第九章自然循環(huán)原理第一節(jié)自然循環(huán)原理一

自然循環(huán)原理

定義：在一個閉合的回路中，由于工質自身的密度差造成的重位壓差，推動工質流動的現(xiàn)象。

自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)回路是由鍋筒、下降管、分配水管、水冷壁下聯(lián)箱、水冷壁管、水冷壁上聯(lián)箱、汽水混合物引出管、汽水分離器組成的，如圖所示；重位壓差是由下降管和上升管(水冷壁管)內工質密度不同造成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收爐膛內火焰的輻射熱量后，進行蒸發(fā)，形成汽水混合物，使工質密度降低形成的。

靜止狀態(tài)：A-A左側

A-A右側

水在回路中循環(huán)流動時：上式左側為循環(huán)推動力，即運動壓頭，右側為循環(huán)系統(tǒng)流動阻力自然循環(huán)的實質：由重位壓差造成的循環(huán)推動力克服上升系統(tǒng)和下降系統(tǒng)的流動阻力，推動工質在循環(huán)回路中流動。即由于水冷壁管吸熱，使下降管中水的密度xj改變成為上升管中汽水混合物的密度ss，并在高度為h的回路中形成了重位壓差。回路高度越高，且工質密度差越大，形成的循環(huán)推動力越大。工質密度差不僅與壓力有關，而且與水冷壁管吸熱強度有關。在正常循環(huán)情況下，吸熱越多，密度差越大，工質循環(huán)流動速度越高；而壓力越高，汽、水的密度差降低，工質循環(huán)流動速度越低。

一汽液兩相流的流型第二節(jié)汽液兩相流型及傳熱核態(tài)沸騰：水冷壁管受熱時，在管子內壁面上開始蒸發(fā)，形成許多小汽泡。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。膜態(tài)沸騰（偏離核態(tài)沸騰DNB）：如果管外的熱負荷很高，汽泡生成的速度大于汽泡脫離壁面的速度，汽泡就會在管子內壁面上聚集起來，形成蒸汽膜，將管子中心的水與管壁隔開，使管子壁面得不到水膜的直接冷卻，導致管壁超溫。也稱為第一類傳熱惡化。過渡沸騰：由核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰開始轉變的過程膜態(tài)沸騰有可能發(fā)生在環(huán)狀流動階段，當熱負荷進一步提高時，也可能發(fā)生在泡狀流動階段，特別是可能發(fā)生在過冷沸騰階段。二蒸發(fā)管內的傳熱膜態(tài)沸騰一般發(fā)生在亞臨界參數(shù)鍋爐水冷壁管內。這是因為水的汽化潛熱隨著壓力提高而大幅度減小，使得亞臨界參數(shù)下在水冷壁管內壁面附近流體邊界層中的水更容易汽化，即容易形成更多的汽化核心，因而產生膜態(tài)沸騰的機會相應增加。膜態(tài)沸騰的產生取決于水冷壁管外的熱負荷、管內工質的質量含汽率、管內的質量流速、工質壓力、管徑等多種因素。但主要取決于水冷壁的熱負荷與質量含汽率。運行和試驗證明，盡管亞臨界參數(shù)鍋爐水冷壁管出口汽水混合物的質量含汽率一般只達到0.3~0.4，但發(fā)生傳熱惡化的可能性較大。采用內螺紋管水冷壁可抑制膜態(tài)沸騰內螺紋管抑制傳熱惡化的作用鰭片光管：x=0.3，壁溫開始飛升x=0.6，壁溫達到第一個高峰點，此后壁溫略有下降，x=0.8，出現(xiàn)蒸干,管壁溫度再次出現(xiàn)飛升。內螺紋管：x=0.8，壁溫才開始飛升。說明內螺紋管具有顯著的抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。第二類傳熱惡化：“蒸干”管內含汽率x達到一定數(shù)值時，貼壁水膜被被中心汽流撕破或蒸干，管壁得不到水的冷卻，放熱系數(shù)明顯下降，導致傳熱惡化。在自然循環(huán)鍋爐的水冷壁中，正常運行狀態(tài)下不會出現(xiàn)“蒸干”導致的傳熱惡化。在非正常運行狀態(tài)下一旦出現(xiàn)第二類傳熱惡化，雖然開始時壁溫并不太高，但含鹽量較高的爐水水滴潤濕管壁時，鹽分沉積在管壁上，也會造成傳熱惡化。亞臨界壓力的自然循環(huán)鍋爐，其水冷壁內工質的實際含汽率很接近其臨界含汽率，故有可能發(fā)生第二類傳熱惡化。直流鍋爐一定會出現(xiàn)第二類傳熱惡化。質量流速ρw

