自然循环原理及计算精选课件.ppt

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1、关于自然循环原理及计算第一页，本课件共有34页1 1 锅炉水动力学基础锅炉水动力学基础u1、两相流体的流动结构u2、水冷壁管内传热u3、两相流体的速度u4、两相流体的含汽率u5、两相流体的密度第二页，本课件共有34页自然循环自然循环第三页，本课件共有34页 弹弹状状结结构构 含含汽汽率率x x 增增大大，汽汽泡泡开开始始合合并并成成弹弹状状大大汽汽泡泡，形形成成阻阻力力较较小小的的汽汽弹弹1/41/41、两相流体的流动结构 泡泡状状结结构构 当当汽汽水水混混合合物物中中含含汽汽率率x x 较较小小时时，蒸蒸汽汽呈呈细细小小的的汽汽泡泡，主主要要在在管管子中心部分向上运动子中心部分向上运动 汽水

2、混合物在垂直管中作上升运动汽水混合物在垂直管中作上升运动 汽、液两相数量，即质量含汽率汽、液两相数量，即质量含汽率x x 不断变化；汽、液两相间存在相对运不断变化；汽、液两相间存在相对运动；产生汽泡趋中效应动；产生汽泡趋中效应第四页，本课件共有34页 雾雾状状结结构构 当当含含汽汽率率x x 再再增增大大时时，管管壁壁上上水水膜膜变变薄薄，汽汽流流将将水水膜膜撕撕破破成成小小水水滴滴分分布布于于蒸蒸汽汽流流中中被被带带走走，汽汽与与水水形形成成雾雾状状混混合合物物，称称为为雾雾状状或液雾结构或液雾结构两相流体的流动结构 柱柱状状结结构构 含含汽汽率率x x 继继续续增增大大，弹弹状状汽汽泡泡汇

3、汇合合成成汽汽柱柱并并沿沿着着管管子子中中心心流流动动，而水则成环状沿着管壁流动，形成汽柱状或称水膜环状流动结构而水则成环状沿着管壁流动，形成汽柱状或称水膜环状流动结构2/42/4第五页，本课件共有34页两相流体的流动结构 汽水混合物在水平管中流动汽水混合物在水平管中流动 在浮力与重力作用下，在浮力与重力作用下，管子上部蒸汽多。管子上部蒸汽多。当流速小到一定程度时，形成汽、当流速小到一定程度时，形成汽、水水分层流动分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽水波动，产生疲劳损坏。层的交界面处，由

4、于汽水波动，产生疲劳损坏。3/43/4 汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角 愈小，汽水分层愈易发愈小，汽水分层愈易发生。生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于对自然循环锅炉，管子倾角应大于3030，以防止发生分层流动。，以防止发生分层流动。第六页，本课件共有34页 水冷壁管内饱和沸腾可分为水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾核态沸腾和和沸腾传热恶化沸腾传热恶化两种工况两种工况 2、水冷壁管内传热 核核态态沸沸腾腾 汽汽泡泡强强烈烈扰扰动动，传传热热性性能能良良好好，管管内内壁壁温温度度接接近近于于水水的的饱饱和和温温度度，得得到良好的冷却到良好的冷却

5、沸腾传热恶化沸腾传热恶化 第第一一类类传传热热恶恶化化（膜膜态态沸沸腾腾）热热负负荷荷很很高高，管管内内壁壁汽汽化化核核心心急急剧剧增增加加，形形成成连连续续的的汽汽膜膜，对对流流放放热热系系数数2 2 急急剧剧下下降降，管管壁壁得得不不到到液液体体冷冷却却超超温温破坏。特性参数为临界热负荷破坏。特性参数为临界热负荷 第第二二类类传传热热恶恶化化（蒸蒸干干）热热负负荷荷比比前前者者低低、但但含含汽汽率率很很高高时时（出出现现液液雾雾状状），汽汽流流将将水水膜膜撕撕破破或或因因蒸蒸发发使使水水膜膜部部分分或或全全部部消消失失，管管壁壁直直接接与与蒸蒸汽汽接接触触而而得得不不到到液液体体的的足足够

