第十二章汽液两相流动的基本概念

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十二章 汽液两相流动的 基本概念,第十二章 汽液两相流动的基本概念,自然循环原理与基本概念,自然循环锅炉水冷壁的安全运行,蒸发管内的汽液两相流型及传热,汽液两相流体的流动参数,汽液两相流体的流动阻力、重位压降,简单回路的水循环计算和水循环特性曲线,复杂回路的水循环计算,水循环全特性曲线和循环安全性检查,蒸发管传热恶化工况的计算,提高循环安全性的措施,水冷壁的高温腐蚀,第一节 自然循环原理与基本概念,一,自然循环原理,定义：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重位压差，推动工质流动的现象。,自然循环锅炉的循环回路是由锅筒、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12-1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。,下降管侧,上升管侧,水在回路中循环流动时，下降管侧压差,Y,xj,等于上升管侧压差,Y,ss,自然循环的实质,：由重位压差造成的循环推动力克服上升系统和下降系统的流动阻力，推动工质在循环回路中流动。即由于水冷壁管吸热，使水的密度,xj,改变成为汽水混合物的密度,hu,，,并在高度为,H,的回路中形成了重位压差。,回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推动力越大。,工质密度差不仅与压力有关，而且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，工质循环流动速度越高；而压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。,二 自然循环的基本概念,循环流速,w,0,:,在饱和水状态下,进入,上升管入口的水的流速。,质量含汽率,x,:,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。,循环倍率:上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水,名义循环倍率,K,0,：,按锅筒引出的饱和蒸汽量计算的循环倍率,锅筒水室凝汽量,D,亚临界锅炉锅筒水室中存在着蒸汽的凝结过程，使水冷壁的实际蒸发量大于从锅筒引出的饱和蒸汽量。在锅筒水室中被凝结的蒸汽量就称为锅筒水室凝汽量，记作,D,。,由于凝汽量的存在，水冷壁中的质量含汽率应按实际蒸发量计算。凝汽量与循环流量的比值被称为凝汽率,x,nq,凝汽率与锅炉压力和负荷有关,一台容量为,1025,T/H,的亚临界参数锅炉，最大凝汽量达到,290,t/h,之多，锅筒水室中存在的凝汽过程，使得,MCR,负荷时水冷壁中实际的蒸发量比名义蒸发量大,6.8,，水冷壁中的质量含汽率由,0.24,增大到,0.31,，由此引起循环系统的实际循环倍率小于名义循环倍率。,国内的推荐数据：当,p,=,18.6,MPa,时，,x,nq,=0.042,。,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,水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流；,水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾；,锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重的“干锅”；,燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀；,结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀；,煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。,停滞,倒流,膜态沸腾,水的冷却,汽的冷却,连续水膜被破坏,爆管,超温,传热恶化,二 蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾,1. 