：單位時間內流經(jīng)單位流通截面的工質質量稱為質量流速第四節(jié)自然循環(huán)可靠性指標循環(huán)流速w0:在飽和水狀態(tài)下進入上升管入口的水的流速。質量含汽率x:上升管中蒸汽所占循環(huán)流量的份額,或汽水混合物中蒸汽所占的份額。

循環(huán)倍率Ｋ:循環(huán)回路中，進入上升管的循環(huán)水量G與上升管出口蒸汽量D之比，稱為循環(huán)倍率，其意義就是上升管中實際產生一公斤蒸汽需要進入多少公斤水循環(huán)倍率K越大，含汽率x愈小，則上升管出口汽水混合物中水的份額較大，管壁水膜穩(wěn)定，對管壁冷卻作用較好。所以，經(jīng)常用循環(huán)倍率來評定鍋爐水循環(huán)是否安全。但是K值過大，上升管產汽量太少，上升管內工質的平均密度增大，循環(huán)回路的運動壓頭減小，將使循環(huán)流速降低，對水循環(huán)安全也不利。在一定上升管含汽率范圍內，自然循環(huán)回路中上升管受熱增強時，循環(huán)水量和循環(huán)流速也隨之增大（循環(huán)推動力增大），這種循環(huán)特性稱自補償能力；但熱負荷太大時，含汽率超過一定值，由于流動阻力的快速增加使循環(huán)水流速反而減小，則會失去自補償能力。最大循環(huán)流速對應的循環(huán)倍率稱為界限循環(huán)倍率。為了保證自然循環(huán)回路的工作安全，鍋爐上升管的含汽率必須始終小于界限含汽率，而循環(huán)倍率則應始終大于界限循環(huán)倍率。界限循環(huán)倍率和循環(huán)倍率的推薦值汽包壓力（MPa）2～34～610～1214～1617～19蒸發(fā)量（t/h)20～20035～240160～420185～670≥800循環(huán)倍率推薦值K燃煤45～6515～258～155～84～6燃油12～207～124～63.5～5界限循環(huán)倍率Kjx10532.5一水循環(huán)常見故障1.循環(huán)停滯水冷壁分成幾個以至幾十個獨立的水循環(huán)回路。爐膛中溫度場分布不均；上升系統(tǒng)的結構偏差和流量分配偏差；雖然管屏進出口聯(lián)箱的壓差是相同的，但每根管子的流動速度可能不同。受熱弱的管子中，工質密度大，當這根管子的重位壓頭接近于管屏的壓差時，管屏的壓差只能托住液柱，而不能推動液柱的運動。這時，管內就出現(xiàn)了流體的停滯現(xiàn)象。

第五節(jié)自然循環(huán)常見故障及提高安全性措施停滯現(xiàn)象：循環(huán)流速w0→0，但w0

≠0；即循環(huán)流量G=D，但G≠0，停滯管的流動阻力ptz→0。后果：汽泡聚集彎頭和焊縫處，并可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就會過熱超溫。當存在自由水面時，管子上半部是汽，下半部是水，管子上部就會過熱超溫。自由水面：進入上升管的循環(huán)流量微小，以至在管子微弱吸熱后被蒸發(fā)成汽泡。后果：當自由水面的位置波動時，還會引起管子的疲勞應力

水循環(huán)停滯導致水冷壁管傳熱惡化，主要發(fā)生在受熱弱的管子上。由于受熱不均，有的管中工質向上流，有的管中工質向下流。工質向下流的管子就叫“倒流管”。在倒流管中，水向下運動，而汽泡由于受到浮力向上運動。當?shù)沽魉俣容^慢且等于汽泡向上運動的速度時，向下流的水帶不走汽泡，造成汽泡不上不下的狀態(tài)，引起汽塞，發(fā)生傳熱惡化，以至使管子出現(xiàn)局部過熱超溫。當管內工質倒流速度很快時，管子仍能得到良好冷卻，不出現(xiàn)局部超溫。當汽水混合物引出管從汽包汽空間引入時，不會出現(xiàn)倒流。當水冷壁受熱不均比較嚴重時，受熱最差的管子有時可能出現(xiàn)停滯，有時可能出現(xiàn)倒流，所以同一根管子出現(xiàn)停滯和倒流以及向上流動的機會并不是固定的，而是隨管外吸熱狀態(tài)和管內工質密度的變化而變化的。2.倒流

