第一节蒸发设备

42-1第二节自然循环的流动特性及安全性42-2一、自然循环的基本概念循环动力：密度差重位压差动力主要参数：1.质量流速[kg/(m2•s)]：2.循环流速wo：饱和温度下的水流过水冷壁流通断面时的流速称为循环流速，即3)-(102)-(10s/mwws/mAGwoo也即42-33.含汽率1）质量含汽率：在汽水混合物中，蒸汽的质量流量与汽水混合物的总质量流量之比称为质量含汽率x。2）容积含汽率（不考虑汽和水之间的相对滑动）：蒸汽的容积流量与汽水混合物的容积流量之比称为容积含汽率。4.循环倍率K：循环水流量与蒸汽流量之比42-4二、管内流型及传热区域如图6-8所示，欠热水由管子下部进入，工质沿管长经历了五种流型：单相水的流动（A段）：水温↑，未至饱和温度，无蒸汽。过冷气泡状流动（B段）：紧贴管子内壁面的水温↑至饱和并产生汽泡，管子中部水仍欠热，平均水温tg逐渐升高。42-5饱和汽泡状流动（C段）——全部工质至饱和温度，汽泡不再凝结，含汽量从x=0开始逐渐增大。弹状流动（D段）——随着含汽量增大，汽泡聚合成弹状，温度保持饱和温度。42-6环状流动（E段）——含汽量↑，汽弹连接成柱，形成环状流动。环状流动后期，中部汽流增加，流速升高，蒸汽开始携带水滴。雾状流动（F段）——含汽量很大，壁面水膜蒸干，成为蒸汽带水滴雾状流动。温度仍为饱和温度。42-7单相汽流动（G段）——该段起始点水滴已全部蒸干，x=1，蒸汽进入过热状态，温度开始上升。随着压力增加，汽弹状流动逐渐消失，到10MPa以上，汽弹状流动已不复存在。随着工质含汽量增加，由汽泡状流动直接转变为汽柱状流动。一般，自然循环锅炉正常工作时，其质量含汽率小于2~20%，处于汽泡状流动工况。42-8（二）管内传热区段管内传热取段为垂直管内汽水两相流的传热过程相对于流型划分为路六个区段1、单相水的对流传热区段2、沸腾传热区段3、饱和核态沸腾传热区段4、两相强迫对流传热区段5、液体欠缺对流传热区段6、单相过热蒸汽对流区段Ⅵ42-942-1042-11（三）沸腾传热恶化沸腾传热恶化分为第一类沸腾传热恶化和第二类沸腾传热恶化两类。1.第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处）概念：因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化称为第一类传热恶化，或称膜态沸腾，它是由于热负荷太高造成。此时，管壁温度迅速上升（图6-9中的DNB），多数情况下管壁过热而烧坏。开始发生核态沸腾偏离时的热负荷称临界热负荷。42-12影响临界热负荷的因素分析：（1）质量流速质量流速对临界热负荷的影响有两重性。质量含汽率不变时，质量流速↑，汽量↑，临界热负荷↓。另一方面，质量流速↑，携带蒸汽的速度↑，临界热负荷↑。高压时后者起主要作用。42-13（2）质量含汽率质量含汽率较大时，质量含汽率，临界热负荷。反之则下降。（3）管子进口欠热：在相同的质量流速下，管子进口欠热↑，临界热负荷↑。（4）管子内径：管子内径↑，临界热负荷↑。（5）工质压力压力↑，临界热负荷↓。42-142.第二类沸腾传热恶化(发生在x较高处)概念：因管壁水膜被“蒸干”导致的沸腾传热恶化称为第二类沸腾传热恶化。原因：汽水混合物中含汽率太高所致。42-15临界含汽率的影响因素：（1）热负荷热负荷与临界含汽率关系不大,但临界热负荷↑，管壁温度↑。（2）工质压力工质压力较小时，压力↑，临界含汽率↑；反之则相反。（3）质量流速质量流速，临界含汽率。（4）管径管径，临界含汽率。42-16※对于超高压及以下的自然循环锅炉，在循环正常时，由于热负荷和工质含汽率都较低，不会发生传热恶化。42-17※对于亚临界压力锅炉，水冷壁的临界热负荷仍高于其局部最高热负荷，不会发生第一类传热恶化。但临界含汽率随压力的上升而下降，有可能发生第二类传热恶化。例如：国产DG1000/170-Ⅰ型自然循环锅炉，其水冷壁的最低临界含汽率约0.4，而水冷壁的实际含汽率很接近其临界值，故有可能发生第二类传热恶化。42-18沸腾传热的防护措施：两个途径：防止沸腾传热恶化的发生；把沸腾传热恶化发生位置推移到热负荷较低处，使其管壁温度不超过许用值。42-19（1）保证一定的质量流速（2）降低受热面的局部热负荷（3）管内结构措施42-2042-21三、自然循环的安全性（一）水冷壁安全工作的条件管壁温度：在沸腾传热过程中，管子内壁温度可按下式计算：C12aqttgnb42-22水冷壁在正常运行情况下，管内壁处于核态沸腾传热，放热系数2很大[2=104～105kW/（m2·℃）]，管内壁金属与工质的温差只有20～30℃，比金属的许用温度低得多，水冷壁的工作是足够安全的。例如亚临界压力自然循环锅炉，水冷壁内工质压力约19MPa，饱和温度369℃，管壁金属温度约390℃，水冷壁为20g钢。42-23管内工质保持一定的流速，蒸汽干度一定，管内壁清洁无垢，是保证核态沸腾传热的必要条件。42-24循环倍率的选择：意义：上升管中每产生1kg蒸汽，需要进入上升管的循环水量；或1kg水全部变成蒸汽，在循环回路中需要循环的次数。