循环停滞,水冷壁分成几至以至几十个独立的水循环回路。,炉膛中温度场分布不均；,上升系统的结构偏差和流量分配偏差；,虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动速度可能不同。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，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，停滞现象,：循环流速,w,0,0，,但,w,0,0；,即循环流量,G=D，,但,G0；,停滞管的压差等于下降管的压差，即,Y,tz,=,Y,xj,，,但停滞管的流动阻力,p,tz,0。,后果,：,汽泡聚集弯头和焊缝处，并可能形成大汽泡，造成蒸汽塞，管子局部就会过热超温。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；,自由水面,：进入上升管的循环流量微小，以至在管子微弱吸热后被蒸发成汽泡。,后果,：,当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力,水循环停滞导致水冷壁管传热恶化；主要发生在受热弱的管子上,。,由于受热不均，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流。工质向下流的管子就叫“倒流管”。,倒流现象,：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。,倒流现象的本质：倒流管的压差大于同一片管屏或同一回路的平均压差，即,Y,dl,Y,hl,。,从而迫使工质向下流动。,2. 倒流,在倒流管中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动。,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。,当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好冷却，不出现局部超温。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倒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工质密度的变化而变化的。,核态沸腾,：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。,膜态沸腾,：如果管外的热负荷很高，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，将管子中心的水与管壁隔开，使管子壁面得不到水膜的直接冷却，导致管壁超温。也称为,第一类传热恶化,。,过渡沸腾,：由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程,3. 膜态沸腾,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。,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与质量含汽率。,运行和试验证明，尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水混合物的质量含汽率一般只达到0.30.4，但发生传热恶化的可能性较大。 采用,内螺纹管,水冷壁可抑制,膜态沸腾,第三节 蒸发管内的汽液两相流型及传热,泡状流,弹状流,环状流,雾状流,一 汽液两相流的流型,泡状流,：在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。,弹状流,：泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效应的作用，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。,环状流,：由于汽弹的内压力增大，当汽弹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。