超臨界鍋爐的水動力特性解析課件

超臨界鍋爐的水動力特性超臨界鍋爐的水動力特性1一、超臨界參數(shù)的基本特性隨著壓力的提高，水的飽和溫度相應(yīng)隨之提高，汽化潛熱減小，水和汽的密度差也隨之減小。當壓力提高到22.115MPa時，汽化潛熱為零，汽和水的密度差也等于零，該壓力稱之為臨界壓力。水在該壓力下加熱到374.15℃時，即全部汽化成蒸汽，該溫度稱之為臨界溫度。

一、超臨界參數(shù)的基本特性隨著壓力的提高，水的飽和溫度相應(yīng)隨之比容在臨界壓力以下時，水一旦達到飽和溫度，蒸發(fā)時工質(zhì)的比容以垂直線方式急劇上升。而在臨界和超臨界壓力時，雖然沒有像臨界壓力以下的蒸發(fā)現(xiàn)象，但在相變點附近，工質(zhì)的比容還是增加得相當快，也即密度顯著減小。

比容在臨界壓力以下時，水一旦達到飽和溫度，蒸發(fā)時工質(zhì)的比容以比熱在超臨界壓力下，水冷壁內(nèi)工質(zhì)存在大比熱特性。在相變點附近溫度稍有變化時，比熱變化很大，且都有一個最大比熱區(qū)，隨著壓力的提高在最大比熱區(qū)比熱的變化稍有減緩。對應(yīng)定壓比熱最大位置處的工質(zhì)溫度稱為擬臨界溫度。擬臨界溫度左側(cè)為水，右側(cè)為汽。比熱在超臨界壓力下，水冷壁內(nèi)工質(zhì)存在大比熱特性。在相變點附近其它參數(shù)在超臨界壓力的大比熱容區(qū)內(nèi)，工質(zhì)比容、粘度、導熱系數(shù)等也都劇烈變化，離開大比熱容區(qū)后則變化趨緩。除了比熱容以外，上述參數(shù)的變化都是單方向的，隨著溫度的升高，比容增大，粘度、導熱系數(shù)降低。其它參數(shù)在超臨界壓力的大比熱容區(qū)內(nèi)，工質(zhì)比容、粘度、導熱系數(shù)二、亞臨界和超臨界壓力下的流動穩(wěn)定性在直流負荷以下和啟動過程中，爐膛水冷壁進口工質(zhì)為未飽和水，出口為汽水混合物;由于兩相介質(zhì)密度的差異，將可能出現(xiàn)水動力不穩(wěn)定的問題，主要表現(xiàn)為水動力多值性和脈動。二、亞臨界和超臨界壓力下的流動穩(wěn)定性在直流負荷以下和啟動過程水動力多值性水動力特性：是指一定熱負荷下，強制流動受熱面管屏中工質(zhì)流量G與流動壓降Δp之間的關(guān)系，也可用函數(shù)形式表示:Δp=

f(G)表現(xiàn)為：流量與壓差的關(guān)系不是單值性的，而是多值性的，即對應(yīng)一個壓差，出現(xiàn)一個或兩個以上的流量。同一片管組的各管子結(jié)構(gòu)和受熱情況均相同，在相同的壓力差下，不同管子會出現(xiàn)2種甚至3種不同的流量，這種現(xiàn)象即為水動力多值性。水動力多值性水動力特性：是指一定熱負荷下，強制流動受熱面管屏并聯(lián)蒸發(fā)管發(fā)生多值性流動時，部分流量小的管子會因出口工質(zhì)溫度過高而引起管壁超溫，同時管子中的流量還可能隨時間而經(jīng)常變化，使蒸發(fā)管中的起沸點經(jīng)常移動，致使起沸點附近的管壁溫度反復波動，從而容易引起管子金屬疲勞破壞。強制流動水冷壁水動力多值性出現(xiàn)得根本原因是：由于汽和水的比容差以及熱水段和蒸發(fā)段共存，且由于蒸發(fā)段中由于擾動使工質(zhì)比容變化較大引起的。提高壓力，減小汽、水的質(zhì)量體積差，可有效防止多值性發(fā)生，這也是多值性一般出現(xiàn)在亞臨界壓力以下、低負荷時及鍋爐啟動過程中的原因。并聯(lián)蒸發(fā)管發(fā)生多值性流動時，部分流量小的管子會因出口工質(zhì)溫度壓力越高，其水動力特性ΔP=f(G)越趨于穩(wěn)定。提高壓力，減小汽、水的質(zhì)量體積差，可有效防止多值性發(fā)生。壓力越高，其水動力特性ΔP=f(G)越趨于穩(wěn)定。熱負荷大小、運行工況及水冷壁入口水的欠焓對流動穩(wěn)定性都有影響。超臨界壓力直流鍋爐在啟動和低負荷時，其壓力低，因此仍有流動穩(wěn)定性的問題。即使是超臨界壓力下，當水平布置的蒸發(fā)受熱面沿管圈長度方向熱焓變化時，工質(zhì)的比容也隨之發(fā)生變化，尤其在最大比熱區(qū)，其變化更大，因此仍有流動多值性的問題。

