鍋爐水循環(huán)原理

1、京能集團(tuán)運(yùn)行人員培訓(xùn)教程BEIH Plant Course鍋爐水循環(huán)The Water Cycle of BoilerMAJTD NO.100.2112目 錄1電站鍋爐汽水蒸發(fā)過程流動和吸熱的一般特性和原理11.1蒸發(fā)系統(tǒng)的主要功能和要求11.2蒸發(fā)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)原則21.3蒸發(fā)系統(tǒng)換熱性能的主要參數(shù)和特征41.4管內(nèi)工質(zhì)流動特性的基本原理和參數(shù)61.5水循環(huán)的主要類型102亞臨界及以下狀態(tài)汽水介質(zhì)在垂直管中的流動和傳熱132.1垂直上升管內(nèi)汽水流動和傳熱分析132.2垂直下降管內(nèi)汽水流動和傳熱分析163亞臨界及以下狀態(tài)汽水介質(zhì)在水平管中的流動和傳熱224超臨界壓力及以上狀態(tài)汽水介質(zhì)的管內(nèi)流動和

2、換熱特點(diǎn)244.1存在臨界點(diǎn)區(qū)域244.2存在擬臨界溫度244.3存在大比熱區(qū)244.4超臨界壓力下的傳熱惡化類型244.5影響傳熱惡化的主要因素254.6超臨界壓力水蒸氣的比容、比熱和焓265自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)原理275.1自然循環(huán)的原理275.2自然循環(huán)主要熱力特征參數(shù)285.3自然循環(huán)主要結(jié)構(gòu)特征305.4自然循環(huán)主要運(yùn)行特征325.6不穩(wěn)定工況對鍋爐水循環(huán)的影響345.7自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)方面的控制邏輯356直流鍋爐的水循環(huán)原理366.1強(qiáng)制流動蒸發(fā)受熱面中的流動多值性366.2直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中流體的脈動426.3直流鍋爐的傳熱惡化466.4直流鍋爐的特點(diǎn)466.5直流鍋爐的啟動

3、系統(tǒng)476.6直流鍋爐的基本型式556.7直流爐的運(yùn)行特性596.8超臨界直流鍋爐水冷壁橫向裂紋失效626.9直流鍋爐水循環(huán)方面的控制邏輯637控制循環(huán)鍋爐水循環(huán)原理667.1控制循環(huán)鍋爐基本原理667.2控制循環(huán)鍋爐一般設(shè)計(jì)原則677.3控制循環(huán)鍋爐技術(shù)特點(diǎn)718鍋爐缺水事故的預(yù)控788.1、汽包水位控制當(dāng)前存在隱患788.2、鍋爐缺水事故的控制808.3、鍋爐缺水事故案例分析819設(shè)備附圖8610題庫891電站鍋爐汽水蒸發(fā)過程流動和吸熱的一般特性和原理11.1蒸發(fā)系統(tǒng)的主要功能和要求11.2主要設(shè)計(jì)原則21.3蒸發(fā)系統(tǒng)換熱性能的主要參數(shù)和特征31.4管內(nèi)工質(zhì)流動特性的基本原理和參數(shù)61.5

4、水循環(huán)的主要類型102亞臨界及以下狀態(tài)汽水介質(zhì)在垂直管中的流動和傳熱132.1垂直上升管內(nèi)汽水流動和傳熱分析132.2垂直下降管內(nèi)汽水流動和傳熱分析163亞臨界及以下狀態(tài)汽水介質(zhì)在水平管中的流動和傳熱22(5)隨著熱負(fù)荷增加，傳熱惡化提前發(fā)生，管子上壁溫飛升值及上下壁溫差增大。 4超臨界壓力及以上狀態(tài)汽水介質(zhì)的管內(nèi)流動和換熱特點(diǎn)234.1存在臨界點(diǎn)區(qū)域244.2存在擬臨界溫度244.3存在大比熱區(qū)244.4超臨界壓力下的傳熱惡化類型254.5影響傳熱惡化的主要因素254.6超臨界壓力水蒸氣的比容、比熱和焓265自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)控制275.1自然循環(huán)的原理275.2主要熱力特征參數(shù)285.3

5、主要結(jié)構(gòu)特征305.4主要運(yùn)行特征325.5運(yùn)行要求345.6不穩(wěn)定工況對鍋爐水循環(huán)的影響366直流鍋爐的水循環(huán)控制376.1強(qiáng)制流動蒸發(fā)受熱面中的流動多值性376.2直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中流體的脈動436.3直流鍋爐的傳熱惡化476.4直流鍋爐的特點(diǎn)476.5直流鍋爐的啟動系統(tǒng)486.6直流鍋爐的基本型式566.7直流爐的運(yùn)行特性606.8超臨界直流鍋爐水冷壁橫向裂紋失效637控制循環(huán)鍋爐水循環(huán)的控制647.1基本原理657.2一般設(shè)計(jì)原則667.3技術(shù)特點(diǎn)708設(shè)備附圖759題庫771電站鍋爐汽水蒸發(fā)過程流動和吸熱的一般特性和原理11.1蒸發(fā)系統(tǒng)的主要功能和要求11.2主要設(shè)計(jì)原則21.3蒸

6、發(fā)系統(tǒng)換熱性能的主要參數(shù)和特征41.4管內(nèi)工質(zhì)流動特性的基本原理和參數(shù)61.5水循環(huán)的主要類型102亞臨界及以下狀態(tài)汽水介質(zhì)在垂直管中的流動和傳熱132.1垂直上升管內(nèi)汽水流動和傳熱分析132.2垂直下降管內(nèi)汽水流動和傳熱分析163亞臨界及以下狀態(tài)汽水介質(zhì)在水平管中的流動和傳熱224.1存在臨界點(diǎn)區(qū)域244.2存在擬臨界溫度244.3存在大比熱區(qū)244.4超臨界壓力下的傳熱惡化類型244.5影響傳熱惡化的主要因素254.6超臨界壓力水蒸氣的比容、比熱和焓265自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)控制275.1自然循環(huán)的原理275.2主要熱力特征參數(shù)285.3主要結(jié)構(gòu)特征305.4主要運(yùn)行特征325.5運(yùn)行要求

7、345.6不穩(wěn)定工況對鍋爐水循環(huán)的影響355.7、自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)方面的控制邏輯366直流鍋爐的水循環(huán)控制376.1強(qiáng)制流動蒸發(fā)受熱面中的流動多值性386.2直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中流體的脈動446.3直流鍋爐的傳熱惡化476.4直流鍋爐的特點(diǎn)486.5直流鍋爐的啟動系統(tǒng)496.6直流鍋爐的基本型式576.7直流爐的運(yùn)行特性616.8超臨界直流鍋爐水冷壁橫向裂紋失效646.9直流鍋爐水循環(huán)方面的控制邏輯657.1基本原理747.2一般設(shè)計(jì)原則757.3技術(shù)特點(diǎn)798、電站鍋爐水循環(huán)的控制邏輯878設(shè)備附圖929題庫971電站鍋爐汽水蒸發(fā)過程流動和吸熱的一般特性和原理 電站燃煤鍋爐汽水系統(tǒng)，是汽水

8、介質(zhì)在爐內(nèi)吸收燃煤燃燒所釋放的熱能，為汽輪機(jī)提供規(guī)定能級、品質(zhì)和數(shù)量的蒸汽，將燃煤化學(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能的換熱系統(tǒng)，包括吸收預(yù)熱熱、將給水加熱為接近飽和狀態(tài)的省煤器、吸收過熱熱和再熱熱的過熱器和再熱器，而蒸發(fā)設(shè)備系統(tǒng)（水冷壁，自然循環(huán)包括汽包、下降管，控制循環(huán)還包括爐水循環(huán)泵），就是吸收蒸發(fā)熱，把接近飽和狀態(tài)的給水加熱蒸發(fā)成為飽和蒸汽的設(shè)備系統(tǒng)，同時它的表面以一定形狀圍成具有密閉性能的爐膛，為燃料著火、燃燒、放熱提供空間。其主要熱力過程近視為燃煤發(fā)電廠整個熱力循環(huán)（如下圖）中的5點(diǎn)至6點(diǎn)的水平段。汽水介質(zhì)在鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)工作過程屬于管內(nèi)吸熱沸騰、汽液兩相流動過程，從內(nèi)因方面看，其流動特性和吸熱特性

