自然循環和強制循環鍋爐NaturalcirculationandForcedcalculationboiler自然循環和強制循環鍋爐Naturalcirculation自然循環基本原理定義：閉合的回路中，由工質自身的密度差造成的重位壓差推動工質流動的現象。重位壓差來源：

下降管不吸熱，密度大上升管吸熱汽化成汽水混合物，密度小自然循環基本原理定義：閉合的回路中，由工質自身的密度差造成的自然循環回路總壓差下降管側

上升管側

水在回路中循環流動時：

下降管側壓差Yxj等于上升管側壓差Yss(取向下為正)自然循環回路總壓差下降管側水在回路中循環流動時：

下降管側自然循環回路總壓差

運動壓頭Syd

下降管與上升管中工質柱重差，維持回路自然循環的動力，用以克服下降管與上升管中工質的流動阻力自然循環回路總壓差運動壓頭Syd自然循環回路總壓差

循環倍率K

循環回路中：水流量G與蒸汽量D之比，即1kg水全部變成蒸汽需在回路中循環多少次

有效壓頭Syx

在數值上等于下降管的阻力自然循環回路總壓差循環倍率K

循環回路中：水流量G與蒸汽影響自然循環的因素自然循環的實質：

重位壓差—循環推動力

克服上升系統和下降系統的流動阻力

推動工質在循環回路中流動由于水冷壁管吸熱

使水的密度ρxj改變成為汽水混合物的密度ρhu

并在高度為H的回路中形成了重位壓差。影響自然循環的因素自然循環的實質：

重位壓差—循環推動力回路高度越高，形成的循環推動力越大。水冷壁管吸熱強度越大、密度差越大，形成的循環推動力越大。在正常循環情況下，吸熱越多，密度差越大，工質循環流動速度越高工質的壓力越高，汽、水的密度差降低，工質循環流動速度越低。影響自然循環的因素回路高度越高，形成的循環推動力越大。影響自然循環的因素汽水兩相流的流型泡狀流彈狀流環狀流霧狀流汽水兩相流的流型泡狀流彈狀流環狀流霧狀流汽水兩相流的流型泡狀流：連續液相中,分散散存在著小汽泡。彈狀流：汽泡濃度增大，小汽泡聚合成大汽泡，直徑逐漸增大。汽泡直徑接近于管子內徑時，形成彈狀流。汽水兩相流的流型泡狀流：連續液相中,分散散存在著小汽泡。汽水兩相流的流型環狀流：汽彈內壓力增大，汽泡破裂，液相沿管壁流動，形成一層液膜；汽相在管子中心流動，夾帶著小液滴。霧狀流：管子壁面上的水膜完全蒸干時，蒸干點的質量含汽率x=0.8，即蒸汽中仍然夾帶著小液滴，形成霧狀流。自然循環鍋爐的蒸發管中，因為限制x≤0.4，所以一般不會出現霧狀流。汽水兩相流的流型環狀流：汽彈內壓力增大，汽泡破裂，液相沿管壁汽水兩相流的流型單相水的流動（A段）：水溫↑，未至飽和溫度，無蒸汽。過冷氣泡狀流動（B段）：緊貼管子內壁面的水溫↑至飽和并產生汽泡，管子中部水仍欠熱，平均水溫tg逐漸升高。汽水兩相流的流型單相水的流動（A段）：水溫↑，未至飽和溫度，汽水兩相流飽和汽泡狀流動（C段）——全部工質至飽和溫度，汽泡不再凝結，含汽量從x=0開始逐漸增大。彈狀流動（D段）——隨著含汽量增大，汽泡聚合成彈狀，溫度保持飽和溫度。汽水兩相流飽和汽泡狀流動（C段）——全部工質至飽和溫度，汽泡汽水兩相流環狀流動（E段）——含汽量↑，汽彈連接成柱，形成環狀流動。環狀流動后期，中部汽流增加，流速升高，蒸汽開始攜帶水滴。霧狀流動（F段）——含汽量很大，壁面水膜蒸干，成為蒸汽帶水滴霧狀流動。溫度仍為飽和溫度。汽水兩相流環狀流動（E段）——含汽量↑，汽彈連接成柱，形成汽水兩相流環單相汽流動（G段）——該段起始點水滴已全部蒸干，x=1，蒸汽進入過熱狀態，溫度開始上升。隨著壓力增加，汽彈狀流動逐漸消失，到10MPa以上，汽彈狀流動已不復存在。隨著工質含汽量增加，由汽泡狀流動直接轉變為汽柱狀流動。自然循環鍋爐正常工作時，其質量含汽率小于2~20%，處于汽泡狀流動工況。汽水兩相流環單相汽流動（G段）——該段起始點水滴已全部蒸干，汽水兩相流傳熱-核態沸騰水冷壁管受熱時，在管子內壁面上開始蒸發，形成許多小汽泡。蒸發管內小汽泡不斷在管子內壁上的汽化核心上產生和離開,鍋水及時填補到汽泡脫離的位置而冷卻壁面。如果此時管外的熱負荷不大，小汽泡可以及時地被管子中心水流帶走，并受到“趨中效應”的作用力，向管子中心轉移，而管中心的水不斷地向壁面補充。汽水兩相流傳熱-核態沸騰水冷壁管受熱時，在管子內壁面上開始蒸汽水兩相流傳熱惡化沸騰傳熱惡化分為第一類沸騰傳熱惡化和第二類沸騰傳熱惡化兩類。第一類沸騰傳熱惡化（發生在x較低處），也稱作脫核態沸騰

