第八章 蒸发设备及自然循环

• 硫酸盐型（碱金属氧化物） • 硫化物型（还原性气氛，H2S)
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减轻措施：
（1）改进燃烧； （2）避免出现管壁局部温度过高； （3）保存管壁附近氧化性气氛；
（4）采用耐腐蚀材料
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水冷壁爆管
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热电厂锅炉水冷壁管喷涂抗高温氧化耐磨涂层
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思考题 1.自然循环回路有哪些设备? 2.汽包的作用有那些？结构、布置？ 3.水冷壁的作用？结构形式？
pzw h zs g
p js w(w2 w1 )
l ( w0 ) 2 0 d 2 1 x 1
3．流动阻力
对受热管，摩擦阻力： p mc
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局部阻力：
p jb
2 w0
1 1 x 2
q T4 q T
水冷壁是以辐射传热为主的蒸发受热面，且炉内火焰温 度又很高，故采用水冷壁比用对流蒸发管束节省金属，从而 使锅炉受热面的造价降低。
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（二）水冷壁的结构及类型
1.光管式
水冷壁管截面
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2.销钉式 （卫燃带用）
卫燃带：销钉式水冷壁上敷设 耐火材料
作用：
减少着火区域水冷壁的吸 热量，提高着火区域炉内温度，

由于发生第二类时的热负荷比发生第一类恶化时的低得多，
因此，它发生的可能性比第一类要大得多。
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（2）对于自然循环锅炉，在水循环正常的情况下，水冷壁局部 最高热负荷均低于其临界热负荷，因此一般不会发生第一类沸 腾传热恶化。 （3）第二类传热恶化 超高压以下的自然循环锅炉，正常情况下的水冷壁出口 工质含汽率 x 都低于临界含汽率xc，故也不会发生第二类沸腾 传热恶化。
S yd ( xj ss ) gh
Syd pxj pss
（2）有效压头：运动压头扣除上升系统的总阻力 后的剩余压头
S yx S yd pss
S yx pxj
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（3）运动压头的影响因素：

Syd (xj ss ) gh
回路高度h：h增加，运动压头增大。


下降管工质密度
上升管内工质密度 多，
：下降管含汽，
，运动压头
：上升管受热增强时，产汽量增
，运动压头

锅炉的工作压力：随压力的提高，饱和水和饱和汽的密度差 减小，运动压头也减小。

目前自然循环锅炉的的最高汽包压力约为19MPa。
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第三节 汽水两相流的流型和传热
一、流型（ 分布，形态）汽水沿管路的分布形态
预备知识：第一节~第四节
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第一节 蒸发设备
一、蒸发设备的组成 汽包、下降管、水冷壁、联箱及其连接管道
图8-1 自然循环蒸发设备示意图 1—汽包；2—下降管；3—下联箱；4—水冷壁；5—上联箱；6—导气管； 4 7—炉墙；8—炉膛
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6
1、下降管
• 作用:把气包内的水通过联箱连续不断地供给水冷壁.维持
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三、汽水两相流的沸腾传热恶化 1．沸腾传热恶化的现象及发生条件
（1）第一类沸腾传热恶化

现象：
热负荷很高，在过冷沸腾区，汽 泡生成速度过快，管中心为水，
贴壁层为一圈汽膜，传热恶化，
壁温飞升。膜态沸腾

条件：热负荷
q qc
传热恶化示意图 （a）第一类沸腾传热恶化 （b）第二类沸腾传热恶化
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稳定着火和燃烧。
燃烧器处水冷壁
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3.膜式 （应用广泛）
膜式水冷壁
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锅炉左侧下水冷壁，高 15.6米 ,宽 12.69米 ,重达23吨
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膜式水冷壁的特点：
优点 （1）气密性好 （2）保护炉膛 （3）传热面积大，节省管材 （4）成片吊装，安装方便 （5）抗爆炸能力强 缺点 制造、检修工作量大 工艺要求
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环状流型（E区和F区）：当汽量增多汽弹相互连接时，
中心为汽，周围水膜的环状流。导热能力强，强制水膜
对流传热。