9、相互影響且隨著工質(zhì)狀態(tài)的變化而發(fā)生明顯變化；從外部條件看，其受管系結(jié)構(gòu)特性和煙氣側(cè)傳熱特性的影響。1.1蒸發(fā)系統(tǒng)的主要功能和要求1.1.1主要功能汽水介質(zhì)沿設(shè)定的汽水流程，以一定的流速和物理狀態(tài)流過蒸發(fā)系統(tǒng)的管道、容器和設(shè)備，在水冷壁中其作為冷源，以管壁向火界面作為換熱面，以燃燒的燃料為熱源，以汽水物理狀態(tài)和流速為主要因素決定的管內(nèi)換熱系數(shù)，壁厚、材質(zhì)和內(nèi)外清潔度決定的管壁導(dǎo)熱系數(shù)和由煙氣溫度決定的火焰輻射換熱系數(shù)的共同作用為綜合換熱系數(shù)，進(jìn)行熱量交換，使管內(nèi)汽水總焓值平穩(wěn)升高、管外煙氣溫度穩(wěn)定下降、管壁溫度在允許范圍內(nèi)；同時管內(nèi)流動截面上的介質(zhì)不因其與換熱壁面（熱源）的距離不同而產(chǎn)生物性、流

10、速劇烈偏離的層流、熱阻升高現(xiàn)象，直至在蒸發(fā)設(shè)備出口，都有與外部煙氣溫度相當(dāng)?shù)木C合換熱系數(shù)，確保整個蒸發(fā)過程都處于安全狀態(tài)，并將吸收了煙氣熱量、焓值升高的飽和蒸汽輸給過熱器系統(tǒng)；在蒸發(fā)設(shè)備出口，煙氣溫度可以滿足換熱系數(shù)相對較低的過熱段受熱面的安全。1.1.2要求(1)蒸發(fā)量及其焓值滿足機(jī)組容量和負(fù)荷需求。(2)爐水和蒸汽品質(zhì)滿足鍋爐、汽輪機(jī)設(shè)備系統(tǒng)要求，控制管內(nèi)化學(xué)腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象。(3)蒸發(fā)受熱面管子金屬不發(fā)生因超溫、溫差過大、膨脹受阻、水動力不穩(wěn)定等異常工況而引起的熱應(yīng)力以及交變應(yīng)力損傷現(xiàn)象。(4)蒸發(fā)受熱面管子外部不發(fā)生高溫腐蝕和嚴(yán)重結(jié)焦現(xiàn)象。(5)爐膛出口煙氣溫度滿足后部受熱面不結(jié)焦、不超

11、溫條件。1.2蒸發(fā)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)原則在鍋爐設(shè)計(jì)過程中，以控制最危險部位的煙氣溫度和管壁溫度為目標(biāo)，確保水循環(huán)相關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)由燃料特性決定的鍋爐熱負(fù)荷要求。1.2.1首先根據(jù)煤種、機(jī)組容量和主要參數(shù)，設(shè)計(jì)和規(guī)定鍋爐容積熱負(fù)荷、截面熱負(fù)荷和壁面熱負(fù)荷，在確定了爐膛截面尺寸、高度和燃燒器分布形式等水冷壁總的邊界條件后，再從煙氣側(cè)和汽水側(cè)，計(jì)算壁面各部位的熱負(fù)荷分布情況。1.2.2根據(jù)各種負(fù)荷和工況下的蒸發(fā)設(shè)備入口、出口的汽水邊界條件，結(jié)合在其加熱過程中的物性變化，計(jì)算各部位的壁溫最大值。1.2.3選擇合理的水循環(huán)方式、蒸發(fā)設(shè)備結(jié)構(gòu)和工質(zhì)參數(shù)，確保從煙氣側(cè)到管壁的熱負(fù)荷與管壁到管內(nèi)全截面汽水的綜

12、合換熱系數(shù)相適應(yīng)。1.2.4水冷壁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和安全裕度水冷壁設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)在于水冷壁管內(nèi)質(zhì)量流速的選取。選取較高的質(zhì)量流速，可保證在任何工況下其質(zhì)量流速都大于相應(yīng)熱負(fù)荷下的最低界限質(zhì)量流速，保證水冷壁管有足夠的冷卻能力。提高工質(zhì)質(zhì)量流速是改善傳熱工況，降低管壁溫度，推遲、抑制、防止傳熱發(fā)生惡化的最有效方法。超臨界和超超臨界鍋爐設(shè)計(jì)的一個重要原則是要使介質(zhì)的大比熱區(qū)遠(yuǎn)爐內(nèi)熱負(fù)荷最高的區(qū)域。為了保證鍋爐水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工況情況下管壁溫度都不能超溫，并且管子之間（特別是相鄰管子之間）的管壁溫度相差不能太大，以避免產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力而造成破壞。對垂直布置的水冷壁而言，爐膛周界長度、管

13、子直徑、管間節(jié)距決定了它的質(zhì)量流速的大小。而管子直徑和節(jié)距的選擇都有一定的限制，例如管子的直徑過細(xì)會造成水冷壁管熱敏感性高，管子內(nèi)壁上的結(jié)垢和熱負(fù)荷的變化，使某些管子產(chǎn)生過大的管間流量偏差而使管子超溫。因此管子內(nèi)徑的選擇不宜過小。同時為了防止管間鰭片過熱燒損，管間節(jié)距不能太寬，一般以鰭端溫度與管子正面頂點(diǎn)溫度相等作為鰭片寬度選擇的原則。這樣一來，在一定的爐膛周界情況下，如果直流鍋爐采用垂直布置的水冷壁管，管子直徑不能過細(xì)，其管子根數(shù)基本固定，而為了保證水冷壁管子的安全，必須保證一定的工質(zhì)流量，所以垂直管圈的質(zhì)量流速大小是受到嚴(yán)格限制的。鍋爐爐膛周界尺寸的增加與鍋爐容量的增加是不成正比例的。容量

14、較小的直流鍋爐水冷壁往往單位容量爐膛周界尺寸過大，水冷壁管子內(nèi)難以保證足夠的質(zhì)量流速。300MW容量的鍋爐水冷壁不能設(shè)計(jì)成一次垂直上升型管圈；600MW容量的鍋爐在負(fù)荷低于60%左右時質(zhì)量流速也顯得不足（這里指的是采用較粗的管子且無多次上升垂直全，即采用UP型一次上升水冷壁結(jié)構(gòu)）。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，燃煤鍋爐水冷壁設(shè)計(jì)成一次垂直水冷壁管圈的極限容量最小應(yīng)該在為700MW以上。解決蒸汽鍋爐爐膛周界和質(zhì)量流速之間矛盾的方法一般有如下幾種：采用小管徑和多次混合的水冷壁（如上鍋300MW的UP型鍋爐，采用內(nèi)徑11mm的管子）；水冷壁采用工質(zhì)再循環(huán)（低倍率和復(fù)合循環(huán)鍋爐）；采用多次上升管圈型水冷壁（FW型鍋爐

15、）；在高熱負(fù)荷區(qū)或汽化率高的水冷壁管段采用內(nèi)螺紋管；采用螺旋管圈型水冷壁。得到廣泛采用的是螺旋管圈水冷壁。例如，國產(chǎn)600MW超臨界壓力直流鍋爐采用的就是螺旋管圈水冷壁。螺旋管圈的一大特點(diǎn)就是能夠在蒸汽鍋爐爐膛周界尺寸一定的條件下，通過改變螺旋升角來調(diào)整平行管的數(shù)量，保證燃料較小的鍋爐并列管束數(shù)量較小，從而獲得足夠的工質(zhì)質(zhì)量流速，使管壁得到足夠的冷卻，消除傳熱惡化對水冷壁管子安全的威脅。這樣水冷壁的設(shè)計(jì)就可避免采用熱敏感性太大的直徑過細(xì)的管子。設(shè)計(jì)螺旋管圈水冷壁的另一個要素就是螺旋管圈盤繞的圈數(shù)。這與螺旋角和蒸汽鍋爐爐膛高度有關(guān)。圈數(shù)太少會部分喪失螺旋管圈在減少吸熱偏差方面的效益；圈數(shù)太多增加

