自然循环锅炉水动力
自然循环热水锅炉水动力计算
自然循环热水锅炉水动力计算例题A1 锅炉规范额定供热量Q sup：7.0MW额定工作压力P： 1.0MPa回水温度t bac.w：70℃供水温度t hot.w：115℃锅炉为双锅筒、横置式链条炉，回水进入锅筒后分别进入前墙、后墙、两侧墙和对流管束回路中，两侧水冷壁对称布置，前墙和后墙水冷壁在3.2m标高下覆盖有耐火涂料层，如图A -1所示。
图A-1 锅炉简图A2 锅炉结构特性计算A2.1 前墙回路上升管划分为三个区段，第Ⅰ区段为覆盖有耐火涂料层的水冷壁管，第Ⅱ区段为未覆盖有耐火涂料层的水冷壁管，第Ⅲ区段为炉顶水冷壁(图A-2)A2.2 后墙回路上升管划分为二个区段，第Ⅰ区段为覆盖有耐火涂料层的水冷壁管，剩下的受热面作为第Ⅱ区段(图A-3)。
A2.3 侧墙水冷壁回路上升管不分段(图A-4)A2.4 对流管束回路不分段，循环高度取为对流管束回路的平均循环高度，并设对流管束高温区为上升区域(共7排)，低温区为下降区(共6排)。
对流管束共有347根，相应的上升管区域根数为191根，下降管区域根数为156根(图A-5)。
对流管束总的流通截面积A o 为：A o =347×0.785×0.0442 = 0.5274 m 2下降管区域流通截面积A dc 为 ：A dc =156×0.785×0.0442 = 0.2371 m 2下降管区域流通截面积与对流管束总的流通截面积比A dc / A o 为：4500=5274023710=...o dc A A 其值在推荐值(0.44—0.48)的范围内。
图A-2 前墙水冷壁回路 图A-3 后墙水冷壁回路图A4 侧墙水冷壁图A5对流管束回路A2.5 结构特性数据如表A-1所示表A-1 结构特性数据A3 各循环回路局部阻力系数计算各循环回路局部阻力系数计算结果如表A-2所示。
表A-2 各循环回路局部阻力系数计算A4 各受热面吸热量分配由热力计算得，炉膛水冷壁平均热流密度q av 为107.67kW/m 2，炉膛出口温度为θout.f = 893.6℃，对流管束烟气出口温度θout.conv = 220℃， 对流管束总的受热面积为A o =250.9m 2， (其中上升管区域受热面积为A rs =138.1m 2)， 对流管束总吸热量为3109.46kW(其中吸收来自炉膛的辐射吸热量为Q fr =320.5kW)。
第5节 锅炉水动力特性
hrs
iqh
ixj
idq Q1
' g h hyr
pxj
'g
' g i' 106
i ' p
10 6
qmo h1
p
三. 自然循环锅炉水循化的计算
起沸点A的位置在第二加热段h2,该段的吸热量Q2，则加热水段高度hrs 为：
（二）循环回路中的阻力计算
自然循环锅炉的水循环回路阻力由下降管阻力和上升管阻力构成，有摩擦阻 力和局部阻力。管内工质如单相流体、汽液两相流体，其各种阻力应分别计 算。
hrs
h1
igh
ixj
idq
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hyr
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Q2 'g i' 106
i' p
106
Q1 qm0
qm0h2
p
进口水的欠焓：
iqh
i'
is"m 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：
K qm0 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 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
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：
锅炉自然循环的原理
锅炉自然循环的原理锅炉自然循环是指在锅炉热交换管内，由于自然对流的存在，热水和冷水在密度差的驱使下，自然形成上升和下降的循环流动。
锅炉自然循环的原理可以从密度差、温度差和浮力平衡三个方面来解释。
首先，密度差是导致自然循环的根本原因。
