循环回路的压差特性

12.1.2　循环回路的压差特性

在一定的热负荷及结构特性条件下，压差S和管内流量G（或质量流速ρw）的关系称为压差特性或水动力特性，由此关系在平面坐标图上画出的曲线称为压差特性曲线或水动力特性曲线。压差特性曲线可以用来分析自然循环回路的工作原理及其影响因素，也可用来确定回路的工作状态。

1.简单回路的压差特性

图12.3示出简单回路的压差特性曲线及工作状态。上升管的压差为

在受热的上升管中，如果入口为具有一定欠焓的水，沿工质流动方向可分成两段，加热水段和

图12.3　简单回路的压差特性及工作状态

含汽段。加热水段中流动的是单相水，工质在流动过程由于吸热而温度逐渐升高；含汽段中流动的是汽水两相混合物，沿流程工质含汽率不断增加。这两段的高度（或长度），以及含汽段的含汽率随管中工质的流量大小而变化。

当热负荷一定时，随着流量增大，用于加热水的热量随之增大，因而蒸发量减少，含汽率降低，上升管内工质平均密度增大，故ρ_ssgh随G增加而单调增大。但是它以饱和水的重位压差值ρ′gh为其渐近线，在流量很大时基本不变。由于自然循环锅炉中蒸发管入口欠焓较小，上升管Δp_ss也是单调地随G增加而增大。因此，这两条曲线按压差叠加得到的上升管的压差S_ss曲线必然是一条单调增的曲线，而且斜率较大。从理论上看，在G＝0时，Δp_ss＝0，工质平均密度接近饱和蒸汽密度，因此S_ss曲线与纵坐标的交点应为ρ″gh。实际上，在流量很小的范围内，水循环处于不稳定工况，一般不画G＝0的情况，通常都只从某一G值画起。下降管压差的表达式为

一般下降管不受热。若下降管没有蒸汽，可以认为管内单相水的密度接近饱和水密度，其重位压差为ρ′gh。因此，随着流量增大，ρ_xjgh为不变的定值，而下降管的Δp_xj单调增大，这两条曲线按压差相减得到的下升管的压差S_xj曲线必然是一条单调减的曲线。

自然循环在稳定流动条件下，由于上升管压差和下降管压差都是单调变化，这两条曲线必然有一交点。根据S_ss和S_xj相平衡原理，两曲线的交点即为此简单回路在一定条件下的工作状态，称为回路的工作点，其工作压差和循环流量分别记为S₀和G₀。

2.实际回路的压差特性

锅炉的实际循环回路，蒸发受热面都是由若干串、并联管子组成管屏，各管屏又以不同的方式连接。由于炉膛热负荷分布的不均匀性，管子与管子之间、管屏与管屏之间具有不同的吸热量，使得各自的重位压差和流动阻力也不相同，即吸热量对上升管压差有很大的影响。这里进一步定性地讨论上升管吸热量对S_ss的影响。由流体力学可知，流动阻力的表达式为

式中：Z＝；ζ为局部阻力系数；λ为摩擦阻力系数；l和d分别为管长和管内径。

为了简化分析，假定上升管入口为饱和水，管内工质为两相流体，这不会影响定性结论。将式（11.16）汽水混合物流速和式（11.23）混合物密度代入上式，可以得到按均相流模型计算出来的Δp_ss；而将式（11.24）混合物实际密度代入ρ_ss，则式（12.4）变为

图12.4　上升管压差与吸热量的关系

当管子的结构尺寸一定，质量流量不变时，式（12.7）中S_ss＝f（、x），而截面含汽率和质量含汽率x只与吸热量q有关，因此，q是影响Ss_s变化的最主要因素。图12.4是上升管S_ss与吸热量q的关系。随着吸热量q的增加，和x都增大，但两者的增大趋势却有很大的差别。由式（11.14）热力学含汽率可知，质量含汽率x随吸热量q增大是线性增加，因此上升管流动阻力Δp_ss也几乎是随q增加而线性增加（这里没有考虑相对速度的影响）。而截面含汽率随吸热量q增大是非线性增加，当工质吸热比较少，x较小时，随q的增大迅速增加，即的增加远大于x的增加；而在某一x（或q）值后，x的增加却大于的增加。这是由水与水蒸气的物性所决定的，因为当水转变为蒸汽时，体积急剧膨胀。与此对应，重位压差ρ_ssgh随q的增大先下降得很快，而后下降得较慢。因此ρ_ssgh和Δp_ss的叠加使得S_ss和q的关系呈现先下降而后上升的形状。

3.自补偿能力

进一步考察q的变化对循环回路工作状态的影响。由式（12.2），水动力基本方程可以写成

方程的第一项为回路的动力运动压头S_yd，第二项为回路的总阻力∑Δp。当q较低、x较小、循环倍率K较大时，随着q的增加，的增加大于x的增加，则S_yd的增加大于总阻力∑Δp的增加，此时回路中的动力大于阻力，使得循环流量G₀相应增加，G₀与q的关系见图12.5。即当K大于某一界限循环倍率K_jx时，循环回路具有因上升管吸热量q增加而使循环流量G₀随之增加的能力，称为自然循环回路的自补偿能力。由于图12.3中的S_ss特性曲线下移，因此回路的工作点向右移，循环流量G₀增加。这种情况维持到一定程度，当K小于K_jx时，q再进

图12.5　上升管循环流量和吸热量的关系

一步增加，因上升管压差升高而使S_ss特性曲线上移，工作点的位置左移，循环流量G₀减小，循环回路失去自补偿能力。

在正常循环倍率条件下，自补偿能力是自然循环锅炉的优点之一。设计自然循环回路时应使工作的循环倍率大于界限循环倍率，使之处于有自补偿能力的范围内。界限循环倍率K_jx值一般与压力有关，可以通过计算得到，其值见表12.1。