雾状流型（G区）：当壁面上的水膜完全被蒸干后就形
成雾状流。传热恶化，管壁温度突然升高，此后随汽流
中水滴的蒸发，蒸汽流速增大，壁温又逐渐下降。

单相汽流动（H区）：当气流中的小液滴全部汽化后， 随着不断的吸热，蒸汽进入过热状态。由于汽温逐渐上 升，管壁温度又逐渐上升。
第七节 自然水循环常见问题及防止
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研究目的：
（1）保证tb<t允许；（2）保证管子间的热偏差<50℃ 在管内壁保持一层连续的水膜 原则措施 管内保持足够的 循环流速和足够 大的循环倍率k
避免各种循环故障 a) 循环停滞 b) 自由水位 c) 倒流 d) 下降管故 找到合适的循环工作点 障（带汽， 漩涡漏斗） 自然循环基本方程的解 e) 传热恶化
1、分布（流动结构）
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1、分布（流动结构）
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2、形态
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二、传热特点
均匀受热垂直上升蒸发 管中两相流的流型和传 热工况 单相水的流动（A区） 受热不强，管内水温低 于饱和温度，单相水对 流换热，管壁金属温度 稍高于水温。 过冷汽泡状流动（B区） 贴壁水达到饱和，管子中心 处于欠热状态，壁温高于饱 和温度，进行着过冷核态沸 腾传热。
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第二节 自然循环的基本原理
一、自然循环的概念 自然循环：依靠汽水密度差推动工质在回路中流动的循环 二、自然循环的基本原理 1．自然循环回路的总压差 压差法：
p
xj
p1 p0 xj gh pxj
p
ss
p2 p0 ss gh pss
循环回路示意图 1—汽包；2—下降管；3— 下联箱；4—水冷壁 42
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（一）水冷壁的作用（4个方面）
辐射传热
水 蒸发 汽水混合物
（1）火焰
（2）水冷壁吸收了热量，降低炉墙附近和炉膛出口处的烟温， 防止炉墙和受热面结渣，提高锅炉运行的安全和可靠性；
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（3）保护炉墙且炉墙的厚度可以减小，重量减轻，简化了炉 墙结构，为采用轻型炉墙创造了条件；
（4）辐射传热
对流传热

烟侧：高温腐蚀、结渣（固排炉）、炉底 析铁（液排炉）
水侧：沸腾传热恶化、流动不正常等

（1）冲刷——对循环流化床锅炉 （2）高温腐蚀——主要讨论
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水冷壁高温腐蚀
定义：高温受热面烟气侧在高温烟气环境下且管壁温度较
高时的腐蚀。
影响因素：烟气成分(高温下腐蚀性气体） 管壁温度（壁温高）
腐蚀机理（两类）：
正常循环. • 分类: (1)小直径分散型:Φ108-159mm 循环不利。 (2)大直径集中型:Φ325-762mm 约钢材。 4-6根，流动阻力小，节 40根以上，流动阻力大对
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2、联箱 圆筒形容器，上、下联箱
作用: 用于汇集、混合、分配工质， 一般在炉外不受热。下联箱底部
装有排污装置、蒸汽加热装置。
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（三）水冷壁的布置
1.水冷壁的悬吊及热膨胀 水冷壁一般是上部固定，下部能自由膨胀 2.折焰角 作用： 提高了火焰充满度，改善屏式过热器的空气动力特性； 延长了水平烟道的长度，便于对流式过热器和再热器的布置。 3.燃烧器区域的水冷套 固定燃烧器，冷却燃烧器喷口 4.双面曝光水冷壁
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（四）水冷壁的安全运行
扰流子结构
扰流子降温效果 p=18.5MPa；ρw=1500kg/(m2•s) 1—无扰流子，q=500kJ/m2；2—装扰流子， q=400kJ/m2；tgz—饱和温度；tnb—内壁温度
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第三节 汽水两相流的流动特性
参数及管内压力降
汽水两相流特性参数：描述汽水两相流动特性的物理量
流速参数 管内含汽率参数 两相流的密度 管内两相流动的压力降
亚临界压力的自然循环锅炉，其水冷壁内工质的实际含 气率相对较大，很接近其临界含汽率值，故发生第二类沸腾 传热恶化的可能较大。
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3．沸腾传热恶化的防止措施
（1）保证一定的质量流速
（2）降低受热面的局部热负荷 （3）采用内螺纹管 （4）加装扰流子
内螺纹管结构
内螺纹管降温效果 光管；2—内螺纹管； tbh—饱和温度；tnb—内壁温度 55
w0 (1 w0 w0
)
3．截面含汽率
F F 1 F F
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三、两相流的密度
1．流动密度
两相流的质量流量与体积流量之比称为流动密度
hu
G V V (1 ) V V
2．真实密度 某段管子中汽水混合物实际存在的密度称为真实密度
锅炉：给水
过热蒸汽
“锅”
水冷壁 过热器 再热器 省煤器
水：未饱和
饱和水
饱和汽水混合物
过热蒸汽
1
第八章 蒸发设备及自然水循环

