汽液兩相流動的基本概念

1、第十二章 汽液兩相流動的 基本概念第十二章 汽液兩相流動的基本概念v自然循環(huán)原理與基本概念自然循環(huán)原理與基本概念v自然循環(huán)鍋爐水冷壁的安全運行自然循環(huán)鍋爐水冷壁的安全運行v蒸發(fā)管內(nèi)的汽液兩相流型及傳熱蒸發(fā)管內(nèi)的汽液兩相流型及傳熱v汽液兩相流體的流動參數(shù)汽液兩相流體的流動參數(shù)v汽液兩相流體的流動阻力、重位壓降汽液兩相流體的流動阻力、重位壓降v簡單回路的水循環(huán)計算和水循環(huán)特性曲線簡單回路的水循環(huán)計算和水循環(huán)特性曲線v復(fù)雜回路的水循環(huán)計算復(fù)雜回路的水循環(huán)計算 v水循環(huán)全特性曲線和循環(huán)安全性檢查水循環(huán)全特性曲線和循環(huán)安全性檢查v蒸發(fā)管傳熱惡化工況的計算蒸發(fā)管傳熱惡化工況的計算v提高循環(huán)安全性的措施提高

2、循環(huán)安全性的措施 v水冷壁的高溫腐蝕水冷壁的高溫腐蝕 第一節(jié) 自然循環(huán)原理與基本概念一一 自然循環(huán)原理自然循環(huán)原理 定義：在一個閉合的回路中，由于工質(zhì)自身的密度差造成的重位壓差，推動工質(zhì)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12-1所示； 重位壓差是由下降管和上升管(水冷壁管)內(nèi)工質(zhì)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(nèi)火焰的輻射熱量后，進行蒸發(fā)，形成汽水混合物，使工質(zhì)密度降低形成的。 2121xjxjxjsshussYppHgpYppHgp下降管側(cè) 上升管側(cè) 水在回路中

3、循環(huán)流動時，下降管側(cè)壓差Yxj等于上升管側(cè)壓差YssxjhuxjssHgHgpp 自然循環(huán)的實質(zhì)自然循環(huán)的實質(zhì)：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(zhì)在循環(huán)回路中流動。即由于水冷壁管吸熱，使水的密度xj改變成為汽水混合物的密度hu，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(zhì)密度差越大，形成的循環(huán)推動力越大。 工質(zhì)密度差不僅與壓力有關(guān)，而且與水冷壁管吸熱強度有關(guān)。在正常循環(huán)情況下，吸熱越多，密度差越大，工質(zhì)循環(huán)流動速度越高；而壓力越高，汽、水的密度差降低，工質(zhì)循環(huán)流動速度越低。 二 自然循環(huán)的基本概念 循環(huán)流速w0:在飽和水狀態(tài)下進入上升管入口的水的

4、流速。0,/Gwm sF質(zhì)量含汽率x :上升管中蒸汽所占循環(huán)流量的份額?；蚱旌衔镏姓羝嫉姆蓊~。 DxG循環(huán)倍率:上升管中實際產(chǎn)生一公斤蒸汽需要進入多少公斤水GkD名義循環(huán)倍率K0：按鍋筒引出的飽和蒸汽量計算的循環(huán)倍率 00GKD鍋筒水室凝汽量D 亞臨界鍋爐鍋筒水室中存在著蒸汽的凝結(jié)過程，使水冷壁的實際蒸發(fā)量大于從鍋筒引出的飽和蒸汽量。在鍋筒水室中被凝結(jié)的蒸汽量就稱為鍋筒水室凝汽量，記作D。由于凝汽量的存在，水冷壁中的質(zhì)量含汽率應(yīng)按實際蒸發(fā)量計算。凝汽量與循環(huán)流量的比值被稱為凝汽率xnq 0/nqxD GDDD 凝汽率與鍋爐壓力和負荷有關(guān)凝汽率與鍋爐壓力和負荷有關(guān) 一臺容量為1025 T

5、/H的亞臨界參數(shù)鍋爐，最大凝汽量達到290t/h之多，鍋筒水室中存在的凝汽過程，使得MCR負荷時水冷壁中實際的蒸發(fā)量比名義蒸發(fā)量大6.8，水冷壁中的質(zhì)量含汽率由0.24增大到0.31，由此引起循環(huán)系統(tǒng)的實際循環(huán)倍率小于名義循環(huán)倍率。 國內(nèi)的推薦數(shù)據(jù)：當(dāng)p=18.6MPa時， xnq =0.042。 第二節(jié) 自然循環(huán)鍋爐水冷壁的安全運行一 影響水冷壁安全運行的主要因素 水質(zhì)不良導(dǎo)致的水冷壁管內(nèi)結(jié)垢與腐蝕，水冷壁受熱偏差或管內(nèi)流動阻力的影響，導(dǎo)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(dǎo)致的管子內(nèi)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(yán)重的“干