16、水冷壁的阻力從而增加水泵功耗，而且在減少吸熱偏差的效益方面增益不大，合理的盤繞圈數(shù)的推薦值是1.52.5圈左右。內(nèi)螺紋管即使采用光管水冷壁一半的質(zhì)量流量（1500kg/m2s），就可以避免在燃燒器局部高負(fù)荷區(qū)發(fā)生偏離核態(tài)沸騰（DNB），即避免產(chǎn)生膜態(tài)沸騰，而且在上爐膛低熱負(fù)荷、高干度區(qū)出現(xiàn)“蒸干”時，管子壁溫的上升也比光管小得多，即可以控制“蒸干”時的壁溫在鋼材允許的范圍內(nèi)。1.3蒸發(fā)系統(tǒng)換熱性能的主要參數(shù)和特征由于煙氣側(cè)溫度比管壁溫度高的多（1000以上），可以認(rèn)為管壁的傳導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)以及爐膛的火焰輻射換熱系數(shù)，比管內(nèi)汽水對流換熱系數(shù)穩(wěn)定的多，單位距離上的熱量傳遞主要取決于管內(nèi)對流換熱，對流換

17、熱強(qiáng)的，管壁溫度就會低一些；管內(nèi)對流換熱弱的，管壁溫度就會相應(yīng)升高，有抑制對流換熱繼續(xù)減弱的趨勢，同時火焰對管壁的輻射換熱會有所降低，管內(nèi)外兩側(cè)熱量傳遞趨于平衡。因此可以說。壁溫是反映汽水、煙氣兩側(cè)熱交換是否平衡以及平衡點(diǎn)高低的數(shù)值，也是保證受熱面安全的主要指標(biāo)參數(shù)。為了保證每一個管子每個流通截面上的壁溫在安全范圍內(nèi)，都必須首先從總體熱量分配上控制該處的熱負(fù)荷（火焰溫度）與其管內(nèi)總的對流換熱能力相匹配。從總體來看，對管內(nèi)流體換熱系數(shù)的影響因素的分析，可以將管內(nèi)邊界層甚至是整個截面上的流體層看作是在徑向方向上，同時由外側(cè)吸熱、向內(nèi)側(cè)放熱的流體界面，其兩側(cè)的換熱系數(shù)不一致時，其內(nèi)部焓值會發(fā)生變化，

18、對于有穩(wěn)定外部條件的管內(nèi)工質(zhì)，焓值變化更容易表現(xiàn)為比容變化：亞臨界壓力及以下狀態(tài)下，汽水存在兩相區(qū)即濕蒸汽區(qū)域，而超臨界壓力及以上狀態(tài)沒有兩相區(qū)，卻存在大比熱區(qū)；在這些區(qū)域內(nèi)，壁面邊界層內(nèi)工質(zhì)的能量狀態(tài)和物理狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，徑向分布的工質(zhì)差別非常大，邊界層流速梯度降低，且這一變化和差別隨著熱流密度的增大和工質(zhì)流量的降低而急劇增加，在大到一定程度時工質(zhì)徑向紊流傳質(zhì)被抑制，低比熱狀態(tài)的介質(zhì)被壓迫在管壁上，傳熱惡化。當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)出入口流量為零時，在熱負(fù)荷非常小的情況下，管內(nèi)工質(zhì)也可以由其管壁中心低溫工質(zhì)和貼壁區(qū)向火側(cè)高溫工質(zhì)的密度差，形成單管內(nèi)部的單相循環(huán)流動、均熱、蒸發(fā)和膨脹過程，此時的管內(nèi)換熱系

19、數(shù)非常小，壁溫接近煙氣溫度，如果外部熱負(fù)荷較大時，可能發(fā)生局部汽化或過熱現(xiàn)象，這就是說必須控制燃料量，保證各部煙氣溫度不超過金屬允許溫度。1.3.1管內(nèi)工質(zhì)的換熱系數(shù)：(1)工質(zhì)比熱容是單位質(zhì)量工質(zhì)熱交換能力的指標(biāo)參數(shù)。1)存在溫差傳熱的冷熱源，比熱較大的一側(cè)溫度降低幅度較低，也就是說其溫度稍有變化就引起對側(cè)的溫度發(fā)生較大變化。但由于某一特定流體層內(nèi)部的介質(zhì)物性有一定差別且在發(fā)生變化，因此其平均比熱容往往不是定值，可能發(fā)生明顯變化，也就是說局部的大比熱可能不會相應(yīng)增加全部工質(zhì)的綜合換熱系數(shù)，有時還會明顯降低工質(zhì)的平均換熱系數(shù)。2)當(dāng)溫度不變時，蒸汽的比熱容隨壓力升高而升高；當(dāng)壓力不變時，隨溫度

20、的升高而升高直至達(dá)到超臨界狀態(tài)下的臨界溫度（不同壓力對應(yīng)不同臨界溫度）。3)單相水的比熱比單相蒸汽比熱大得多，且隨壓力和溫度的升高而緩慢升高，在汽水交界的相變點(diǎn)，比熱急劇增大，轉(zhuǎn)變后又急劇降低，這對亞臨界狀態(tài)下的汽化潛熱和超臨界下的大比熱區(qū)的機(jī)理都是一致的。4)液態(tài)水的比熱約為4kJ/(kgK)，而水蒸氣的比熱大約為2kJ/(kgK)左右。正常情況下，鍋爐過熱受熱面和加熱受熱面中管內(nèi)單相流體的a2=102103W/（m2/），蒸發(fā)受熱面沸騰換熱的a2高達(dá)10 4 W/（m2/）。5)單相汽或水的換熱系數(shù)都隨其質(zhì)量流速的增加而增加。6)在壓力接近臨界壓力（0.83倍的臨界壓力）時，介質(zhì)溫度處于擬

21、臨界溫度（介質(zhì)比熱最大時的溫度）附近，其放熱系數(shù)有時增大、有時減小。溫度高于擬臨界溫度的為蒸汽狀態(tài)，低于擬臨界溫度的為液態(tài)狀態(tài)。在擬臨界溫度附近，介質(zhì)的物性隨溫度變化非常大，對傳熱影響較大。對于超臨界壓力下焓值低于1050kJ/kg的水和焓值高于2720kJ/kg的蒸汽，其放熱系數(shù)可按單相流體計(jì)算；對于焓值在10502720kJ/kg的管內(nèi)換熱系數(shù)，除了與一般放熱系數(shù)中參數(shù)有關(guān)外，還與單位質(zhì)量流量的吸熱量即內(nèi)壁熱強(qiáng)度與質(zhì)量流速之比有關(guān)。(2)對于存在液汽兩相狀態(tài)的蒸發(fā)段，由于其兩相物性差別較大，特別是比容、比熱容、焓值和粘度差別比較大，再加上相變區(qū)的汽化潛熱或比熱急劇轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的存在，使流體對外

22、表現(xiàn)的物性（流速、換熱系數(shù)）呈現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性。(3)管內(nèi)工質(zhì)紊流強(qiáng)度：管內(nèi)流體邊界層內(nèi)部及其與中心區(qū)的速度梯度差，是截面上徑向各流層的靜壓差推動邊界層介質(zhì)向中心混合，并在傳質(zhì)過程中實(shí)現(xiàn)管內(nèi)均熱的內(nèi)在因素，是決定管內(nèi)流體總的換熱系數(shù)的主要條件，其表征參數(shù)是紊流強(qiáng)度，間接代表參數(shù)為管內(nèi)平均流速。管內(nèi)介質(zhì)沿管道流程的平均流速，更多的是反映了中心區(qū)流速，而邊界層的流速方向在一定的結(jié)構(gòu)下可能與主流方向有角度，其實(shí)際流速、比熱和對中心區(qū)的換熱系數(shù)決定了管內(nèi)流體對管壁熱交換的能力。中心區(qū)相對低的靜壓（流速快），使汽相、高溫流體等比容相對較大的介質(zhì)容易在此聚集、換熱，中心冷流體得到加熱后，也更容易產(chǎn)生物相