K的倒数称为上升管出口汽水混合物的干度或质量含汽率，以符号x″表示，故有：x″=1/K=D/G42-25循环倍率K越大，含汽率越小，则上升管出口汽水混合物中水的份额较大，管壁水膜稳定。但K值过大，上升管中汽水量太少。汽水混合物的平均密度增大，运动压头减小。将使循环水速降低，对水循环安全也是不利的。循环回路工作循环倍率应大于界限循环倍率才能保证水冷壁管屏每根管子均匀吸热条件下的安全工作。即KKj(6-7)界限循环倍率与x″有关，K过小，可能产生第一类传热恶化。42-26自补偿特性：在上升管含汽率小于界限含汽率范围内，当受热面热负荷增加，自然循环回路上升管受热增强时，循环水量和循环水速也随着增大进行补偿，这种循环特性称为自补偿性或自补偿能力。42-27自然循环回路作工安全的条件：锅炉应始终工作在自补偿范围内。即上升管的含汽率必须始终小于界限含汽率，而循环倍率则应始终大于界限循环倍率。对于汽包压力大于17MPa的锅炉，上升管出口含汽率还应受到不发生“蒸干”传热恶化的限制。42-28（二）影响水冷壁安全运行的主要因素•管内的影响因素有：–水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀；–水冷壁受热偏差影响导致的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；–汽包水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重的“干锅”。42-29•管外的影响因素有：–燃烧产生的腐蚀性气体对管壁的高温腐蚀；–结渣和积灰导致的对管壁的侵蚀；–煤粉气流或含灰气流对管壁的磨损。42-30•管内的影响因素一般导致管子金属内壁面上的连续水膜被破坏，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。这时由于管内的工质压力的作用，可导致管子局部“鼓包”、裂口，以致发生爆管事故。•管外的因素则是一般直接导致管子的管壁减薄或金属管壁超温，同样使管子承压能力下降，引起爆管或泄漏。42-31（三）蒸发管内的停滞、倒流•1.停滞•水冷壁是将几百根管子并联组合成多个独立的循环回路，循环推动力不同：–吸热强度偏差：由于炉膛中温度场分布不均和不断变化引起。–流量分配偏差：导致每根管子和管屏间的阻力不同。42-32•在管内工质不流动的情况下，汽泡容易聚集在管子的弯头和焊缝处，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。•水循环停滞现象主要发生在受热弱的管子上。42-33•2.倒流•在并联工作的水冷壁管子之间，由于受热不均，上升管之间形成了自然循环回路。这时，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流，工质向下流的管子就叫“倒流管”。从而倒流现象的定义就是：本来应该是工质向上流的上升管，变成了工质向下流的下降管。42-34•当水冷壁受热不均比较严重时，受热最差的管子有时可能出现停滞，有时可能出现倒流。所以，同一根管子出现停滞和倒流以及向上流动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内工质密度的变化而变化的。42-35四、影响循环安全性的主要运行因素自然循环发生不安全的原因有–循环倍率过低–水冷壁管屏受热偏差管的停滞–水冷壁管屏受热偏差管的自由水位–水冷壁管屏受热偏差管的倒流–下降管进口汽化或带汽42-36•（1）水冷壁受热不均或受热强度过高–炉内火焰偏斜–水冷壁局部结渣和积灰受热很弱的管子容易出现停滞或倒流，受热很强的管子可能出现膜态沸腾，其结果都是导致管子局部发生传热恶化，管壁温度升高。42-37（2）下降管带汽或自汽化•下降管入口产生旋涡漏斗时，旋涡中心将有部分蒸汽被水流抽吸进入下降管。•防止下降管带汽的办法：–在下降管入口安装隔栅外–运行时，应注意维持正常的汽包水位。水位过低，下降管入口不但容易产生旋涡漏斗，而且下降管入口处的静压力降低，容易产生水的自汽化。42-38（3）水冷壁管内壁结垢•锅炉运行水质不合格，含盐量超标，当水在管内受热蒸发时，盐分从水中析出，沉积在管壁上，形成盐垢。•结垢的管子管壁温度就升高。这种破坏决不亚于停滞、倒流和膜态沸腾的影响。•水冷壁管内结垢时，流动阻力也随着增大，容易引起停滞或倒流。42-39（5）变负荷速度过快或低负荷运行时间过长•锅炉低负荷运行时，蒸发量减少，水冷壁管内工质密度增大，使水冷壁重位压差减小，循环回路的运动压头减小，循环流速就会降低，因而低负荷运行时的水循环安全性较差。•在快速变负荷，尤其是在快速降负荷时，循环系统内由于压力降低，工质的自汽化过程加快，循环安全性大幅降低。•控制变负荷速度是保证水循环系统安全工作的重要条件之一。42-40五、提高自然循环安全性的措施•水冷壁平行管存在着热偏差，个别管子的循环流速与循环倍率不同程度地小于平均情况下的数值，可能发生循环停滞、倒流或传热恶化等循环事故。42-411.水冷壁管径42-42（二）循环回路中水冷壁管屏的宽度一般，炉膛一面墙的水冷壁分成3~4个或更多的管屏组成。（三）下降管和导汽管