
其中
ρ w → 工质在受热管中的质量流速 ϕ → 双相流摩擦阻力校正系数 q→ 受热面平均热负荷 ∆i → 进口处工质欠焓
NCEPU
对特性方程式求导得
d∆p = 3 A( ρw) 2 + 2 B ( ρw) + C = 0 d ( ρw)
单值条件
B 2 − 3 AC ≤ 0
强制流动水冷壁水动力多值性出现得根本原因是 强制流动水冷壁水动力多值性出现得根本原因是：由 根本原因 于热水段和蒸发段共存， 于热水段和蒸发段共存，且由于蒸发段中由于扰动使 工质比容变化较大引起的。 工质比容变化较大引起的。
NCEPU
压力越高，其水动力特 性∆P=f (G)越趋于稳定。
NCEPU
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超临界压力水蒸气的焓
临界压力和超临界压力 在相变点附近， 在相变点附近，同样当 温度稍有变化时， 温度稍有变化时，焓值 变化很大， 变化很大，但是超过一 定压力以后， 定压力以后，焓值变化 减缓。 减缓。
NCEPU 二、亚临界和超临界压力下的流动稳定性 水动力特性： 水动力特性：是指一定热负 荷下， 荷下，强制流动受热面管屏 中工质流量G与流动压降 与流动压降∆p 中工质流量 与流动压降 之间的关系， 之间的关系，也可用函数形 式表示: 式表示 ∆p= f (G) 直流锅炉水动力不稳定的表 现为： 现为：流量与压差的关系不 是单值性的，而是多值性的， 是单值性的，而是多值性的， 即对应一个压差， 即对应一个压差，出现一个 或两个以上的流量。 或两个以上的流量。
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
直流锅炉的水动力特性
NCEPU 一、超临界参数的基本特性
超临界压力水蒸气的比容
比容v与温度t的关系
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超临界压力水蒸气的比热
在超临界压力下， 在超临界压力下，水冷壁内工质 存在大比热特性。 存在大比热特性。在相变点附近 温度稍有变化时，比热变化很大， 温度稍Байду номын сангаас变化时，比热变化很大， 且都有一个最大比热区， 且都有一个最大比热区，随着压 力的提高在最大比热区比热的变 化稍有减缓。 化稍有减缓。 对应定压比热最大位置处的工质 温度称为拟临界温度 拟临界温度。 温度称为拟临界温度。 拟临界温度左侧为水，右侧为汽。 拟临界温度左侧为水，右侧为汽。
NCEPU
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管间脉动
并联工作的管子之间， 并联工作的管子之间，某些管 子的进口水流量时大时小。 子的进口水流量时大时小。 对于一根管子， 对于一根管子，进口的水量最 大时，出口蒸汽量最小； 大时，出口蒸汽量最小； 一部分管子的水流量增大时， 一部分管子的水流量增大时， 另一部分水流量却在减小； 另一部分水流量却在减小；与 此同时， 此同时，出口蒸汽量也在进行 周期性变化。 周期性变化。 整个管组的进水量和蒸汽量变 化不大。 化不大。
3.降低蒸发点热负荷和热偏差 3.降低蒸发点热负荷和热偏差 将蒸发点移到热负荷低的区域，蒸发点热负荷低， 将蒸发点移到热负荷低的区域，蒸发点热负荷低，局部压力大幅度 变化可以避免；减小热偏差， 变化可以避免；减小热偏差，防止个别管子流量降低导致的比容剧烈 变化引起的压力变化。 变化引起的压力变化。 4.防止脉动性燃烧 4.防止脉动性燃烧 蓄热少，热惯性小，热水段长度、蒸发段长度不断变化， 蓄热少，热惯性小，热水段长度、蒸发段长度不断变化，引起流动 阻力变化、重位压头变化，导致脉动发生。 阻力变化、重位压头变化，导致脉动发生。 5.加装节流圈 5.加装节流圈
NCEPU
防止脉动的措施 1.增大质量流速 1.增大质量流速 气泡不易变大，管内不会形成较高的局部压力， 气泡不易变大，管内不会形成较高的局部压力，保持稳定的进口水 量。 2.提高进口压力。 2.提高进口压力。 提高进口压力
p高，汽水密度差小，局部压力升高的现象不易发生。 汽水密度差小，局部压力升高的现象不易发生。
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， 定义 在管屏两端压差相同，当给水量和流出量 在管屏两端压差相同 基本不变的情况下， 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。 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) 屏间(屏带或管屏间)脉动 整体脉动(全炉脉动) 整体脉动(全炉脉动)
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脉动的危害 脉动→工质压力、温度的周期性变化，引起： 脉动→工质压力、温度的周期性变化，引起： 管壁温度周期性变化，引起管子疲劳破坏； 管壁温度周期性变化，引起管子疲劳破坏； 过热段长度周期性变化→ 过热段长度周期性变化→出口气温周期性变化 气温难于控制，引起管壁超温； →气温难于控制，引起管壁超温； 脉动严重时，引起管屏的机械振动， 脉动严重时，引起管屏的机械振动，造成管屏 机械应力破坏。 机械应力破坏。