自然循环蒸发系统及安全运行资料重点

第一节 自然循环原理与基本概念
一、自然循环原理
自然循环是指：在一个闭合 的回路中，由于工质自身的密度 差造成的重位压差，推动工质流 动的现象。
循环回路是由锅筒、下降管、 分配水管、水冷壁下联箱、水冷 壁管、水冷壁上联箱、汽水混合 物引出管、汽水分离器组成的。
自然循环原理示意图：
设锅筒内静压力为p1，下降管下部的静压力为p2， 则下降管侧压差 Yxj p2 p1 Hxjg Pxj, Pa
二、蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾
1、循环停滞 2、倒流 3、膜态沸腾
1、循环停滞
锅炉炉膛四周的水冷壁由数百 根管子并联组合成，它们分成几个 至几十个独立的水循环回路，如右 图所示。由于炉膛中温度场分布不 均，水冷壁管屏之间或管子之间的 吸热强度就会存在偏差，加上上升 系统的结构偏差和流量分配偏差， 将导致每根管子和管屏间的吸热量 不同，循环推动力也不同。即虽然 管屏进出口联箱的压差是相同的， 但每根管子的流动速度可能不同。 受热弱的管子中，工质密度大，当 管子的重位压头接近于管屏的压差 时，受热弱的水冷壁管内就会出现 流体的停滞现象。
由于凝汽量的存在，水冷壁中的质量含汽率应按实际蒸发量计算。
凝汽量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ循环流量的比值被称为凝汽率xnq，即
x nq
D G
D D D0
• 循环流速w。：指在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速。即
w0
G ,m/s
F
• 质量含汽率x ：指上升管中蒸汽所占循环流量的份额，或汽水混合物 中蒸汽所占的份额。即
xD G
• 循环倍率K ：上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水，即 KG D
• 名义循环倍率K ：指按锅筒引出的饱和蒸汽量计算的循环倍率，即
G K0 D0
凝汽率与锅炉压力的负荷有关。例如，一台容量为1025t/h的亚临界参 数锅炉，最大凝汽量达到290t/h，锅筒水室中存在的凝汽过程，使得MCR负 荷时水冷壁中实际的蒸发量比名义蒸发量大6.8%，水冷壁中的质量含汽率 由0.24增大到0.31，由此引起循环系统的实际循环倍率小于名义循环倍率。
第十二章 自然循环蒸发系统及安全运行
第一节 自然循环原理与基本概念 第二节 自然循环锅炉水冷壁的安全运行 第三节 蒸发管内的汽液两相流型及传热 第四节 汽液两相流体的流动参数 第五节 汽液两相流体的流动阻力、重位压降 第六节 简单回路的水循环计算和水循环特性曲线 第七节 复杂回路的水循环计算 第八节 水循环全特性曲线和循环安全性检查 第九节 蒸发管传热恶化工况的计算 第十节 提高循环安全性的措施 第十一节 水冷壁的高温腐蚀
在管内工质不流动的情况下，汽泡容易集聚在管子的 弯头和焊接处，由于管子受热和汽泡合并，可能形成大汽 泡，造成蒸汽塞，管子局部就会过热超温。当存在自由水 面时，管子上半部是汽，下半部是水。管子上部就会过热 超温；且当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳 应力。不过超高压和亚临界参数自然循环锅炉水冷壁出口 的汽水混合物引入汽水分离器，不会出现自由水面。所以， 水循环停滞实际上导致的是水冷壁管的传热恶化。
从循环特性来看，停滞现象是：循环流速 w0→0 ，但w0≠0 ；即循环流量G=D，但G≠0；停 滞管的压差等于下降管的压差，即Ytz=Yxj，但停滞 管的流动阻力Δ ptz →0 。当汽水混合物从锅筒汽空 间引入时，还会出现自由水面.。这种现象的具体 表现是：进入上升管的循环流量微小，以至在管子 微弱吸热后被蒸发成汽泡。
回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推动力越大。而工 质密度差不仅与压力有关，而且与水冷壁管吸热强度有关。在正常循环 情况下，吸热越多，密度差越大，工质循环流动速度越高；而压力越高， 汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。
自然循环的一个重要特性是吸热较多的管子中，工质循环流量自动 增加，循环流速会自动提高，循环安全性越高，这就是自然循环特有的 自补偿特性。
第二节 自然循环锅炉水冷壁的安全运行
一、影响水冷壁安全运行的主要因素 二、蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾
一、影响水冷壁安全运行的主要因素
影响水冷壁安全运行的因素很多。诸如：水质不良导致的水冷壁管内结 垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出 现循环流动的停滞或倒流；水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜 态沸腾；锅筒水位过低引起的水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重的 “干锅”；燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀；结渣和积 灰导致的对金属管壁的侵蚀；煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。
二、自然循环的基本概念
设进入上升管的流量为G，水冷壁的实际蒸发量为D，从锅筒引出的 蒸汽流量为D0，水冷壁的流通截面为F，
• 锅筒水室凝汽量ΔD ：亚临界压力锅炉，饱和汽水密度差减小，汽水分 离比较困难，锅筒水室中不可避免地含有较多的蒸汽，而由省煤器送入锅 筒水室的水则具有一定的欠焓。因此，亚临界锅炉锅筒水室中存在着蒸汽 的凝结过程，使水冷壁的实际蒸发量大于从锅筒引出的饱和蒸汽量。在锅 筒水室中被凝结的蒸汽量就称为锅筒水室凝汽量，记作ΔD
上升管侧压差 Yss p2 p1 Hhug Pss , Pa
稳定工况下 Yxj Yss
得
H xj hu g Pxj Pss , Pa
自然循环的实质是由重位压差造成的循环推动力克服了上升系统和下 降系统的流动阻力，推动工质在循环回路中流动。而自然循环锅炉的“循 环推动力”是由“热”产生的，即由于水冷壁管吸热，使水的密度ρxj 改变 成为汽水混合物的密度ρ hu ，并在高度为H的回路中形成了重位压差。
循环流动的停滞、倒流或膜态沸腾一般导致管子金属内壁面上的连续水 膜被破坏，即由水冷壁管内壁面由水的冷却变为汽的冷却，使冷却能力急剧 下降，从而出现传热恶化，引起管壁工作温度超过金属材料的允许温度。超 温严重时，管子强度下降，承压能力下降。这时，由于管内工质压力的作用， 导致管子局部“鼓包”，管壁变薄，承压能力降低，以致管壁裂口，发生爆 管事故。管外的磨损、腐蚀一般直接导致管子的管壁减薄，同样使管子承压 能力下降，引起爆管。