第13章-强制流动锅炉

113超临界参数直流锅炉与亚临界参数强制流动锅炉•强制流动锅炉原理及工作特点•直流锅炉蒸发受热面水动力学•直流锅炉蒸发受热面的传热恶化•低循环倍率锅炉•部分负荷复合循环锅炉2自然循环锅炉，最高达18.5MPa，有锅筒强制流动锅炉锅炉按工质在蒸发部分的流动方式分为直流锅炉复合循环锅炉强制循环锅炉13.1强制循环锅炉和直流锅炉工作原理3一、强制循环锅炉、直流锅炉出现原因（1）压力提高，密度差减小，循环推动力下降。（2）汽包体积大，壁厚，制造加工困难。（3）给水处理技术落后和锅内腐蚀严重13.1强制循环锅炉和直流锅炉工作原理4二、强制循环锅炉工作原理和特点第一节强制循环锅炉和直流锅炉工作原理可采用小直径水冷壁，水冷壁可自由布置采用体积较小的高效分离器，可减小汽包直径工质质量流速较高，循环倍率较自然循环小K=35；循环稳定，不易出现循环异常，但可能出现流动不稳定、脉动等工质强制流动，可使各承压部件均匀受热或冷却，缩短锅炉启、停时间5三、直流锅炉工作原理直流锅炉没有汽包，给水在给水泵压头的作用下，顺序流过热水段、蒸发段和过热段受热面一次将给水全部变成过热蒸汽，蒸发区循环倍率K=1技术特点：蒸发受热面结构和汽水系统。6直流锅炉的优点和缺点1．优点1)适合于任何压力，压力越高，稳定性越好；2)无锅筒，重量轻，管径小，支撑简单，钢材耗量少20~25%3)蒸发受热面布置比较自由，不必要一定垂直布置；4)启动快，停炉时间短。2．缺点1）给水泵的耗电大；2）给水品质要求高；3）自动调节性能要求高；4）要用启动旁路系统（在锅炉点火启动的初期，蒸汽不合格，需要旁路掉）。7热水段:水的焓和温度逐渐增高，比容略有加大，压力则由于流动阻力而有所降低蒸发段:汽水混合物的焓继续提高，比容急剧增加，压力降低较快，相应的饱和温度随着压力的降低亦降低一些沿管子长度方向工质参数变化情况过热段:蒸汽焓、温度和比容均增大，压力则由于流动阻力较大而下降更快直流锅炉工作过程8加热、蒸发和过热受热面没有固定的界限，汽温变化大如减小给水量，开始沸腾点前移，加热水段长度L1缩小，蒸发段长度L2也缩小，锅炉受热管总长度不变，故过热段长度L3相对增大，过热汽温上升。直流锅炉工作原理9设有专门的启动系统以便在启动时有足够的水量通过蒸发受热面，保护管壁不致被烧坏起动和停炉速度比较快直流锅炉没有厚壁的汽包，起动和停炉过程中锅炉各部分加热和冷却均匀直流锅炉工作过程特点对燃料、给水和空气的自动控制及调节要求较高直流锅炉的水容积及相应蓄热能力小，对负荷变动较敏感；工质预热、蒸发和过热段间无固定界限，若燃料、给水比例失调，不能保证供给合格蒸汽10蒸发受热面中工质流动过程特点蒸发受热面可能出现流动不稳定、脉动、热偏差，危及锅炉安全运行，可采用在蒸发管进口加装节流圈等措施直流锅炉工作过程特点热化学过程特点对给水品质的要求很高无汽包，不能进行连续排污11直流锅炉工作过程特点传热过程特点：管内换热处于膜态沸腾状态下，管壁可能超温破坏.直流锅炉蒸发受热面中，水要从开始沸腾一直到完全蒸发，X由01汽包锅炉中由于循环倍率高，蒸发受热面出口的蒸汽含量X较低，管内换热属于泡状沸腾，壁温可得到充分冷却12三种类型锅炉工作压力范围及比较自然循环锅炉强制循环锅炉直流锅炉9.8≤P≤15.68安全可靠，最高至19.1MPa高压、超高压15.68P19.6MPa适用任何压力，低压没有优势，P16MPa,临界以上唯一可用对于亚临界参数，三种类型分不出优劣；13三、直流锅炉水冷壁的结构形式（图示）螺旋式优点：一次上升式（UP型）多次上升式现代直流锅炉的管圈形式热偏差最小、布置灵活，水动力稳定性最好。14直流锅炉水冷壁形式主要有螺旋管圈型和垂直上升管屏型是德国、瑞士等国为适应变负荷运行研发而成。螺旋管圈型水冷壁由若干根水冷壁组成管带，沿炉膛四面倾斜上升，无水平段，各管带均匀地分布在炉膛四壁，任一高度上管带的受热几乎完全相同适用于超临界和亚临界压力，燃料适应性广151.