第一节 蒸发设备


第二节 自然循环的基本原理
第三节 汽水两相流的流型和传热


第四节 汽水两相流的流动特性参数及管内压降
第五节 自然水循环的可靠性指标


第六节 自然水循环的基本计算
折算蒸汽流速
D V w0 F F
G D V w0 F F
m/s
折算水速
4．混合物流速
m/s
V V w0 whu w0 F
5．真实流速 蒸汽真实流速：
水真实流速：
w D V F F
F l F l Fl (1 ) Fl zs (1 ) Fl Fl
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四、管内两相流动的压力降计算
p p1 p2 plz p js pzw
1．重位压头 2．流体加速压降
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两种模型
均相模型 分流模型（真实模型）
2 分流模型
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一、流速参数
1．质量流速
单位时间内流经单位流通截面的工质质量称为质量流速
G w F
2．循环流速
kg/（m2∙s）
循环回路中水在饱和温度下按上升管入口截面计算的 水流速度称为循环水速
G w w0 F
m/s
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3．折算流速
图8-4 受热面管子和管道与汽包 的连接 1—省煤器；2—汽包；3—下降 管；4—水冷壁；5—过热器
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（三）汽包的安全运行

限制工作压力（ 设置安全阀） 限制汽包壁温差小于50 oC，防止产生过大热
应力（限制启停炉的速度）

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三、 水冷壁
定义：由连续排列的管子组成的辐射受热面，紧贴 炉墙形成炉膛周壁
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屏过联箱
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二、汽包 （一）汽包的结构

圆筒形容器，由筒身和封 头组成


长20m左右，内径1.5~2m
布置于炉外顶部不受热，
采用悬吊结构
图8-4汽包的悬吊结构 1—汽包；2—U形吊杆；3—炉顶 钢梁
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图8-3 汽包的外形结构实例 1—筒身；2—封头；3—人孔门；4—管座
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第四节 自然水循环的可靠性指标
稳定流动时：
p
xj
pss
基本公式
xj gh pxj ss gh pss
2．循环回路的运动压头 S yd 压差公式移项并整理得
( xj ss ) gh pxj pss
S yd ( xj ss ) gh
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（1）运动压头：回路中工质流动的推动力 稳定流动时：
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内蒙古大板电厂600MW空冷机组#1锅炉汽包 ：汽包长27米，重达267吨
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东方锅炉厂生产的60万超临界汽包
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沙角B电厂350MW汽包
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汽包吊装
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（二）汽包的作用

加热、蒸发、过热三个过程的连 接枢纽和大致分界点 一定的蓄热能力，稳定汽压



内部装置可以提高蒸汽品质
外接附件保证锅炉工作安全
m/s
m/s m/s
60
w
G D V F F
二、含汽率
1．质量含汽率 在汽水混合物中，流过蒸汽的质量流量D与流过工质总的质量 流量G之比。 '
F w0 h h D w0 x G w0 F w0 r
2．容积含汽率 F w0 w0 w0 V F w0 F w0 w0 whu V V w0
（2）第二类沸腾传热恶化

现象：热负荷不太 高时，环状流的水 膜被蒸干，传热恶 化，壁温飞升
条件：含汽率

x xc
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2．自然循环锅炉沸腾传热恶化特点
（1）

第一类沸腾传热恶化通常发生在含汽率较小或水存在欠热、 以及热负荷高的区域。 第二类沸腾传热恶化发生在 x 较大、热负荷不太高的情况 下，放热系数下降较第一类沸腾传热恶化时小