6、鍋”； 燃燒產(chǎn)生的腐蝕性氣體對金屬管子外壁面的高溫腐蝕； 結(jié)渣和積灰導(dǎo)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。 停滯倒流膜態(tài)沸騰水的冷卻汽的冷卻連續(xù)水膜被破壞爆管超溫傳熱惡化二 蒸發(fā)管內(nèi)的停滯、倒流和膜態(tài)沸騰 1. 循環(huán)停滯 水冷壁分成幾至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(jié)構(gòu)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(zhì)密度大，當(dāng)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(nèi)就出現(xiàn)了流體的停滯現(xiàn)象。 從循環(huán)特性，停滯現(xiàn)象從循環(huán)特性，停滯

7、現(xiàn)象：循環(huán)流速w00，但w0 0；即循環(huán)流量G=D，但G0；停滯管的壓差等于下降管的壓差，即Ytz=Yxj，但停滯管的流動阻力ptz0。 后果后果：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(dāng)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。 后果后果：當(dāng)自由水面的位置波動時，還會引起管子的疲勞應(yīng)力 水循環(huán)停滯導(dǎo)致水冷壁管傳熱惡化；主要發(fā)生在受熱弱水循環(huán)停滯導(dǎo)致水冷壁管傳熱惡化；主要發(fā)生在受熱弱的管子上的管子上。 由于受熱不均，有的管中工質(zhì)向上流，有的管中工質(zhì)向下流。

8、工質(zhì)向下流的管子就叫“倒流管”。倒流現(xiàn)象倒流現(xiàn)象：本來應(yīng)該是工質(zhì)向上流的上升管，變成了工質(zhì)向下流的下降管。倒流現(xiàn)象的本質(zhì)：倒流管的壓差大于同一片管屏或同一回路的平均壓差，即YdlYhl。從而迫使工質(zhì)向下流動。2. 倒流 在倒流管中，水向下運動，而汽泡由于受到浮力向上運動。當(dāng)?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(dāng)管內(nèi)工質(zhì)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(dāng)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(dāng)水冷壁受熱不均比較嚴(yán)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)

9、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(nèi)工質(zhì)密度的變化而變化的。 核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰：水冷壁管受熱時，在管子內(nèi)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(yīng)”的作用力，向管子中心轉(zhuǎn)移，而管中心的水不斷地向壁面補充。 膜態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰：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(nèi)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(dǎo)致管壁超溫。也稱為第一類傳熱惡化第一類傳熱惡化。 過渡沸騰過渡沸騰：由核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰開

10、始轉(zhuǎn)變的過程3. 膜態(tài)沸騰 膜態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰一般發(fā)生在亞臨界參數(shù)鍋爐水冷壁管內(nèi)。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(nèi)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(chǎn)生膜態(tài)沸騰的機會相應(yīng)增加。 膜態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰的產(chǎn)生取決于水冷壁管外的熱負荷、管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量含汽率、管內(nèi)的質(zhì)量流速、工質(zhì)壓力、管徑等多種因素。但主要取決于水冷壁的熱負荷與質(zhì)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(zhì)量含汽率一般只達到0.30.4，但發(fā)生傳熱惡化的可能性較大。 采用內(nèi)螺紋管內(nèi)螺紋管水冷壁可抑制膜態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰第三節(jié) 蒸發(fā)管內(nèi)的汽液兩相

11、流型及傳熱 泡狀流彈狀流環(huán)狀流霧狀流一 汽液兩相流的流型 泡狀流泡狀流：在連續(xù)的液相中,分散散存在著小汽泡。彈狀流彈狀流：泡狀流中，汽泡濃度增大時，受趨中效應(yīng)的作用，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(nèi)徑時，形成彈狀流。環(huán)狀流環(huán)狀流：由于汽彈的內(nèi)壓力增大，當(dāng)汽彈的內(nèi)壓力大于汽泡的表面張力時，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。霧狀流霧狀流：管子壁面上的水膜完全蒸干時，蒸干點的質(zhì)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(huán)鍋爐的蒸發(fā)管中，因為限制x0.4，所以一般不會出現(xiàn)霧狀流。 二 蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱 1 蒸發(fā)管內(nèi)的