6、够冷冷却却，对对流流放放热热系系数数2 2 急急剧剧下下降降，金金属属壁壁温温t tb b 急急剧剧增增加加，特特性性参数是工质的临界含汽率。参数是工质的临界含汽率。4/44/4第七页，本课件共有34页3、两相流体的速度 质量流速质量流速 单位时间流经单位流通截面的工质质量单位时间流经单位流通截面的工质质量 循环流速循环流速ww0 0 上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速式中：式中：G G为工质的质量流量；为工质的质量流量；为容积流量为容积流量 1/41/4第八页，本课件共有34页两相流体的速度 折算速度折算速度 假定蒸汽或水容积占据管子全部截面时的速度假定蒸汽

7、或水容积占据管子全部截面时的速度 D D为蒸汽质量流量为蒸汽质量流量 混合物速度混合物速度 真实速度真实速度 2/42/4第九页，本课件共有34页4、两相流体的含汽率3/43/4 容积含汽率容积含汽率 蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比 质质量量含含汽汽率率x x 汽汽水水混混合合物物中中蒸蒸汽汽的的质质量量流流量量与与汽汽水水混混合合物总质量流量之比物总质量流量之比 截面含汽率截面含汽率 蒸汽所占截面与管子总截面之比蒸汽所占截面与管子总截面之比上升流动上升流动 C1,C1,1,C1,AA第十页，本课件共有34页4/44/45、两相流体的密度 混合物密度混

8、合物密度huhu 真实密度真实密度zs zsAA第十一页，本课件共有34页2 2 自然循环自然循环锅炉的水循环及计算锅炉的水循环及计算u1、自然循环的基本概念u2、简单回路水循环计算u3、自然循环故障及安全性检查第十二页，本课件共有34页自然循环第十三页，本课件共有34页 简单循环回路压差平衡式简单循环回路压差平衡式 (取向下为正取向下为正)自自然然循循环环的的工工作作原原理理 下下降降管管中中水水与与上上升升管管中中汽汽水水混混合合物物间间的的重重位位压压头头差差 使使水水在在回回路路中中产产生生环环形流动，水循环形流动，水循环 1、自然循环的基本概念1/21/2式式中中 h h、h hi

9、i 下下降降管管的的高高度度（即即循循环环回回路路的的高高度度）及上升管各区段的高度，及上升管各区段的高度，mm；下下降降管管中中工工质质及及上上升升管管各各区区段段工工质质的的平平均密度，均密度，kg/mkg/m3 3；P Pxj xj、P Pss ss 下下降降管管及及上上升升管管流流动动阻阻力力损损失失，Pa Pa 第十四页，本课件共有34页自然循环的基本概念 运运动动压压头头P Py y d d 下下降降管管与与上上升升管管中中工工质质液液柱柱重重差差，维维持持回回路路自自然然循环的动力，用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力循环的动力，用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力2/22/

10、2 循循环环倍倍率率K K 循循环环回回路路中中水水流流量量G G与与回回路路中中产产生生的的蒸蒸汽汽量量D D之之比，即比，即1kg1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次 有效压头有效压头p p e e 在数值上等于下降管的阻力在数值上等于下降管的阻力第十五页，本课件共有34页 上上升升管管受受热热,含含汽汽率率X X 不不断断增增加加，分分区区段段进进行行计计算算，把把结结构构、受受热热相相近近的的划划为为一一段段。f f是是上上升升管管开开始始沸沸腾点腾点 受热前段受热前段h hrqrq 受热后段受热后段h hrhrh上联箱至汽包水位段上联箱至汽包水位

11、段h hd d阻力损失段阻力损失段hchc 不含汽段不含汽段h hrs rs含汽段含汽段h hhdhd2/102/10上升管区段的划分2、简单回路水循环计算第十六页，本课件共有34页2、简单回路水循环计算 压差法水循环计算压差法水循环计算1/101/10段内的流动阻力和加速压降段内的流动阻力和加速压降段内的流动阻力和加速压降段内的流动阻力和加速压降第十七页，本课件共有34页循环回路的特性曲线和工作点1.确定循环回路工作点的图解法图图126 确定工作点的图解法确定工作点的图解法 先假定几个循环流量(或流速)的数值，通常假定三个w，G1、G2、G3，分别计算出相应的下降管压差和上升管压差值，再将这