23、轉(zhuǎn)換。也就是說，處于管外受熱狀態(tài)的管子，由管壁提供的熱量使邊界層介質(zhì)焓值升高，其在徑向?qū)χ行膮^(qū)域紊流傳質(zhì)的同時也進(jìn)行傳熱，但中心區(qū)域的物相密度相對較低的狀態(tài)（如汽泡）并不意味著其溫度或焓值水平比邊界層高。1.3.2管壁截面熱負(fù)荷：對于通過邊界層的熱流密度、管內(nèi)外熱交換能量，乃至爐膛煙氣輻射對整個蒸發(fā)受熱面的熱量傳遞，都必須首先保證熱量傳遞的各環(huán)節(jié)或界面的工質(zhì)物性不發(fā)生劇烈變化，熱量都能在各個環(huán)節(jié)穩(wěn)定地傳遞，不發(fā)生積聚現(xiàn)象。(1)對第一類傳熱惡化起決定作用的是受熱面的熱負(fù)荷，判定轉(zhuǎn)入傳熱惡化的界限熱負(fù)荷稱為臨界熱負(fù)荷。(2)煙氣對各部位水冷壁的熱量傳播主要以輻射放熱為主（占90%），主要決定于截

24、面熱負(fù)荷和壁面火焰溫度，一般情況下，投運(yùn)的最上層燃燒區(qū)域上方附近最高；(3)煤粉一次風(fēng)布置比較集中時，燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷升高，不僅增大了傳熱惡化的可能性，而且因受熱不均，水循環(huán)的安全性和經(jīng)濟(jì)性也會下降。(4)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時，雖然壁面溫度有所降低，但熱負(fù)荷分布的不均勻性更大，水循環(huán)的安全性和經(jīng)濟(jì)性下降。(5)當(dāng)爐膛火焰中心升高時，壁面熱負(fù)荷和壁溫的局部分布發(fā)生了變化，局部熱負(fù)荷最高的位置也升高了，管內(nèi)工質(zhì)含汽空間段上移，流動阻力下降，水循環(huán)流速增大，但因壁面熱負(fù)荷最大值總體水平變化不大，對水循環(huán)的影響較汽包壓力的影響較小。(6)火焰偏斜、直接沖刷水冷壁也是造成局部熱負(fù)荷偏高的常見異常。1.3.3

25、管內(nèi)通流面積與煙氣側(cè)換熱面積的比值：對于一定容量和參數(shù)的鍋爐，水冷壁對煙氣側(cè)的換熱面積（爐膛高度、爐膛周界）已由煤種、機(jī)組容量和燃燒方式確定，蒸發(fā)系統(tǒng)出口（不一定是水冷壁出口）的工質(zhì)總焓值或總焓增是一定的，而管內(nèi)換熱面積和通流面積（由管子內(nèi)截面周長或面積或直徑、管子節(jié)距、管排長度、管排上升角度或管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定）是決定管內(nèi)流動工況和換熱系數(shù)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。水冷壁出口為干度較小的濕蒸汽鍋爐（如多次強(qiáng)制和自然循環(huán)鍋爐），其焓增有一部分通過在外部循環(huán)回路中放熱給省煤器來水，使水冷壁入口工質(zhì)焓值接近飽和水，水冷壁管內(nèi)預(yù)熱段和大干度濕蒸汽區(qū)較小，管內(nèi)換熱絕大部分以沸騰換熱為主，從工質(zhì)物性來看，總的換

26、熱系數(shù)大；沒有外部循環(huán)的直流鍋爐，其換熱系數(shù)相對較小的單相預(yù)熱段、大干度區(qū)較大，工質(zhì)物性表現(xiàn)出來的總的換熱系數(shù)相對較低；而從總的水冷壁通流量來看，相同容量的直流爐比多次循環(huán)爐小一半，因此必須減小其通流截面即減小管徑（同時壁厚也減小，有利于換熱）或管排數(shù)來提高工質(zhì)流速、采用管內(nèi)表面特殊形式（內(nèi)螺紋、擾流子），才能彌補(bǔ)物性換熱系數(shù)低的不足。1.4管內(nèi)工質(zhì)流動特性的基本原理和參數(shù)1.4.1水動力特性：一定負(fù)荷下，經(jīng)過鍋爐受熱面的工質(zhì)質(zhì)量流量與流動壓降之間的關(guān)系。p=f(G)或p=f(w），作為實(shí)際粘性流體壓力降的計(jì)算公式：P為總壓降，定義為管道始端和終端壓力之差。Pmc、Pjb-摩擦阻力、局部阻力之

27、和稱流動阻力Pld；重位壓降Pzw、加速壓降Pjs。在電站鍋爐水循環(huán)中，加速壓降一般可以忽略不計(jì)。其中影響流動阻力Pld的因素有：(1)摩擦阻力系數(shù)一般與管子粗糙度及工質(zhì)雷諾數(shù)有關(guān)。在鍋爐中，由于水溫高，水的粘度小，因而水及蒸汽的Re數(shù)一般均為105，管內(nèi)流動工況在完全粗糙管區(qū)。此時摩擦阻力系數(shù)與Re數(shù)無關(guān)。一般情況下，水溫越高流動阻力越小，而且越容易產(chǎn)生層流現(xiàn)象。(2)流動阻力與循環(huán)流速的平方成正比，而循環(huán)流速又與質(zhì)量流量、比容成正比，而工質(zhì)比容與其溫度和壓力有關(guān)，水、蒸汽的比容隨溫度的升高而增加，蒸汽比容隨壓力的升高而降低。汽水在相變點(diǎn)附近比容發(fā)生大幅變化。(3)一般情況下，蒸汽的流動阻力

28、比水大得多。(4)對于一次上升管來說，截面含汽率、介質(zhì)溫度即介質(zhì)平均比容決定重位壓降，其升高后阻力下降，循環(huán)水量的增加有利于管壁的冷卻，這就是自補(bǔ)償特性。但比容的增加，也同時增加了流動阻力，當(dāng)截面含汽率、平均比容增加到一定程度，流動阻力增加的幅度大于重位壓降降低的幅度時，總的管阻壓降反而會升高，循環(huán)流量降低。1.4.2單相流體的流動結(jié)構(gòu)型式為層流和湍流（紊流）；汽水混合物的流動結(jié)構(gòu)型式（簡稱流型）比較復(fù)雜，影響因素有：壓力、流量、熱負(fù)荷、管子幾何形狀及流動方向。汽、液兩相數(shù)量，即質(zhì)量含汽率x不斷變化；汽、液兩相間存在相對運(yùn)動，產(chǎn)生汽泡趨中效應(yīng)。汽水側(cè)介質(zhì)流動一般為紊流流動，其特點(diǎn)有：無序性：流

29、體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，運(yùn)動無序，運(yùn)動要素具有隨機(jī)性；耗能性：除了粘性耗能外，還有更主要的由于紊動產(chǎn)生附加切應(yīng)力引起的耗能。擴(kuò)散性：除分子擴(kuò)散外，還有質(zhì)點(diǎn)紊動引起的傳質(zhì)、傳熱和傳遞動量等擴(kuò)散性能。(1)由于管內(nèi)貼壁邊界層介質(zhì)流速以較大梯度低于中心區(qū)域介質(zhì)流速，因此其不斷被中心區(qū)域卷吸混合，通過與中心區(qū)域介質(zhì)的紊流傳質(zhì)過程，較好地實(shí)現(xiàn)了熱量由管壁向中心區(qū)域的傳遞過程；這是決定管內(nèi)介質(zhì)對流換熱系數(shù)的主要因素，對傳熱惡化現(xiàn)象起著重要影響作用。另外如果發(fā)生穩(wěn)定的汽水相變，不同狀態(tài)間的介質(zhì)傳質(zhì)和傳熱能力也會明顯提高。(2)一般情況下，工質(zhì)間相對流速越高，紊流特性就越強(qiáng)，互相卷吸混合的程度就越劇烈。(3)汽液兩相

