第十一章 强制流动锅炉及其水动力特性

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第十一章 强制流动锅炉的水动力特性及运行
锅炉按蒸发受热面中汽水混合物流动的工作原理 进行分类可以分为: 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,一次通过个受热面的锅 炉。
第一节 强制循环锅炉和直流锅炉工作原理 及工作过程特点
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,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。 6 启动过程特点:直流锅炉有启动旁路系统,启动时首先 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,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。
上联箱
循 环 泵
水 冷 壁
(二) 强制循环锅炉的特点
1. 由于增加了水泵的推动力,工质流量可以人为地控制,水流量 可以小些,即循环倍率K可以小一些,一般为1.5~8,通常K为4
左右.
2. 可采用小直径水冷壁. 3 可采用小直径旋风分离器,因而可以减小汽包直径.
二.直流锅炉的工作原理
(一)工作原理
5 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,使膜式水冷 壁的鳍片热应力小,工作可靠性增加。
6 7 8 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,也 可用在超临界参数上。 需要解决长期在高温高压下再循环泵的运行问题。
B 1 1 2d r
L2 q C 2 1 d r
水动力特性曲线
在此图中,1,3 线为单值特性曲线
p
1
2
线为多值特性曲线。
3
2
Hale Waihona Puke Baidu
曲线 2 所示图形,就表示在一个压 差下,对应有 2~3 个流量,即水动
1.比容
2.比热
二、 超临界压力下水冷壁管内传热
• 类膜态沸腾:由于管子内壁面附近的流体粘度、比热、 导温系数、密度等物性参数发生显著变化引起的。 (流体边界层的层流化;紊流边界层流化) • 传热恶化发生在管子入口处和大比热区 对于直流锅炉,不可能避免传热恶化,只有采取推迟 和抑制。主要方法: 1)使用好材料 2)采用内螺纹管,螺旋式导流器(扰流子)
第二节 直流锅炉蒸发受热面的结构形式
一 直流锅炉结构特点
1)蒸发受热面布置自由 2)没有汽包,主要是外置式过渡区和汽水分离器 3)有启动旁路系统

1) 2) 3) 4)
对蒸发受热面的基本要求
管子不被烧坏 能解决膨胀问题 蒸发受热面能够制造出来 制造,安装方便
三. 早期直流锅炉蒸发受热面的形式
1 本生型 :
(2)压力 p 。发生水动力 多值性的最根本的原因 是汽水密度不同当 p 增 加时,( )下降, 因此水动力特性趋向稳 定。
p
w
(3)热负荷Q 。Q增加,使 Lrs长度减小,如果没有热水段,一定 不出现多值性,故热水段长度减小,水动力特性趋向稳定。 (4)热水段阻力。增加热水段阻力,可以使水动力特性稳定。蒸 发段阻力变小对 p 影响小 ,趋于稳定。
由于压力的提高,导致密度差的下降,循环 推动力下降,自然循环的可靠性降低。而且压 力的提高,汽包体积,壁厚增大。从而导致另 一种循环形式的诞生,那就是强制循环。强制 循环锅炉就是利用水泵压头和汽水密度差来推 动工质流动。
一、强制循环锅炉的工作原理和特点
(一)工作原理

过热器 省煤器
强制循环锅炉的主 导思想是解决由于 压力提高,密度差 下降,循环推动力 下降。所以在循环 回路下降管系统增 加了一个循环泵。
p zw H rs rs g H zf zf g , Pa H rs , H zf 热水段,蒸发段高度,m rs , zf 热水段,蒸发段密度,kg m3
p plz pzw
(一)垂直管圈水动力特性
Lzf H zf 下降,D 减少 , X 下降, zf 增大, 增加时 , pzw 增加。 pzw 的作用,是使水动力特性趋向稳定。 2 负荷变化时垂直管屏的水动力表现 (1)当 w 上升时, plz 所占比例增加,这时水动力特性 与水平管圈相似,即表现了强迫流动特点,受热强的管子,流 动速度慢。 (2)当 w 下降时, plz 所占比例减小, 这时 pzw 起主 要作用,与自然循环相似,表现了自然循环的特性,受热强的 管子,流动速度快。
一、直流锅炉启动过程的主要问题 • 无汽包,启动一开始就必需不间断地向锅炉送 进给水,有必要设置专门的回收工质与热量的 系统。 • 直流锅炉启动必须与汽轮机的启动密切配合。 • 汽水的热膨胀问题 • 再热器保护
二、启动系统的作用
• 建立启动压力和启动流量 • 回收工质和热量 • 实现锅炉各受热面之间和锅炉与汽轮机之间工 质状态的配合。
c
a b
力成多值性。
w1 w2
w3
w
2 水动力特性单值条件 对特性方程式求导得
进口处工质欠焓
7.46r i , kJ kg 1
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 减小 , X 减小 ,X 减小的影响比 w 增加的影

Lrs H rs
三 蒸发受热面的脉动现象
1.定义:在管屏两端压差相同,当给水量和流出量基本不变的情况
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。
2.脉动种类

管间脉动 管屏脉动 整体脉动
3 产生脉动的原因 1)压力峰的形成
2)压力的下降 3)压力峰重新形成
4 脉动的消除
1)增大
二 部分负荷复合循环锅炉的工作特点
水冷壁的工质流速:由于在低负荷时有再循环 流量,当高负荷按直流方式运行时,可以选用 较低的 w ,而在低负荷是则利用再循环来得 到足够的 w 。 循环倍率。 水冷壁结构。 旁路系统。 适用与超临界大容量锅炉(600MW)。