12、几个压差值连接起来就得到Sss和Sxj的特性曲线。这两条压差特性曲线的交点A即为简单回路工作点，其对应的G0和S0即为工作点的循环流量和压差。第十八页，本课件共有34页复杂回路的压差特性曲线和工作点其主要步骤为：利用简单回路绘制压差特性曲线的方法，通过计算作出各管组或管子在一定条件下的压差特性曲线；寻找所有回路的共同部分，将各曲线合成，得出整个系统的总特性曲线，并求出回路的总工作点；再按相反的秩序或通过分析，从总工作点反推求得各管组或管子压差特性曲线的工作点。压差特性曲线的合成基于工质的物质平衡和作用于工质上的力平衡两个基本原理。其合成规律为：稳定工况下，串联回路时的流量相等，在相同流量下压差

13、迭加；并联回路的两端压差相等，在相同压差下流量迭加。第十九页，本课件共有34页（1）并联回路图图12-7 并联回路及其特性曲线并联回路及其特性曲线第二十页，本课件共有34页（2）串联回路 图图12-8 串联回路及其特性曲线串联回路及其特性曲线 第二十一页，本课件共有34页(3)具有共同引入管不同引出管的复杂回路图图12-9 有共同引入管不同引出管的回路及其特性曲线有共同引入管不同引出管的回路及其特性曲线 第二十二页，本课件共有34页3、自然循环故障及安全性检查u(1)(1)自然循环特性自然循环特性u(2)(2)自然循环故障及安全性检查自然循环故障及安全性检查u(3)(3)循环停滞、自由水面和倒

14、流现象循环停滞、自由水面和倒流现象u(4)(4)下降管带汽与汽化下降管带汽与汽化u(5)(5)提高自然循环安全性措施提高自然循环安全性措施第二十三页，本课件共有34页(1)自然循环特性 自然循环特性自然循环特性 热负荷与循环流速之间的关系热负荷与循环流速之间的关系 锅炉热负荷锅炉热负荷 QQ上升，上升，D D上升，上升，X X上升：上升：QQ上升上升 ”下降下降 h h（-”）g g 上升上升 p pyd yd 上升上升 ww0 0 上升上升 pps s 上升上升 ww0 0 下降下降 Q Q 增增加加，p pyd yd 增增加加起起主主要要作作用用，ww0 0 上上升升；而而Q Q 增增加加

15、过过大大，阻阻力力增增加加起起主主要要作作用用，反反使使ww0 0下降下降 1/21/2 自自补补偿偿能能力力 随随锅锅炉炉热热负负荷荷Q(Q(质质量量含含汽汽率率x)x)的的增增加加，循循环环回回路路水水流流量量G(G(循循环环水水流流速速ww0 0)相应增大的能力相应增大的能力 可避免管壁超温可避免管壁超温第二十四页，本课件共有34页 自然循环特性 界限循环倍率和推荐循环倍率界限循环倍率和推荐循环倍率锅炉压力锅炉压力(Mpa)3.92(Mpa)3.925.88 10.25.88 10.211.76 13.7311.76 13.7315.69 16.6715.69 16.6718.6318.

16、63锅炉蒸发量锅炉蒸发量(t/h)35(t/h)35240 160240 160420 400420 400670 800670 800界限循环倍率界限循环倍率K Kjx jx 10 5 3 2.5 10 5 3 2.5推荐循环倍率推荐循环倍率 151525 725 715 415 48 48 46 6 循环倍率循环倍率K K 衡量锅炉水循环可靠性的指标之一衡量锅炉水循环可靠性的指标之一 K K过大（过大（x x 过小过小)，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障；，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障；K K过小（过小（x x 过大），将失去自补偿能力，造成管壁超温过大），将失去自

17、补偿能力，造成管壁超温 2/22/2 界限循环倍率界限循环倍率KjxKjx 对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速）对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速）时的时的循环倍率循环倍率 回路循环倍率回路循环倍率K K 应大于界限循环倍率应大于界限循环倍率K Kjx jx ，对应的质量含汽率对应的质量含汽率X X应小于临界质量合汽车应小于临界质量合汽车X Xlj lj 第二十五页，本课件共有34页(2)自然循环故障及安全性检查 自自然然循循环环锅锅炉炉蒸蒸发发受受热热面面金金属属安安全全工工作作的的条条件件是是保保证证管管子子内内壁壁有有连连续续水水膜膜覆覆盖盖 受热最弱上升管不出现流动的停滞、

