锅炉水循环方式

11.1.1　锅炉水循环方式

我们已经知道，工质在锅炉管内的一般流程是：给水流经加热受热面（省煤器）进入蒸发受热面（水冷壁或锅炉管束）产生蒸汽，在过热受热面（过热器）中达到额定蒸汽参数。其中，省煤器及过热器内的工质流动均属于强迫流动，且是一次性流过这些部件，它们的流动和传热特性都是相同的，有所不同的是蒸发受热面及超临界压力时的中间一部分受热面。根据工质流经蒸发受热面的流动动力和循环方式，锅炉的水循环可以分为自然循环、多次强制循环、一次性通过（直流）以及复合循环等四种。除自然循环外，其余三种型式的锅炉蒸发管内工质的流动均属于强迫流动。自然循环和多次强制循环方式适用于低于临界压力的锅炉。图11.1是各

图11.1　水管锅炉的水循环

（a）自然循环锅炉；（b）强制循环锅炉；（c）直流锅炉；（d）复合循环锅炉

1—省煤器；2—锅筒；3—下降管；4—下集箱；5—水冷壁；6—过热器；7—给水泵；8—循环泵种循环方式的示意图。

1.自然循环锅炉

自然循环锅炉蒸发受热面中工质流动的驱动力来自不受热的下降管与受热的上升管（图11.1（a）中的水冷壁）之间的密度差。由锅筒、下降管、下集箱及上升管组成的封闭回路中，不受热的下降管内是温度较低而密度较大的水，上升管内的工质是温度较高而密度较小的汽水混合物或热水（如热水锅炉）。这两者之间的密度差形成重位压差，从而引起回路中的工质能在没有外界动力的作用下自然流动。上升管中向上流动的汽水混合物进入锅筒后进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽进入过热器继续加热或直接使用，分离出的水则再次流经下降管，继续循环受热。

锅筒是自然循环锅炉的一个特征，它是蒸发受热面和过热器的固定分界点。自然循环锅炉流动方式简单、水动力特性稳定、运行可靠，在亚临界压力以下的锅炉中得到广泛应用。由于蒸发受热面中的流动阻力不需要锅炉给水泵的压头来克服，可以减小锅炉运行的能量消耗。锅筒具有较大的蓄热和蓄水能力，使得自然循环锅炉易于进行自动调节，并可通过排污降低对水处理的要求。但压力较高的锅炉，金属耗量大，成本较高，制造、运输、安装都存在一定的难度，较厚的筒壁形成的较大筒壁热应力差限制了锅炉的起停速度。此外，随着压力升高，汽水间的密度差减小，使得自然循环流动的动力明显下降，可能出现停滞、自由水位及倒流等影响自然水循环可靠性的现象。

全部由受热管束组成的回路也可形成自然循环，第7章所介绍的锅炉管束就是这样。受热相对较强或阻力小的管子容易成为上升管，反之，则为下降管。

2.多次强制循环锅炉

这种锅炉蒸发受热面中工质的流动动力除了依靠汽水混合物与水的密度差之外，主要依靠锅炉循环回路中下降管上加装的循环泵的压头，见图11.1（b）。随着锅炉压力参数的提高，汽水混合物的密度增大，汽水混合物与水的密度差减小。为了保证自然循环锅炉水循环的可靠性，从而发展了多次强制循环锅炉，这种锅炉主要用于亚临界压力锅炉，也称为辅助循环或控制循环。下降管上的循环泵是多次强制循环与自然循环的主要区别。它不仅使循环回路的水冷壁布置比较自由，减小管子和锅筒的直径，减少金属消耗量，加快锅炉的启停和升降负荷的速度，扩大负荷调节的范围，还增加了管内工质的流速，提高了蒸发受热面水循环的稳定性。但循环泵的投运不但增加了锅炉自用电耗，而且由于长期在高温高压的条件下运行，需要使用特殊材料，其工作的可靠性直接影响整台锅炉运行的安全性和经济性。

3.直流锅炉

直流锅炉中工质流动的全部动力来自给水泵。从图11.1（c）可以看出，锅炉给水在给水泵的作用下，依次流经加热受热面、蒸发受热面和过热受热面，最终成为所需参数的过热蒸汽。直流锅炉没有锅筒，蒸发受热面中的工质为一次性通过的强迫流动，这是与自然循环锅炉的主要区别。直流锅炉的水冷壁可以自由布置，金属耗量少，制造方便，启动和停炉的速度都比较快，能适应电网负荷的频繁变化，适用的压力范围很广，尤其是超临界参数的锅炉。但由于两相流体的流动阻力较大，增加了给水泵的电耗，同时也提高了对自动调节和给水处理的要求。

由于直流锅炉采用强迫流动，蒸发受热面可以布置成不同的结构类型，如图7.2所示。历史上，水平围绕管圈（图7.2（a））、垂直上升管屏（图7.2（b）、（c））和回转管屏（图7.2（d）、（e）、（f）、（g））这三种基本型式曾各自独立发展了相当长的一段时期。

水平围绕管圈直流锅炉是前苏联最早采用的炉型，也称拉姆辛型。垂直上升管屏又可分为一次垂直上升和多次垂直上升两种。多次垂直上升管屏直流锅炉发源于德国，又称本生型。一次垂直上升管屏直流锅炉是拔柏葛公司在本生炉基础上加以改进的一种炉型，又称UP（通用压力）型，适用于各种压力参数，多用于亚临界以上的大容量锅炉。回转管屏直流锅炉源于瑞士，又称苏尔寿型，其蒸发受热面由多行程回转管屏组成，根据回转管屏不同的迂回方式又可分为垂直回转和水平回转两种^［1］。