12、流型與傳熱的關(guān)系 單相液體流動階段單相液體流動階段：在管子入口處，為過冷水對流傳熱，放熱系數(shù)基本不變。 過冷沸騰階段過冷沸騰階段：汽泡狀流動的初級階段。壁面溫度大于飽和溫度，在壁面上產(chǎn)生小汽泡，而管子中心流體溫度尚未達到飽和溫度，汽泡被帶到水流中很快凝結(jié)而消失，放熱系數(shù)增大。 汽泡狀流動的后期和環(huán)狀流動階段汽泡狀流動的后期和環(huán)狀流動階段：由于不斷吸熱，管內(nèi)的水流達到飽和溫度在壁面上產(chǎn)生的蒸汽不再凝結(jié)，壁面上不斷產(chǎn)生汽泡，又不斷脫離壁面，水流中分散著許多小汽泡，此時飽和核態(tài)沸騰開始，并一直持續(xù)到環(huán)狀流動階段結(jié)束。管內(nèi)放熱系數(shù)變化不大，管壁溫度接近流體溫度。 有卷吸的環(huán)狀流動階段有卷吸的環(huán)狀流動階

13、段：環(huán)狀流的液膜變薄，管子壁面上的熱量很快通過液膜傳遞到液膜表面，此時在管子壁面上不再產(chǎn)生汽泡，蒸發(fā)過程轉(zhuǎn)移的液膜表面進行。放熱系數(shù)略有提高，管壁溫度接近流體溫度。 霧狀流動階段霧狀流動階段：由于管子壁面的水膜被蒸干，只有管子中心的蒸汽流中夾帶著小液滴，壁面由霧狀蒸汽流冷卻，工質(zhì)對管壁的放熱系數(shù)急劇減小，管壁溫度發(fā)生突變性提高。隨后，由于流動速度增加和小液滴對管壁的潤濕作用， 使工質(zhì)對管壁的放熱系數(shù)又有所增大，管壁溫度略有下降。 當(dāng)霧狀流蒸汽中水滴全部被蒸干以后當(dāng)霧狀流蒸汽中水滴全部被蒸干以后，形成單相的過熱蒸汽流動，放熱系數(shù)進一步減小，管壁溫度進一步上升。 當(dāng)熱負荷不斷增大到一定程度時，水冷

14、壁管內(nèi)就會產(chǎn)生膜態(tài)沸騰。膜態(tài)沸騰有可能發(fā)生在環(huán)狀流動階段，當(dāng)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。 第二類傳熱惡化，“蒸干”： 在自然循環(huán)鍋爐的水冷壁中在正常運行狀態(tài)下不出現(xiàn)“蒸干”導(dǎo)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。 2 蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化三 內(nèi)螺紋管抑制傳熱惡化的作用 鰭片光管鰭片光管：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(nèi)螺紋管內(nèi)螺紋管：x=0.8

15、，壁溫才開始飛升。說明內(nèi)螺紋管具有顯著的抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。內(nèi)螺紋管抑制膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機理內(nèi)螺紋管抑制膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機理：工質(zhì)受到螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強了管子內(nèi)壁面附近流體的擾動，使水冷壁管內(nèi)壁面上產(chǎn)生的汽泡可以被旋轉(zhuǎn)向上運動的液體及時帶走，而水流受到旋轉(zhuǎn)力的作用緊貼內(nèi)螺紋槽壁面流動。從而避免了汽泡在管子內(nèi)壁面上的積聚所形成的“汽膜”，保證了管子內(nèi)壁面上有連續(xù)的水流冷卻。亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐采用內(nèi)螺紋管水冷壁是具有相當(dāng)大的安全裕度內(nèi)螺紋管與光管中質(zhì)量含汽率的允許變動范圍內(nèi)螺紋管與光管中質(zhì)量含汽率的允許變動范圍 內(nèi)螺紋管光管汽包壓力MPa16.6/18.1/

16、19.3/20.716.6/18.1/19.3/20.7最大允許的x0.940/0.915/0.875/0.7800.485/0.385/0.185/0.185燃燒器區(qū)域x0.155/0.165/0.185/0.2330.155/0.165/0.185/- x允許范圍0.785/0.750/0.690/0.5400.330/0.220/0.0/-第四節(jié)第四節(jié) 汽液兩相流體的流動參數(shù)汽液兩相流體的流動參數(shù) 假定在通道內(nèi)汽和水是均勻混合的；水和汽之間無相對速度；只考慮汽的比容比水的比容大。均相模型雖然與實際的汽液兩相流體流動現(xiàn)象有差別，但它是研究汽液兩相流動的基礎(chǔ)。一 汽液兩相流體流動的均相模型1

