第九章

自然循環原理及計算

§1、鍋爐水動力學基礎

汽水混合物的流型與傳熱

兩相流體的基本參數

§2、自然循環鍋爐的水循環及計算

自然循環的基本概念

簡單循環回路水循環計算

自然循環故障及其可靠性校驗2/1/20231PrinciplesofBoiler§1鍋爐水動力學基礎1、兩相流體的流動結構2、水冷壁管內傳熱3、兩相流體的速度4、兩相流體的含汽率5、兩相流體的密度2/1/20232PrinciplesofBoiler自然循環2/1/20233PrinciplesofBoiler

彈狀結構含汽率x增大，汽泡開始合并成彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈1/41、兩相流體的流動結構

泡狀結構當汽水混合物中含汽率x較小時，蒸汽呈細小的汽泡，主要在管子中心部分向上運動

汽水混合物在垂直管中作上升運動

汽、液兩相數量，即質量含汽率x不斷變化；汽、液兩相間存在相對運動；產生汽泡趨中效應2/1/20234PrinciplesofBoiler

霧狀結構當含汽率x再增大時，管壁上水膜變薄，汽流將水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被帶走，汽與水形成霧狀混合物，稱為霧狀或液霧結構兩相流體的流動結構

柱狀結構

含汽率x繼續增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子中心流動，而水則成環狀沿著管壁流動，形成汽柱狀或稱水膜環狀流動結構2/42/1/20235PrinciplesofBoiler兩相流體的流動結構

汽水混合物在水平管中流動

在浮力與重力作用下，管子上部蒸汽多。當流速小到一定程度時，形成汽、水分層流動。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過熱損壞；在汽水分層的交界面處，由于汽水波動，產生疲勞損壞。

3/4

汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的傾角愈小，汽水分層愈易發生。對自然循環鍋爐，管子傾角應大于30，以防止發生分層流動。2/1/20236PrinciplesofBoiler

水冷壁管內飽和沸騰可分為核態沸騰和沸騰傳熱惡化兩種工況

2、水冷壁管內傳熱

核態沸騰

汽泡強烈擾動，傳熱性能良好，管內壁溫度接近于水的飽和溫度，得到良好的冷卻

沸騰傳熱惡化

第一類傳熱惡化（膜態沸騰）

熱負荷很高，管內壁汽化核心急劇增加，形成連續的汽膜，對流放熱系數α2急劇下降，管壁得不到液體冷卻超溫破壞。特性參數為臨界熱負荷

第二類傳熱惡化（蒸干）

熱負荷比前者低、但含汽率很高時（出現液霧狀），汽流將水膜撕破或因蒸發使水膜部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻，對流放熱系數α2急劇下降，金屬壁溫tb

急劇增加，特性參數是工質的臨界含汽率。4/42/1/20237PrinciplesofBoiler3、兩相流體的速度

質量流速單位時間流經單位流通截面的工質質量

循環流速w0

上升管開始沸騰處的飽和水的質量流速式中：G為工質的質量流量；為容積流量1/42/1/20238PrinciplesofBoiler兩相流體的速度

折算速度假定蒸汽或水容積占據管子全部截面時的速度

D為蒸汽質量流量

混合物速度

真實速度2/42/1/20239PrinciplesofBoiler4、兩相流體的含汽率3/4

容積含汽率

蒸汽容積流量與汽水混合物容積流量之比

質量含汽率X

汽水混合物中蒸汽的質量流量與汽水混合物總質量流量之比

截面含汽率φ

蒸汽所占截面與管子總截面之比上升流動C<1,φ<β；下降流動C>1,φ>β2/1/202310PrinciplesofBoiler4/45、兩相流體的密度G、Di→Xi→βi→φi→ρi→hρig（重位壓頭）

混合物密度ρh

真實密度ρzs2/1/202311PrinciplesofBoiler§2自然循環鍋爐的水循環及計算1、自然循環的基本概念2、簡單回路水循環計算3、自然循環故障及安全性檢查2/1/202312PrinciplesofBoiler自然循環2/1/202313PrinciplesofBoiler

簡單循環回路壓差平衡式(取向下為正)

自然循環的工作原理下降管中水與上升管中汽水混合物間的重位壓頭差使水在回路中產生環形流動，水循環1、自然循環的基本概念1/2式中H、Hi―下降管的高度（即循環回路的高度）及上升管各區段的高度，m；

―下降管中工質及上升管各區段工質的平均密度，kg/m3；

Pxj、Ps―下降管及上升管流動阻力損失，Pa2/1/202314PrinciplesofBoiler自然循環的基本概念

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2/2

循環倍率K循環回路中水流量G與回路中產生的蒸汽量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2/1/202315PrinciplesofBoiler2、簡單回路水循環計算1/10