,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,1 蒸发管内的流型与传热的关系,单相液体流动阶段,：在管子入口处，为过冷水对流传热，放热系数基本不变。,过冷沸腾阶段,：汽泡状流动的初级阶段。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。,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。管内放热系数变化不大，管壁温度接近流体温度。,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，蒸发过程转移的液膜表面进行。放热系数略有提高，管壁温度接近流体温度。,雾状流动阶段,：由于管子壁面的水膜被蒸干，只有管子中心的蒸汽流中夹带着小液滴，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，由于流动速度增加和小液滴对管壁的润湿作用，,使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。,当热负荷不断增大到一定程度时，水冷壁管内就会产生膜态沸腾。膜态沸腾有可能发生在环状流动阶段，当热负荷进一步提高时，也可能发生在泡状流动阶段，特别是可能发生在过冷沸腾阶段。,第二类传热恶化，“蒸干”：,在自然循环锅炉的水冷壁中在正常运行状态下不出现“蒸干”导致的传热恶化。,在非正常运行状态下一旦出现第二类传热恶化，虽然开始时壁温并不太高，但含盐量较高的炉水水滴润湿管壁时，盐分沉积在管壁上，也会造成传热恶化。,2 蒸发管内的传热恶化,三 内螺纹管抑制传热恶化的作用,鳍片光管,：,x,=0.3，,壁温开始飞升,x,=0.6，,壁温达到第一个高峰点，此后壁温略有下降，,x,=0.8，,出现蒸干,管壁温度再次出现飞升。,内螺纹管,：,x,=0.8，,壁温才开始飞升。说明内螺纹管具有显著的抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的作用。,内螺纹管抑制膜态沸腾、推迟传热恶化的机理,：工质受到螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近流体的扰动，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，而水流受到旋转力的作用紧贴内螺纹槽壁面流动。从而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的“汽膜”，保证了管子内壁面上有连续的水流冷却。,亚临界参数自然循环锅炉采用内螺纹管水冷壁是具有相当大的安全裕度,内螺纹管与光管中质量含汽率的允许变动范围,内螺纹管,光管,汽包压力,MPa,16.6/18.1/19.3/20.7,16.6/18.1/19.3/20.7,最大允许的,x,0.940/0.915/0.875/0.780,0.485/0.385/0.185/0.185,燃烧器区域,x,0.155/0.165/0.185/0.233,0.155/0.165/0.185/-,x,允许范围,0.785/0.750/0.690/0.540,0.330/0.220/0.0/-,第四节,汽液两相流体的流动参数,假定在通道内汽和水是均匀混合的；水和汽之间无相对速度；只考虑汽的比容比水的比容大。,均相模型虽然与实际的汽液两相流体流动现象有差别，但它是研究汽液两相流动的基础。,一 汽液两相流体流动的均相模型,1均相模型,(1) 汽的折算流速,(2) 水的折算流速,2 汽的折算流速和水的折算流速,按容积流量计算的水的折算速度和汽的折算速度。,汽水混合物的容积流量为,V V, V,3.汽水混合物的流速,w,hu,4 容积含汽率,二 汽液两相流体流动的分流模型,蒸发管内的流型主要表现为泡状流、环状流。这种流型的特征是在管子壁面处形成环状水膜，蒸发产生的蒸汽集中在管子中心处,汽液两相流动的分流模型是：管内的汽水混合物是分开流动的，汽在管子中央流动，水贴近壁面流动；汽和水之间有相对速度。,由此导出的汽液两相流动参数可视为接近真实的参数。,1. 截面含汽率,表示蒸汽流通截面占管子总截面的份额,2. 汽的真实速度和水的真实速度,汽的真实速度,水的真实速度,3 接近真实的汽水混合物的密度,zs,三 两相流动参数与均相流动参数的关系,可视为汽和水的速度比，或称为汽水滑动比。