根据物理学原理，热水的密度要小于冷水的密度。
当锅炉内的炉膛燃烧燃料，使炉膛和水管受热后，热水的密度降低，容易上升；而冷水的密度增加，容易下降。
这种密度差是自然循环产生的动力。
其次，温度差也是自然循环的重要条件。
由于锅炉内部热交换管燃烧侧的温度较高，而供水侧的温度较低，两者之间存在温差。
这种温差会造成热水上升、冷水下降的趋势，推动了循环的发生。
最后，浮力平衡也是锅炉自然循环的一个重要因素。
当热水受热后，密度减小，上升；冷水受冷后密度增加，下降。
在这个过程中，上升的热水受到管壁和相邻冷水的浮力作用，形成上升运动；而下降的冷水受到上升热水的浮力作用，形成下降运动。
这种浮力的平衡是自然循环持续进行的基础。
综上所述，锅炉自然循环的原理是由于热水和冷水在密度差、温度差和浮力平衡的作用下，形成上升和下降的循环流动。
在具体的锅炉系统中，通常存在锅炉炉膛、水管、烟管等热交换区域。
当炉膛内燃料燃烧产生高温烟气，通过烟管传热到水管内的水，使水受热，形成上升运动，然后经过循环管的下降段走向锅炉底部，与冷的进水混合后形成循环流动。
烟气在经过烟管后，损失了部分热量，降温后排放至大气中。
锅炉自然循环有以下几个特点：第一，自然循环无需辅助设备，不需要泵等能源设备就能实现水的流动。
因此，自然循环具有节能、经济的特点。
第二，自然循环具有简单可靠的特点。
相比较于强制循环，自然循环的工作原理更为简单，运行过程中无需额外的控制和调节。
只有确保锅炉内部的热量传递平衡，自然循环就可以稳定运行。
第三，自然循环一般适用于锅炉功率小、工作压力不高、蒸汽量较小或工作条件相对稳定的情况。
对于工作压力较高的大型锅炉，通常需要配备强制循环设备以增加循环动力。
中低压自然循环锅炉水动力计算中的多解问题
第18卷 第5期 ・36・1998年10月动 力 工 程POW ER EN G I N EER I N G V o l .18N o.5 O ct .1998 中低压自然循环锅炉水动力计算中的多解问题朱建宁 王妍 周玉铭 张晓鹏 朱文华(西安 西安交通大学)摘 要 通过分析证实:采用现行的水动力分析方法分析中低压自然循环锅炉的水动力特性时会遇到数学上解不唯一问题,对如何确定实际运行状态下的水动力特性提出了对策。
图2参5主题词: 中低压 自然循环锅炉 水动力计算 研究 19950425来稿,19960118收到修改稿。
1 问题的提出水动力计算是锅炉设计中确定并检验锅炉水循环特性的主要手段。
长期以来,由于计算手段的限制不少产品的设计并不进行此项计算,而只是参照已有的锅炉布置形式完成设计。
因此可以说有相当多的水循环回路的设计是凭经验完成的。
当然,这样的设计也就必然带有一定的盲目性,尤其对一些新的回路布置形式,这样做的结果则带有一定程度的冒险性。
近10年来随着计算机的普及与计算技术的发展,不少学者为解决这一问题先后尝试了利用计算机计算分析来确定锅炉的水循环工作特性。
他们编制了计算软件,提出了一些巧妙的算法[1,2,3]。
然而,不幸的是所有的这些计算均是建立在以往分析电站锅炉水动力特性方法的基础之上的。
当将其应用在参数较低的中低压自然循环锅炉时,便遇上了预想不到的麻烦。
其具体表现为求解过程的收敛性差,对初值的要求高且依赖性强,不少求解结果常常出人意料并难以解释。
经笔者多年的研究发现造成上述问题的祸根是回路方程的多解性或解的不唯一的问题。
2 不唯一解的存在性应当承认:尽管水循环计算相当繁琐,但其理论毕竟已使用了数十年之久。
为什么以往的分析计算都能经得起实践的检验?而现在提出这一问题有什么实际的意义呢?对此,笔者的回答是:过去水动力计算大多是针对参数较高的电站锅炉进行的。
由于电站锅炉水循环回路相对简单,管屏中各并联管子的结构与热负荷差异相对较小,更由于这些循环回路的设计中决不允许出现停滞与倒流,所以并不存在多解的问题。
强制流动锅炉及其水动力特性
四．直流锅炉工作过程特点
１．本质特点： （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．蒸发受热面中工质流动工程特点． （１）强制流动锅炉没有自补偿能力，即受热强的 管子，流动速度小．
（２）在热负荷一定情况，蒸发受热面两端压差 p