17、 均相模型(1) 汽的折算流速 0DwF 0VwF (2) 水的折算流速 0GDwF 0VwF 2 汽的折算流速和水的折算流速按容積流量計算的水的折算速度和汽的折算速度。汽水混合物的容積流量為V V V 3.汽水混合物的流速whuhuVVVVVwFFFF00huwww000wFwFwF 000www000www00wDxGw 0GwF 0 0DwF 000 0wFFwF 000www0()huwwxm s4 容積含汽率 0000(1)huw FwVVVVVw Fww111(1)x二 汽液兩相流體流動的分流模型 蒸發(fā)管內(nèi)的流型主要表現(xiàn)為泡狀流、環(huán)狀流。這種流型的特征是在管子壁面處形成環(huán)狀水膜，蒸

18、發(fā)產(chǎn)生的蒸汽集中在管子中心處汽液兩相流動的分流模型是：管內(nèi)的汽水混合物是分開流動的，汽在管子中央流動，水貼近壁面流動；汽和水之間有相對速度。由此導(dǎo)出的汽液兩相流動參數(shù)可視為接近真實的參數(shù)。由此導(dǎo)出的汽液兩相流動參數(shù)可視為接近真實的參數(shù)。 1. 截面含汽率 FF表示蒸汽流通截面占管子總截面的份額2. 汽的真實速度和水的真實速度 汽的真實速度 水的真實速度0 0wVwF0(1)1wVVwFF3 接近真實的汽水混合物的密度zs zsGFHFHFFVF HFF(1)zs 三 兩相流動參數(shù)與均相流動參數(shù)的關(guān)系 0 0wFVFFVFw1FFFVwVwFFFFVwVw 可視為汽和水的速度比，或稱為汽水滑動比

19、。wSw設(shè)1VVVVVVVV111()S 滑動比S可由試驗確定；國內(nèi)對垂直上升管，采用以下的方法確定S00.4(1)ljpSpwS的物理意義： 當(dāng)w w，S，為汽水混合物向上流動工況； 當(dāng)w w，S，為混合物向下流動工況； 當(dāng)w w，S，為均相流動工況，即= 。 第五節(jié) 汽液兩相流體的流動阻力、重位壓降一 兩相流體的流動阻力 汽水混合物流動時，在泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流階段，汽泡受到浮力的作用，向上運動的速度比水流速度快。 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。 汽液兩相流的流型不同，兩相流之間的分布特征和接觸面積就不相同，產(chǎn)生的阻力當(dāng)然也不相同。汽液

20、兩相流動的阻力要比單相水的流動阻力大。 兩相流體流動阻力采用單相流體流動阻力計算公式的形式，帶入均勻混合的汽水混合物的流速和密度，然后用修正系數(shù)考慮汽液相對速度和流型對流動阻力的影響。兩相流動的摩擦阻力計算公式為22huhumcwLpd兩相流體摩擦阻力修正系數(shù) 值由試驗確定(1) w1000kg/(m2h)國內(nèi)采用的方法是： 1000(1)(1)11xxwx 1000(1)(1)11 (1)xxwx (2) w 1000kg/(m2h)(3) w1000kg/(m2h) 可以看出，f(w ,x , p)。兩相流體的摩擦阻力與質(zhì)量流速或汽水混合物的流速、質(zhì)量含汽率、壓力(汽水密度取決于壓力)有關(guān)

21、。 因為whuhuw0，有 201(1)mcwLpxd2沿上升管，隨著吸熱量的不斷增加，x的值不斷變化，whu也不斷變化，應(yīng)根據(jù)whu或x的變化沿上升管作積分或分段計算，然后再疊加求和。2011(1)NimciiiL wpxd 2二 兩相流體的重位壓降 蒸發(fā)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(yīng)該根據(jù)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zwzs(1)iiiiphghg 簡單回路第六節(jié) 簡單回路的水循環(huán)計算和水循環(huán)特性曲線一 簡單回路和回路區(qū)段的劃分 水循環(huán)計算時，首先將一根下降管和與它相連的水冷壁組成一個獨立的循環(huán)回路，獨立

22、的循環(huán)回路可以是簡單回路，也可以是復(fù)雜回路。 簡單回路簡單回路是指一根下降管和一根水冷壁管或一組水冷壁管屏組成的回路。 水循環(huán)計算時，需要從水冷壁下聯(lián)箱為起點，對上升管進行區(qū)段劃分。通常將上升管劃分為： 熱水段熱水段：進入的水由于靜壓升高和省煤器出口水不飽和而不能立刻開始沸騰，因而需要確定沸騰點。在沸騰點之前，上升管內(nèi)為單相水。 含汽段含汽段：含汽段是上升管的主要區(qū)段，在含汽段，管內(nèi)汽水混合物的密度大小或密度分布變化較大，一般應(yīng)根據(jù)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。 熱后段熱后段：此區(qū)段的上升管不吸熱，管內(nèi)汽水混合物的密度不變。當(dāng)管內(nèi)汽水混合物引入鍋筒頂部時，汽水導(dǎo)管將