30、流的流動特征參數(shù)可分為兩類：由物質(zhì)平衡或熱量平衡方程式算得的參數(shù)流量參數(shù)、流體流動時的真實(shí)的流動特性參數(shù)實(shí)際流動特性參數(shù)，由試驗(yàn)確定。1.4.3主要指標(biāo)參數(shù)：(1)汽水混合物的質(zhì)量流量Gh：單位時間內(nèi)通過通道總流通截面的流體質(zhì)量。(2)汽水混合物的容積流量Qh：單位時間內(nèi)通過通道總流通截面的流體容積。(3)質(zhì)量流速：單位時間流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量。相應(yīng)熱負(fù)荷下的最低界限質(zhì)量流速是水冷壁設(shè)計(jì)時的主要參數(shù)。(4)循環(huán)流速w0：上升管開始沸騰處的飽和水的質(zhì)量流速。式中：G0為工質(zhì)的質(zhì)量流量；f為管截面積，m2。(5)質(zhì)量含汽率：在汽水混合物中，蒸汽質(zhì)量流量所占混合物總質(zhì)量流量的比例。對第二類沸騰

31、傳熱惡化起決定影響作用的參數(shù)是質(zhì)量含汽率。判定轉(zhuǎn)入傳熱惡化區(qū)的含汽率稱為臨界含汽率，也稱為界限含汽率。(6)循環(huán)倍率K定義為：上升管中實(shí)際產(chǎn)生一公斤蒸汽需要進(jìn)入多少公斤水。與界限含汽率相對應(yīng)的循環(huán)倍率稱為界限循環(huán)倍率，記為kjx。當(dāng)k kjx時，若運(yùn)行中負(fù)荷變化，則水循環(huán)具有自補(bǔ)償能力。反之，水循環(huán)將失去自補(bǔ)償能力，隨熱負(fù)荷的增加，循環(huán)速度反而減小。(7)上升管單位流通截面蒸發(fā)量：自然循環(huán)鍋爐質(zhì)量含汽率一般0.2-0.4之間，循環(huán)倍率為最大2.5-5?？刂蒲h(huán)鍋爐質(zhì)量含汽率一般0.4-0.5左右，循環(huán)倍率一般2-2.5。直流鍋爐鍋爐質(zhì)量含汽率一般0.8-1，循環(huán)倍率最小為1。上升管單位流通截面

32、蒸發(fā)量是研究循環(huán)速度與循環(huán)倍率的內(nèi)在關(guān)系的重要參數(shù)，對于300MW機(jī)組，Dss/Fss的推薦值為650800t/(m2.h)，界限值1300 t/(m2.h)。(8)流量補(bǔ)償特性：流量偏差的影響因素大致是管組結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)分布、熱負(fù)荷分布和重位壓降分布。也取決于重位壓差和摩擦阻力的比值大小，當(dāng)工質(zhì)流速很高、重位壓差遠(yuǎn)小于摩擦阻力時，吸熱量較強(qiáng)的管子摩擦阻力增大的數(shù)值大于重位壓降減小的數(shù)值，所以流量減小。反則，在小流量下呈現(xiàn)正補(bǔ)償特性。說明吸熱偏差對管組的流量偏差具有雙重影響。1)超臨界光管垂直管屏水冷壁為了保證爐膛下輻射區(qū)管內(nèi)的質(zhì)量流速，下輻射區(qū)的水冷壁流路一般設(shè)計(jì)為23次垂直上升。在現(xiàn)代大功率

33、鍋爐上，為了避免產(chǎn)生較大的熱偏差和提高工質(zhì)的質(zhì)量流量，僅采用二次垂直上升的形式，兩個流路之間用不受熱的下降管相連接。水冷壁由中間聯(lián)箱，工質(zhì)的二次再分配易導(dǎo)致分配不均；以提高質(zhì)量流速防止水冷壁的流動不穩(wěn)定性，致使熱偏差和流量偏差相互影響的不良作用擴(kuò)大化，不適合變壓運(yùn)行；一般超臨界鍋爐光管水冷壁的設(shè)計(jì)質(zhì)量流速高達(dá)2800300Kg/m2s，流量分配為負(fù)流量補(bǔ)償特性，受熱偏高的管子流量反而會降低，容易發(fā)生管子壁溫升高，不利于鍋爐安全運(yùn)行。2)內(nèi)螺紋垂直管屏的正流量補(bǔ)償特性（自然循環(huán)特性）和負(fù)流量補(bǔ)償特性（直流特性）：即在亞臨界工況下，管內(nèi)工質(zhì)流速很低（低于1200Kg/m2s），水冷壁的動壓損失（或

34、流動阻力損失）在壓力總損失中所占比例很小，靜壓損失（重位壓降）起決定作用，流量分配為正流量補(bǔ)償特性；負(fù)流量補(bǔ)償特性，即在超臨界工況下。內(nèi)螺紋管內(nèi)工質(zhì)流量流速很高（大于1200Kg/m2S），動壓損失在總壓力損失中比例很高，動壓損失起決定作用，流量分配為負(fù)流量。內(nèi)螺紋垂直管屏鍋爐在低負(fù)荷亞臨界范圍內(nèi)，由于自然循環(huán)的正補(bǔ)償特性，能夠抵抗膜態(tài)沸騰引起的傳熱惡化，在臨界壓力及以上范圍內(nèi)，也具有抵抗類膜態(tài)沸騰的作用，即使在大比熱區(qū)的蒸汽也具有增強(qiáng)傳熱、降低壁溫的作用。適宜于變壓運(yùn)行。3)超臨界壓力下，工質(zhì)的熱物理特性決定了工質(zhì)溫度隨吸熱量增加的特性，并不會因?yàn)榈土魉傧鲁霈F(xiàn)的自然循環(huán)特性而改變，水冷壁出口

35、工質(zhì)溫度首先決定于工質(zhì)的熱物理特性，但是因?yàn)樽匀谎h(huán)的補(bǔ)償特性使得其增長受到一定程度的抑制。因此即使在超臨界壓力下，質(zhì)量流速越低、熱負(fù)荷越低，自然循環(huán)特性越明顯，出口工質(zhì)的上升幅度就越小。4)當(dāng)質(zhì)量流速低于500 Kg/m2s時，內(nèi)螺紋管的旋流作用減弱。即水冷壁的最低質(zhì)量流速不能低于500 Kg/m2s。在此條件下，600MW100MW超臨界鍋爐水冷壁最大質(zhì)量流速將達(dá)到1800 Kg/m2s,以上。質(zhì)量流速超過1200Kg/m2s時，就會失去正流量補(bǔ)償特性，轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)流量補(bǔ)償特性。西門子公司對于低質(zhì)量流速下的內(nèi)螺紋管和光管進(jìn)行了大量試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)壓力在20MPa以下時，即使在100 Kg/m

36、2s的低質(zhì)量流速下，內(nèi)螺紋管仍具有良好的傳熱效果，在接近蒸發(fā)終點(diǎn)才出現(xiàn)傳熱惡化；在近臨界壓力區(qū)，傳熱惡化提前出現(xiàn)，在x=0.6的位置出現(xiàn)壁溫突然升高的現(xiàn)象；內(nèi)螺紋管不僅改善了傳熱特性，而且也改變了壓降特性。另外三菱公司也對內(nèi)螺紋管和光管的最低質(zhì)量流速做了深入的研究，結(jié)果表明：內(nèi)螺紋管大大降低了最低質(zhì)量流速，在25%30%MCR時最低質(zhì)量流速可以降低到500Kg/m2s，而光管水冷壁一般控制在允許質(zhì)量流速為1000 Kg/m2s。1.5水循環(huán)的主要類型我們已經(jīng)知道，工質(zhì)在蒸汽鍋爐管內(nèi)的一般流程是：給水流經(jīng)加熱受熱面（省煤器）進(jìn)入蒸汽受熱面（水冷壁或蒸汽鍋爐管束）產(chǎn)生蒸汽，在過熱受熱面（過熱器）中