1 由于有再循环流量，在额定负荷情况下，由给水量确定的 w 可以小于传热要求的临界质量流速，所以使给水泵压头和功 率大大减少。
2 当锅炉负荷变化时，由于再循环泵的作用，水冷壁管中质量
流速变化不大，因此 w变化小。
3 低循环倍率锅炉由于循环倍率低，循环水量少，可以用直径 较小的汽水分离器取代汽包。
4 低循环倍率锅炉由于循环倍率大于1，水冷壁平均出口干度在 左右，因此传热恶化比一次上升直流锅炉的传热恶化大为减 轻，因而一般可以不用螺纹管。
强制流动锅炉及其水动力特性
第一节 自然循环与强制流动锅炉
一 锅炉的分类
自然循环锅炉：只靠汽水密度差推动工质流动。 强制循环锅炉：利用水泵压头和汽水密度差推动工质流
动。 直流锅炉：工质不循环，一次通过各受热面的锅炉。
自然循环工作原理示意图
汽包
下降管
h
上升管
烟气
下联箱
由Y xj Yss可得： H g p xj H h g p ss 循环推动力（运动压头 ）： S yd H ( h ) g p xj p ss 有效压头： S yx p xj H ( h ) g p ss
比热达到最大值；温度不断升高，密度将逐 低循环倍率锅炉由于循环倍率低，循环水量少，可以用直径较小的汽水分离器取代汽包。
自然循环工作原理示意图
渐减小，导热系数及粘性系数先下降后略有 1 在垂直管圈中，由于重位压差
锅炉原理-10自然循环锅炉水动力学讲解
西安石油大学机械工程学院
• 10.1.4 复合循环锅炉 • 1.复合循环锅炉的基本原理 • 为了克服纯直流锅炉的不足及适应超临界压 力锅炉应用的需要，产生了复合循环锅炉
直流锅炉缺点是负荷降 低时，水冷壁内工质流 量降低，炉内热量得不 到工质的冷却，水冷壁 管壁容易超温。
在全负荷范围内均有△Pb大于 水冷壁中工质的流动阻力△Plz （即在全负荷范围内循环流量 均不为零）
图10-3低循环倍率锅炉系统和循环流量曲线
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• 3．部分负荷复合循环锅炉
1.低负荷时，循环管路有循 环流量，高负荷时，锅炉按 直流锅炉原理工作； 2.大多用于超临界压力机组 ； 3.与低循环倍率锅炉的主要 差别是在循环回路上装有循 环限制阀.
图10-2 复合循环锅炉再循环
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P C P A P b P lz
（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）
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• 直流锅炉与强制循环锅炉相比，取消了汽 包，且工质在给水泵压头的作用下一次性 通过各受热面 。 • 直流锅炉特点是：受热面可自由布置；金 属耗量少，启、停速度快；水容量及相应 的蓄热能力较小，对外界负荷变化较敏感 ；直流锅炉不能连续排污，对给水品质的 要求很高；给水泵功率消耗大。
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• 自然循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是 19.11MPa，单炉的最大容量为885MW。只有 当蒸汽压力超过16MPa时，且自然循环不可 靠，才需要考虑采用强制循环锅炉。当压 力超过19.6MPa，则适合采用直流锅炉。强 制循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是 19.6MPa，单炉的最大容量1000MW。当单炉 容量超过600MW，一般应在较低的压力时就 考虑采用强制循环锅炉或直流锅炉。
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
自然循环锅炉水动力
§11—1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 划分—依据流动动力 自然循环锅炉 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