,设,滑动比,S,可由试验确定；国内对垂直上升管，采用以下的方法确定,S,S,的物理意义：,当,w,w,，,S,，,为汽水混合物向上流动工况；,当,w,w,，,S,，,为混合物向下流动工况；,当,w,w,，,S,，,为均相流动工况，即,=,。,第五节 汽液两相流体的流动阻力、重位压降,一 两相流体的流动阻力,汽水混合物流动时，在泡状流、弹状流、环状流阶段，汽泡受到浮力的作用，向上运动的速度比水流速度快。,两相流体流动阻力=液相水与管壁的摩擦阻力+汽相和液相之间的相对速度引起的摩擦阻力。,汽液两相流的流型不同，两相流之间的分布特征和接触面积就不相同，产生的阻力当然也不相同。汽液两相流动的阻力要比单相水的流动阻力大。,两相流体流动阻力采用单相流体流动阻力计算公式的形式，带入均匀混合的汽水混合物的流速和密度，然后用修正系数考虑汽液相对速度和流型对流动阻力的影响。,两相流动的摩擦阻力计算公式为,两相流体摩擦阻力修正系数,值由试验确定,(1),w,1000kg/(m,2,h),国内采用的方法是：,(2),w,1000kg/(m,2,h),(3),w,1000kg/(m,2,h),可以看出，,f,(,w,x,p,)。,两相流体的摩擦阻力与质量流速或汽水混合物的流速、质量含汽率、压力(汽水密度取决于压力)有关。,因为,w,hu,hu,w,0,，,有,沿上升管，随着吸热量的不断增加，,x,的值不断变化，,w,hu,也不断变化，应根据,w,hu,或,x,的变化沿上升管作积分或分段计算，然后再叠加求和。,二 两相流体的重位压降,蒸发管中沿管子高度方向上，汽水混合物的密度是不断变化的，两相流体的重位压降的计算，应该根据密度的变化分段计算或采用积分计算方法进行。,工程上常采用分段计算,简单回路,第六节 简单回路的水循环计算和水循环特性曲线,一 简单回路和回路区段的划分,水循环计算时，首先将一根下降管和与它相连的水冷壁组成一个独立的循环回路，独立的循环回路可以是简单回路，也可以是复杂回路。,简单回路,是指一根下降管和一根水冷壁管或一组水冷壁管屏组成的回路。,水循环计算时，需要从水冷壁下联箱为起点，对上升管进行区段划分。通常将上升管划分为：,热水段,：进入的水由于静压升高和省煤器出口水不饱和而不能立刻开始沸腾，因而需要确定沸腾点。在沸腾点之前，上升管内为单相水。,含汽段,：含汽段是上升管的主要区段，在含汽段，管内汽水混合物的密度大小或密度分布变化较大，一般应根据吸热强度或管子直径、管子倾斜度将含汽段分成若干段分别计算。,热后段,：此区段的上升管不吸热，管内汽水混合物的密度不变。当管内汽水混合物引入锅筒顶部时，汽水导管将超过锅筒水位面高度，此段称为超高段。,2. 上升管区段的划分,二 描写循环特性的方程组,水冷壁吸热方程用以求出循环特性参数的质量含汽率、单相流体和和两相流体的分界点即沸腾点。,求解循环特性方程组，可以绘制水循环特性曲线和全特性曲线，便于图解分析和判断水循环的安全性。,数学方程,压差方程,流量方程,水冷壁吸热方程,r,和,h,qh,分别为汽化潜热、上升管入口水欠焓,三 热水段高度的计算,H,rq,受热前区段高度(,m)；,H,xj,下降管高度(,m)；,H,1,上升管第一区段高度(,m),H,yr,引入管高度(,m)，,若水冷壁下联箱低于下降管计算下标高，则其前取号，否则取号；,i,qh,下降管入口锅水欠焓(,kJ/kg)；,i,xj,下降管受热导致的工质焓增(,kJ/kg)；,i,xj,下降管带汽导致的工质焓增(,kJ/kg)；,p,xj,下降管阻力(,Pa)；,p,yr,引入管阻力(,Pa)；,G,上升管入口的循环流量(,kg/s)；,Q,上升管第一区段的吸热量(,k,)；,锅筒,压力下，每米高度差的重位压头或流动阻力引起静压变化,使饱和水焓变化,kJ/(m.kg)；,若由计算得到：,H,rs,H,rq,+,H,1,，,则表明沸腾点在第二区段。由下式计算,H,rs,Q,2,上升管第二区段的吸热量(,kW)；,H,2,上升管第二区段高度(,m)。,四 水冷壁各区段蒸发量的计算,第一区段的蒸发量,第二区段的蒸发量,第,i,区段的蒸发量,五 锅水欠焓的计算,由省煤器送入锅筒中的给水一般都未达到饱和温度，因此,锅水处于不饱和状态，这是造成下降管入口水欠焓的主要原因。