（Departurefromnucleateboiling(DNB)）因管壁形成汽膜導致的沸騰傳熱惡化稱為第一類傳熱惡化，或稱膜態沸騰，它是由于熱負荷太高造成。此時，管壁溫度迅速上升。多數情況下管壁過熱而燒壞。開始發生核態沸騰偏離時的熱負荷稱臨界熱負荷。汽水兩相流傳熱惡化沸騰傳熱惡化分為第一類沸騰傳熱惡化和第二類汽水兩相流傳熱惡化第一類沸騰傳熱惡化（發生在x較低處），也稱作脫核態沸騰

汽水兩相流傳熱惡化第一類沸騰傳熱惡化（發生在x較低處），也稱汽水兩相流傳熱惡化第二類沸騰傳熱惡化(發生在x較高處)：因管壁水膜被“蒸干”導致的沸騰傳熱惡化稱為第二類沸騰傳熱惡化。原因：汽水混合物中含汽率太高所致。汽水兩相流傳熱惡化第二類沸騰傳熱惡化(發生在x較高處)：因管傳熱惡化分析類型x熱負荷鍋爐類型管壁溫度溫度波動第一類小大超臨界飛升大無第二類大小亞臨界上升小有傳熱惡化分析類型x熱負荷鍋爐類型管壁溫度溫度波動第一類小大超特性參數-定義自己學習特性參數(G-總流量:kg/s;D-蒸汽流量:kg/s)質量流速:kg/(m2s)循環流速(上升管入口):m/s折算流速

蒸汽折算流速:m/s

水折算流速:m/s特性參數-定義自己學習特性參數(G-總流量:kg/s;D汽水混合物的容積流量為V＝V＇＋V〃汽水混合物的流速whu入口上面水上面汽特性參數-定義自己學習汽水混合物的容積流量為V＝V＇＋V〃汽水混合物的流速wh汽水混合物的流速whu質量含汽率：汽的質量占汽水混合物的質量比特性參數-定義自己學習汽水混合物的流速whu質量含汽率：汽的質量占汽水混合物的質量容積含汽率：汽的容積占汽水混合物的容積比特性參數-定義自己學習容積含汽率：汽的容積占汽水混合物的容積比特性參數-定義自己學截面含汽率：汽的面積與管子總截面積之比特性參數-定義自己學習截面含汽率：汽的面積與管子總截面積之比特性參數-定義自己學習兩相流的密度—流量密度特性參數-定義自己學習兩相流的密度—流量密度特性參數-定義自己學習兩相流的密度—真實密度特性參數-定義自己學習兩相流的密度—真實密度特性參數-定義自己學習流動阻力計算重位壓降摩擦壓降加速壓降工質壓降包括：重位、摩擦、加速壓降流動阻力計算重位壓降摩擦壓降加速壓降工質壓降包括：重位、摩擦流動阻力兩相流體流動阻力=

液相水與管壁的摩擦阻力

+

汽相和液相之間的相對速度引起的摩擦阻力。汽液兩相流動的阻力>比單相水的流動阻力。兩相流體流動阻力計算：

采用單相流體流動阻力計算公式

帶入均勻混合的汽水混合物的流速和密度

用修正系數考慮汽液相對速度和流型的影響。流動阻力兩相流體流動阻力=

液相水與管壁的摩擦阻力

流動阻力兩相流動的摩擦阻力計算公式為——兩相流體摩擦阻力修正系數

，由試驗確定，＝f(w,x,p)(1)w＝1000kg/(m2·h)國內采用的方法是：＝１

(2)w＜1000kg/(m2·h)(3)w＞1000kg/(m2·h)流動阻力兩相流動的摩擦阻力計算公式為——兩相流體摩擦阻力修兩相流體的重位壓降蒸發管中沿管子高度方向上，汽水混合物的密度是不斷變化的，兩相流體的重位壓降的計算，應該根據密度的變化分段計算或采用積分計算方法進行。工程上常采用分段計算