18、倒流、汽水分层等水循环故障；受热最弱上升管不出现流动的停滞、倒流、汽水分层等水循环故障；受热最强上升管不发生沸腾传热恶化受热最强上升管不发生沸腾传热恶化 下降管不出现带汽或汽化下降管不出现带汽或汽化 自自然然循循环环锅锅炉炉在在压压力力低低于于11MPa11MPa或或受受热热管管局局部部热热负负荷荷低低于于400kw400kwmm2 2时时一一般般不会出现传热恶化，正常水力工况破坏是蒸发管过热的主要原因。不会出现传热恶化，正常水力工况破坏是蒸发管过热的主要原因。自自然然循循环环大大型型锅锅炉炉在在亚亚临临界界压压力力，因因含含汽汽率率较较高高，（锅锅炉炉容容量量增增大大，炉炉膛膛周周界界相相对

19、对减减小小，水水冷冷壁壁根根数数减减少少而而长长度度增增加加），循循环环倍倍率率较较低低，有有可能出现第二类传热恶化可能出现第二类传热恶化1/31/3第二十六页，本课件共有34页 并并联联的的上上升升管管组组在在共共同同的的压压差差p ps s 下下运运行行。当当管管组组中中各各管管受受热热不不均均匀匀时时，受热弱的管中含汽率少，运动压头小，可能发生水循环故障。受热弱的管中含汽率少，运动压头小，可能发生水循环故障。循环停滞、自由水面和倒流现象 上上升升管管引引入入汽汽包包水水空空间间 当当受受热热弱弱的的管管中中水水流流量量等等于于蒸蒸发发量量，即即G=DG=D时时，将将出出现现循环停滞循环停

20、滞现象现象 上上升升管管引引入入汽汽包包汽汽空空间间 发发生生循循环环停停滞滞时时管管中中工工质质无无法法到到达达上上升升管管的的最最高高点点，出出现现自自由由水水面面。自自由由水水面面以以下下区区域域，产产生生少少量量蒸蒸汽汽，以以上上的的区区域域为为缓缓慢慢流流动动的的蒸汽蒸汽 上上升升管管引引入入汽汽包包水水空空间间 当当管管组组压压差差p p 小小于于受受热热弱弱管管子子液液柱柱重重 h h s sg g 时时，受热弱的管中的水就自上往下流，称为受热弱的管中的水就自上往下流，称为倒流。倒流。2/32/3第二十七页，本课件共有34页 循循环环停停滞滞 汽汽泡泡通通过过基基本本静静止止的的

21、水水面面上上浮浮，管管子子弯弯头头处处蒸蒸汽汽积积累累，出出现现自自由由水水面面时时，水水面面以以上上管管壁壁与与蒸蒸汽汽接接触触，均均使使冷冷却却能能力力下下降降，管管子子易易超超温温爆管；爆管；自由水面自由水面上下波动，还会引起疲劳破坏上下波动，还会引起疲劳破坏循环停滞、自由水面和倒流危害 倒倒流流 当当水水的的倒倒流流速速度度与与汽汽泡泡上上浮浮速速度度相相等等，即即汽汽泡泡处处于于上上、下波动状态而形成蒸汽塞时，管子超温。下波动状态而形成蒸汽塞时，管子超温。3/33/3第二十八页，本课件共有34页 汽汽包包中中的的水水进进入入下下降降管管时时，因因流流阻阻和和加加速速产产生生压压降降使

22、使进进口口处处发发生生自自汽化汽化(3)下降管带汽与汽化 下降管进口截面上部形成下降管进口截面上部形成涡漩漏斗涡漩漏斗状，蒸汽被吸入下降管中状，蒸汽被吸入下降管中 汽包汽包水容积内所含蒸汽水容积内所含蒸汽被带入下降管中被带入下降管中 下降管下降管受热受热产生蒸汽产生蒸汽 1/11/1 下降管带汽或汽化，工质密度减小，运动压头下降下降管带汽或汽化，工质密度减小，运动压头下降。第二十九页，本课件共有34页(4)提高自然循环安全性措施 减小并联管子吸热不均减小并联管子吸热不均 保持炉内温度场均匀保持炉内温度场均匀 设设计计时时将将整整面面水水冷冷壁壁划划分分为为若若干干个个独独立立的的循循环环回回路