23、超過鍋筒水位面高度，此段稱為超高段。2. 2. 上升管區(qū)段的劃分上升管區(qū)段的劃分二 描寫循環(huán)特性的方程組 水冷壁吸熱方程用以求出循環(huán)特性參數(shù)的質(zhì)量含汽率、單相流體和和兩相流體的分界點即沸騰點。求解循環(huán)特性方程組，可以繪制水循環(huán)特性曲線和全特性曲線，便于圖解分析和判斷水循環(huán)的安全性。數(shù)學(xué)方程壓差方程流量方程水冷壁吸熱方程qhQDrG hxjssGGssxjYYr和hqh分別為汽化潛熱、上升管入口水欠焓 三 熱水段高度的計算 xjyr6xjdqxjyrrq6111010qhrsrqppihiigHHHpgHHQhgH Gp Hrq受熱前區(qū)段高度(m)；Hxj下降管高度(m)； H1上升管第一區(qū)段高

24、度(m) Hyr引入管高度(m)，若水冷壁下聯(lián)箱低于下降管計算下標(biāo)高，則其前取號，否則取號；iqh下降管入口鍋水欠焓(kJ/kg)；ixj下降管受熱導(dǎo)致的工質(zhì)焓增(kJ/kg)；ixj下降管帶汽導(dǎo)致的工質(zhì)焓增(kJ/kg)；pxj下降管阻力(Pa)；pyr引入管阻力(Pa)；G上升管入口的循環(huán)流量(kg/s)；Q上升管第一區(qū)段的吸熱量(k)；610igp 鍋筒壓力下，每米高度差的重位壓頭或流動阻力引起靜壓變化使飽和水焓變化kJ/(m.kg)；若由計算得到：Hrs Hrq+ H1，則表明沸騰點在第二區(qū)段。由下式計算Hrs rsrq1xjyr61qhxjdqxjyrrq16221010HHHppQ

25、ihhhgHHHHpgGQhgH Gp Q2上升管第二區(qū)段的吸熱量(kW)；H2上升管第二區(qū)段高度(m)。 四 水冷壁各區(qū)段蒸發(fā)量的計算 1qhdqxj1()QGiiiDii 12qhdqxj2()QQGiiiDiiiiQDii第一區(qū)段的蒸發(fā)量 第二區(qū)段的蒸發(fā)量第i區(qū)段的蒸發(fā)量五 鍋水欠焓的計算 由省煤器送入鍋筒中的給水一般都未達到飽和溫度，因此鍋水處于不飽和狀態(tài)，這是造成下降管入口水欠焓的主要原因。 高壓和超高壓鍋爐鍋筒內(nèi)一般都布置蒸汽清洗裝置，由省煤器送來的50%的給水量均勻分布在清洗裝置上，形成一層約50mm厚的水層，蒸汽通過清洗水層時，可將蒸汽中的鹽分轉(zhuǎn)移到清洗水中。同時，通過清洗水層

26、的部分飽和蒸汽被凝結(jié)。由省煤器送來的另外50%的給水量直接送進鍋筒水室中與鍋水混合，這部分給水也會使鍋筒水室中的部分蒸汽凝結(jié)。 亞臨界壓力鍋爐鍋筒內(nèi)一般不設(shè)置蒸汽清洗裝置，但鍋筒水室中同樣有蒸汽的凝結(jié)過程。鍋筒內(nèi)的蒸汽凝結(jié)使進入下降管的水欠焓減小。清洗裝置上部的熱平衡關(guān)系式清洗裝置下部的熱平衡關(guān)系式 qx sm0nq0nqqx()()D iDDiDDD iD iDiqxsm0nqqx0qh0nq()()()()()DDiDDD iD iD iGD iG iiDDi nqsmqxsmqhsmqx(1)()()()(1)x KiiiiiiiiiKiinqsmqh(1)()()x KiiiiiKnq

27、qx0,0 xnqqx0,0 xsmqhiiiK0GKDnqnqDxGqxqxDD實際循環(huán)倍率 清洗水份額鍋筒水室凝汽率六六 idqdq的計算的計算 xjxjdq()(1)xjDiixGixjdqxjxj1()1DhiiGxxjxjxjxjxjxj11CCxxxjdqxjxj1iC 由于帶汽，下降管中的蒸汽凝結(jié)量為 七七 水循環(huán)特性曲線和循環(huán)回路的工作點水循環(huán)特性曲線和循環(huán)回路的工作點 根據(jù)水冷壁吸熱方程分別求解上升系統(tǒng)和下降系統(tǒng)的壓差方程和流量方程，上升系統(tǒng)和下降系統(tǒng)的總壓差曲線交點就是水循環(huán)回路的工作點。 大容量自然循環(huán)鍋爐通常由46根大直徑下降管與2024個以上的水冷壁管組相聯(lián)接，即一根