（截面含汽率φ）兩相流體的重位壓降蒸發管中沿管子高度方向上，汽水混合物的密度兩相流體的加速壓降工質受熱引起動量增加引起的靜壓降低

——加速壓降。兩相流體的加速壓降工質受熱引起動量增加引起的靜壓降低

水循環可靠性計算-循環倍率循環倍率：上升管循環水量與出口蒸汽量之比。

1kg水全部變成蒸汽在循環回路中循環的次數。

質量含汽率是出口蒸汽量與循環水量之比。1Kx=循環倍率與質量含汽率互為倒數。循環倍率越大，出口的含汽率越低，管壁水膜對管壁的冷卻效果越好。水循環可靠性計算-循環倍率循環倍率：上升管循環水量與出口蒸汽水循環可靠性計算-流速特性參數

G-總流量:kg/s;D-蒸汽流量:kg/s)質量流速:kg/(m2s)循環流速(上升管入口):m/s水循環可靠性計算-流速特性參數

G-總流量:kg/s;D水循環可靠性計算-界限含汽率自補償能力

—熱負荷低，產汽量少，循環流速低。

—熱負荷高，產汽量多

上升的運動壓頭增大

流速增加，流動阻力增加

（與流速平方正比）最大循環流速對應的含汽率X

稱之為界限含汽率界限含汽率水循環可靠性計算-界限含汽率自補償能力

—熱負荷低，產汽量少水循環可靠性計算-界限含汽率自補償能力當上升管的含汽率低于界限含汽率時，熱負荷增加，循環水量和循環流速都增加若熱負荷過大，增加熱負荷反而導致循環流速減小。

界限含汽率水循環可靠性計算-界限含汽率自補償能力界限含汽率水循環可靠性計算-循環倍率循環倍率的推薦范圍 保證鍋爐具有自補償性；

不出現傳熱惡化的最小循環倍率 推薦的循環倍率大于界限值，又不偏離太遠

避免循環流速過低

不能足夠冷卻下部熱負荷較大的區域水循環可靠性計算-循環倍率循環倍率的推薦范圍循環倍率循環倍率機組容量/主汽壓力循環倍率循環倍率機組容量/主汽壓力水循環可靠性計算水循環計算：

新設計鍋爐、舊有鍋爐結構發生大的改動。校驗循環系統是否安全可靠。水循環可靠性計算水循環計算：

新設計鍋爐、舊有鍋爐結構發生大水循環計算：從水冷壁下聯箱為起點的整個上升管熱前hrq熱水hrs含汽hhq熱后hrh動壓hd阻力hc上升管：水冷壁下聯箱到汽包熱前段：不受熱熱水段：靜壓升高及省煤器出口水不飽和，不立刻沸騰，需吸熱達到飽和溫度，上升管內單相水。含汽段：含汽段是上升管的主要區段。管內汽水混合物密度大小變化較大，應根據吸熱強度或管子直徑、管子傾斜度將含汽段分成若干段分別計算。熱后段：不吸熱，管內汽水混合物的密度不變。動壓段：上聯箱到汽包水位，產生運動壓頭。阻力損失段：汽包水位上的部分。水循環計算：從水冷壁下聯箱為起點的整個上升管熱前hrq熱水h兩種水循環計算方法：壓差法、壓頭法我國《電站鍋爐水動力計算方法》熱水段：靜壓升高及省煤器出口水不飽和，不立刻沸騰，需吸熱達到飽和溫度，上升管內單相水。含汽段：含汽段是上升管的主要區段。管內汽水混合物密度大小變化較大，應根據吸熱強度或管子直徑、管子傾斜度將含汽段分成若干段分別計算。熱后段：不吸熱，管內汽水混合物的密度不變。動壓段：上聯箱到汽包水位，產生運動壓頭。阻力損失段：汽包水位上的部分。兩種水循環計算方法：壓差法、壓頭法我國《電站鍋爐水動力計算方兩種水循環計算方法：壓差法上升管和下降管的總壓差：

兩種水循環計算方法：壓差法上升管和下降管的總壓差：

兩種水循環計算方法：壓差法上升管總壓差=下降管的總壓差，即壓差法的基本方程。

兩種水循環計算方法：壓差法上升管總壓差=下降管的總壓差，即壓兩種水循環計算方法：壓差法下降管的阻力：兩種水循環計算方法：壓差法下降管的阻力：兩種水循環計算方法：壓差法下降管的阻力：K：粗糙度