37、達(dá)到額定蒸汽參數(shù)。其中，省煤器及過熱器內(nèi)的工質(zhì)流動均屬于強(qiáng)迫流動，且是一次性流過這些部件，它們的流動和傳熱特性都是相同的，有所不同的是蒸發(fā)受熱面及超臨界壓力時的中間一部分受熱面。根據(jù)工質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)受熱面的流動動力和循環(huán)方式，蒸汽鍋爐的水循環(huán)可以分為自然循環(huán)、多次強(qiáng)制循環(huán)、一次性通過（直流）以及復(fù)合循環(huán)等四種。除自然循環(huán)外，其余三種型式的鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)工質(zhì)的流動均屬于強(qiáng)迫流動。自然循環(huán)和多次強(qiáng)制循環(huán)方式適用于低于超臨界壓力的蒸汽鍋爐。鍋爐的水循環(huán)(a)自然循環(huán)鍋爐；(b)控制循環(huán)鍋爐；(c)直流鍋爐；(d)復(fù)合循環(huán)鍋爐1省煤器；2鍋爐；3下降管；4下集箱；5水冷壁；6過熱器；7給水泵；8循環(huán)泵1.5

38、.1自然循環(huán)鍋爐自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動動力是不受熱的下降管與受熱的上升管之間的密度差。自然循環(huán)鍋爐特征是有一個鍋筒，是蒸發(fā)受熱面和過熱器之間的固定分界點(diǎn)。主要特點(diǎn)是流動方式簡單，水動力特性穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，以往在亞臨界壓力以下的鍋爐中得到廣泛使用。1.5.2控制循環(huán)（多次強(qiáng)制循環(huán)）鍋爐 多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面中，工質(zhì)的流動動力除了依靠汽水混合物與水的密度差之外，主要依靠鍋爐循環(huán)回路的下降管上裝加的循環(huán)泵的壓頭。下降管上的循環(huán)泵是其與自然循環(huán)的主要區(qū)別。多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐主要用于亞臨界壓力鍋爐。 1.5.3直流鍋爐 直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動動力是鍋爐給水泵的壓頭。直流鍋爐沒有鍋

39、筒，蒸發(fā)受熱面中的工質(zhì)為一次性通過的強(qiáng)迫流動，這是與自然循環(huán)鍋爐的主要區(qū)別。適用的壓力范圍很廣，尤其是超臨界參數(shù)的鍋爐。 1.5.4復(fù)合循環(huán)鍋爐復(fù)合循環(huán)蒸汽鍋爐是在蒸汽鍋爐的基礎(chǔ)上，美國燃燒工程公司根據(jù)控制循環(huán)鍋爐的經(jīng)驗(yàn)發(fā)展起來的一種新型蒸汽鍋爐，主要用于超臨界壓力參數(shù)蒸汽鍋爐。由于在超臨界壓力時汽水沒有差別，只能采用直流蒸汽鍋爐。但是，直流蒸汽鍋爐在低負(fù)荷時常出現(xiàn)流動不穩(wěn)定問題，因此采用較大的工質(zhì)流速以滿足低負(fù)荷時的安全工作，這就使得滿負(fù)荷時的流動阻力非常大，由此發(fā)展出了復(fù)合循環(huán)蒸汽鍋爐。其基本特點(diǎn)是在中間也裝了一臺循環(huán)泵，它只在低負(fù)荷時工作，此時一部分水經(jīng)過在循環(huán)管路在中的受熱面中進(jìn)行再循

40、環(huán)，以充分冷卻蒸發(fā)受熱面，而在高負(fù)荷時停止工作，切換成直流鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，再循環(huán)管路中沒有循環(huán)流量，如此一來可大幅度減小蒸發(fā)受熱面中的流動阻力。本質(zhì)上來說，復(fù)合循環(huán)的應(yīng)用是為了解決直流蒸汽鍋爐在高負(fù)荷時流動阻力太大，而低負(fù)荷時又因流過蒸發(fā)受熱面的工質(zhì)流量太低不能保證傳熱性能這個矛盾的。它是結(jié)合一般直流蒸汽鍋爐和強(qiáng)制循環(huán)蒸汽鍋爐的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的，故稱為復(fù)合循環(huán)。一般來說，復(fù)合循環(huán)蒸汽鍋爐是在給水管路上與給水泵串聯(lián)（或并聯(lián)）一個循環(huán)泵后得到的。在低負(fù)荷時，由于循環(huán)泵的作用，可使通過水冷壁的流量大于鍋爐的蒸發(fā)量，一部分工質(zhì)通過循環(huán)管返回爐膛輻射受熱面的入口，因而可以得到比較高的質(zhì)量流速。高負(fù)荷時，工

41、質(zhì)流過水冷壁的阻力增大，當(dāng)這個阻力大于循環(huán)泵的壓頭時，再循環(huán)管路就不起作用，通過水冷壁的流量就是鍋爐的給水量。從蒸汽鍋爐某一負(fù)荷開始，再循環(huán)量等于零，這是稱循環(huán)泵的工作屬于“浮動”狀態(tài)，這個鍋爐負(fù)荷又稱為“復(fù)合循環(huán)負(fù)荷”。由于復(fù)合循環(huán)能降低額定負(fù)荷下工質(zhì)的質(zhì)量流速，因而有降低整個鍋爐汽水系統(tǒng)阻力的顯著優(yōu)點(diǎn)。所以它不僅可應(yīng)用于超臨界壓力蒸汽鍋爐，而且還可以用在亞臨界壓力蒸汽鍋爐上。這時在汽水系統(tǒng)中，除了混合器外還應(yīng)設(shè)有汽水分離器。如果在亞臨界壓力條件下再提高全負(fù)荷下的再循環(huán)量，那么串聯(lián)式全負(fù)荷循環(huán)鍋爐實(shí)際上就是低循環(huán)原理工作的，因此也有人把它劃為強(qiáng)制循環(huán)類蒸汽鍋爐。但它有兩點(diǎn)不同于強(qiáng)制循環(huán)蒸汽鍋

42、爐：（1）循環(huán)倍率小，額定負(fù)荷時的循環(huán)倍率K2，一般為1.31.8。而強(qiáng)制循環(huán)循環(huán)倍率K一般為4，因此得名為低循環(huán)倍率蒸汽鍋爐。（2）低循環(huán)倍率鍋爐有蘇爾壽罐，起貯存汽水、固定受熱面界限的作用，而強(qiáng)制循環(huán)蒸汽鍋爐有鍋筒，因此低循環(huán)倍率鍋爐是無鍋筒低循環(huán)倍率強(qiáng)制循環(huán)蒸汽鍋爐。2亞臨界及以下狀態(tài)汽水介質(zhì)在垂直管中的流動和傳熱2.1垂直上升管內(nèi)汽水流動和傳熱分析2.1.1單相液體強(qiáng)制對流換熱區(qū)：此區(qū)段位于液體溫度尚未達(dá)到飽和溫度。A區(qū)的單向水：當(dāng)單相水在垂直管中向上流動時，管中截面上的流速是不均勻的。由于水的黏性作用，近壁面的水速較低，速度梯度較大；管子中心的水速最大，速度梯度為零。當(dāng)近壁水中含有蒸

43、汽泡又不太大時，由于浮力作用，氣泡上升速度要比水速大。由于速度梯度的影響，氣泡外側(cè)遇到較大的阻力，氣泡本身會產(chǎn)生內(nèi)側(cè)向上而外側(cè)向下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的壓差將氣泡推向管子中心。這樣上升兩相流中氣泡上升較快并相對集中在管子中心部位。區(qū)域A中的水溫低于飽和溫度，為單相水的對流傳熱，金屬壁溫度稍高于水溫。A區(qū)段：對流換熱，換熱系數(shù)與管內(nèi)流速相關(guān)，沿著管長方向由于流體溫度的上升而略有增加，熱負(fù)荷的影響很小,基本上是一常數(shù)。2.1.2蒸汽鍋爐表面沸騰也稱過冷沸騰區(qū)：此區(qū)段位于泡狀流動的初期，蒸汽鍋爐管壁溫度已具有形成汽化核心的過熱度，蒸汽鍋爐內(nèi)壁面上開始產(chǎn)生氣泡，但由于主流的平均溫度仍低于飽和溫度，

