1、,强迫流动锅炉水动力特性,刘银河 2008.5,直流锅炉蒸发管的水动力特性,在一定的热负荷及结构特性条件下，管内工质的流量G（或质量流速w）与压差p的关系称为水动力特性（或压差特性）。pf（G） 单值性：p与G一一对应 多值性：一个p可能对应两个以上的G,1. 水平蒸发管,总压差,忽略pzw和pjs,q与Z不变，pG2v，G，v，则p随G的变化具有不确定性，主要取决于流量增加和比容减小这两者的相对变化。,水平蒸发管水动力特性,假设：受热均匀ql不变；采用均相流模型，两相流体摩擦阻力修正系数=1；加热段的平均比容取饱和水比容v；忽略局部阻力。,水平蒸发管水动力特性,根据热量平衡得右二式 ，带入前
2、式计算压差,A、B、C是与工质状态（iqh，ql，G）、 物性（v，v，r）、 结构（Z）有关的参数。,水平蒸发管水动力特性,避免多值性,最多只有一个拐点，且单调增,2个不同的实根，出现多值性,2个相同的实根，曲线只有一个拐点,为虚根，曲线单调升,水平蒸发管水动力特性,保证安全裕度,a1,多值性的物理原因,对于强迫流动的蒸发管内同时存在加热水段和蒸发段，当q一定时，由于水和蒸汽的比容差别极大，使得工质的平均比容随流量的变化而急剧变化。而p不仅与G有关，还与v有关，从而产生了水动力特性的多值性。如果受热管内全部是单相热水或汽水混合物，则不会出现多值性。,水平蒸发管水动力多值性原因,OB：G，p，
3、因为G比容v。OA段，由于管内充满蒸汽，v随G的变化很小，曲线较陡；AB段，v减小的速度加快，曲线逐渐变缓。 BC：G ，容积含汽率 ，从而Gv，则p，直至C点。 CD：由于管内几乎全部是水， G 对v已无多大影响，p。,影响多值性的因素,（1）压力 低压明显存在多值性。 P，稳定性。 亚临界压力17MPa以上一般不会产生多值性，除非入口水的欠焓特别大。,（2）入口欠焓, iqh，稳定性 iqh0,A0，二次曲线。在G0的区间，p0，且单调增加，多值性消失。 iqh，向三次曲线转变。,（3）加热水段阻力pjr，增加了流量对压差的影响，减弱了汽水混合物比容的影响，稳定性。（4）热负荷 q，系数A
4、，C。稳定性。相当于iqh。 热负荷的变化还与其他因素有关: q高，多值性范围扩大； q低时，易引起流量的不稳定性波动。,水平蒸发管水动力多值性防止措施,减小蒸发管进口水的欠焓增大加热水段的阻力,垂直蒸发管水动力特性,垂直蒸发管的水动力特性（单行程）,1重位压差曲线 2流动阻力曲线 3总水动力特性曲线,垂直蒸发管水动力特性,垂直蒸发管的水动力特性（双行程）,1下降段重位压差曲线 2上升段重位压差曲线 3流动阻力曲线 4总重位压差曲线 5总水动力特性曲线,多值区,多值区,二、并联管组的热偏差,1. 热偏差 并联管组在理想设计工况下，可靠性可以得到保障。 实际条件差异很大，并联管组中各管焓增不均匀
5、。 偏差管工质焓增ip和整个管组工质平均焓增ipj之比 称为热偏差系数,因为,热负荷不均匀系数,受热面积不均匀系数,流量不均匀系数,烟气侧,工质侧,允许热偏差,必须满足,热偏差取决于管子的热力特性，受热面特性和工质的水力特性。,（1）热负荷不均匀系数r与受热面的结构尺寸 和运行状态有关。,（2）受热面积不均匀系数m与受热面布置方式，各管的结构尺寸有关，一般为 m=0.951.05。 热负荷偏差及受热面积偏差均会造成流量偏差。,（3）流量不均匀系数 l,l主要取决于 结构因素：阻力特性。 集箱效应：连接型式。（过热器、v变化小的受热面） 热效流动偏差：热负荷不均匀。（水冷壁、 v变化大的受热面）
