1,锅炉原理,主讲教师:陈琪,2,小测验,1、简述燃煤电站锅炉机组构成及工作原理。 2、分析降低发电厂供电煤耗和提高环保效果的技术措施。 3、试着从锅炉的角度分析，提高火电厂热经济性的途径有哪些？（提高题） 4、分析某台设计煤种为烟煤的锅炉改烧贫煤后可能发生的故障。 5、分析影响排烟温度的升高的因素及对锅炉效率的影响。 6、分析固体不完全燃烧损失升高的影响因素及对锅炉效率的影响。,3,锅炉水动力学基础 汽水混合物的流型与传热 自然循环锅炉的水循环 自然循环的基本概念 自然循环故障及其可靠性校验 强制流动锅炉 强制循环锅炉 直流锅炉 复合循环锅炉,第十二章 锅炉水动力特性与传热,4,第一节 锅炉水动力学基础,5,弹状结构 含汽率x 增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻力较小的汽弹,两相流体的流动结构,泡状结构 当汽水混合物中含汽率x 较小时，蒸汽呈细小的汽泡，主要在管子中心部分向上运动,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x 不断变化；汽、液两相间存在相对运动；产生汽泡趋中效应,6,雾状结构 当含汽率x 再增大时，管壁上水膜变薄，汽流将水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被带走，汽与水形成雾状混合物，称为雾状或液雾结构,两相流体的流动结构,柱状(环状）结构 含汽率x 继续增大，弹状汽泡汇合成汽柱并沿着管子中心流动，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,7,两相流体的流动结构,汽水混合物在水平管中流动 在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽水波动，可能产生疲劳损坏,汽水混合物流速愈小,含汽率愈大,管子的倾角愈小，汽水分层愈易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，以防止发生分层流动,8,水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾和沸腾传热恶化两种工况,水冷壁管内传热,核态沸腾 汽泡强烈扰动，传热性能良好，管内壁温度接近于水的饱和温度，得到良好的冷却,沸腾传热恶化 第一类传热恶化（膜态沸腾） 热负荷很高，管内壁汽化核心急剧增加，形成连续的汽膜，对流放热系数2 急剧下降，管壁得不到液体冷却超温破坏。特性参数为临界热负荷，对应的x 为临界含汽率,第二类传热恶化（蒸干） 热负荷比前者低、但含汽率很高时（出现液雾状），汽流将水膜撕破或因蒸发使水膜部分或全部消失，管壁直接与蒸汽接触而得不到液体的足够冷却，对流放热系数2 急剧下降，金属壁温tb 急剧增加造成管子过热而烧坏，特性参数是工质的界限含汽率,9,第二节 自然循环锅炉及其水循环,10,自然循环的基本概念,自然循环的工作原理 下降管中水与上升管中汽水混合物间的重位压头差 使水在回路中产生环形流动，又称为水循环,简单循环回路压差平衡式 (取向下为正),式中 H、Hi 下降管的高度（即循环回路的高度）及上升管各区段的高度，m； 下降管中工质及上升管各区段工质的平均密度，kg/m3； Pxj、Ps下降管及上升管流动阻力损失，Pa,11,12,自然循环特性,循环倍率K 衡量锅炉水循环可靠性的指标之一 K过大（x 过小) ，可能出现循环停滞等水循环故障； K过小（x 过大），将失去自补偿能力，造成管壁超温,循环倍率K 循环回路中水流量G与回路中产生的蒸汽量D之比，即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次,思考:循环倍率K 过大或过小会造成什么样的安全隐患?,13,界限循环倍率Kjx 对应自然循环失去自补偿能力（最高循环流速） 时的循环倍率,思考:锅炉的循环倍率是应该大于还是小于界限循环倍率?,14,锅炉压力(Mpa) 3.925.88 10.211.76 13.7315.69 16.6718.63 锅炉蒸发量(t/h) 35240 160420 400670 800 界限循环倍率Kjx 10 5 3 2.5 推荐循环倍率 1525 715 48 46,界限循环倍率和推荐循环倍率,自然循环故障及安全性检查,自然循环锅炉蒸发受热面金属安全工作的条件是保证管子内壁有连续水膜覆盖,自然循环锅炉在压力低于11MPa或受热管局部热负荷低于400kwm2时一般不会出现传热恶化。