1. 自然循环锅炉
流动动力 不受热的下降管与受热 的上升管（水冷壁）之间的密度 差 全部由受热管束组成的回路也 可形成自然循环
③增加管内工的流速，提高水 循的稳定性。
④增加电耗。
问题 循环泵可靠性（高温、高压）
3. 直流锅炉
流动动力
给水泵
特征 ①无锅筒，工质一次性通过 水冷壁。 ②水冷壁布置自由，金属耗 量少，制造方便。 ③启停速度比较快，适应电 网负荷变化，适用压力范围广，尤 其是超临界参数的锅炉。 给 水 泵 ④流动阻力大，增加电耗， 自动调节和给水处理要求高。 问题 水动力不稳定性（多值性、 脉动），传热恶化，热偏差
系数C反映汽水之 间的相对速度
C wh / w sj
C=1,φ=β
向上流动
向下流动
C<1,φ<β
一般C>1,φ>β
压力和循环流速度增加 φ→β （a：w小；d：w大）
1－粗糙度小；2－粗糙度大
4. 密度
汽水混合物密度
' h ' 1 x 1 "
汽水混合物实际密度
有效压头法
S yx xj ss gh pss pxj
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
循环倍率：
K＝G0/D＝1/x
k小，D大而G0小，则w0小。
k＜Kjx，w0≌0，发生停滞、自由水位。
锅炉原理-第九章锅炉水动力特性
两相流体的基本参数
两相流体的含汽率
截面含汽率 管子总截面之比
蒸汽所占截面与
F whu C F w
上升流动 C<1,
<β；下降流动 C>ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ,
>β
两相流体的基本参数
两相流体的密度
上升管区段的划分
热后段 Hrh 上升管离开炉膛到上 联箱间管段，该管段不受热，若 >10 ％上升管总长，则分开单独计算 导汽管不受热，含汽率不变
对引入汽包汽空间的导汽管， 导汽管最高点到超过水位那一段高 度为提升段高度 Hcq，应与导汽管分 开计算
简单回路水循环计算
上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓
在上升管开始沸腾这个截面，w 值是真实
2 部是饱和水时在管截面的速度，实质代表 G。 G / F , kg /(m .s)
循环流速w0 质量流速
上升管开始沸腾处的饱和水的
G w0 ,m/ s F '
式中：G为工质的质量流量； 为容积流量 V G /
两相流体的基本参数
两相流体的速度
真实速度
V" D w" " " , m / s F F "
V' GD w' ' ' , m / s F F '
两相流体的基本参数
两相流体的含汽率
质量含汽率x 汽水混合物中蒸汽的 质量流量与汽水混合物总质量流量之比
D w0 " " x G w0 '
容积含汽率 蒸汽容积流量与汽水 混合物容积流量之比
锅炉自然循环的工作原理
锅炉自然循环的工作原理
锅炉自然循环是一种常见的热能转换装置，在工业和家用领域广泛应用。
它的工作原理基于自然对流的原理，不需要外部动力设备来驱动循环。
锅炉自然循环的主要组成部分包括锅炉本体、水冷壁、蓄热器、蒸汽分离器和水箱等。
首先，锅炉内的水被加热，形成热循环。
工作时，炉膛内的燃料燃烧产生热量，通过锅炉壁将热量传递给水冷壁。
被加热的水通过自然对流作用，上升到蓄热器并进一步加热。
加热后的水变得密度较小，形成轻质热水层，沿着水箱壁面上升。
当水达到蒸汽分离器时，蒸汽分离器的作用是将蒸汽和液体水分离。
在蒸汽分离器中，蒸汽上升到顶部，而水下降到底部。
分离后的蒸汽被导出到多个应用系统中，而分离的液体水则再次进入水冷壁，完成第二次循环。
整个循环的过程中，水的密度变化导致了自然对流的产生，从而形成热对流。
热水上升、冷水下降的循环过程不断重复，实现了热量的传递和转换。
需要注意的是，在锅炉自然循环的过程中，水的温度、压力和密度变化是相互关联的。
随着水的升温和蒸发，蒸汽和水之间的相变也会影响循环的稳定性和效率。
总的来说，锅炉自然循环是利用自然对流的原理，通过热量的
传递和水的密度变化实现热能的转换。