23、路；采采用用四四角角布布置置燃燃烧烧器；将炉膛四角上器；将炉膛四角上 1 12 2根管子取消或将炉膛设计成八角形根管子取消或将炉膛设计成八角形 运运行行中中避避免免火火焰焰偏偏斜斜；防防止止水水冷冷壁壁管管积积灰灰和和结结渣渣；限限制制最最小小负负荷荷，避避免免因因部分燃烧器停用造成更大的吸热不均部分燃烧器停用造成更大的吸热不均 沿高度方向采用多个小功率燃烧器；减小炉内热偏差，沿高度方向采用多个小功率燃烧器；减小炉内热偏差，避免局部热负荷过高避免局部热负荷过高 降低汽水导管和下降管中的流动阻力，提高循环流速和循环倍率降低汽水导管和下降管中的流动阻力，提高循环流速和循环倍率 可可采采用用增增加加

24、管管子子的的流流通通截截面面、采采用用大大直直径径的的管管子子、减减少少管管子子的的长长度度和和弯弯头头等等措施措施1/41/4第三十页，本课件共有34页提高自然循环安全性措施 水冷壁管采用适当的管径水冷壁管采用适当的管径 较较小小的的管管径径可可以以节节省省金金属属耗耗量量；但但从从水水循循环环安安全全方方面面考考虑虑，应应维维持持足足够够大大的的循循环环流流速速WW。和和不不太太高高的的含含汽汽率率X X，故故大大容容量量锅锅炉炉不不应应采采用用过过小小的的管管径径 在一定负荷和工作压力下，随着在一定负荷和工作压力下，随着 的增大，的增大，W W 0 0X X 值升高值升高 大大容容量量锅

25、锅炉炉炉炉膛膛周周界界的的相相对对长长度度减减小小，水水冷冷壁壁管管数数量量减减少少，但但高高度度增增加加，即每根管产生的蒸汽量增加，水冷壁管出口含汽率即每根管产生的蒸汽量增加，水冷壁管出口含汽率X X 和循环流速和循环流速WW。都比较高。都比较高2/42/4第三十一页，本课件共有34页提高自然循环安全性措施 防止下降管带汽防止下降管带汽下降管入口处加装十字板或栅格板下降管入口处加装十字板或栅格板 防止下降管进口自汽化防止下降管进口自汽化 式中式中 h h 为下降管进口以上到正常水位的高度；为下降管进口以上到正常水位的高度；wwxj xj、i i 分别下降管中的水速和进口阻力系数分别下降管中的

26、水速和进口阻力系数 下降管进口之上应保证一定的水柱高度，且水速不能过大下降管进口之上应保证一定的水柱高度，且水速不能过大 3/43/4 避免下降管带汽或自汽化避免下降管带汽或自汽化第三十二页，本课件共有34页提高自然循环安全性措施 使流体在管内产生旋转流动或破坏汽膜边界层，避免传热恶化使流体在管内产生旋转流动或破坏汽膜边界层，避免传热恶化 采采用用内内螺螺纹纹管管 在在管管子子内内壁壁上上开开出出单单头头或或多多头头螺螺旋旋形形槽槽道道，当当工工质质在在内内螺螺纹纹管管内内流流动动时时，发发生生强强烈烈扰扰动动，将将水水压压向向壁壁面面并并迫迫使使汽汽泡泡脱离壁面被水带走，破坏汽膜层的形成，使管内壁温度降低。脱离壁面被水带走，破坏汽膜层的形成，使管内壁温度降低。加加装装扰扰流流子子 扰扰流流子子是是塞塞在在管管中中的的螺螺旋旋状状金金属属薄薄片片。在在推推迟迟传传热热恶恶化化和和降降低低壁壁温温方方面面，扰扰流流子子可可起起到到与与内内螺螺纹纹管管类类似似的的作作用用，在在强强化传热方面不及内螺纹管。化传热方面不及内螺纹管。4/44/4第三十三页，本课件共有34页感谢大家观看第三十四页，本课件共有34页