京能集团运行人员培训教程BEIH Plant Course锅炉水循环The Water Cycle of BoilerMAJTD NO.100.2目录1电站锅炉汽水蒸发过程流动和吸热的一般特性和原理 (1)1.1蒸发系统的主要功能和要求 (1)1.2蒸发系统主要设计原则 (2)1.3蒸发系统换热性能的主要参数和特征 (4)1.4管内工质流动特性的基本原理和参数 (6)1.5水循环的主要类型 (10)2亚临界及以下状态汽水介质在垂直管中的流动和传热 (13)2.1垂直上升管内汽水流动和传热分析 (13)2.2垂直下降管内汽水流动和传热分析 (16)3亚临界及以下状态汽水介质在水平管中的流动和传热 (22)4超临界压力及以上状态汽水介质的管内流动和换热特点 (24)4.1存在临界点区域 (24)4.2存在拟临界温度 (24)4.3存在大比热区 (24)4.4超临界压力下的传热恶化类型 (24)4.5影响传热恶化的主要因素 (25)4.6超临界压力水蒸气的比容、比热和焓 (26)5自然循环锅炉的水循环原理 (27)5.1自然循环的原理 (27)5.2自然循环主要热力特征参数 (28)5.3自然循环主要结构特征 (30)5.4自然循环主要运行特征 (32)5.6不稳定工况对锅炉水循环的影响 (34)5.7自然循环锅炉水循环方面的控制逻辑 (35)6直流锅炉的水循环原理 (36)6.1强制流动蒸发受热面中的流动多值性 (36)6.2直流锅炉蒸发受热面中流体的脉动 (42)6.3直流锅炉的传热恶化 (46)6.4直流锅炉的特点 (46)6.5直流锅炉的启动系统 (47)6.6直流锅炉的基本型式 (55)6.7直流炉的运行特性 (59)6.8超临界直流锅炉水冷壁横向裂纹失效 (62)6.9直流锅炉水循环方面的控制逻辑 (63)7控制循环锅炉水循环原理 (66)7.1控制循环锅炉基本原理 (66)7.2控制循环锅炉一般设计原则 (67)7.3控制循环锅炉技术特点 (71)8锅炉缺水事故的预控 (78)8.1、汽包水位控制当前存在隐患 (78)8.2、锅炉缺水事故的控制 (80)8.3、锅炉缺水事故案例分析 (81)9设备附图 (86)10题库 (89)1电站锅炉汽水蒸发过程流动和吸热的一般特性和原理电站燃煤锅炉汽水系统，是汽水介质在炉内吸收燃煤燃烧所释放的热能，为汽轮机提供规定能级、品质和数量的蒸汽，将燃煤化学能转化为蒸汽热能的换热系统，包括吸收预热热、将给水加热为接近饱和状态的省煤器、吸收过热热和再热热的过热器和再热器，而蒸发设备系统（水冷壁，自然循环包括汽包、下降管，控制循环还包括炉水循环泵），就是吸收蒸发热，把接近饱和状态的给水加热蒸发成为饱和蒸汽的设备系统，同时它的表面以一定形状围成具有密闭性能的炉膛，为燃料着火、燃烧、放热提供空间。
其主要热力过程近视为燃煤发电厂整个热力循环（如下图）中的5点至6点的水平段。
汽水介质在锅炉蒸发系统工作过程属于管内吸热沸腾、汽液两相流动过程，从内因方面看，其流动特性和吸热特性相互影响且随着工质状态的变化而发生明显变化；从外部条件看，其受管系结构特性和烟气侧传热特性的影响。
1.1蒸发系统的主要功能和要求1.1.1主要功能汽水介质沿设定的汽水流程，以一定的流速和物理状态流过蒸发系统的管道、容器和设备，在水冷壁中其作为冷源，以管壁向火界面作为换热面，以燃烧的燃料为热源，以汽水物理状态和流速为主要因素决定的管内换热系数，壁厚、材质和内外清洁度决定的管壁导热系数和由烟气温度决定的火焰辐射换热系数的共同作用为综合换热系数，进行热量交换，使管内汽水总焓值平稳升高、管外烟气温度稳定下降、管壁温度在允许范围内；同时管内流动截面上的介质不因其与换热壁面（热源）的距离不同而产生物性、流速剧烈偏离的层流、热阻升高现象，直至在蒸发设备出口，都有与外部烟气温度相当的综合换热系数，确保整个蒸发过程都处于安全状态，并将吸收了烟气热量、焓值升高的饱和蒸汽输给过热器系统；在蒸发设备出口，烟气温度可以满足换热系数相对较低的过热段受热面的安全。