相比于其他循环方式，它具有结构简单、运行稳定等优点，在很多应用场景中被广泛采用。
锅炉原理 10自然循环锅炉水动力学
发电厂：用于 发电，提供电
力
供暖系统：用 于供暖，提供
热能
海水淡化：用 于海水淡化， 提供淡水资源
化工行业：用 于化学反应， 提供热量和压
力
食品加工：用 于食品加工，
提供热能
PRT THREE
蒸发受热面：锅炉内壁，用于吸收热量，使水蒸发 水循环：水在锅炉内循环流动，将热量传递到蒸发受热面 水循环的动力：自然循环，依靠水的密度差和重力作用 水循环的稳定性：影响锅炉的运行效率和安全性
汇报人：XX
流体阻力：流体在流动过程中产生的阻力 管壁粗糙度：影响流体阻力的重要因素 流体密度：影响流体阻力的重要因素 流体粘度：影响流体阻力的重要因素 流体温度：影响流体阻力的重要因素 流体流速：影响流体阻力的重要因素
流动稳定性：保证锅炉水在自然循环过程中的稳定性，避免出 现波动或中断
安全性：确保锅炉水在自然循环过程中的安全性，避免出现泄 漏、爆炸等事故
设计合理的水力模型，确保水流的稳定性 采用先进的水力控制技术，提高水流的稳定性 定期检查和维护锅炉设备，确保水流的稳定性 加强锅炉操作人员的培训，提高水流的稳定性
提高传热性能：通过优化锅炉 结构、传热管设计等提高传热 效率，降低能耗
提高水循环效率：通过优化水 泵、管道设计等提高水循环速 度，降低能耗
水循环不畅：检查水泵、阀门、 管道等设备是否正常工作
水质恶化：检查水处理设备是 否正常工作，定期进行水质检
测
设备损坏：检查设备是否正常 工作，定期进行设备维护和保
养
定期检查锅炉水循环系统，确保设备运行正常 定期清洗锅炉水循环系统，防止水垢堆积 定期更换锅炉水循环系统中的易损件，保证设备使用寿命 定期对锅炉水循环系统进行安全检查，确保设备安全运行
自然循环锅炉水循环的自补偿特性
自然循环锅炉水循环的自补偿特性
下降管内水的重度与上升管内汽水混合物的重度差，乘以循环回路高度所得到的运动压头是锅炉水循环的动力。
锅炉负荷增加时，上升管内蒸汽含量增加，管内汽水混合物的重度下降，循环回路的运动压头增加。
但上升管内汽水混合物的流速增加，上升管的流动阻力也增加。
在锅炉负荷较低时，负荷增加，运动压头的增加值大于上升管流动阻力的增加值，因此循环流速增加。
见下图中的AC段。
循环流速随上升管中蒸汽干度变化的曲线
我们将锅炉负荷增加，循环流速自动提高的特性，称为锅炉水循环的自补偿特性。
当锅炉负荷继续增加，循环流速达到最大值后，继续增大负荷，虽然运动压头也继续增加，但由于上升管的流动阻力与汽水混合物流速的平方成正比，与汽水混合物的重度成正比，流动压头的增加值小于上升管流动阻力的增加值，导致循环流速下降，见图1中的CD段。
维持一定的循环流速对于确保上升管获得良好的冷却，从而避免上升管超温是非常重要的。
通常随着锅炉负荷的增加，因上升管的热负荷上升和汽水混合物的重度下降，上升管的壁
温是升高的。
因此，设计锅炉时应使锅炉工作在曲线的AC段。
由于在AC段，锅炉负荷增加时，循环流速提高可以降低上升管壁温上升的幅度，对锅炉安全运行是有利的。
锅炉自然水循环的工作原理
锅炉自然水循环的工作原理
锅炉自然水循环的工作原理是指通过自然力，利用水的密度变化和热量传递的方式，实现能源转化和热能传递过程的一种机制。
在锅炉中，燃料燃烧产生高温燃烧气体，将热能传递给锅炉水，在烟气温度和炉水温度的驱动下，使水在锅炉内部形成自然循环，实现热能的转移。
首先，燃料燃烧后释放的高温烟气通过锅炉的烟道排出，同时也将热能传递给锅炉水，使其吸热并升温。
烟气的温度逐渐降低，而锅炉水的温度则逐渐升高。
其次，由于水的密度随温度的变化而发生变化，热能的加热使得锅炉水的密度减小，从而使得热水上升，冷水下降。
这种密度变化引起了水的对流运动，即冷水从锅炉的较低部分流向较高部分，而热水则从较高部分流向较低部分，形成了自然循环。
同时，在锅炉内部设置的水冷壁和水管也起到了关键作用。
烟气通过水冷壁或水管的表面，将热量传递给锅炉水，使其进一步吸热，进一步升温。
这样，锅炉水中的温度差异增大，促进了自然循环的进行。
最后，锅炉自然水循环的工作原理还与锅炉的结构、尺寸、燃料种类等因素有关。