随着锅炉技术的发展，现代直流锅炉的水冷壁结构演变成为两种主要型式：垂直上升管屏和上部一次垂直上升管屏与下部螺旋管圈的组合。

为了解决垂直上升管屏混合集箱流量分配不均和不适应变压运行的问题，拔柏葛公司、德国斯坦因缪勒公司等在大容量锅炉炉膛的下部辐射区相继采用螺旋型上升管圈，而在炉膛折焰角以上的辐射区则采用一次垂直上升管屏。这种结构容易保证水冷壁中的工质质量流速，保证炉膛高热负荷区水冷壁管工作的可靠，有利于锅炉变压运行，也有利于管子的悬吊结构布置。这种型式的直流锅炉仍称为本生型。垂直上升管屏直流锅炉的布置也有改进，如炉膛下部为多次垂直上升管屏，炉膛上部做成一次垂直上升管屏，这种型式的水冷壁可以做成组合件，金属耗量少，最易于采用整焊膜式壁，便于全悬吊结构。

为了使得垂直管屏锅炉也能适合变压运行，降低超临界机组直流锅炉水冷壁的流动阻力，节省给水泵压头，降低运行损耗，20世纪90年代，西门子公司对内螺纹管传热和压降进行了深入试验研究，结果表明，超临界锅炉采用内螺纹管垂直管屏水冷壁可以实现变压运行^［2］。质量流速低于1000～2000kg/（m²·s）时，强制流动的平行工作的垂直管屏管组间具有自然循环的正流量补偿特性（即吸热量大的管子流量也大），可以部分补偿强制流动的负流量特性，利用这一特性，可以提高水冷壁的可靠性。采用内螺纹管垂直管屏水冷壁实现变压运行，在低负荷亚临界压力范围内，可以抵抗水冷壁膜态沸腾引起的传热恶化。在临界压力和高负荷超临界压力范围内，也具有抵抗类膜态沸腾的作用，即使对于处于大比热区的蒸汽也具有一定的强化传热、降低壁温的作用。采用内螺纹管垂直管屏水冷壁并且变压运行的超临界锅炉，水冷壁应为一次垂直上升管屏，以避免工质在下辐射区的二次再分配和温度偏差导致的流量偏差和膜式水冷壁相邻管间壁温差。锅炉容量最好在600～1000MW，蒸汽压力最好低于28MPa。

4.复合循环锅炉

复合循环锅炉是在苏尔寿型锅炉的基础上，美国燃烧工程公司根据控制循环锅炉的经验发展起来的一种新型锅炉，主要用于超临界压力参数锅炉，其水循环见图11.1（d）。由于在超临界压力时汽水没有差别，只能采用直流锅炉。但是，直流锅炉在低负荷时常出现流动不稳定问题，因此采用较大的工质流速以满足低负荷时的安全工作，这就使得满负荷时的流动阻力非常大，由此发展出了复合循环锅炉。其基本特点是在中间也装了一台循环泵，它只在低负荷时工作，此时一部分水经过再循环管路在蒸发受热面中进行再循环，以充分冷却蒸发受热面，而在高负荷时停止工作，自动切换成直流锅炉运行状态，再循环管路中没有循环流量，如此一来可大幅度减小蒸发受热面中的流动阻力。

本质上来说，复合循环的应用是为了解决直流锅炉在高负荷时流动阻力太大，而在低负荷时又因流过蒸发受热面的工质流量太低不能保证传热性能这个矛盾的。它是结合一般直流锅炉和强制循环锅炉的优点而发展起来的，故称为复合循环。一般来说，复合循环锅炉是在给水管路上与给水泵串联（或并联）一个循环泵后得到的。在低负荷时，由于循环泵的作用，可使通过水冷壁的流量大于锅炉的蒸发量，一部分工质通过循环管返回炉膛辐射受热面的入口，因而可以得到比较高的质量流速。高负荷时，工质流过水冷壁的阻力增大，当这个阻力大于循环泵的压头时，再循环管路就不起作用，通过水冷壁的流量就是锅炉的给水量。从锅炉某一负荷开始，再循环量等于零，这时称循环泵的工作属于“浮动”状态，这个锅炉负荷又称为“复合循环负荷”^［3］。

由于复合循环能降低在额定负荷下工质的质量流速，因而有降低整个锅炉汽水系统阻力的显著优点。所以它不仅可应用于超临界压力锅炉，而且还可应用在亚临界压力锅炉上。这时在汽水系统中，除了混合器外还应设有汽水分离器，见2.4节。有关复合循环锅炉的更多内容参见13.3节。如果在亚临界压力条件下再提高全负荷下的再循环量，那么串联式全负荷复合循环锅炉实际上就是低循环倍率强制循环锅炉^［3］，简称低循环倍率锅炉。由于这种锅炉实质上仍是按强制循环原理工作的，因此也有人把它划为强制循环类锅炉。但它有两点不同于强制循环锅炉：①循环倍率小，额定负荷时的循环倍率K≤2，一般为1.3～1.8。而强制循环循环倍率K一般为4，因此得名为低循环倍率锅炉。②低循环倍率锅炉有苏尔寿罐，起贮存汽水、固定受热面界限的作用，而强制循环锅炉有锅筒，因此低循环倍率锅炉是无锅筒低循环倍率强制循环锅炉^［4］。