1.1.2要求(1)蒸发量及其焓值满足机组容量和负荷需求。
(2)炉水和蒸汽品质满足锅炉、汽轮机设备系统要求，控制管内化学腐蚀和结垢现象。
(3)蒸发受热面管子金属不发生因超温、温差过大、膨胀受阻、水动力不稳定等异常工况而引起的热应力以及交变应力损伤现象。
(4)蒸发受热面管子外部不发生高温腐蚀和严重结焦现象。
(5)炉膛出口烟气温度满足后部受热面不结焦、不超温条件。
1.2蒸发系统主要设计原则在锅炉设计过程中，以控制最危险部位的烟气温度和管壁温度为目标，确保水循环相关参数和结构能够适应由燃料特性决定的锅炉热负荷要求。
1.2.1首先根据煤种、机组容量和主要参数，设计和规定锅炉容积热负荷、截面热负荷和壁面热负荷，在确定了炉膛截面尺寸、高度和燃烧器分布形式等水冷壁总的边界条件后，再从烟气侧和汽水侧，计算壁面各部位的热负荷分布情况。
1.2.2根据各种负荷和工况下的蒸发设备入口、出口的汽水边界条件，结合在其加热过程中的物性变化，计算各部位的壁温最大值。
1.2.3选择合理的水循环方式、蒸发设备结构和工质参数，确保从烟气侧到管壁的热负荷与管壁到管内全截面汽水的综合换热系数相适应。
1.2.4水冷壁的设计特点和安全裕度水冷壁设计最关键的设计参数在于水冷壁管内质量流速的选取。
选取较高的质量流速，可保证在任何工况下其质量流速都大于相应热负荷下的最低界限质量流速，保证水冷壁管有足够的冷却能力。
提高工质质量流速是改善传热工况，降低管壁温度，推迟、抑制、防止传热发生恶化的最有效方法。
超临界和超超临界锅炉设计的一个重要原则是要使介质的大比热区远炉内热负荷最高的区域。
为了保证锅炉水冷壁的安全，要求水冷壁在任何工况情况下管壁温度都不能超温，并且管子之间（特别是相邻管子之间）的管壁温度相差不能太大，以避免产生太大的热应力而造成破坏。
对垂直布置的水冷壁而言，炉膛周界长度、管子直径、管间节距决定了它的质量流速的大小。
而管子直径和节距的选择都有一定的限制，例如管子的直径过细会造成水冷壁管热敏感性高，管子内壁上的结垢和热负荷的变化，使某些管子产生过大的管间流量偏差而使管子超温。
因此管子内径的选择不宜过小。
同时为了防止管间鳍片过热烧损，管间节距不能太宽，一般以鳍端温度与管子正面顶点温度相等作为鳍片宽度选择的原则。
这样一来，在一定的炉膛周界情况下，如果直流锅炉采用垂直布置的水冷壁管，管子直径不能过细，其管子根数基本固定，而为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的。
锅炉炉膛周界尺寸的增加与锅炉容量的增加是不成正比例的。
容量较小的直流锅炉水冷壁往往单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的质量流速。
300MW容量的锅炉水冷壁不能设计成一次垂直上升型管圈；600MW容量的锅炉在负荷低于60%左右时质量流速也显得不足（这里指的是采用较粗的管子且无多次上升垂直全，即采用UP型一次上升水冷壁结构）。
根据国外经验，燃煤锅炉水冷壁设计成一次垂直水冷壁管圈的极限容量最小应该在为700MW以上。