合理设计锅炉内部的空间布局和水流路径，选择适当的锅炉尺寸和类型，以及控制好燃料的燃烧过程，都能对锅炉自然水循环起到积极的促进作用。
总之，锅炉自然水循环的工作原理是通过自然力驱动，利用水的密度变化和热量传递，使锅炉水在锅炉内部形成自然循环，实现能源转化和热能传递。
这种机制在锅炉工作中起着重要的作用，确保了锅炉的高效、安全运行。
采用水动力回路分析法进行自然循环热水锅炉水动力数值计算
文章编号：１００４－８７７４（２００６）０２－０８－０６
工业锅炉
２００６年第２期（总第９６期）
采用水动力回路分析法进行自然循环 热水锅炉水动力数值计算
董芄，徐艳英，兰日华 （哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨１５０００１）
摘 要：根据流体力学原理和锅炉水动力计算的基本原则，提出了一种能够直接计算自然
１１
实际的热水锅炉总是多回路组成，与单一循环 回路一样，它也有相应的回路循环倍率。全炉循环 倍率是所有循环回路内循环水量之和与锅炉供水量 的比值，即
此方程是非线性方程组，且Ｒ’和Ｅ是Ｇ的函 数，故本方法的解法如下：
（１）首先假设各回路的初始回路工质流量Ｇ
（ｉ），计算支路工质流量Ｇ ７，则得到当量水阻Ｒ ７和
Ｅ；
量Ｇ。（ｉ），判断｛垡学ｌ＜８是否满足，若满 （２）求解线性方程组（１４），解得各回路工质流
足则Ｇ，（ｉ）即为所求；若不满足则采用迭代法Ｈ１ Ｇ
５水动力回路分析法的数值求解方法
首先定义各支路流量的绝对值与本身水阻的乘
积为该支路的当量流阻，符号为Ｒｉ’，对于图３所示 回路，Ｒ ７＝ｌ Ｇａ Ｒ１．＿Ｉ Ｇ１ Ｒ，是’＝ｌ Ｇ Ｉ足＝Ｉ Ｇｌ—Ｇ Ｉ是，
尼’＝Ｉ Ｃｏ Ｉ恐＝Ｉ Ｇ—Ｇ ｌ恐凡７＝Ｉ Ｇｄ Ｒ＝ｌ Ｇ Ｉ足，则方程 （９）经整理可得：
（３） 我们假想在回路１、回路２和回路３中分别有回路
（４） 工质流Ｇ卜Ｇ２和Ｇ沿回路流动着，其方向如图３中
（５） 虚线箭头所示。由于支路ａ只有Ｇ，流过，因此Ｇ。
…
＝Ｇ，，支路ｄ只有Ｇ３流过，因此Ｇ。＝Ｇ３，支路ｂ则
¨７
有两个工质流（Ｇ，、Ｇ２）同时通过，支路工质流应为
Ｇ。和Ｇ２的代数和，即Ｇ。＝Ｇ，一Ｇ：，同理，支路ｃ工
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。
自然循环锅炉水动力特性
Z
w2
2
Z
h wh2
2
Z
l d
wh
wo 1
x
' "
1
h
1
'
x
' "
1
m/s kg/ m3
hsj
ss
f
f l
f l
1
kg / m3
Sss ss gh pss
Pa
Sss
gh
Z
w02
2
1
x
Hale Waihona Puke 1 2.实际循环回路的压差特性
Sss
gh
Z
w02
• 压差特性曲线的合成基于工质的物质平衡和作用 于工质上的力平衡两个基本原理。其合成规律为： 稳定工况下，串联回路时的流量相等，在相同流 量下压差迭加；并联回路的两端压差相等，在相 同压差下流量迭加。
12.3 自然水循环的可靠性
• 锅炉炉膛内并联的上升管组，由于存在热 负荷及结构特性的偏差，各根上升管中的 循环流量也不相同。在锅炉的自补偿范围 内，吸热强的管中循环流量大，吸热弱的 管中循环流量小。若热负荷偏差很大，则 在吸热弱的管中，其循环流量可能很小， 甚至发生停滞或倒流，影响锅炉工作的可 靠性。
联管同压差工作，那么需要增加入口
流量以加大该管子的阻力从而平衡，
因此实现了受热强的管子自动增加流
量的功能，而受热弱的管子自然流量 图会12减-5 上少升。管循环流量和吸热量的关系
• 质量含汽率x随吸热量q增大是线性增加，因此上 升管流动阻力Δpss也几乎是随q增加而线性增加 （这里没有考虑相对速度的影响）。而截面含汽 率ф随吸热量q增大是非线性增加，当工质吸热比 较少，x较小时，ф随q增大增加得很快，即ф的 增加远大于x的增加；而在某一x（或q）值后，x
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。
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2 wo
自补偿区