自然循環鍋爐水循環計算的目的

確定各回路平均循環流速w0、工質流量G；循環倍率Kh

確定鍋爐總的循環倍率Kg

檢驗水循環的可靠性

壓差法水循環計算2/1/202316PrinciplesofBoiler

上升管受熱,含汽率X不斷增加，分區段進行計算，把結構、受熱相近的劃為一段。A是上升管開始沸騰點

熱水段Hrs從下聯箱到A點是熱水段，其中Hrq為熱前段。采用單相流動計算公式上升管進入爐膛（B點），水具有一定欠焓，開始沸騰點A的位置需計算確定

含汽段Hq

熱水段以外的上升管管段均為含汽段，采用兩相流體公式進行計算2/10上升管區段的劃分2/1/202317PrinciplesofBoiler上升管區段的劃分

導汽管不受熱，含汽率不變對引入汽包汽空間的導汽管，導汽管最高點到超過水位那一段高度為提升段高度Hcq，應與導汽管分開計算

熱后段Hrh

上升管離開爐膛到上聯箱間管段，該管段不受熱，若>10％上升管總長，則分開單獨計算

當熱負荷、管徑或管傾斜角度變化較大、水冷壁敷設衛燃帶時含汽段應再分段3/102/1/202318PrinciplesofBoiler上升管進入爐膛處（B點）

工質欠焓式中為飽和水的焓值隨壓力增大而增大的梯度kJ/（kg·Pa）

B點工質欠焓不考慮下降管受熱和帶汽4/10

開始加熱點B工質欠焓△hB

鍋水欠焓式中、分別為飽和水焓和鍋水焓；

為省煤器出口水焓2/1/202319PrinciplesofBoiler上升管進入爐膛處（B點）

工質欠焓

B點工質欠焓△hB

靜壓變化p

式中：Δpxj、Δprq—

分別為下降系統及熱前段流動阻力，Pa；

p1、p2—

分別為汽包壓力及爐膛入口B處壓力，Pa5/102/1/202320PrinciplesofBoiler熱水段高度Hrs的計算

ΔH段工質因壓力減少而引起飽和水焓的減少量

6/10

ΔH段高度開始沸騰點A工質欠焓△hA為零在不考慮下降管受熱和帶汽的情況下

H1為受熱一段高度；Q1、G分別為受熱一段吸熱量和工質流量

ΔH段工質吸熱引起的焓增2/1/202321PrinciplesofBoiler熱水段高度Hrs的計算

熱水段高度Hrs

ΔH段高度7/102/1/202322PrinciplesofBoiler簡單回路水循環計算程序

（圖解法）

結構數據按鍋爐有關圖紙查取

熱力數據按鍋爐熱力計算書查取

畫出蒸發受熱面汽水系統圖確定上升系統與下降系統的分界點

分配熱負荷根據爐內熱負荷分布曲線，確定每個回路各區段的熱負荷及蒸發量Di

選擇整臺鍋爐循環倍率假設值Kg，算出鍋水欠焓假設值△hqh

劃分循環回路管屏分組（劃分計算回路），上升管分段8/102/1/202323PrinciplesofBoiler9/10

假定三個循環流速w0

計算熱水段高度Hrsi

計算密度w0i→Gi、Di→Xi→βi→φi→ρi

計算重位壓頭hiρig

計算上升管流動阻力確定上升管系統壓差計算下降管流動阻力確定下降管系統壓差簡單回路水循環計算程序

（圖解法）2/1/202324PrinciplesofBoiler簡單回路水循環計算程序

（圖解法）

分別作出與曲線，兩曲線的交點即為系統工作點，從而確定該回路總壓差Σ△p0、循環流速w0、循環流量G及循環倍率Kh10/10

校核：鍋水欠焓的計算值與假設值之差不超過12.6kJ/kg，且相對誤差不超過30%，認為合格，否則需要重算

確定整臺鍋爐循環倍率的計算值，鍋水欠焓的計算值W0W0W0（G）W02/1/202325PrinciplesofBoiler3、自然循環故障及安全性檢查(1)自然循環特性(2)自然循環故障及安全性檢查(3)循環停滯、自由水面和倒流現象(4)下降管帶汽與汽化(5)提高自然循環安全性措施2/1/202326PrinciplesofBoiler(1)自然循環特性