6、 重位压差：垂直管。,2. 集箱效应,（1）集箱的静压分布 分配集箱。工质不断分流，动压静压。,动量方程,假定： 工质分流连续； 阻力系数为常数； Vx与w线性关系，Vxcfw； 略去(dw)2； 分流流量均匀，Xx/L 。,积分,X1 , 分配集箱最大静压差,试验确定cf1.24，分配集箱静压变化系数,Kf与阻力特性有关。整理得,x处静压,进口静压,汇集集箱。工质不断汇流，静压动压。,用座标X 1X 建方程，积分后转换为X。wwhX wh(1X) ；Vx chw。,同理可得，X1，汇集集箱最大静压差,试验确定ch0，汇集集箱静压变化系数,结构特性相同，Kh2Kf；phL2pfL，即汇集集箱的
7、静压曲线变化比分配集箱要大许多。整理得,计算pfx、phx，X0均在集箱引入管或引出管。,（2）集箱连接方式对并联管组流量分配的影响,Z型连接系统,流动动力 ppfxphx,U型连接系统,U型连接系统流量分布比较均匀，Z型系统比U型系统具有较大的流量偏差。,多点引入和多点引出连接系统,并联各管工质的进出口压差p,集箱偏差管的压差pp与平均工况管的压差ppj的差值pjx,显然偏差管的pjx0。pjx的绝对值愈大，表明偏差管的流量比平均工况管的流量相差愈多。,3. 流量偏差,流量不均匀系数,；向上取号，向下取号。,用下标p和pj分别表示偏差管和平均工况管，,因为，p1p2为常数,令,影响并联管组中
8、流量偏差的因素,（1）结构特性Zp，Zpj不变，l，流量偏差增大。 （2）集箱效应 pjx0，pjx，l,流量偏差增大。 （3）平均流动阻力 Zpj不变，G，ppj,ld，则分子的影响减小。 G不变，Zpj，除有同样的效果，还能使Gp增加。因此， ppj,ld，可削弱流量分布的不均匀性。,（4）热负荷分布,热效流量偏差：并联管组由于热负荷不均匀引起的流量偏差。对于水平管管组,水平并联管的水动力特性,热负荷不均匀系数r，l。,qp，vp， l， Gp。 即受热强管中流量小，受热弱管中流量大。,平均焓增ipj，l。ip ipj=(-1) ipj,（5）重位压差,高度系数：,w，A，pzw的影响减小
9、，水平、上升、下降的l接近。 w，A，pzw使向上的l增大，向下流动的l减小。 向上l水平l 向下l。注意启动和低负荷运行。,A不变，l只与v或有关，为垂直并联管组的热效流量偏差。（w、ipj的影响 ）,受热强管， vp， l，热效流量偏差增加。 向上流动，p又使l，即重位压差减小了热效流量偏差。 向下流动， p促使l，即重位压差加剧了热效流量偏差。 低负荷及启动，热负荷不均匀性较大。由于w较小， A值增大，向上流动可减小热效流量偏差。,假定某一根受热管中的工质已经停止流动， 即 lGp/Gpj0,A/vpj0。 向上流动，pjpvpj/A0， p pj，偏差管中密度大，表明该管热负荷小，易出
10、现停滞。受热弱管中流量小。 向下流动， p pj，偏差管中密度小，表明该管热负荷大，易出现停滞。受热强管中流量小。,4. 减小热偏差的措施,（1）减小热负荷偏差 管屏分组（每组i接近；wo） 各组之间采用交叉管和中间混合集箱 避免烟气走廊 烟气再循环（降低和均匀l；igr）,（2）减小流量不均匀性,尽量采取垂直向上流动 降低管组的ipj（过热器分级，每级250400kJ/kg，末级120200kJ/kg；交叉管和中间集箱） 合理选择集箱的尺寸和连接方式 （加大集箱直径 ；多点均匀引入和引出 ） 进口单相水处加装节流圈（ pjx,ld） 合理选择进口ij,（3）减小热偏差的原则,流量与热负荷相适