碳鋼和珠光體合金鋼取0.06mm，

奧氏體合金鋼取0.008mm。兩種水循環計算方法：壓差法下降管的阻力：K：粗糙度

兩種水循環計算方法：壓差法上升管的重位壓降：φ：截面含汽率兩種水循環計算方法：壓差法上升管的重位壓降：φ：截面含汽率兩種水循環計算方法：壓差法上升管的流動阻力：ψ：摩擦阻力校正系數兩種水循環計算方法：壓差法上升管的流動阻力：ψ：摩擦阻力校正兩種水循環計算方法：壓差法上升管的分離器阻力：兩種水循環計算方法：壓差法上升管的分離器阻力：兩種水循環計算方法：壓差法上升管的加速壓降：兩種水循環計算方法：壓差法上升管的加速壓降：兩種水循環計算方法：壓差法水循環的求解：試算法和圖解法。試算法：計算機的發展為試算法帶來巨大方便

假定一個初始循環流速；

計算下降管的總壓差；計算上升管的總壓差；下降管總壓差與上升管總壓差對比，通過二者的差值修正初始循環流速，重新計算，直到誤差滿足要求。兩種水循環計算方法：壓差法水循環的求解：試算法和圖解法。兩種水循環計算方法：壓差法水循環的求解：試算法和圖解法。圖解法

給定三個不同的循環流速w01、w02、w03分別計算三個對應的下降管總壓降:上升管總壓降：兩種水循環計算方法：壓差法水循環的求解：試算法和圖解法。下降兩種水循環計算方法：壓差法上升管的總壓降曲線與下降管的總壓降曲線的交點就是循環回路的循環流速w0。兩種水循環計算方法：壓差法上升管的總壓降曲線與下降管的總壓降自然循環常見故障及提高安全性措施循環流速的計算：以許多并聯管的平均值為基礎。

實際運行過程中，不同并聯管之間的工作條件存在一定差別，甚至較大差別。

可能破壞水循環的正常運行。自然循環常見故障及提高安全性措施循環流速的計算：以許多并聯管自然循環常見故障水循環故障：因為水循環不正常導致爐管損壞的現象，主要包括：

循環停滯

循環倒流

出現自由水面

汽水分層自然循環常見故障水循環故障：因為水循環不正常導致爐管損壞的現自然循環常見故障循環停滯

并聯管中，受熱弱的管子產汽量少，循環流速低。當低到進入管中的循環水量等于產汽量時，稱為循環停滯。

由于水的流速低，產生的氣泡會發生局部聚集，此處的管壁不能得到足夠的冷卻發生失效。自然循環常見故障循環停滯

自然循環常見故障循環倒流

并聯管中，受熱弱的管子的重位壓降大于大于回路的工作壓差。此時，該受熱弱的管子內部工質水由上向下流動。該上升管變成了下降管。

如果不受熱，管內工質的密度與下降管的密度相同，必定成為下降管。

如果下流的速度高，帶動汽泡下流，能夠足夠冷卻水冷壁，

如果下流速度小，汽泡不下流而停滯，水冷壁得不到足夠冷卻而失效。自然循環常見故障循環倒流

并聯管中，受熱弱的管子的重位壓降自然循環常見故障汽水分層：汽水混合物在水平或微傾斜管內流動時，如果流速過低，汽水混合物不能充分混合，由于二者密度差導致分層，水在下部流動、汽在上部流動的現象。

發生汽水分層時，汽側管壁溫度明顯高于水側溫度。可能造成汽側管壁超溫失效。

由于波動汽水分界面處管壁溫度交替變化會產生交變應力。

自然循環常見故障汽水分層：汽水混合物在水平或微傾斜管內流動時自然循環常見故障下降管含汽

下降管受熱產生蒸汽

下降管入口自汽化

汽進入到下降管

鍋爐壓力突降鍋水自汽化

自然循環常見故障下降管含汽

下降管受熱產生蒸汽

下降管入自然循環常見故障下降管含汽的危害

下降管內的比容增加，下降流動阻力增加；

下降管內的工質密度降低，克服上升管的流動阻力減小；

下降管內的汽進入下聯箱后，水冷壁并聯管流量分配不均，加劇熱偏差。

上述不利因素都可能導致水冷壁管得不到足夠冷卻而失效。自然循環常見故障下降管含汽的危害

下降管內的比容增加，下降自然循環常見故障下降管入口鍋水自汽化PΔPzw為避免汽進入下降管，必須保證汽包一定高的的水位自然循環常見故障下降管入口鍋水自汽化PΔPzw為避免汽進入下自然循環常見故障大型自然循環鍋爐水循環安全問題

集中下降管+較高的循環回路+上升管出口較高的含汽率，水冷壁管的流速足夠高，循環停滯和循環倒流的可能性很小。

主要是傳熱惡化問題自然循環常見故障大型自然循環鍋爐水循環安全問題

集中下降管+自然循環常見