自然循環特性

熱負荷與循環流速之間的關系鍋爐熱負荷Q上升，D上升，X上升：上升→S下降→H（’-S）g上升→Syd

上升→w0上升

Δps

上升→w0下降

Q

增加，Syd

增加起主要作用，w0上升；而Q增加過大，阻力增加起主要作用，反使w0下降

1/2

自補償能力

隨鍋爐熱負荷Q(質量含汽率x)的增加，循環回路水流量G(循環水流速w0)相應增大的能力

可避免管壁超溫2/1/202327PrinciplesofBoiler

自然循環特性

界限循環倍率和推薦循環倍率鍋爐壓力(Mpa)3.92～5.8810.2～11.7613.73～15.6916.67～18.63鍋爐蒸發量(t/h)35～240160～420400～670≥800界限循環倍率Kjx

1053>2.5推薦循環倍率15～257～154～84～6

循環倍率K

衡量鍋爐水循環可靠性的指標之一

K過大（x過小)，運動壓頭太小，可能出現循環停滯等水循環故障；

K過小（x過大），將失去自補償能力，造成管壁超溫

2/2

界限循環倍率Kjx

對應自然循環失去自補償能力（最高循環流速）時的循環倍率

回路循環倍率K應大于界限循環倍率Kjx

，對應的質量含汽率X應小于臨界質量合汽車Xlj

2/1/202328PrinciplesofBoiler(2)自然循環故障及安全性檢查

自然循環鍋爐蒸發受熱面金屬安全工作的條件是保證管子內壁有連續水膜覆蓋受熱最弱上升管不出現流動的停滯、倒流、汽水分層等水循環故障；受熱最強上升管不發生沸騰傳熱惡化下降管不出現帶汽或汽化

自然循環鍋爐在壓力低于11MPa或受熱管局部熱負荷低于400kw／m2時一般不會出現傳熱惡化，正常水力工況破壞是蒸發管過熱的主要原因。

自然循環大型鍋爐在亞臨界壓力，因含汽率較高，（鍋爐容量增大，爐膛周界相對減小，水冷壁根數減少而長度增加），循環倍率較低，有可能出現第二類傳熱惡化1/32/1/202329PrinciplesofBoiler

并聯的上升管組在共同的壓差∑Δps

下運行。當管組中各管受熱不均勻時，受熱弱的管中含汽率少，運動壓頭小，可能發生水循環故障。循環停滯、自由水面和倒流現象

上升管引入汽包水空間當受熱弱的管中水流量等于蒸發量，即G=D時，將出現循環停滯現象

上升管引入汽包汽空間

發生循環停滯時管中工質無法到達上升管的最高點，出現自由水面。自由水面以下區域，產生少量蒸汽，以上的區域為緩慢流動的蒸汽

上升管引入汽包水空間當管組壓差Δp

小于受熱弱管子液柱重Hsg

時，受熱弱的管中的水就自上往下流，稱為倒流。2/32/1/202330PrinciplesofBoiler

循環停滯汽泡通過基本靜止的水面上浮，管子彎頭處蒸汽積累，出現自由水面時，水面以上管壁與蒸汽接觸，均使冷卻能力下降，管子易超溫爆管；自由水面上下波動，還會引起疲勞破壞循環停滯、自由水面和倒流危害

倒流當水的倒流速度與汽泡上浮速度相等，即汽泡處于上、下波動狀態而形成蒸汽塞時，管子超溫。3/32/1/202331PrinciplesofBoiler

汽包中的水進入下降管時，因流阻和加速產生壓降使進口處發生自汽化(3)下降管帶汽與汽化

下降管進口截面上部形成渦漩漏斗狀，蒸汽被吸入下降管中

汽包水容積內所含蒸汽被帶入下降管中

下降管受熱產生蒸汽1/1

下降管帶汽或汽化，工質密度減小，運動壓頭下降。2/1/202332PrinciplesofBoiler(4)提高自然循環安全性措施

減小并聯管子吸熱不均

保持爐內溫度場均勻設計時將整面水冷壁劃分為若干個獨立的循環回路；采用四角布置燃燒器；將爐膛四角上1～2根管子取消或將爐膛設計成八角形運行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管積灰和結渣；限制最小負荷，避免因部分燃燒器停用造成更大的吸熱不均沿高度方向采用多個小功率燃燒器；減小爐內熱偏差，避免局部熱負荷過高

降低汽水導管和下降管中的流動阻力，提高循環流速和循環倍率可采用增加管子的流通截面、采用大直徑的管子、減少管子的長度和彎頭等措施1/42/1/202333PrinciplesofBoiler提高自然循環安全性措施

水冷壁管采用適當的管徑較小的管徑可以節省金屬耗量；但從水循環安全方面考慮，應維持足夠大的循環流速W。和不太高的含汽率X，故大容量鍋爐不應采用過小的管徑

在一定