,自然循环锅炉在超高压以上，尤其在亚临界压力以上，因含汽率较高，（锅炉容量增大，炉膛周界相对减小，水冷壁根数减少而长度增加），循环倍率较低，可能出现第二类传热恶化，必须采取相应措施.,问题一：传热恶化,16,并联的上升管组在共同的压差ps 下运行。当管组中各管受热不均匀时，受热弱的管中含汽率少，运动压头小，循环流速降低，可能发生循环异常,问题二：循环停滞、自由水面和倒流现象,上升管引入汽包水空间 当受热弱的管中水流量等于蒸发量，即G=D时，将出现循环停滞现象 循环停滞 自由水面,上升管引入汽包水空间 当管组压差p 小于受热弱管子液柱重 Hsg 时，受热管中的水就自上往下流，称为倒流,17,循环停滞 汽泡通过基本静止的水面上浮，管子弯头处蒸汽积累，出现自由水面时，水面以上管壁与蒸汽接触，均使冷却能力下降，管子易超温爆管；自由水面上下波动，还会引起疲劳破坏,循环停滞、自由水面和倒流危害,倒流 当水的倒流速度与汽泡上浮速度相等，即汽泡处于上、下波动状态而形成蒸汽塞时，会把管子烧坏,18,汽包中的水进入下降管时，因流阻和加速产生压降使进口处发生自汽化,问题三：下降管带汽与汽化,下降管进口截面上部形成涡漩漏斗状，蒸汽被吸入下降管中,汽包水容积内所含蒸汽被带入下降管中,下降管受热产生蒸汽,下降管带汽或汽化，会使管中工质密度减小，运动压头下降，影响回路水循环,19,提高自然循环安全性措施,减小并联管子吸热不均 保持炉内温度场均匀 设计时将整面水冷壁划分为若干个独立的循环回路；采用四角布置燃烧器；将炉膛四角上 12根管子取消或将炉膛设计成八角形 运行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管积灰和结渣；限制最小负荷，避免因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，避免局部热负荷过高,20,提高自然循环安全性措施,水冷壁管采用适当的管径,减少管子的长度和弯头等,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 较小的管径可以节省金属耗量；但从水循环安全,方面考虑，应维持足够大的循环流速W和不太高的含汽率X，故大容量锅炉不应采用过小的管径,21,提高自然循环安全性措施,防止下降管带汽 对高压以上锅炉，在下降管入口处加装栅格板；采用大直径集中下降管时，应在入口处加装十字板或栅格板,防止下降管进口自汽化 式中 h 为下降管进口以上到正常水位的高度； wxj、 i 分别下降管中的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,避免下降管带汽或自汽化,22,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 采用内螺纹管 在管子内壁上开出单头或多头螺旋形槽道，当工质在内螺纹管内流动时，发生强烈扰动，将水压向壁面并迫使汽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,加装扰流子 扰流子是塞在管中的螺旋状金属薄片。