自然循环蒸发系统的安全运行,第一节 自然循环原理与基本概念 一、蒸发设备的组成 1）作用：吸收炉内燃料燃烧放出的热量→把炉水转变为饱和蒸汽 2）组成：图6-1 由汽包、下降管、联箱、水冷壁、导汽管等组成其 中、汽包、下降管、导汽管、联 箱位于炉外→不受热 3）流程：给水→省煤器加热→汽包→水经下降管→下联箱→水冷壁受热达到ts后形成汽水混合物→汽 4）自然循环：汽水密度差产生的流动动力,●蒸发设备的组成：汽包、下降管、水冷壁、联箱及其连接管道汽包,水冷壁,联箱,,下降管,（2）蒸发系统的工作流程：,蒸发系统：由蒸发设备组成的系统组成：自然循环锅炉的 循环回路是由汽包、 下降管、分配水管、 水冷壁下联箱、水冷壁 管、水冷壁上联箱、 汽水混合物引出管、 汽水分离器组成的． 如图8—1所示重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质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炉膛内火焰的辐射热量后． 进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的图8-1表示了一个简单的自然循环原理的示意图 根据图8-1，设汽包内静压力为P1，下降管下部的静压力为P2，则对于下降管和上s升管分别有 水在回路中循环流动时，下降管侧的压差Yxj应大于上升管侧的压差Yss，即,,静力平衡时，应有yxj＝Yss，即 自然循环的实质，是由重位压差造成的循环推动力克服了上升系统和下降系统的流动阻力，从而推动工质在循环回路中流动。
而自然循环锅炉的“循环推动力”实际上是由“热”产生的，即由于水冷壁管吸热，使使水的密度ρxj改变成为汽水混合物的密度ρhu，,,并在高度为H的回路中形成了重位压差 1、回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推动力越大 2、而密度差与水冷壁管吸热强度有关，在正常循环情况下，吸热越多，密度差越大、工质循环流动越快 二、自然循环的基本概念 设进入上升管的流量为G，水冷壁的实际蒸发量为D，从汽包引出的蒸汽流量为D0，水冷壁的流通截面为F，则用于描写自然循环的几个主要概念是；,,1)循环流速ω0定义为：在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速即 (2)质量含汽率Xo定义为：上升管中 蒸汽所占循环流量的份额，或汽水混 合物中蒸汽所占的份额即 X＝D/G,,(3)循环倍率K 定义为；上升管中实际产生lkg蒸汽需要进入多少干克水 K＝G/D X ＝1/K,第二节 自然循环锅炉水冷壁的安全运行,一、影响水冷壁安全运行的主要因素 锅炉运行中，影响水冷壁安全运行的因素很多，既有管内诸多因素的影响，也有管外复杂因素的影响 1）管内影响因素; a)水质不良管内结垢和腐蚀 b)水冷壁受热偏差影响导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流 c)热负荷过↑→导致管内壁附近出现膜态沸腾 d)汽包水位过↓→引起水冷壁中循环流量不足→甚至发 生“干锅“,,管内因素导致内壁连续水膜被破坏由水冷却变为汽的冷却→冷却↓→传热恶化→t壁超温→管强度↓→承压能力↓→由于管内工质压力作用可导致管子局部“鼓包”裂口→以致爆管 2、管外影响： a)燃烧生成腐蚀性气体对管壁的高温腐蚀 b)结渣和积灰导致的对管壁的侵蚀 c)煤粉气流或含灰气流对管壁磨损 管外因素可能导致管壁减薄或管壁超温→管承压能力→引起爆管或泄漏 本节主要叙述与水循环特性有关的停滞、倒流和膜态沸腾,,二、蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾 1．停滞 水冷壁是将几百根管子并联组合成几个独立的循环回路，如图8-3所示。