Sss呈现先降后升趋势
q对循环回路工作点的影响
运动压头法 q↑
2 wo ( ) gh Z xj Z ss 1 x 1 2 0
采用分相流模型，反映的是实际含汽率，又 称真实容积含汽率。
截面含汽率表达式
定义
f f
1 1 1 " 1 1 S 1 1 S ' x
改写
" " wo wh w0 wh " " " C wsj wsj wh wsj
kg / m 2 s
（4）质量流速
（5）折算流速
Gq v f
Qq f
Gs v Qs w (m / s) f f
' o
2. 速度参数
（1）混合流速 由质量流速定义 （2）实际流速
Qh Qs Qq ' '' wh wo wo (m / s ) f f
" " wh wo wo (1 ' )(m / s)
Sss Sxj f (G)
下降管压差
Sxj xj gh pxj
O
o
不受热无汽，G↑，单调减
上升管压差
Sss ss gh pss
受热有汽， G↑，单调增 两条曲线必有一交点
为回路工作点O
q对上升管压差的影响
G一定
S ss gh Z 1 1 x 2 f ( , x) f (q )
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 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。该 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。 适用于泡状流型
分相流模型 假定两相流体流动时完全分开，它们各自 以一种平均流速流动，即两相之间流速不等但 已经达到热力动态平衡。这种模型可以对每一 相流体写出一组基本方程式，或者将两相的方 程式合并在一起，并应用经验关系式建立某一 物理量与流动的独立变量之间的关系式。
摩擦阻力系数
1 4 lg 3.7d n / k
2
摩擦阻力校正系数ψ，双相摩擦阻力与按均相模 型计算的摩擦阻力之比。试验值，与质量含汽率 x、压力p及质量流速ρw有关。
2. 局部阻力 p jb jb
2 wo
1 x jb 1 2
③增加管内工的流速，提高水 循的稳定性。
④增加电耗。
问题 循环泵可靠性（高温、高压）
3. 直流锅炉
流动动力
给水泵
特征 ①无锅筒，工质一次性通过 水冷壁。 ②水冷壁布置自由，金属耗 量少，制造方便。 ③启停速度比较快，适应电 网负荷变化，适用压力范围广，尤 其是超临界参数的锅炉。 给 水 泵 ④流动阻力大，增加电耗， 自动调节和给水处理要求高。 问题 水动力不稳定性（多值性、 脉动），传热恶化，热偏差
3. 重位压降 pzw hsj g h g h
4. 加速压降 管段的出口和进口的单位截面工 质秒流量的动量差值
2
p js w wc w j w vc v j
p js w xc x j v v
1 f ( x) " 1 1 1 'x
（3）截面含汽率（真实容积含汽率） 用平均流量概念表示的x或β采用的是均相流 模型，没有考虑汽水之间实际存在的相对速度， 因此都没有反映管内混合物真正的蒸汽含量， 它们都只反映了水速与汽速相等条件下的含汽 率。
截面含汽率φ—某一管道截面上蒸汽流通截面 积与整个管道截面的比值
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 一、 锅炉水循环方式
循环—工质流经蒸发受热面的流动方式 划分—依据流动动力 自然循环锅炉 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
1. 自然循环锅炉
流动动力 不受热的下降管与受热 的上升管（水冷壁）之间的密度 差 全部由受热管束组成的回路也 可形成自然循环
2
三、水循环计算方法和步骤
压差法
Sss Sxj
2 l xj xj wxj 1. 下降系统压差 S xj xj gh xj 2 d xj
下降系统密度ρxj 按锅筒压力下的饱和水的密度计算，即ρxj＝ρ′ 下降管流速wxj
系数C反映汽水之 间的相对速度
C wh / w sj
C=1,φ=β
向上流动
向下流动
C<1,φ<β
一般C>1,φ>β