在推迟传热恶化和降低壁温方面，扰流子可起到与内螺纹管类似的作用，在强化传热方面不及内螺纹管,23,第三节 强制流动锅炉及其水动力特性,24,强制循环锅炉及特点,强制循环锅炉具有汽包，循环回路下降管系统增设循环泵，工质流动的动力为循环泵的压头和工质重位差,可采用小直径水冷壁，水冷壁可自由布置 采用体积较小的高效分离器，可减小汽包直径 工质质量流速较高，循环倍率较自然循环小，一般为35；循环稳定，不易出现循环异常，但可能出现流动不稳定、脉动等 工质强制流动，可使各承压部件均匀受热或冷却，缩短锅炉启、仃时间.,压力提高，机组热经济性提高；但 压力增至一定值，汽水密度差-”下降，运动压头下降；汽水分离困难，必然取消汽包，强制流动锅炉是锅炉发展的必然结果。主要有直流锅炉、强制循环锅炉和复合循环锅炉三种,25,强制循环锅炉水循环系统,4根大直径集中下降管从汽包底部引出并与汇集联箱连接， 3台循环泵（一台备用）通过吸入短管与汇集联箱相连，每台循环泵通过2根出水管与环形下水包（由前、后、左右四侧水包组成）的前下水包连接。 经由890根水冷壁管、5个上集箱和48根导汽管，回到汽包。 循环泵台数与下降管根数不等，下降管中的水通过汇集联箱分配到各循环泵，可均衡循环泵的入口流量，有利于提高循环泵运行的可靠性.,l-汽包；2-下降管；3-汇合联箱；4-管环泵；5-循环泵出口阀；6-循环泵出口管；7-环形联箱（下水包）；11-后墙延伸水冷壁；12-水冷壁出口联箱；13-汽水引出管；14-折焰角,26,直流锅炉工作原理,直流锅炉没有汽包，给水在给水泵压头的作用下，顺序流过热水段、蒸发段和过热段受热面一次将给水全部变成过热蒸汽，蒸发区循环倍率K=1,热水段: 水的焓和温度逐渐增高，比容略有加大，压力则由于流动阻力而有所降低,蒸发段: 汽水混合物的焓继续提高，比容急剧增加，压力降低较快，相应的饱和温度随着压力的降低亦降低一些,沿管子长度方向工质参数变化情况,过热段: 蒸汽焓、温度和比容均增大，压力则由于流动阻力较大而下降更快,1/4,27,直流锅炉水冷壁形式主要有螺旋管圈型和垂直上升管屏型,螺旋管圈型水冷壁,螺旋管圈型水冷壁 由若干根水冷壁组成管带，沿炉膛四面倾斜上升，无水平段，各管带均匀地分布在炉膛四壁，任一高度上管带的受热几乎完全相同,适用于超临界和亚临界压力，燃料适应性广,28,螺旋管圈型水冷壁的特点 沿炉膛四周热负荷不均匀影响小 管圈内工质可保证足够高的质量流速，以减轻传热恶化的影响 工质焓值较高的管带后段，可以布置在炉内热负荷较低区域，对防止管壁超温有利 大锅炉宽管带，各管间热偏差较大；支吊困难,29,FW型垂直上升管屏水冷壁,多次垂直上升管屏 炉膛下部高热负荷区域减小管屏的宽度，炉外加设下降管，形成多次垂直上升；在上部较低热负荷区，仍采用一次垂直上升管屏,FW型垂直上升管屏为多次垂直上升管屏,多次垂直上升管屏的特点 既可保证高热负荷区有较高的质量流速，达到充分冷却的目的；又可减少高负荷下水冷壁的流动阻力；同时可避免采用刚度差的小直径管 有不受热的下降管，工质流程长，系统阻力较大； 相邻两屏内工质的含汽率不同，管间壁温差大，使各屏热膨胀不同。应尽量减少管屏串联的次数,30,UP型垂直上升管屏水冷壁,UP型垂直上升管屏包括一次上升和上升-上升,一次上升型（a） 给水一次流经全部四面墙水冷壁管屏，没有下降管，管屏沿高度分为上、中和下部三个辐射区，各区段之间设有混合器，用以消除平行管子间的热偏差 特点：系统简单，流动阻力小；相邻管屏外侧管间壁温差较小；可采用全悬吊结构；水力特性较为稳定；但对锅炉负荷适应性较差，金属耗量大,上升-上升型（b） 炉膛下部高热负荷区域布置两个串联回路，用于提高管内工质质量流速以避免流动异常和传热恶化,（a） （b）,31,在炉膛折焰角以上采用垂直上升管屏，以便采用全悬吊结构；炉膛上部热负荷较低，两相邻垂直管屏外侧管子的管壁温差较小，不至于造成膜式水冷壁损坏 在炉膛高热负荷区采用螺旋管圈型水冷壁，以减小炉内热偏差,直流锅炉水冷壁布置,32,直流锅炉工作特点,加热、蒸发和过热受热面没有固定的界限，汽温变化大 如减小给水量，开始沸腾点前移，加热水段长度L1缩小，蒸发段长度L2也缩小，锅炉受热管总长度不变，故过热段长度L3相对增大，过热汽温上升,无汽包，无下降管，水冷壁可采用小管径，耗钢少；但电耗相对较大；水冷壁可自由布置，适用于任何压力,2/4,33,设有专门的启动系统 以便在启动时有足够的水量通过蒸发受热面，保护管壁不致被烧坏