11、应（符合热负荷强的管中流量大，热负荷弱的管中流量小 ） 入口加装节流圈（ 强制流量分配）,（a）改进前 （b）改进后 管屏结构图,思考题,12时，用泰勒定理证明 ln2（1）/（1）,三、蒸发管内工质的脉动现象,1.概述 定义：并联蒸发段，管子的进口水流量G和出口的蒸汽流量D随时间发生发生周期性的波动。分类：管间脉动屏间脉动整体脉动 衰减型：干扰消失，脉动停止。 持续型：水泵特性引起。,管间脉动,条件：并联管圈的总流量不变。进出口集箱压差基本不变。使某些管子发生剧烈的周期性流量波动。现象：一些管G，另一些管G ，周期性变化。同管G和D的波动方向相反， 即G，D ，成180o相位差，壁温tb的脉
12、动与D的脉动同相。且GD。特点：自激振荡无周期干扰作用下，由于热力水利过程的内力作用，使脉动可以自动维持下去。起因：p、q、tgs 、G、D的变化外因维持：阻力变化（压降），蓄热变化（水与金属）内因,危 害 水流量和蒸汽量脉动，壁温波动。 加热、蒸发、过热区段的分界面波动，引起金属的疲劳损坏。 蒸发区内工质冷却水膜的周期性破坏，提前蒸干。 脉动振动共振结构损伤。蒸发受热面中必须避免发生脉动现象,2.管间脉动的原因,p0=p1-p2C， 稳流若有一扰动，使G，则分界面前移，Ljr，LzfGGG ；DDD 各段压降改变加热段阻力减小 pjr pjr(pjr)蒸发段阻力增加 pzf pzf(pzf)
13、,若,即 |(pjr)|(pzf)| 或 pjrpzf 则 plzp0使得进口水流量G又增加；当G增加，总压降增加又使G趋于减小。压降变化阻止扰动的进一步发展，此扰动引起的脉动是衰减型的，流动最终趋向于稳定。,若,即 |(pjr)|(pzf)| 或 pjr pzf 则 plzp0使得G进一步减小，而D增加。扰动发生后，压降变化加强了扰动的继续发展，该扰动引发的脉动是持续型的。,持 续 型 脉 动 起 因,蓄 热,pjbtbh工质蓄热增加 (Ljr- Ljr) 变成蒸发段tb金属蓄热增加 G2w2tb金属蓄热增加当加热水段的压力增高，始沸点界面提前时，由炉内传给受热面的热量，将有部分储蓄在金属和
14、水之中。,持 续,随着：流量G；tbh蒸发量D，流动阻力由增加逐渐转为减小，当 plzp0 G，D 脉动反向变化 由于 pjrpzf G和D继续放 热分界面后移，加热水段的压力降低，储蓄在金属和水中的热量又重新放出，局部压力pjb升高，相当于回到初始扰动状态。储蓄热愈大，则脉动愈剧烈。,3.稳定性条件,单位时间内蓄质量B变化与进口流量变化之比 管间脉动与Bj，以及阻力比Kpjr/pzf有关,动态蓄质量系数,一般，K0.151.0 阻力比K愈大，动态蓄质量系数Bd愈小，流动的稳定性愈强。,脉动稳定性条件,界限质量流速,4. 影响脉动的因素,阻力。pjr pzf K脉动减轻 压力。ppzfK，Bd流动稳定性增加 欠焓。iqhpjrK，Bd存在发生脉动的最敏感欠焓值 iqh84kJ/kg 热负荷。qK，pjb变化剧烈有利于发生脉动 质量流速。wK，稳定性增加,5.防止脉动发生的措施,设计 选择合适的工质进口欠焓（同时考虑水动力多值性） w（w）jx 始沸点不处于高热负荷区 若w（w）jx 变管径蒸发管组减小加热段管径，增大蒸发段管径，K 在管组进口加装节流圈提高进口压力， K 在蒸发段加装呼吸集箱平衡蒸发管的压力，pjb变化减小装x0.25处。,