,高压和超高压锅炉,锅筒,内一般都布置蒸汽清洗装置，由省煤器送来的,50%的给水量均匀分布在清洗装置上，形成一层约50,mm,厚的水层，蒸汽通过清洗水层时，可将蒸汽中的盐分转移到清洗水中。同时，通过清洗水层的部分饱和蒸汽被凝结。由省煤器送来的另外50%的给水量直接送进锅筒,水室中与锅水混合，这部分给水也会使,锅筒,水室中的部分蒸汽凝结。,亚临界压力锅炉,锅筒,内一般不设置蒸汽清洗装置，但,锅筒,水室中同样有蒸汽的凝结过程。,锅筒,内的蒸汽凝结使进入下降管的水欠焓减小。,清洗装置上部的热平衡关系式,清洗装置下部的热平衡关系式,实际循环倍率,清洗水份额,锅筒水室凝汽率,六,i,dq,的计算,由于带汽，下降管中的蒸汽凝结量为,七 水循环特性曲线和循环回路的工作点,根据水冷壁吸热方程分别求解上升系统和下降系统的压差方程和流量方程，上升系统和下降系统的总压差曲线交点就是水循环回路的工作点。,大容量自然循环锅炉通常由,46,根大直径下降管与,2024,个以上的水冷壁管组相联接，即一根下降管与,46,个水冷壁管组相联接，形成复杂回路。,水循环计算时，一般将一根下降管与,2,个或,2,个以上的水冷壁管组相联接的循环回路称为复杂回路,。,第七节 复杂回路的水循环计算,一 复杂水循环回路,二,复杂回路的水循环特性曲线,曲线1,、1,、1表示上升系统1,-1-1,的特性曲线，上升系统包括分配水管、上升管、汽水引出管以及汽水分离器；,曲线2,、2,、2表示上升系统2,-2-2,的特性曲线。,将分配水管、上升管、汽水引出管以及汽水分离器的压差相加，可分别得到两个上升系统的压差流量曲线,s1,f,(,)和,f,(,)。,然后再将两个系统的流量相同的压差下相加，得到曲线,s1,+,s2,，,此曲线与下降管的压差曲线,xj,的交点，形成了这一复杂回路的工作点。,一 水循环全特性曲线,第八节 水循环全特性曲线和循环安全性检查,水循环的特性曲线只反映了工质向上流动的情况。上升管有时还会出现倒流现象。,用全特性曲线可以更为全面地反映和判别水循环回路的流动情况。,全特性曲线包括上升流动、停滞、倒流的特性曲线。,Y,f,(+,G,),即为向上流动或停滞特性曲线,Y,f,(-,G,),即为倒流特性曲线。,全特性曲线,二 循环安全性检查,1 停滞的判别和不停滞的条件,判别受热最差的管屏会不会出现停滞现象的方法是：,在回路工作点压差下，当受热最差管屏的流量,，出现停滞；,，不出现停滞；,，流动进入不稳定区，可能停滞，也可能不停滞。,不出现停滞的条件是：回路工作点的压差大于受热最差管在停滞点的压差。,国内用下式作为不停滞的判别式,p,hl,/,p,tz,1.05,出现一个流动的不稳定区，即可能倒流，也可能不倒流。曲线的顶点是倒流点的压差。因为倒流时，受热最差管倒流点的压差大于回路工作点的压差。,2 倒流的判别和不倒流的条件,不倒流的条件,：回路工作点的压差大于受热最差管在倒流点的压差。,国内用下式作为不倒流的判别式,p,hl,/,p,dl,1.05,第九节 蒸发管传热恶化工况的计算,蒸发管（通常指水冷壁）产生传热恶化的条件与压力,p,、,质量流速,w,、,热负荷,q,、,质量含汽率、管径等因素有关。一般根据临界含汽率,x,lj,来估计水冷壁管内是否出现传热恶化。所谓临界含汽率是指：在传热恶化开始发生，壁温开始升高处，蒸发管内的质量含汽率。,亚临界压力以下(,p,19.6,MP,a,)、,大管径(,d,n,15mm),蒸发管内传热恶化的计算按下述的方法进行。,一 沿周向均匀受热的垂直管的计算,对于蒸发管的传热恶化，可根据压力,p,、,热负荷,q,划分为第一类传热恶化区域和第二类传热恶化区域,。,对于沿周向均匀受热的垂直管内出现传热恶化的条件，随压力、质量流速、热负荷等参数的不同，第二类传热恶化可分为四个区域,。,在各区域中出现传热恶化的临界含汽率,x,lj,按以下的经验公式计算,区域,区域,区域,区域,二 单面受热水冷壁管的计算,对于单面受热的锅炉水冷壁管，沿周向内壁热负荷是不相等的。计算临界含汽率时按其沿周最高值，即向火面内壁热负荷代入临界含汽率式中的,q,n,。,受热管单面受热,由于沿周受热不均，将产生汽水沿周环流，使传热恶化推迟,对单面受热水冷壁，按,求得的值乘上1.5,按,求得的值加上=0.1。,一 影响循环安全性的主要因素,第十节 提高循环安全性的措施,1. 水冷壁受热不均或受热强度过高,锅炉运行中，炉内火焰偏斜、水冷壁局部结渣和积灰是造成水冷壁吸热不均的主要原因。