螺旋式水冷壁优点：（1）同步经过炉膛内受热最强的区域和受热最弱的区域。（2）没有中间联箱，工质在比体积变化最大的阶段避免了再分配。（3）不受炉膛周界的限制，灵活选择并联工作的管子根数和管径，保证较大的质量流速。16螺旋管圈型水冷壁的特点沿炉膛四周热负荷不均匀影响小管圈内工质可通过选择合适的管子根数和管径以保证足够高的质量流速，以减轻传热恶化的影响工质焓值较高的管带后段，可以布置在炉内热负荷较低区域，对防止管壁超温有利大锅炉宽管带，各管间热偏差较大；支吊困难适用于超临界和亚临界压力，燃料适应性广直流锅炉螺旋管圈型水冷壁17在炉膛折焰角以上采用垂直上升管屏，便于采用全悬吊结构；炉膛上部热负荷较低，两相邻垂直管屏外侧管子的管壁温差较小，不至于造成膜式水冷壁损坏在炉膛高热负荷区采用螺旋管圈型水冷壁，以减小炉内热偏差由于没有中间混合联箱，因此非常适合于滑压运行。直流锅炉螺旋式水冷壁布置182.UP型水冷壁19UP型垂直上升管屏包括一次上升和上升-上升一次上升型（a）给水一次流经全部四面墙水冷壁管屏，没有下降管，管屏沿高度分为上、中和下部三个辐射区，各区段之间设有混合器，用以消除平行管子间的热偏差特点：系统简单，容易实现膜式壁结构，流动阻力小；相邻管屏外侧管间壁温差较小；可采用全悬吊结构；水力特性较为稳定；但对锅炉负荷适应性较差，金属耗量大(a)(b)UP型垂直上升管屏水冷壁20UP型垂直上升管屏包括一次上升和上升-上升上升-上升型（b）炉膛下部高热负荷区域布置两个串联回路，用于提高高热负荷区管内工质质量流速以避免流动异常和传热恶化(a)(b)UP型垂直上升管屏水冷壁21多次垂直上升管屏炉膛下部高热负荷区域减小管屏的宽度，炉外加设下降管，形成多次垂直上升；在上部较低热负荷区，仍采用一次垂直上升管屏该型式适合于300-600MW容量机组。FW型垂直上升管屏为多次垂直上升管屏FW型垂直上升管屏水冷壁22FW型垂直上升管屏水冷壁23一、蒸发受热面安全工作问题1.安全工作条件（1）管壁温度小于材料允许温度（2）相邻管壁温度差50℃13.2直流锅炉蒸发受热面水动力特性二、水动力特性不稳定性（一）水平管圈水动力特性水动力特性：在一定的热负荷下，管屏压差与流量的关系24第二节直流锅炉的水动力特性水动力特性—研究强制流动时并列布置蒸发管的压力降与流量间的关系，关心蒸发受热面工作可靠性。直流锅炉蒸发受热面内的水动力特性的三个问题：1）水动力不稳定性；2）脉动；3）热偏差。25一、直流锅炉水动力不稳定性问题并列管子组成的管系，如果对应于一个压差可能有2~3个流量——则表现为水动力不稳定性。由于出现了水动力特性的多值性，就可能使并列工作的蒸发管中产生流量偏差及热偏差，严重时，使管子烧坏。第二节直流锅炉的水动力特性26第二节直流锅炉蒸发受热面水动力学二、水动力特性不稳定性（一）水平管圈水动力特性水动力特性：在一定的热负荷下，管屏压差与流量的关系（1）特性方程式fzrsppp27第二节直流锅炉蒸发受热面水动力学)()()(23wCwBwAppppfzrs这是一个三次方程，其解可能是多值的，取决于式中A、B、C的值特例：当0i，进口水无欠焓时，A=0，)()(2wCwBp可知：二次曲线为单值性，总是稳定的)(Gfp282.水动力特性单值性条件0)(2)(3)(2CwBwAwdpdAACBBw332如果，032ACB，则不存在实根，即没有极值存在，可得：146.7'qhi第二节直流锅炉蒸发受热面水动力学29第二节直流锅炉蒸发受热面水动力学3.水动力多值性原因物理解释：流量增加相当于冷水一浇，使产生的蒸汽量减少，蒸发段汽水混合物的密度增大，比容减小，汽水两相间的相对速度减小，混合物流速减小，因而阻力减小。因此，将给水流量增加时，有可能使得总压差减小的趋势，导致出现多值性的曲线中，随着流量的增加，而压差减小的现象。