自然循环回路的水动力基本方程

12.1.1　自然循环回路的水动力基本方程

1.循环回路

循环回路通常可分为简单回路和复杂回路。

图12.1　简单循环回路

简单回路是由并联的一组（根）下降管，一组（根）几何结构尺寸及吸热相同的上升管以及其它部件所组成的独立循环系统，见图12.1。实际锅炉中，由于受热及结构上的差异，严格意义上的简单回路并不存在。通常把吸热及几何形状基本相同的循环回路作为一个简单回路来分析和计算，在校验循环可靠性时再考虑受热不均匀的影响。所谓复杂回路是由一系列回路所组成，各回路之间相互有联系，共用其中的某一环节，如有共同或部分共同的上升管，或有共同下降管，但锅筒总是各循环回路所共有的。图12.2所示的复杂回路中，前墙和侧墙水冷壁管共用同一下降管。

2.简单回路的水动力基本方程

稳定流动条件下，回路中任意一个截面上的作用力是平衡的。图12.1所示的简单回路中，考虑到下集箱左右两侧共同承受可以相互抵消的锅筒液面上压力，则左右两侧管内所存在的力只有重位压差ρgh和流动阻力Δp，其压差平衡方程式为

式中：h为锅筒液位面到下集箱中心高度，m；ρ_ss、ρ_xj分别为上升管和下降管中工质的平均密度，kg/m³；Δp_ss、Δp_xj分别为上升管和下降管中的工质流动阻力，Pa。

式（12.1）左侧称为上升管压差S_ss＝ρ_ssgh＋Δp_ss，方程右侧称为下降管压差S_xj＝ρx_jgh－Δp_xj。该式表明了从锅筒液位面到下集箱中心高度之间，计算的上升管压差与下降管压差相等。此式为简单回路的水动力基本方程，这种计算方法称为压差法。经整理后可得

图12.2　复杂循环回路

1—下降管；2—引入管；3—后墙水冷壁；4—防渣管；5—引出管；6—前墙水冷壁；7—侧墙水冷壁

式（12.2）左侧称为回路的运动压头S_yd＝（ρ_xj－ρ_ss）gh，方程右侧为回路的总阻力∑Δp＝Δp_ss＋Δp_xj。运动压头是循环回路中产生的水循环动力，稳定流动时用于克服回路中工质流动的总阻力。以该式为基础进行水动力计算的方法称为运动压头法。由上式可得

式（12.3）左侧称为回路的有效压头S_yx＝S_yd－Δp_ss。有效压头是循环回路中运动压头克服上升管的流动阻力后剩余的部分水循环动力，稳定流动时用于克服回路中下降管的流动阻力。以该式为基础进行水动力计算的方法称为有效压头法。

无论是运动压头还是有效压头都是回路中工质流动的动力，实质上是完全相同的，只是物理意义上有所差异而已。这些压头越大，则水循环的速度也越大，水循环就越强烈，可以克服回路中更大的流动阻力。由于习惯上的差异，各国的水动力计算所使用的方法有所不同。我国曾应用有效压头法。但目前我国的电站锅炉水力计算方法中采用的是压差法。本书只介绍压差法。

3.自然循环的重要特征参数

第11章中已对与自然循环有关的参数，如循环流速、循环流量、质量含汽率和循环倍率等作了介绍。其中，循环倍率K是衡量锅炉水循环可靠性的重要指标之一。由式（11.15）可知，K＝G₀/D＝1/x，即为上升管的入口循环流量与出口蒸汽流量的比值，数值上为质量含汽率的倒数。每根蒸发管、每组管屏，每个循环回路以及整台锅炉都有各自的循环倍率，其数值并不一定相等。对简单回路而言，只有每根管子吸热量和结构均相同时，各根管的循环倍率才相同，则此时的回路循环倍率和管子的循环倍率才相同。循环倍率小意味着上升管中的蒸汽含量大而循环流量小，相应的循环流速w₀也就小。当循环倍率小于某一界限值Kjx时，由于水速很低而可能出现传热恶化，甚至循环流速等于零或几乎为零，水循环发生停滞或形成自由水位，从而可能导致蒸发管过烧损坏。表12.1为锅炉的常用循环倍率及界限循环倍率范围。

表12.1　推荐循环倍率及界限循环倍率

除了上述几个参数外，锅筒水室凝汽量也是自然循环锅炉的一个重要参数。

亚临界压力锅炉，饱和蒸汽与饱和水的密度差减小，汽水分离比较困难，锅筒水室中不可避免地含有较多的蒸汽，而由省煤器送入锅筒水室的水则具有一定的欠焓。因此，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D大于从锅筒引出的饱和蒸汽量D₀。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ΔD。ΔD＝D－D₀。水冷壁中的质量含汽率应按实际蒸发量计算。

按锅筒引出的饱和蒸汽量计算的循环倍率称为名义循环倍率K0，即

K₀＝G₀/D₀

凝汽量ΔD与循环流量G0的比值被称为凝汽率x_nq，即

x_nq＝ΔD/G₀

凝汽率与锅炉压力、省煤器出口焓值和负荷等有关。例如，一台容量为1025t/h的亚临界参数锅炉，最大凝汽量达到290t/h，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^［1］。