解决蒸汽锅炉炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有如下几种：采用小管径和多次混合的水冷壁（如上锅300MW的UP型锅炉，采用内径11mm的管子）；水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）；采用多次上升管圈型水冷壁（FW型锅炉）；在高热负荷区或汽化率高的水冷壁管段采用内螺纹管；采用螺旋管圈型水冷壁。
得到广泛采用的是螺旋管圈水冷壁。
例如，国产600MW超临界压力直流锅炉采用的就是螺旋管圈水冷壁。
螺旋管圈的一大特点就是能够在蒸汽锅炉炉膛周界尺寸一定的条件下，通过改变螺旋升角来调整平行管的数量，保证燃料较小的锅炉并列管束数量较小，从而获得足够的工质质量流速，使管壁得到足够的冷却，消除传热恶化对水冷壁管子安全的威胁。
这样水冷壁的设计就可避免采用热敏感性太大的直径过细的管子。
设计螺旋管圈水冷壁的另一个要素就是螺旋管圈盘绕的圈数。
这与螺旋角和蒸汽锅炉炉膛高度有关。
圈数太少会部分丧失螺旋管圈在减少吸热偏差方面的效益；圈数太多增加水冷壁的阻力从而增加水泵功耗，而且在减少吸热偏差的效益方面增益不大，合理的盘绕圈数的推荐值是1.5~2.5圈左右。
内螺纹管即使采用光管水冷壁一半的质量流量（1500kg/m2s），就可以避免在燃烧器局部高负荷区发生偏离核态沸腾（DNB），即避免产生膜态沸腾，而且在上炉膛低热负荷、高干度区出现“蒸干”时，管子壁温的上升也比光管小得多，即可以控制“蒸干”时的壁温在钢材允许的范围内。
1.3蒸发系统换热性能的主要参数和特征由于烟气侧温度比管壁温度高的多（1000℃以上），可以认为管壁的传导导热系数以及炉膛的火焰辐射换热系数，比管内汽水对流换热系数稳定的多，单位距离上的热量传递主要取决于管内对流换热，对流换热强的，管壁温度就会低一些；管内对流换热弱的，管壁温度就会相应升高，有抑制对流换热继续减弱的趋势，同时火焰对管壁的辐射换热会有所降低，管内外两侧热量传递趋于平衡。
因此可以说。
壁温是反映汽水、烟气两侧热交换是否平衡以及平衡点高低的数值，也是保证受热面安全的主要指标参数。
为了保证每一个管子每个流通截面上的壁温在安全范围内，都必须首先从总体热量分配上控制该处的热负荷（火焰温度）与其管内总的对流换热能力相匹配。
从总体来看，对管内流体换热系数的影响因素的分析，可以将管内边界层甚至是整个截面上的流体层看作是在径向方向上，同时由外侧吸热、向内侧放热的流体界面，其两侧的换热系数不一致时，其内部焓值会发生变化，对于有稳定外部条件的管内工质，焓值变化更容易表现为比容变化：亚临界压力及以下状态下，汽水存在两相区即湿蒸汽区域，而超临界压力及以上状态没有两相区，却存在大比热区；在这些区域内，壁面边界层内工质的能量状态和物理状态发生剧烈变化，径向分布的工质差别非常大，边界层流速梯度降低，且这一变化和差别随着热流密度的增大和工质流量的降低而急剧增加，在大到一定程度时工质径向紊流传质被抑制，低比热状态的介质被压迫在管壁上，传热恶化。
当管内工质出入口流量为零时，在热负荷非常小的情况下，管内工质也可以由其管壁中心低温工质和贴壁区向火侧高温工质的密度差，形成单管内部的单相循环流动、均热、蒸发和膨胀过程，此时的管内换热系数非常小，壁温接近烟气温度，如果外部热负荷较大时，可能发生局部汽化或过热现象，这就是说必须控制燃料量，保证各部烟气温度不超过金属允许温度。
1.3.1管内工质的换热系数：(1)工质比热容是单位质量工质热交换能力的指标参数。
1)存在温差传热的冷热源，比热较大的一侧温度降低幅度较低，也就是说其温度稍有变化就引起对侧的温度发生较大变化。