30第二节直流锅炉的水动力特性4影响锅炉水动力多值性因素分析（1）欠焓的影响进口欠焓越小，水动力越稳定；)())('2/(02CdLp时i当没有热水段时，蒸发段长度不会发生变化，△P随ρω增加而增加312)压力的影响多值性出现的主要原因是由于汽和水的比容不同，随压力的升高，比容的差值减小，流动趋于稳定。'''vv第二节直流锅炉的水动力特性（ρ’-ρ’’）0时，ΔP＝B（ρω）2是二次方程，所以压力增加，稳定性增加323)热水段阻力增加热水段阻力，可以使水动力特性稳定，因为ΔPrs增加，当质量流速增加时，蒸发段阻力变小时对ΔP影响减小。因而趋向稳定。质量流速越低，越容易发生水动力多值性。流速越小，工质流量分配越不均匀。第二节直流锅炉的水动力特性)()()(23wCwBwAppppfzrs334)热负荷q的影响热负荷越低，越容易发生水动力多值性。热负荷高，相当于热水段减小，水动力特性趋向稳定。热负荷的作用相当于减小欠焓。5)锅炉负荷的影响锅炉负荷越低，越容易发生水动力多值性。作用类似于热负荷。第二节直流锅炉的水动力特性346)重位压头的影响垂直管屏的水动力特性还受重位压头的影响，或能会出现停滞和倒流问题。7)工质的热物理特性当工质处于大比热区且吸热量同时增大时，工质温度变化不大，但比体积发生剧烈变化，引起工质的膨胀量急剧增大，有可能产生水动力不稳定现象。第二节直流锅炉的水动力特性354.稳定水动力特性的方法第二节直流锅炉的水动力特性1)提高质量流速它是提高水动力稳定性的最有效方法。2)提高启动压力3)采用进口加装节流圈将单相流体的阻力特性曲线（二次曲线），叠加在多值的、可能不稳定的曲线上，当节流圈的阻力足够大时，就可得到单调升曲线。36第二节直流锅炉的水动力特性4)减小进口工质欠焓——减小了热水段长度。5）减小受热偏差——热偏差造成流量分配不均，从而引起水动力不稳定。及时吹灰，防止结渣，良好的火焰充满度6）控制下辐射区水冷壁出口温度。为避免工质的比体积剧烈变化，应将工质的大比热区避开热负荷较高的燃烧区。要求控制下辐射区水冷壁出口工质的温度，低于临界温度。7）控制水冷壁热负荷。在亚临界压力下，当负荷一定时，控制水冷壁热负荷实际上控制了蒸发点位置，使热水段和蒸发段的阻力保持稳定；在超临界压力下，则控制了汽水比体积的剧烈变化。37一、蒸发管中的脉动管间脉动管屏间脉动脉动的类型全炉脉动第三节直流锅炉的水动力特性脉动—管中的工质流量呈周期性变化，危害十分严重。但是，脉动的机理还不十分清楚。38三、蒸发管中的脉动（1）判断：当G大时，D小；G小时，D大。在管子中间某一点存在一个压力波动脉动的危害1）使管壁温度发生周期性变化，引起疲劳破坏。2）过热段长度周期性的变化，汽温不易控制，易导致管壁超温。3）工质脉动性流动的冲击作用力和工质汽水体积变化引起管内局部压力波周期性变化，造成管屏的机械振动，引起机械应力破坏。393.脉动的形成机理试验观察：在开始蒸发点附近，管子截面的上半部流动着汽泡，速度低于管子下部的水速，当进口水速较低时，汽泡流动减慢甚至停滞。于是汽泡逐渐变大，使管内局部压力提高，排挤水的流进。局部压力高于管子进口压力时，进口端出现水的倒流；管子出口端工质加速向外流动。工质排出后，管内压力又降低，汽泡被排走。出现脉动，如果脉动性流动不变，则脉动不会衰减，可自动维持。40实际上：管间脉动的主要影响因素之一是：热水段与蒸发段阻力之比。越大，脉动的幅度越小。外因：蒸发开始处的局部热负荷突然升高；内因：由于局部压力的升高，造成工质及金属的蓄热变化。第二节直流锅炉的水动力特性414．防止脉动的具体的技术措施1）提高进口压力：工作压力高，汽水的差别减小，不易发生脉动；2）提高进口工质的流量（满足推荐的最小界限质量流速）,汽泡不容易变大，管内就不会形成较高的局部压力；3）加大加热水段的阻力（加装