28、下降管與46個水冷壁管組相聯(lián)接，形成復(fù)雜回路。水循環(huán)計算時，一般將一根下降管與2個或2個以上的水冷壁管組相聯(lián)接的循環(huán)回路稱為復(fù)雜回路。第七節(jié) 復(fù)雜回路的水循環(huán)計算一一 復(fù)雜水循環(huán)回路復(fù)雜水循環(huán)回路二 復(fù)雜回路的水循環(huán)特性曲線復(fù)雜回路的水循環(huán)特性曲線 曲線1、1、1表示上升系統(tǒng)1-1-1的特性曲線，上升系統(tǒng)包括分配水管、上升管、汽水引出管以及汽水分離器； 曲線2、2、2表示上升系統(tǒng)2-2-2的特性曲線。 將分配水管、上升管、汽水引出管以及汽水分離器的壓差相加，可分別得到兩個上升系統(tǒng)的壓差流量曲線s1f()和f()。 然后再將兩個系統(tǒng)的流量相同的壓差下相加，得到曲線s1+s2，此曲線與下降管的壓差

29、曲線xj的交點，形成了這一復(fù)雜回路的工作點。一 水循環(huán)全特性曲線 第八節(jié) 水循環(huán)全特性曲線和循環(huán)安全性檢查 水循環(huán)的特性曲線只反映了工質(zhì)向上流動的情況。上升管有時還會出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。 用全特性曲線可以更為全面地反映和判別水循環(huán)回路的流動情況。 全特性曲線包括上升流動、停滯、倒流的特性曲線。Y f(+ G)即為向上流動或停滯特性曲線Y f(- G)即為倒流特性曲線。全特性曲線二 循環(huán)安全性檢查1 停滯的判別和不停滯的條件 判別受熱最差的管屏?xí)粫霈F(xiàn)停滯現(xiàn)象的方法是：在回路工作點壓差下，當(dāng)受熱最差管屏的流量，出現(xiàn)停滯；，不出現(xiàn)停滯；，流動進入不穩(wěn)定區(qū)，可能停滯，也可能不停滯。 不出現(xiàn)停滯的條件是：

30、回路工作點的壓差大于受熱最差管不出現(xiàn)停滯的條件是：回路工作點的壓差大于受熱最差管在停滯點的壓差。在停滯點的壓差。國內(nèi)用下式作為不停滯的判別式 phl/ ptz1.05 出現(xiàn)一個流動的不穩(wěn)定區(qū)，即可能倒流，也可能不倒流。曲線的頂點是倒流點的壓差。因為倒流時，受熱最差管倒流點的壓差大于回路工作點的壓差。 2 倒流的判別和不倒流的條件 不倒流的條件不倒流的條件：回路工作點的壓差大于受熱最差管在倒流點的壓差。 國內(nèi)用下式作為不倒流的判別式 phl/pdl1.05 第九節(jié) 蒸發(fā)管傳熱惡化工況的計算 蒸發(fā)管（通常指水冷壁）產(chǎn)生傳熱惡化的條件與壓力p、質(zhì)量流速w、熱負荷q、質(zhì)量含汽率、管徑等因素有關(guān)。一般根

31、據(jù)臨界含汽率xlj來估計水冷壁管內(nèi)是否出現(xiàn)傳熱惡化。所謂臨界含汽率是指：在傳熱惡化開始發(fā)生，壁溫開始升高處，蒸發(fā)管內(nèi)的質(zhì)量含汽率。 亞臨界壓力以下(p 19.6MPa)、大管徑(dn 15mm) 蒸發(fā)管內(nèi)傳熱惡化的計算按下述的方法進行。 一 沿周向均勻受熱的垂直管的計算 對于蒸發(fā)管的傳熱惡化，可根據(jù)壓力p、熱負荷q劃分為第一類傳熱惡化區(qū)域和第二類傳熱惡化區(qū)域。 對于沿周向均勻受熱的垂直管內(nèi)出現(xiàn)傳熱惡化的條件，隨壓力、質(zhì)量流速、熱負荷等參數(shù)的不同，第二類傳熱惡化可分為四個區(qū)域。 在各區(qū)域中出現(xiàn)傳熱惡化的臨界含汽率xlj按以下的經(jīng)驗公式計算 區(qū)域 區(qū)域 區(qū)域 區(qū)域 51j11041.163ndqq