由于炉膛中温度场分布不均，随燃料和燃烧调整以及锅炉负荷(锅炉蒸发量)变化等因素变化，温度场分布也发生变化这样，水冷壁管屏之间或管子之间的吸热强度就会存在偏差，加上上升系统的结构偏差和流量分配偏差，将导致每根管子和管屏问的受热强度不同，阻力不同，循环推动力就不同虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动表现可能不同 受热弱的管子中，工质密度大，当这根管子的重位压头接近于管屏的压差时，（Yss＝P2-P1 ＝ Hρhug＋△Pss）管屏的压差只能托住液柱，而不能推动液柱的运动这时，管内就出现了流体的停滞现象 从循环特性来看，停滞现象的表现是：循环流速ω→0，即循环流量G＝D，但G≠0，停滞管的压差等于下降管的压差，即Yxj＝Ytz，但停滞管的流动阻力△P→0当汽水混台物从汽包汽空间引入时、还会出现自由水面则在管中出现一个汽水分界面→称 当存在自由水面时，管子上半部是汽，下半部是水 ，管子上部就会过热超温；且当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力 注：超高压和亚临界参数自然循环锅炉水冷壁出口的汽水混合物引入汽水分离器，不会出现自由水面所以，水循环停滞实际上导致的是水冷壁管的传热恶化。
水循环停滞现象主要发生在受热弱的管子上2．倒流 在并联工作的水冷壁管子之间，由于受热不均，上升管之间形成了自然循环回路这时，有的管中工质向上流；有的管中工质向下流 受热最弱的水冷壁管内的水不作上升流动→反而 作下降流动的现象，称 工质向下流的管子就叫“倒流管” 倒流的定义是：本来应该是工质向上流的上升管，变成了工质向下流的下降管从循环特性来看．倒流现象的表现是：倒流管的压差大于同一片管屏或同一回路的平均压差，即Ydl＞Yhl，从而迫使工质向下流动 在发生倒流的管子中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动 1、当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时，向下流的水带不走汽泡，造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化．以至使管子出现局部过热超温 2、当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好的冷却，不会出现超温 3、当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时，不会出现倒流当水冷壁受热不均比较严重时、受热最差的管子有时可能出现停滞，有时可能出现倒流：所以，同一根管子出现停滞和到流以及向上流动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内上质密度的变化而变化的 3．膜态沸腾--受热强的管子 当水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸发．形成许多小汽泡。
如果此时管外的热负荷不大，小汽泡可以及时地被管子中心水流带走，并受到“趋中效应”的作用力，向管子中心转移，而管中心的水不断地向壁面补充这时的管内沸腾被称为核态沸腾如果管外热负荷很高，在管子内壁面上，汽泡生成的速度大于汽泡脱离壁面的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成蒸汽膜(即在水冷壁管子内壁面上产生了“蒸汽垫)，将管子中心的水与管壁隔开，使管子壁面得不到水的冷却，引起管子壁面处出现传热恶化，导致管壁超温 这种现象被称为膜态沸腾，也称为第一类传热恶化 此类发生在质量含汽率较↓→但热负荷过↑→核态沸腾转为膜态,,膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内 这是因为，水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小，使得亚临界参数下在水冷壁管内壁面附近流体边界层中的水更容易汽化，即容易形成更多的汽化核心因而产生膜态沸腾的机会相应增加，而膜态沸腾的产生取决于水冷壁管外的热负荷、管内工质的质量含汽率、管内的质量流速、工质压力、管径等多种因素但主要取决于水冷壁的热负荷和质量含汽率第三节 蒸发管内的汽液两相流型及传热,一、汽液两相流的流型 在汽液两相流中，汽泡与液体之间存在许多形状的分界面．旦不断变化将这些“界面” 人为地分成几类，被称为“流型”。