压力和循环流速度增加 φ→β （a：w小；d：w大）
1－粗糙度小；2－粗糙度大
4. 密度
汽水混合物密度
' h ' 1 x 1 "
汽水混合物实际密度
2. 复杂回路的工作点 复杂回路 各管组的吸熱量、结构特性、联结方式不同。 每个管组有各自的特性曲线和工作点，整个复杂 回路有一总工作点。 步骤 ①分别计算作出各管组的压差特性曲线Si； ②寻找共同部分，合成各曲线得总Sxj和Sss曲线， 交点为回路总工作点； ③反推求各管组的工作点。 合成方法 串联回路 在相同流量下，压差迭加。 并联回路 在相同压差下，流量迭加。
(kg / m3 )
hsj
(kg / m3 )
§11—2自然水循环原理 一、自然循环回路的水动力基本方程
1. 循环回路和管屏区段 下降管、上升管、锅筒、集 箱及其他部件所组成。 简单回路 并联的一组（根）下降管， 一组（根）几何结构尺 寸及吸熱相同的上升管， 以及其他部件所组成。 是独立的循环系统
锅筒
特征 ①有锅筒，具有较大的畜热 和蓄水能力，易于调节。
下 降 管 给 水 泵 下集箱 上 升 管 ②水动力特性稳定，运行可 靠，能耗小。 ③p↓， ↑，循环可靠。 问题 停滞、自由水位、倒流、
下降管带汽
2. 多次强制循环锅炉 （辅助循环，控制循环）
流动动力 ＋循环泵（主动力） 为了保证水循环可靠性，在自然循 环锅炉基础上发展起来。 特征 ①水冷壁布置自由，减小管子 和锅筒的直径，减少金属消耗量。 给 水 泵 循 环 泵 ②加快锅炉的启停和升降负 荷的速度，扩大负荷调节的范围，
4. 复合循环锅炉
主要用于超临界压力锅炉 再 循 环
低负荷 一部分水经过再循环管 路在蒸发受热面中进行再循环。
保证低负荷时水动力稳定， 并大幅度减小蒸发受热面中的流 动阻力。 高负荷 循环泵停止工作，切换 成直流运行。
给 水
二、汽液两相流体的流 动型态（流型） 1. 垂直向上流动
x＝1Biblioteka (a)泡状流型上升管压差 Sss ss gh pss
A
A
下降管压差 Sxj xj gh pxj 压差法
Sss Sxj
运动压头法
S yd xj ss gh pss pxj p
运动压头是循环回路中产生的水循环动力 稳定流动时克服回路中工质流动的总阻力
①确定循环流量或流速，循环倍率，压差，可靠性指标
②计算时按平均参数计算，并对条件最差管子进行校验
③只对锅炉额定参数进行计算
④ 对结构特性和受热状况基本相同的回路，可选其中一个 回路进行计算
二、压降（阻力）计算
总阻力 1. 摩擦阻力
p pmc p jb pzw p js
2 l wo pmc 1 x 1 dn 2
适用于环状流型
三、 汽液两相流体的基本参数
1. 流量参数 （1）质量流量 （2）容积流量 （3）循环流速
Gh Gq Gs (kg / s)
Qh Qq Qs Gqv Gsv(m3 / s)
wo Gov / f
Go Gh w f f
'' wo
(m / s )
直流锅炉蒸发受热面三种基本型式
德国，本生型
瑞士，苏尔寿型
苏联，拉姆辛型
垂直上升管屏 ①多次垂直上升,源于德国，又称本生型，一般用于中 等容量锅炉。 ②一次垂直上升, 在本生炉上改进，又称UP（通用压 力）型，适用于各种压力参数。
回转管屏 源于瑞士，又称苏尔寿型。分为垂直回转和水平回转 两集箱之间的很长的并联管引起较大的热偏差，制造 复杂，垂直管屏难疏水，水动力稳定性较差。 水平围绕管圈 前苏联，又称拉姆辛型。 节省金属，便于滑压运行和疏水排气。 为了解决垂直上升管屏混合集箱流量分配 下部辐射区采用螺旋型上升管圈 炉膛折焰角以上的辐射区采用一次垂直上升管屏
（a）并联回路
（b）串联回路
（C）有集中下降管的复杂回路
①算绘制各管组Si ②串联迭加得S1+3-5 和S2+4-6 ③S1+3-5和S2+4-6并联 迭加得Sss ④Sss与Sxj交点为回 路总工作点A ⑤从A点反推得各管 组的工作点
§11—3自然循环水动力计算
一、概述 目的 确定合理的最佳回路结构，校核锅炉受热面 的工作可靠性，提出提高可靠性的措施。 内容和原则
(b)弹状流型 (c)环状流型 (d)液滴环状流型 (e) 雾状流型
x＝0
2. 水平流动
不对称结构 分层流动
消除分层流动