32、xxCC1j2dxx C521j2101.163ndqqqxx CC531j2101.163ndqqqxx CC二 單面受熱水冷壁管的計算 對于單面受熱的鍋爐水冷壁管，沿周向內(nèi)壁熱負荷是不相等的。計算臨界含汽率時按其沿周最高值，即向火面內(nèi)壁熱負荷代入臨界含汽率式中的qn。受熱管單面受熱,由于沿周受熱不均，將產(chǎn)生汽水沿周環(huán)流，使傳熱惡化推遲對單面受熱水冷壁，按 求得的值乘上1.551j11041.163ndqqxxCC按 求得的值加上=0.1。 1j2dxx C521j2101.163ndqqqxx CC531j2101.163ndqqqxx CC一 影響循環(huán)安全性的主要因素 第十節(jié) 提高循環(huán)安

33、全性的措施 1. 水冷壁受熱不均或受熱強度過高 鍋爐運行中，爐內(nèi)火焰偏斜、水冷壁局部結(jié)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(jié)果都是導(dǎo)致管子局部發(fā)生傳熱惡化，管壁溫度升高。 下將管入口產(chǎn)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(nèi)出現(xiàn)汽水兩相流動，工質(zhì)密度減小，使下降管側(cè)的重位壓差降低，且流動阻力也相應(yīng)增大，使Yxj值。 導(dǎo)致水循環(huán)安全裕度下降，即產(chǎn)生停滯、倒流的可能性增大。 防止下降管帶汽的辦法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

34、持正常的鍋筒水位。水位過低，下降管入口不但容易產(chǎn)生旋渦漏斗，而且使下降管入口處的靜壓力降低，容易產(chǎn)生水的自汽化。 2. 下降管帶汽或自汽化3. 水冷壁管內(nèi)壁結(jié)垢 鍋爐運行水質(zhì)不合格，含鹽量超標(biāo)，當(dāng)水在管內(nèi)受熱蒸發(fā)時，鹽分從水中析出，沉積在管壁上，管子金屬內(nèi)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(nèi)結(jié)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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

35、行 鍋爐低負荷運行時，蒸發(fā)量減少，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)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快速降負荷時，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)由于壓力降低，工質(zhì)的自汽化過程加快，由于鍋筒水室內(nèi)水的自汽化和下降管內(nèi)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。 二 亞臨界自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)特性 亞臨界參數(shù)鍋爐，隨著鍋爐容量增大相對于單位蒸發(fā)量的爐膛周界減小，管內(nèi)質(zhì)量含汽率增大，達到 x= 0.30.4 在MCR負荷時，循環(huán)流速達到 1.72.2米/秒

36、 30CR時的循環(huán)流速能保持 1米/秒的水平 試驗數(shù)據(jù)表明，循環(huán)流速達到0.4米/秒，水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)流動就不會產(chǎn)生停滯和倒流現(xiàn)象。 判斷亞臨界參數(shù)鍋爐循環(huán)安全性的主要參數(shù)是質(zhì)量含汽率質(zhì)量含汽率及水冷壁熱流密度水冷壁熱流密度、實際蒸發(fā)量實際蒸發(fā)量、循環(huán)流速循環(huán)流速。 采用質(zhì)量含汽率質(zhì)量含汽率表示的循環(huán)特性參數(shù)函數(shù)關(guān)系能夠直接反映出各參數(shù)之間的制約關(guān)系。 1 質(zhì)量含汽率與結(jié)構(gòu)參數(shù)及循環(huán)特性參數(shù)的關(guān)系 20014DDDxdGwFw N 設(shè)、w0、x、d、分別為水冷壁的流通截面、循環(huán)流速、循環(huán)流量、水冷壁蒸發(fā)量、質(zhì)量含汽率、水冷壁管子根數(shù)、水冷壁管內(nèi)徑、飽和水密度， 2 水冷壁熱負荷與結(jié)構(gòu)參數(shù)及循環(huán)

37、特性參數(shù)的關(guān)系 fpq NsLG iDr20fp4()dwqxrisL設(shè)qf、S、Lp、r、i分別為水冷壁熱負荷、管子節(jié)距、水冷壁管平均長度、汽化潛熱、上升管入口水欠焓 3 爐膛周界與循環(huán)特性參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系 設(shè)U為爐膛周界，其余符號同上。近似認(rèn)為，NU/s 204DsUdwx控制質(zhì)量含汽率的數(shù)值就控制循環(huán)流速、熱流密度及/F等參數(shù)，通過調(diào)節(jié)各參數(shù)的數(shù)值控制合理的質(zhì)量含汽率?？捎嬎愠鼋咏鼘嶋H的循環(huán)特性參數(shù)和水冷壁結(jié)構(gòu)參數(shù)。 三 提高循環(huán)安全性的措施 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(nèi)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(shè)計制