44、存在過冷,因此形成的汽泡或者脫離壁面進(jìn)入中心水流后即被冷凝而消失，或者仍然附著在壁面上。此時管子截面上的熱力學(xué)含汽率x0，當(dāng)所有的水均加熱到飽和，即x=0，此區(qū)段結(jié)束。在B區(qū)內(nèi)，緊貼壁面的雖已達(dá)到飽和溫度并產(chǎn)生氣泡，但管子中心的大量水仍處于欠熱狀態(tài)，生成的汽泡脫離壁面后與水混合，又凝結(jié)將水加熱。該區(qū)域的壁溫高于飽和溫度，進(jìn)行著過冷核態(tài)沸騰傳熱。B區(qū)段：進(jìn)入表面沸騰，換熱系數(shù)明顯增加，熱量傳遞了單相流體的強(qiáng)制對流外，還通過沸騰換熱將潛熱轉(zhuǎn)移到主流中，流速與熱負(fù)荷對該階段的放熱系數(shù)都有影響，隨著工質(zhì)溫度升高沸騰換熱的比例逐漸升高。2.1.3蒸汽鍋爐飽和核態(tài)沸騰區(qū)：(1)C區(qū)的泡狀流動：當(dāng)水進(jìn)入C區(qū)

45、時，全部達(dá)到飽和溫度，傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡秃藨B(tài)沸騰方式，此后生成的汽不再凝結(jié)，含汽率逐漸增大，汽泡分散在水中。這種流型稱為泡狀流動。C區(qū)段：飽和核態(tài)沸騰，一般x接近0.3，熱負(fù)荷的影響其決定作用，熱量的傳遞主要是沸騰換熱，流速幾乎沒有影響，旺盛沸騰區(qū)。直徑在1mm以下的細(xì)小氣泡近似球形，直徑大于1mm的汽泡呈現(xiàn)多中種多樣的形狀。除了沸騰換熱外，由于汽液混合物流速的大大增加，可達(dá)進(jìn)口水速的幾倍乃至十幾倍，宏觀對流作用的影響再次顯示出來，因此a2又開始增加，且與雙相強(qiáng)制對流換熱區(qū)沒有明顯的分界。飽和核態(tài)沸騰時的a2非常大，因?yàn)榇藭r內(nèi)壁面上的汽化核心數(shù)相當(dāng)多，大量的汽泡形成、長大和脫離，除了其本身攜帶走潛

46、熱以外，還把近壁層附近形成了非常猛烈的微觀對流。(2)D區(qū)的彈狀流動：在D區(qū)內(nèi)汽泡增多，小汽泡在管子中心聚成大汽彈，形成彈狀流動。汽彈與汽彈之間有水層。D區(qū)段：雙相強(qiáng)制對流換熱區(qū)，隨著氣相增加，混合物的流速增加，對流占據(jù)的份額增加，當(dāng)流速相當(dāng)高時，熱負(fù)荷的作用非常微弱，速度成為決定因素。蒸汽鍋爐管內(nèi)的小汽泡隨著含汽率的增加而合并成一系列頭部為球形，尾部扁平，長度不等，形狀如汽彈的大汽泡。彈狀汽泡直徑接近于管子的內(nèi)徑，占據(jù)了大部分管子截面。但汽彈與管壁之間仍存在一層緩慢流動的液膜，液膜中及兩汽彈之間也可能夾有小汽泡。當(dāng)管內(nèi)汽速增大時，汽彈由于相互碰撞,可能分裂成不規(guī)則形狀的蒸汽快團(tuán)。實(shí)驗(yàn)表明，彈

47、狀流型只出現(xiàn)在低壓時，汽彈尺寸可達(dá)1m以上，并隨壓力增高而減小。壓力大于10MPa時，彈狀流型就會消失，其原因是汽水分界上的表面張力隨壓力增高而減小。(3)E區(qū)的環(huán)狀流動：當(dāng)汽量增多、汽彈相互連接時，形成中心為汽而周圍有一圈水膜的環(huán)狀流動（E區(qū)）。干涸點(diǎn)，接近飽和蒸汽下的對流換熱。在環(huán)狀流動時，管壁上液膜厚度可能比彈狀時還厚得多，液膜中仍含有氣化核心產(chǎn)生的細(xì)小汽泡。在汽和液相的界面出現(xiàn)大的波浪，氣流卷吸波峰的液體進(jìn)入主流，在汽柱內(nèi)形成大小不等的液滴，較大的液滴有時還聚合成團(tuán)，細(xì)小液滴則形成長條纖維。2.1.4 F區(qū)的帶液滴環(huán)狀流型（雙相強(qiáng)制對流換熱區(qū)）：環(huán)狀流型的后期中心蒸汽量很大，其中帶有小

48、水滴，同時周圍的水環(huán)逐漸變薄，即為帶液滴的環(huán)狀流型（F區(qū)）。環(huán)狀水膜減薄后的導(dǎo)熱能力很強(qiáng)，可能不再產(chǎn)生氣泡、發(fā)生核態(tài)沸騰而成為強(qiáng)制水膜對流傳熱，熱量由管壁經(jīng)強(qiáng)制對流水膜傳到水膜同中心氣流之間的表面上，并在此表面上蒸發(fā)。由于這時的蒸汽流速非常高，中心汽流會從四周液膜表面上卷吸出許多細(xì)小的水滴散布在氣流中，隨汽流一起運(yùn)動。液滴與壁面的導(dǎo)熱蒸發(fā)，壁面與蒸汽的對流換熱，氣流中蒸汽熱量傳遞給液滴，使其蒸發(fā)，如果壁溫很高還可能有輻射熱形式；主要與質(zhì)量流速有關(guān)，質(zhì)量流速大，該區(qū)段換熱能力強(qiáng)，壁溫升高程度減小。2.1.5蒸汽鍋爐的干涸點(diǎn)：隨著液膜不斷地蒸發(fā)及被中心汽流卷吸的結(jié)果，沿著流動方向液膜愈來愈薄，最終

49、蒸汽鍋爐管壁上的液膜在某一x值下被蒸干或撕破而完全消失，出現(xiàn)干涸，即傳熱惡化現(xiàn)象。這是蒸汽鍋爐管壁面直接同蒸汽接觸，使得壁面溫度急劇上升。2.1.6 G區(qū)的霧狀流型（蒸汽鍋爐干涸后的換熱區(qū)也稱欠液區(qū)）：當(dāng)壁面上的水膜完全被蒸干后就形成霧狀流型（G區(qū)）。這是汽流中雖有一些水滴，但對管壁的冷卻不夠，傳熱惡化，管壁溫度會突然升高。此后隨汽流中水滴的蒸發(fā)， 蒸汽流速增大，壁溫又逐漸下降。單相蒸汽的對流換熱，與速度有關(guān)。這一區(qū)段的放熱系數(shù)a2比上一區(qū)段顯著下降，其變化趨勢取決于工質(zhì)的質(zhì)量流速。如果流速較大（大于700kg/.s），由于主流中的液滴因紊流擴(kuò)散撞擊壁面的幾率增加，液滴快速蒸發(fā)使得蒸汽流速進(jìn)一

50、步增加，故a2又隨x 的增加而上升，如果流速較小，液滴不易撞擊壁面，使壁面熱量的傳遞速率減緩，壁溫升高，則a2可能繼續(xù)下降。蒸干后，管內(nèi)為蒸汽攜帶液滴的霧狀流動，直到液滴完全蒸發(fā)變成干蒸汽為止。這一區(qū)段的換熱依靠液滴碰到蒸汽鍋爐管壁面時的導(dǎo)熱及含液滴蒸汽流的對流換熱，此時可能處于蒸汽有些過熱而液滴仍為飽和溫度的熱力學(xué)不平衡狀態(tài)。因此在該區(qū)段管子的某一截面上，熱力學(xué)含汽率x=1。2.1.7 H區(qū)的過熱區(qū)（單相蒸汽強(qiáng)制對流換）：進(jìn)入過熱蒸汽區(qū)后，換熱由遵循單相強(qiáng)制對流動的規(guī)律。由于蒸汽溫度比內(nèi)壁溫度增加得快一些，放熱系數(shù)a2隨著蒸汽溫度的提高而略有增大。2.1.8隨著熱負(fù)荷的增加，沸騰換熱的區(qū)域減