锅炉蒸发管内的流型主要分为四类，即泡状流 弹状流、环状流和雾状流如图8—4所示1)泡状流在连续的液相中，分散散存在着的小汽泡2)弹状流泡状流中，汽泡浓度增大时， 小汽泡聚合 成大汽泡，直径逐渐增大汽泡直径接近于管子内径时， 形成弹状流3)环状流由于汽泡的内压力增大，当汽泡的内压力 大于汽泡的表面张力时，汽泡破裂，液相沿管壁流动， 形成一层液膜；汽相在管子中心流动，夹带着小液滴,(4)雾状流管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的 质量含汽率X＝0．8，即蒸汽中仍然夹带着小液滴， 形成雾状流自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制X＜0．4， 所以一般不会出现雾状流,,二、蒸发管内的传热 在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化不同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化放热系数越大，管壁温度越接近工质温度 图8—5表示了垂直管中的流型和传热工况的关系 图中蒸发管按流型发展的不同阶段分为不同的传热阶段1、在管子入口的单相液体流动阶段，流体温度低于当地压力下的饱和温度，管壁温度低于产生汽泡所需的温度，为单相的过冷水对壁面的对流传热．放热系数α基本不变。
2、在汽泡状流动的初级阶段是过冷沸腾阶段因为此时的壁面温度大于饱和温度，在壁面上产生小汽泡，而管子中心流体温度尚未达到饱和温度，汽泡被带到水流中很快凝结而消失，放热系数增大3、在汽泡状流动的后期和环状流动阶段、由于不断吸热，管内的水流达到饱和温度在壁面 上产生的蒸汽不再凝结，壁面上不断产生汽泡，又不断脱离壁面，水流中分散着许多小汽泡， 此时饱和核态沸腾开始，并一直持续到环状流动阶段结束此阶段中，管内放热系数变化不大，管壁温度接近流体温度 4、在有卷吸的环状流动阶段，环状流的液膜变薄，管子壁面上的热量很快通过液膜传递到 液膜表面，此时在管子壁面上不再产生汽泡、蒸发过程转移到液膜表面进行放热系数略有提高，管壁温度接近流体温度5、在雾状流动阶段，由于管子壁面的水膜被熬干，只有管子中心的蒸汽流中央带着小液滴，壁面由雾状蒸汽流冷却，工质对管壁的放热系数急剧减小，管壁温度发生突变性提高 随后，由于流动速度增加，工质对管壁的放热系数又有所增大，管壁温度略有下降 当雾状流蒸汽中水滴全部被蒸干以后，形成单相的过热蒸汽流动，放热系数进一步减小，管壁温度进一步上升.,,以上的流动工况和传热工况发生于热负何不大的条件下。
当热负荷不断增大到一定程度时，壁面上产生的汽泡就来不及向管子中心转移，水也来不及向壁面上补充，就会产生膜态沸腾 膜态沸腾可能发生在环状流动阶段，当热负荷进一步提高时，也可能发生在饱和状流动阶段，特别是可能发生在过冷沸腾阶段在蒸发管中，可能发生的另一类传热恶化的工 况是“蒸干”，称为第二类传热恶化 在自然循环锅炉的水冷壁中不出现“蒸干”导致的传热恶化 对亚临界锅炉水冷壁出口质量含汽率相对较↑接近Xlj→有可能发生第二类传热恶化 “蒸干”导致的传热恶化在直流锅炉水冷壁中有可能会出现防护措施 1)保证一定的质量流速 质量流速↑→则传热恶化时t壁可大幅↓ 2)↓受热面的局部热负荷→使传热恶化区域t壁↓ 3）管内结构—使用内螺纹管、来复线管及绕流子管→使流体在管内旋转→↑边界层水量→以↑ 临界含汽率→传热位置向后推移 三、内螺纹管抵抗传热恶化的作用 图8-6表示了内螺纹管和光管的壁温随质量含汽率的变化关系试验条件为：P＝18.5MPaq＝490kw／m2，ρw＝1000一l100kg／(m2，s)试验用内螺纹管的结构如图8-7所示.,内螺纹水冷壁管,由于内螺纹钢管内壁的螺旋凸筋能使管水的流动沿螺旋 方向旋转，从而破坏钢管内壁蒸汽膜的形成，使高温 管壁与水保持直接接触，迅速吸收热量，提高了传热效率； 同时，避免了钢管管壁承受极高高温，提高了钢管使用寿命。
由图8-6可以看出， 1、鳍片光管在f＝0．3左右，壁温开始飞升,到X＝0．6左右时，壁温达到第一个高峰点；此后壁温略有下降这主要是由于汽水混合物的流速增大，对管壁的冷却作用增强，导致出现随质量含汽率的增加管壁温度下降趋势大约在X＝0．8左右，由于出现蒸干，管壁温度再次出现飞升 2、而四头鳍片内螺纹管，在X＝0．8时，壁温才开始飞升这充分说明了内螺纹管具有显著的抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的作用内螺纹管抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的机理是：由于工质受到螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近的扰动，使水冷壁管内壁面上产生的汽泡可以被旋转向上运动的液体及时带走，而水流受到旋转力。