3.汽水分層當汽水混合物在水平或微傾斜管內流動時，出于汽、水密度不同，水在管子下部流動，汽在管子上部流動，形成明顯的分界面，這種現(xiàn)象稱為汽水分層。當汽水混合物流速較高時，擾動劇烈，汽水混合較好，管子能得到良好的冷卻。若汽水混合物流速過低，出現(xiàn)汽水分層時，管壁上部溫度明顯高于下部溫度，造成上部管壁超溫。同時，上下管壁溫差將形成溫差熱應力。另外，隨著水面波動，在汽水分界面附近，溫度交替變化還會產生交變熱應力。防止汽水分層的措施是盡可能避免布置水平或傾角小于150的沸騰管。如在結構上不可避免時，要盡可能提高管內汽水混合物的流速。4下降管帶汽當下降管含有蒸汽時，管內工質平均密度減小，運動壓頭減小，而工質的體積流量將增大，使下降管的流動阻力增加。循環(huán)流速和循環(huán)倍率降低，使得受熱弱的上升管更容易發(fā)生循環(huán)停滯等故障。如果下降管中的蒸汽被帶入水冷壁管，還會使水冷壁并列管流量分配不均，加劇并列管間的熱偏差。下降管含汽的原因：下降管受熱產生蒸汽；水在下降管入口汽化；水進入下降管時帶汽；由于鍋爐壓力突然下降引起鍋水自汽化。二影響水冷壁安全運行的主要因素水質不良導致的水冷壁管內結垢與腐蝕，水冷壁受熱偏差或管內流動阻力的影響，導致個別或部分管子出現(xiàn)循環(huán)流動的停滯或倒流；水冷壁熱負荷過大導致的管子內壁面附近出現(xiàn)膜態(tài)沸騰；鍋筒水位過低引起水冷壁中循環(huán)流量不足，甚至發(fā)生更為嚴重的“干鍋”；燃燒產生的腐蝕性氣體對金屬管子外壁面的高溫腐蝕；結渣和積灰導致的對金屬管壁的侵蝕；煤粉氣流或含灰氣流對金屬管壁的磨損。

1.水冷壁受熱不均或受熱強度過高鍋爐運行中，爐內火焰偏斜、水冷壁局部結渣和積灰是造成水冷壁吸熱不均的主要原因。受熱很弱的管子容易出現(xiàn)停滯或倒流，受熱很強的管子可能出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，其結果都是導致管子局部發(fā)生傳熱惡化，管壁溫度升高。

下將管入口產生旋渦漏斗時，旋渦中心將有部分蒸汽被水流抽吸進入下降管。進入下降管的實際水流量減少，即循環(huán)流量降低；由于下降管內出現(xiàn)汽水兩相流動，工質密度減小，使下降管側的重位壓差降低，且流動阻力也相應增大。導致水循環(huán)安全裕度下降，即產生停滯、倒流的可能性增大。防止下降管帶汽的辦法：在下將管入口安裝隔柵；運行時注意維持正常的鍋筒水位。水位過低，下降管入口不但容易產生旋渦漏斗，而且使下降管入口處的靜壓力降低，容易產生水的自汽化。

2.下降管帶汽或自汽化3.水冷壁管內壁結垢鍋爐運行水質不合格，含鹽量超標，當水在管內受熱蒸發(fā)時，鹽分從水中析出，沉積在管壁上，管子金屬內壁面上無水膜冷卻，而管外吸收高溫火焰的熱量不能被水流及時帶走，管壁溫度就會升高。水冷壁管內結垢時，流動阻力也隨著增大，容易引起停滯或倒流。

4上升系統(tǒng)的流動阻力影響上升系統(tǒng)流動阻力的因素很多。如分配水管、水冷壁、汽水導管的管徑和水冷壁流通截面的比值、管子彎頭數(shù)量、汽水分離器的結構阻力系數(shù)、循環(huán)流速、鍋爐負荷等。5變負荷速度過快或低負荷運行鍋爐低負荷運行時，蒸發(fā)量減少，水冷壁管內工質密度增大，使水冷壁重位壓差增大，循環(huán)回路的運動壓頭減小，循環(huán)流速就會降低，因而低負荷運行時的水循環(huán)安全性較差。在快速變負荷，尤其是在快速降負荷時，循環(huán)系統(tǒng)內由于壓力降低，工質的自汽化過程加快，由于鍋筒水室內水的自汽化和下降管內水的自汽化，使循環(huán)流量和運動壓頭同時減小，循環(huán)安全性大幅度降低。控制變負荷速度是保證水循環(huán)系統(tǒng)安全工作的重要條件之一。

為保證水冷壁的安全運行，首要條件是必須保證任何一根水冷壁管子內壁面上都有連續(xù)的水膜足以冷卻管子，以保證其在任何工況下都不會超溫。從鍋爐設計制造和鍋爐運行考慮，都必須針對影響水冷壁安全性的因素，采取相應的技