51、小，沸騰換熱系數(shù)增加，但是干涸提前，如曲線1和2相比；熱負(fù)荷增加到某一個值后，沸騰放熱系數(shù)增加，將沒有D區(qū)段即兩相對流換熱區(qū)段，直接到干涸點(diǎn)，曲線2和曲線3比較；再度增加熱負(fù)荷，沸騰段減少，換熱系數(shù)進(jìn)一步增加，甚至沒有沸騰段，在過冷區(qū)域產(chǎn)生干涸現(xiàn)象，如曲線4和曲線5。管壁溫度沿管長的變化取決于局部放熱系數(shù)。在單相水和表面沸騰區(qū)，蒸汽鍋爐壁溫與工質(zhì)溫度差值不大，并隨蒸汽鍋爐溫度的提高而增加，進(jìn)入飽和核態(tài)沸騰和雙相強(qiáng)制對流換熱區(qū)，由于放熱系數(shù)a2很大，并隨x的增加而提高，而工質(zhì)溫度保持在飽和溫度，故蒸汽鍋爐內(nèi)壁溫度只比工質(zhì)溫度高幾度，兩者在干涸點(diǎn)線逐漸接近。當(dāng)水膜干涸消失時，a2劇烈下降，雖然工質(zhì)

52、溫度仍處于飽和溫度，蒸汽鍋爐壁溫卻因傳熱惡化而飛升。干涸后區(qū)域壁溫與a2的變化有關(guān)，壁溫飛升通常是指溫度的變化區(qū)域很小，而溫度的飛升值很高。干涸后區(qū)域壁溫與a2的變化有關(guān)，若質(zhì)量流速較高，a2增加，蒸汽鍋爐壁溫飛升后即逐漸有所降低；反之，蒸汽鍋爐壁溫肯呢過持續(xù)增加。到過熱蒸汽區(qū)后，雖然a2增加，但蒸汽溫度在吸熱后不斷增加，故蒸汽鍋爐壁溫也隨之不斷增高。2.2垂直下降管內(nèi)汽水流動和傳熱分析汽液兩相流體在垂直管內(nèi)向下流動時流型的研究資料相對較少。由空氣與水或其它液體的混合物作為工質(zhì)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，下降流動時的流型類似于上升流動的流動結(jié)構(gòu)，也出現(xiàn)泡狀、彈狀和環(huán)狀等幾種流型。與上升管不同的是，含汽

53、率較小時的泡狀流型中的小汽泡主要聚集在管子中心區(qū)域向上運(yùn)動。下降流動時，由于汽泡受到向上的浮力的作用，只有當(dāng)水的速度大于汽泡的上浮的速度，汽泡才被帶著向下流動。若混合物的流速較小，則汽泡可能發(fā)生停止或上升。在壓力為318MPa范圍內(nèi)，能將氣泡帶著往下運(yùn)動的最小流速約為02.0.1m/s。隨著蒸汽鍋爐壓力的增加，汽水密度差減小，最小流速也可取的小一些。2.2.1垂直上升流中可能發(fā)生的換熱異常情況當(dāng)沸騰管中的汽水流動狀態(tài)為氣泡流型、彈狀流型和環(huán)狀流型時，其傳熱區(qū)域?qū)儆诤藨B(tài)沸騰，此時管子的內(nèi)壁不斷被水膜沖刷，工質(zhì)的放熱系數(shù)很大，通常在58.15KW/(m2)以上，管壁溫度比飽和溫度一般只高出25以下

54、，管子工作是安全的。在高參數(shù)大容量鍋爐的爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域的沸騰管中，有時會遇到膜態(tài)沸騰問題。產(chǎn)生膜態(tài)沸騰時，沸騰管內(nèi)壁與蒸汽接觸導(dǎo)致傳熱惡化，此時工質(zhì)的放熱系數(shù)急劇下降使壁溫陡然升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工質(zhì)的飽和溫度，管子很容易損壞。(1)第一類傳熱惡化（膜態(tài)沸騰）：如果管內(nèi)含汽率較小、管外的熱負(fù)荷很高，使管子內(nèi)壁的整個面積都產(chǎn)生蒸汽，流速又低，蒸汽來不及被水流帶走，汽泡就會在管子內(nèi)壁面上聚集起來，形成，形成了管子中間是水、四周是完整穩(wěn)定的氣膜流動狀態(tài)，熱量通過氣膜層傳到液體再產(chǎn)生沸騰蒸發(fā)，此時管子壁面得不到水膜的直接冷卻，就會導(dǎo)致管壁超溫，這種現(xiàn)象就稱為膜態(tài)沸騰。也稱為第一類傳熱惡化。在高參數(shù)大容量鍋

55、爐的爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域的沸騰管中，有時會遇到膜態(tài)沸騰問題。產(chǎn)生膜態(tài)沸騰時，沸騰管內(nèi)壁與蒸汽接觸導(dǎo)致傳熱惡化，此時工質(zhì)的放熱系數(shù)急劇下降使壁溫陡然升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工質(zhì)的飽和溫度，管子很容易損壞。發(fā)生傳熱惡化現(xiàn)象和熱負(fù)荷、質(zhì)量含汽率、質(zhì)量流速、壓力及管徑有關(guān)。發(fā)生第一類傳熱惡化的主要決定因素是受熱面的熱負(fù)荷。對于電站鍋爐，要達(dá)到臨界熱負(fù)荷一般可能性不大。就是說，第一類傳熱惡化在電站鍋爐中發(fā)生的可能性是比較小的。通常用發(fā)生傳熱惡化時的臨界熱負(fù)荷qcr(CHF)作為第一類傳熱惡化發(fā)生的特征參數(shù) 。臨界熱負(fù)荷：對第一類傳熱惡化起決定作用的是受熱面的熱負(fù)荷，判定轉(zhuǎn)入傳熱惡化的界限熱負(fù)荷稱為臨界熱負(fù)荷。由于此熱

56、負(fù)荷很高，發(fā)生傳熱惡化后放熱系數(shù)急劇降低，一般比正常核態(tài)沸騰低一個到兩個數(shù)量級，因此，在大多數(shù)情況下當(dāng)受熱面熱負(fù)荷達(dá)到或接近臨界熱負(fù)荷時，管子就被燒壞。在一般情況下，蒸汽鍋爐不會出現(xiàn)這樣高的熱負(fù)荷，但是在接近臨界壓力時，水的臨界熱負(fù)荷顯著降低，因此有可能出現(xiàn)膜態(tài)沸騰。臨界熱負(fù)荷qlj為五個獨(dú)立變量的函數(shù)：工質(zhì)參數(shù)：質(zhì)量流速、含汽率、壓力；管結(jié)構(gòu)參數(shù)：管徑、管長與內(nèi)徑之比。1)當(dāng)管內(nèi)含汽率很小時，液體的流速決定于質(zhì)量流速。由于有流動，汽泡生成后還來不及長大即被流體沖走，因此在每一個汽化核心上產(chǎn)生汽泡的頻率增高，而這時壁面因有水的不斷冷卻，故放熱系數(shù)仍很大。如果由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變到膜態(tài)時管壁與工質(zhì)的溫

57、差(稱為臨界溫差)不變，則流速越大，放熱系數(shù)越大，臨界熱負(fù)荷也越大。2)顯然，由核態(tài)沸騰到膜態(tài)沸騰的過渡是由于汽泡的匯合而引起的，而液體的流速又使汽泡來不及長大即被沖走，因之這種匯合只能出現(xiàn)在有更多的汽化核心時，而使汽化核心增多的條件是增大臨界溫差，從而要求臨界熱負(fù)荷也必須增大。但是臨界溫差不可能無限增大，當(dāng)它達(dá)到一定數(shù)值時，液體由于不斷汽化從而對管壁的潤濕作用受到破壞，此時繼續(xù)增大流速，臨界溫差值不變。這時臨界熱負(fù)荷僅隨放熱系數(shù)而增加。3)隨著含汽率的增加，汽水混合物的流速增大，但是汽泡密集，使蒸汽反而不易逸出，壁面得不到液體的潤濕，放熱系數(shù)下降，從而使近壁區(qū)含汽率增大，臨界熱負(fù)荷值下降。顯然，當(dāng)含汽率較小時，含汽率增加會使臨界熱負(fù)荷增加。由此可見汽水混合物的流速增高后臨界熱負(fù)荷既可能提高也可能降低，這取決于質(zhì)量流速和含汽率的絕對值。4)當(dāng)質(zhì)量流速、管徑和壓力一定時，如保持入口欠燴一定，則管長減小，臨