第七节 直流锅炉的启动系统
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
苏尔寿型
拉姆辛型
本生型
四、现代直流锅炉蒸发受热面的主要型式
1 一次垂直上升管屏(UP锅炉) 既适用于亚临界,又适用于超临界。 2 炉膛下部多次上升,上部一次上升管屏(FW 型)。适合于300~600MW容量机组。不适宜 滑压运行(中间有联箱)。 3 螺旋式水冷壁管屏 该型式特别适用于滑压运行
(5)质量流速。质量流速越低,工质流量分配越不均 匀,越容易发生水动力多值性。 (6)重位压头。影响水平管水动力特性的因素同样也 影响着垂直管屏,垂直管屏水动力稳定性要求更高。 (7)工质大比热特性。当工质处于大比热区范围内, 且吸热量同时增大时,比容发生剧烈变化,引起工质 的膨涨急剧增大,容易发生水动力不稳定现象。
三.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 一定,一根管子流量可以有多个数值. (3)有脉动现象. (4)直流锅炉消耗水泵压头大
四、 三种类型锅炉工作压力范围及比较



自然循环锅炉 主要用于高压(9.8~12.74MPa)和超高压(13.72~15.68MPa) 也可用于亚临界(16.66~18.62MPa). 强制循环锅炉 强制循环锅炉适用于自然循环锅炉的工作范围,但只有在压力 在15.68MPa以上时,才有经济性. 直流锅炉 直流锅炉可以用于任何压力,但当 P 22.1MPa 只有采用直流 锅炉
5 解决水动力稳定性的方法
(1)减小 i 。 (2)增加热水段阻力—采用节流圈。 (3)提高启动压力 p 。 (4)减小热偏差。 (5)提高质量流速 w 。 (6)控制下辐射区水冷壁出口温度。
流圈阻力特性;3-加节流圈 后的水动力特性
(二)垂直管圈的水动力特性
1 在垂直管圈中,由于重位压差 pzw 的影响,
9
三 低循环倍率锅炉蒸发受热面水动力方面 的几个问题
1 2 3 4 质量流速 流量的分配 节流圈 再循环泵的工作可靠性
第六节 部分负荷复合循环锅炉
一 部分负荷复合循环锅炉的构成原理 在启动和低负荷运行时,采用再循环流量而不是 只用给水量来冷却水冷壁。 在高负荷运行时,只采用直流的给水量而又不使 用再循环流量来冷却水冷壁。
响大。
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
p 生变化,蒸发量不会变化。
水动力多值性愈明显。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,水动力 多值性不会发生在只有蒸发段 的管屏上。
i 愈大, 随 w增加而单调上升。

水动力特性不稳定性
(一)水平管圈水动力特性 水动力特性是指在一定热负荷情况下,管屏压差与流量的关系。 1 特性方程式 其中 w 工质在受热管中的质量流速 p A( w) 3 B( w) 2 C ( w), Pa 双相流摩擦阻力校正系数 i 1 i A 1 1 q 受热面平均热负荷 8q 2r i 进口处工质欠焓 L i
w
2)提高进口压力 3)增大热水段阻力-采用节流圈 4)降低蒸发点的热负荷和热偏差
5)防止脉动性燃烧
6)给水泵特性
平缓的水泵特性和较 陡的水泵特性相比, 假定压差变化相同, 平缓的水泵特性流量 变化大,而较陡的水 泵特性流量变化较小。
第四节 超临界压力锅炉水冷壁管内传热
一、 超临界压力下的工质热物理特性 1.比容 2.比热
在给水泵压头作用下,工质顺次通过预热,蒸发, 过热各受热面,而被预热,蒸发,过热到所需要的温 度.简言之,直流锅炉是工质一次通过各受热面,没 有循环的强制流动锅炉。
给水泵 省煤器
水冷壁
过热器
(二)工作过程
1.直流锅炉循环倍率 K=G/D=1 2.因没有汽包,所以没有固定的受热面,在工况变化时, 受热面长度发生变化. 3.工作过程中的参数变化. (1)工质焓值,沿受热面长度不断增加. (2)压力由于克服流动阻力不断下降. (3)温度,预热段温度不断上升,蒸发段由于压力不断降低, 过热段温度不断上升. (4)比容不断上升.
第五节 低循环倍率锅炉
一 低循环倍率锅炉构成原理 低循环倍率锅炉是在苏尔寿 苏 尔 寿 罐 省煤器 过热器
直流锅炉和强制循环锅炉的 基础上研制出来的
其具体结构,如左图所示
G zx
混 合 器
G
水 冷 壁
D
再循环泵
二 低循环倍率锅炉的工作特点
1
2
3 4
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。 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。 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。 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 0.6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。
炉膛水冷壁:
• 下部螺旋盘绕上升
从水冷壁进口到折焰角 下一定距离。
• 上部垂直上升 • 均为膜式结构 • 两者间由过渡水冷壁转 换连接。
第三节 直流锅炉蒸发受热面水动力学
蒸发受热面安全工作问题 安全工作条件 (1) 管壁温度 小于 材料允许温度. tb (2) 相邻管壁温度差 <50


tb
C
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