,受热很弱的管子容易出现停滞或倒流，受热很强的管子可能出现膜态沸腾，其结果都是导致管子局部发生传热恶化，管壁温度升高。,下将管入口产生旋涡漏斗时，旋涡中心将有部分蒸汽被水流抽吸进入下降管。,进入下降管的实际水流量减少，即循环流量降低；,由于下降管内出现汽水两相流动，工质密度减小，使下降管侧的重位压差降低，且流动阻力也相应增大，使,Y,xj,值。,导致水循环安全裕度下降，即产生停滞、倒流的可能性增大。,防止下降管带汽的办法,：在下将管入口安装隔栅；运行时注意维持正常的锅筒水位。水位过低，下降管入口不但容易产生旋涡漏斗，而且使下降管入口处的静压力降低，容易产生水的自汽化。,2. 下降管带汽或自汽化,3. 水冷壁管内壁结垢,锅炉运行水质不合格，含盐量超标，当水在管内受热蒸发时，盐分从水中析出，沉积在管壁上，管子金属内壁面上无水膜冷却，而管外吸收高温火焰的热量不能被水流及时带走，管壁温度就会升高。水冷壁管内结垢时，流动阻力也随着增大，容易引起停滞或倒流。,4 上升系统的流动阻力,影响上升系统流动阻力的因素很多。如分配水管、水冷壁、汽水导管的管径和水冷壁流通截面的比值、管子弯头数量、汽水分离器的结构阻力系数、循环流速、锅炉负荷等。,5 变负荷速度过快或低负荷运行,锅炉低负荷运行时，蒸发量减少，水冷壁管内工质密度增大，使水冷壁重位压差增大，循环回路的运动压头减小，循环流速就会降低，因而低负荷运行时的水循环安全性较差。,在快速变负荷，尤其是在,快速降负荷,时，循环系统内由于压力降低，工质的自汽化过程加快，由于锅筒水室内水的自汽化和下降管内水的自汽化，使循环流量和运动压头同时减小，循环安全性大幅度降低。,控制变负荷速度是保证水循环系统安全工作的重要条件之一。,二 亚临界自然循环锅炉的循环特性,亚临界参数锅炉，随着锅炉容量增大相对于单位蒸发量的炉膛周界减小，管内质量含汽率增大，达到,x,= 0.30.4,在,MCR,负荷时，循环流速达到 1.72.2米/秒,30,CR,时的循环流速能保持 1米/秒的水平,试验数据表明，循环流速达到0.4米/秒，水冷壁管内的工质流动就不会产生停滞和倒流现象。,判断亚临界参数锅炉循环安全性的主要参数是,质量含汽率,及,水冷壁热流密度,、,实际蒸发量,、,循环流速,。,采用,质量含汽率,表示的循环特性参数函数关系能够直接反映出各参数之间的制约关系。,1 质量含汽率与结构参数及循环特性参数的关系,设,、,w,0,、,、,、,x,、,、,d,、,分别为水冷壁的流通截面、循环流速、循环流量、水冷壁蒸发量、质量含汽率、水冷壁管子根数、水冷壁管内径、饱和水密度，,2 水冷壁热负荷与结构参数及循环特性参数的关系,设,q,f,、,S,、,L,p,、,r,、,i,分别为水冷壁热负荷、管子节距、水冷壁管平均长度、汽化潜热、上升管入口水欠焓,3 炉膛周界与循环特性参数及结构参数的关系,设,U,为炉膛周界，其余符号同上。近似认为，,N,U,/,s,控制质量含汽率的数值就控制循环流速、热流密度及/,F,等参数，通过调节各参数的数值控制合理的质量含汽率。,可计算出接近实际的循环特性参数和水冷壁结构参数。,三 提高循环安全性的措施,为保证水冷壁的安全运行，首要条件是必须保证任何一根水冷壁管子内壁面上都有连续的水膜足以冷却管子，以保证其在任何工况下都不会超温。,从锅炉设计制造和锅炉运行考虑，都必须针对影响水冷壁安全性的因素，采取相应的技术措施来提高蒸发系统的循环安全性。,主要的技术措施,保证水冷壁管内有足够高的质量流速；,尽可能减小水冷壁的受热偏差、结构偏差和流量偏差；,保证水冷壁各管组具有合适的热负荷；,保证水冷壁管内具有合适的质量含汽率；,维持正常的锅筒水位，并使下降管尽可能少带汽和不产生自汽化；,减小循环回路的流动阻力。如增大汽水导管与水冷壁管组的流通截面比或减小水冷壁阻力等；,锅炉变负荷运行时，控制压力变动速度；,控制锅炉炉水品质，防止水冷壁管内结垢；,防止水冷壁管外高温腐蚀和磨损等；,第十一节 水冷壁的高温腐蚀,高温腐蚀是燃料中的硫在燃烧过程中生成腐蚀性灰污层或渣层以及腐蚀性气氛，使高温受热面金属管子表面受到侵蚀的现象。,内部原因主要是燃料中的硫,外部原因是由于水冷壁管处于高温烟气的环境中，金属壁面温度又很高，当火焰贴近炉墙时，金属壁面邻近的区域中形成还原性气氛，使灰的熔点温度降低，加剧金属管子表面的积灰或结渣过程，并使管子表面产生高温腐蚀,腐蚀严重的现象通常出现在燃烧器区域或过热器区域。