38、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(yīng)的技術(shù)措施來提高蒸發(fā)系統(tǒng)的循環(huán)安全性。主要的技術(shù)措施主要的技術(shù)措施保證水冷壁管內(nèi)有足夠高的質(zhì)量流速；盡可能減小水冷壁的受熱偏差、結(jié)構(gòu)偏差和流量偏差；保證水冷壁各管組具有合適的熱負荷；保證水冷壁管內(nèi)具有合適的質(zhì)量含汽率；維持正常的鍋筒水位，并使下降管盡可能少帶汽和不產(chǎn)生自汽化；減小循環(huán)回路的流動阻力。如增大汽水導(dǎo)管與水冷壁管組的流通截面比或減小水冷壁阻力等；鍋爐變負荷運行時，控制壓力變動速度；控制鍋爐爐水品質(zhì)，防止水冷壁管內(nèi)結(jié)垢；1.防止水冷壁管外高溫腐蝕和磨損等；第十一節(jié) 水冷壁的高溫腐蝕 高溫腐蝕是燃料中的硫在燃燒過程中生成腐蝕性灰

39、污層或渣層以及腐蝕性氣氛，使高溫受熱面金屬管子表面受到侵蝕的現(xiàn)象。 內(nèi)部原因主要是燃料中的硫 外部原因是由于水冷壁管處于高溫?zé)煔獾沫h(huán)境中，金屬壁面溫度又很高，當(dāng)火焰貼近爐墻時，金屬壁面鄰近的區(qū)域中形成還原性氣氛，使灰的熔點溫度降低，加劇金屬管子表面的積灰或結(jié)渣過程，并使管子表面產(chǎn)生高溫腐蝕 腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象通常出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域或過熱器區(qū)域。 水冷壁高溫腐蝕大致有三類，第一類是硫酸鹽型高溫腐蝕；第二類是硫化物型高溫腐蝕。第三類是爐內(nèi)的SO3、H2S、HCl氣體也會對水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕。一 水冷壁的高溫腐蝕機理 1 . 硫酸鹽型腐蝕 硫酸鹽型腐蝕： 灰渣層中的堿金屬硫酸鹽與SO3共同作用產(chǎn)生腐蝕；

40、堿金屬焦硫酸熔鹽腐蝕 1.在水冷壁管壁金屬表面生成薄氧化層（Fe2O3）和極細灰粒沾污層。2. 冷凝在管壁上的堿性金屬氧化物與周圍煙氣中的SO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鹽23242324Na O+SONa SOK O+SOK SO3.水冷壁管壁金屬表面的硫酸鹽層增厚，熱阻增大，表面溫度提高，灰渣熔化，促使黏結(jié)煙氣中的飛灰形成疏松的灰渣層。硫酸鹽熔化時釋放出SO3，并向內(nèi)外擴散。硫酸鹽與硫酸鹽與SO3一起對水冷壁管子的腐蝕過程一起對水冷壁管子的腐蝕過程 3433424343342410F+2Na Fe(SO )3Fe O +3FeS+3Na SO10Fe+2K Fe(SO )3Fe O +3FeS+

41、3K SO反應(yīng)生成的Na2SO4和K2SO4循環(huán)作用使鐵的腐蝕不斷進行。 上述反應(yīng)使管壁上的Fe2O3保護層被破壞。Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3則熔化，并與鐵發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕： 4.硫酸鹽釋放出的SO3和煙氣中的SO3會穿過疏松的灰渣層向內(nèi)擴散2423324 32423334 33Na SO +Fe O +3SO2Na Fe(SO )3K SO +Fe O +3SO2K Fe(SO )5. 運行中管壁外層灰渣層因為清灰或灰渣層過厚而脫落，使Na3Fe(SO4)3等暴露在高溫火焰輻射中，發(fā)生分解反應(yīng)： 34324233343242332Na Fe(SO )3Na SO +Fe O +3SO3K Fe(SO )3K SO +Fe O +3SO新的堿金屬硫酸鹽層，在SO3作用下使管壁不斷受到腐蝕。堿金屬焦硫酸鹽的熔點很低，在一般的壁溫下就呈現(xiàn)熔化狀態(tài)。如果在灰渣附著層中存在焦硫酸鹽時會形成反應(yīng)速度更快的熔鹽型腐蝕。焦硫酸鹽與