熱負荷大小、運行工況及水冷壁入口水的欠焓對流動穩(wěn)定性都有影響脈動性流動定義：在管屏兩端壓差相同，當給水量和流出量基本不變的情況下，管屏里管子流量隨時間作周期性波動的現(xiàn)象，叫脈動現(xiàn)象。脈動種類管間脈動屏間(屏帶或管屏間)脈動整體脈動(全爐脈動)脈動性流動定義：在管屏兩端壓差相同，當給水量和流出量基本不變管間脈動并聯(lián)工作的管子之間，某些管子的進口水流量時大時小。對于一根管子，進口的水量最大時，出口蒸汽量最??；一部分管子的水流量增大時，另一部分水流量卻在減??；與此同時，出口蒸汽量也在進行周期性變化。整個管組的進水量和蒸汽量變化不大。管間脈動管屏脈動與管間脈動相似，指的是各個管屏之間的脈動現(xiàn)象。

整體脈動全部并聯(lián)管屏中流量同時發(fā)生的周期性波動。使用特性比較平緩的離心式給水泵造成的。當給水量、燃料量、壓力劇烈變化時，會引起整體脈動。特點：振幅是變化的，沒有嚴格的周期，逐步衰減。

管屏脈動脈動的危害脈動→工質(zhì)壓力、溫度的周期性變化，引起：管壁溫度周期性變化，引起管子疲勞破壞；過熱段長度周期性變化→出口氣溫周期性變化→氣溫難于控制，引起管壁超溫；脈動嚴重時，引起管屏的機械振動，造成管屏機械應(yīng)力破壞。脈動的危害防止脈動的措施1.增大質(zhì)量流速氣泡不易變大，管內(nèi)不會形成較高的局部壓力，保持穩(wěn)定的進口水量。2.提高進口壓力。p高，汽水密度差小，局部壓力升高的現(xiàn)象不易發(fā)生。3.降低蒸發(fā)點熱負荷和熱偏差

將蒸發(fā)點移到熱負荷低的區(qū)域，蒸發(fā)點熱負荷低，局部壓力大幅度變化可以避免；減小熱偏差，防止個別管子流量降低導致的比容劇烈變化引起的壓力變化。4.防止脈動性燃燒蓄熱少，熱慣性小，熱水段長度、蒸發(fā)段長度不斷變化，引起流動阻力變化、重位壓頭變化，導致脈動發(fā)生。

5.加裝節(jié)流圈防止脈動的措施三、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱液體對流傳熱過冷沸騰飽和核態(tài)沸騰強制水膜對流傳熱欠液區(qū)蒸汽對流傳熱三、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱兩類傳熱惡化（1）由于受熱增強，汽泡產(chǎn)生的速度超過汽泡脫離的速度，在金屬管壁與水之間形成一層汽泡，把水和管壁隔開，即由核態(tài)沸騰變成膜態(tài)沸騰，管壁溫度突然升高的現(xiàn)象叫第Ⅰ類傳熱惡化。關(guān)鍵參數(shù)為熱負荷。（2）管壁上的水膜被蒸干，管壁溫度突然升高的現(xiàn)象叫第Ⅱ類傳熱惡化。關(guān)鍵參數(shù)為含汽率。兩類傳熱惡化五、超臨界壓力下的傳熱特性超臨界壓力下水在一定溫度條件下達到最大值，此最大比熱值比一般水和水蒸汽的比熱（<4.2kJ/(kg℃））大很多。如24MPa時，最大比熱為115kJ/(kg℃)。稱比熱＞8.4kJ/(kg℃）的區(qū)域為大比熱區(qū)。一般認為此最大比熱點可以當作在超臨界壓力下區(qū)分水和蒸汽的分界點。由于超臨界壓力工質(zhì)的特性在相變區(qū)發(fā)生顯著的變化，因此在一定條件下，仍然可能會發(fā)生傳熱惡化。由于這種傳熱惡化現(xiàn)象類似于亞臨界壓力時的膜態(tài)沸騰，因而就稱之類膜態(tài)沸騰。在擬臨界溫度附近，物性參數(shù)變化很大。當管壁溫度大于擬臨界溫度，工質(zhì)平均溫度又小于擬臨界溫度時，則水在壁面處開始沿半徑方向物性有很大變化。五、超臨界壓力下的傳熱特性超臨界壓力下水在一定溫度條件下達管子壁面處的工質(zhì)黏度比中心處的小很多，引起流體流動層流化；邊界層中的流體密度降低，產(chǎn)生浮力，促使紊流傳熱層流化；邊界層中流體的導熱系數(shù)降低，避免處流體的流速遠小于管中心的流速，在熱負荷較大處導致傳熱惡化。壁溫飛升值，決定于熱負荷和管內(nèi)質(zhì)量流速的大小。防止傳熱惡化、降低管壁溫度