,水冷壁高温腐蚀大致有三类，第一类是硫酸盐型高温腐蚀；第二类是硫化物型高温腐蚀。第三类是炉内的,SO,3,、H,2,S、,HCl,气体也会对水冷壁产生高温腐蚀。,一 水冷壁的高温腐蚀机理,1 . 硫酸盐型腐蚀,硫酸盐型腐蚀：,灰渣层中的碱金属硫酸盐与,SO,3,共同作用产生腐蚀；,碱金属焦硫酸熔盐腐蚀,1.,在水冷壁管壁金属表面生成薄氧化层（,Fe,2,O,3,）,和极细灰粒沾污层。,2.,冷凝在管壁上的碱性金属氧化物与周围烟气中的,SO,3,发生化学反应生成硫酸盐,3.,水冷壁管壁金属表面的硫酸盐层增厚，热阻增大，表面温度提高，灰渣熔化，促使黏结烟气中的飞灰形成疏松的灰渣层。硫酸盐熔化时释放出,SO,3,，,并向内外扩散。,硫酸盐与,SO,3,一起对水冷壁管子的腐蚀过程,反应生成的,Na,2,SO,4,和,K,2,SO,4,循环作用使铁的腐蚀不断进行。,上述反应使管壁上的,Fe,2,O,3,保护层被破坏。,Na,3,Fe(SO,4,),3,和,K,3,Fe(SO,4,),3,则熔化，并与铁发生反应产生腐蚀：,4.硫酸盐释放出的,SO,3,和烟气中的,SO,3,会穿过疏松的灰渣层向内扩散,5.,运行中管壁外层灰渣层因为清灰或灰渣层过厚而脱落，使,Na,3,Fe(SO,4,),3,等暴露在高温火焰辐射中，发生分解反应：,新的碱金属硫酸盐层，在,SO,3,作用下使管壁不断受到腐蚀。,碱金属焦硫酸盐的熔点很低，在一般的壁温下就呈现熔化状态。如果在灰渣附着层中存在焦硫酸盐时会形成反应速度更快的熔盐型腐蚀。焦硫酸盐与氧化铁保护膜的反应方程式如下：,熔融硫酸盐积灰层对金属壁面的腐蚀速度比气态硫酸盐要快的多。当温度600左右时，熔融硫酸盐的腐蚀速度约为气态时的4倍。炉内水冷壁温度通常在600以下，所以熔融硫酸盐的腐蚀速度随着管壁温度增高而加快。高参数锅炉的水冷壁管壁温度高，高温腐蚀快，因而容易发生爆管事故。,2硫化物型腐蚀,在水冷壁管子附近，呈现还原性气氛并且有硫化氢（,H,2,S）,存在时，就会产生硫化物腐蚀，它的反应过程如下。,（1） 黄铁矿硫粉末随着高温烟气流过水冷壁的管壁，在还原性气氛下受热分解：,当水冷壁管子附近有一定浓度的,H,2,S,和,SO,2,的时候，,（3） 在还原性气氛中，由于缺氧自由硫原子可以存在。当水冷壁管壁温度达到350时，会有硫化反应，同时还有硫化亚铁与氧化亚铁的反应：,（3）硫化亚铁（,FeS,）,的熔点为1195 ，在温度较低的时候可以稳定存在。在温度比较高的时候，,Fe,将被氧化成,Fe,3,O,4,，,使管壁腐蚀：,煤中的黄铁矿,FeS,2,和有机硫化合物燃烧时生成,SO,2,：,由,SO,2,转化为,SO,3,的过程有以下几种方式：,3.,SO,2,和,SO,3,的生成及腐蚀,（,1,）在高温下，,SO,2,与烟气中的自由氧原子反应，生成,SO,3,。,而自由氧原子可以由如下三种方式产生：,氧气在炉膛内的高温条件下分解；,（2）催化反应生成,SO,3,。,当高温烟气流过水冷壁积灰层的时候，由于有灰层中的五氧化二钒和氧化铁的催化作用，产生了下列反应：,（3） 煤中的硫酸盐热解产生,SO,3,，,反应方程如下：,SO,2,和,SO,3,的存在，除了能促使硫酸盐型和硫化物型腐蚀发生以外，它们本身也会直接对水冷壁发生腐蚀。,三氧化硫气体可以穿过灰层直接与壁面的氧化铁膜反应生成硫酸铁：,二、防止高温腐蚀的措施,（1）在水冷壁金属表面喷涂耐腐蚀材料，或提高水冷壁金属材料的耐腐蚀性能。,（2）采用低氧燃烧技术。减小炉内的过量空气系数，自由氧原子的生成量减少，二氧化硫转化为三氧化硫的转化率降低，三氧化硫的浓度低，发生高温腐蚀的机会就会减少。,（3）合理配风和强化炉内气流的湍流混合过程，避免出现局部还原性气氛，以减少,H,2,S,和硫化物型腐蚀。,（4）加强一次风煤粉气流的调整，尽可能使各燃烧器煤粉流量相等，使燃烧器内横截面上煤粉浓度均匀分布，以保证燃烧器出口气流的煤粉浓度均匀分布。,（5）高的水冷壁管壁温度过高是引起水冷壁结渣和高温腐蚀的重要原因，应当避免出现水冷壁局部管壁温度过高现象。,（6）采用烟气再循环，可以降低炉膛内火焰温度和烟气中的,SO,3,浓度，减轻高温腐蚀。,（7）采用贴壁风技术，在水冷壁壁面附近形成氧化气氛的空气保护膜，避免高温腐蚀。,（8）,在燃料中加入添加剂，改变煤灰结渣特性。,