循环回路的压降计算

12.2.2　循环回路的压降计算

1.下降系统压差的计算

下降系统通常不受热，携带的蒸汽量也很少，工质为单相流体的流动。若忽略加速压降，则下降管的压差为

式中的ρ_xj通常按锅筒压力下的饱和水的密度计算，即ρ_xj＝ρ′，但对于锅水具有欠焓的亚临界压力锅炉，或锅水欠焓Δi_qh＞34kJ/kg的超高压锅炉，以及下降管的带汽量_xj＞0.03时，需要按平均密度计算。

根据质量守恒，计算回路中下降系统与上升系统的流量相等。设下降系统和上升系统的总流通截面分别为f_xj和f_ss，则下降系统流速为

2.上升系统压差的计算

由于上升系统各段结构特性及热负荷分布不同，其压差需分段计算，各段内的热负荷沿高度取平均值，总压差为各段压差之和。分段的原则是：①某段中同时存在水段和含汽段；②热负荷变化超过平均热负荷的50%以上且长度大于上升管总长度的10%；③不受热段的长度超过总长度的10%；④上升管倾斜角度改变超过20°，且其长度大于上升管总长度10%；⑤管径改变超过10%或流通截面积改变超过20%。

图12.12表示一自然循环锅炉水冷壁的水动力计算回路。上升管受热段按热负荷及结构不同分为h₁、h₂及h₃三段，相应的吸热量为Q₁、Q₂及Q₃，引入段h_yr、引出段h_yc及高出锅筒水位的提升段h_ts不受热。由于从锅筒进入下降管的是过冷水，存在一定的欠焓，同时由于水柱的重位压头作用，使进入开始受热点（简称始热点）B的饱和温度提高，因此上升段中工质开始沸腾点（简称始沸点）A的位置必然高于B点的位置。所以，A点以下为水段高度h_s，其中h_rs为加热水高度（或称始沸点高度），A点以上的高度为含汽段高度h_hq。由此，上升系统压差的计算式为

式中：ρ_i为上升管系统各管段中工质的计算密度，kg/m³。单相水取锅筒压力下的饱和水密度ρ′；受热含汽段按式（11.32）说明求出各段的平均截面含汽率，由式（11.24）计算其平均实际密度；受热段出口后各段按出口截面含汽率计算其实际密度；h_i为各段高度，m；Δp_ss，i为上升管系统各管段中工质的流动阻力，Pa，包括各种摩擦阻力和局部阻力，单相流体按式（11.27）和式（11.47）计算，汽水混合物按式（11.29）和式（11.49）计算。

图12.12　水循环计算回路

若上升管引入锅筒的蒸汽空间，则上升系统压差中应计入把汽水混合物提升到超过锅筒正常水位高度h_ts所需要的压差Δp_ts：

式中：为上升系统出口截面含汽率。

若上升系统出口有汽水分离器，则上升系统阻力中应加上分离器的阻力Δp_fl：

式中：F_ss/F_fl为上升管流通截面积和分离器进口截面积之比；x_c为上升管出口含汽率；ζ_fl为分离器阻力系数，对于多台并联于联通箱的锅内旋风分离器为3.5～4.0，单位式连接时为3.0，导流式分离器为2.0。

要计算上升管压差，首先必须要确定始沸点A的位置，亦即要确定加热水段高度h_rs，这一高度主要取决于上升管始热点B的欠焓Δi_Bqh大小，这与下降管水的入口欠焓、受热或散热、带入蒸汽量、阻力以及重位压差等因素有关。

（1）下降管水的入口欠焓Δi_qh

所谓欠焓就是将每kg水加热到饱和温度所需的热量，Δi_qh也是锅筒中水的出口欠焓，当Δi_qh增大时，使始热点B的工质欠焓Δi_Bqh相应增加，则h_rs增加。Δi_qh由锅筒的热量平衡确定，若忽略排污量，则有

若是沸腾式省煤器，或给水全部进入锅筒的蒸汽清洗装置，以及锅炉分段蒸发的盐段，则Δi_qh＝0。对部分给水通过蒸汽清洗装置，则认为蒸汽将清洗水层的水都被加热到饱和水，Δi_qh计算式为，

对分段蒸发的净段，Δi_qh计算式为，

以上三式中：i″_sm、i′和r分别为省煤器出口水焓、锅筒压力下饱和水焓和汽化潜热，kJ/kg；η_qx为清洗水量占给水量的份额；D，D_jd分别为锅炉和净段的蒸发量，kg/s；K为锅炉的循环倍率。

在计算锅筒中水的欠焓过程中，必须要用到锅炉的循环倍率K，而K值是水循环的计算结果之一。对此，可按表12.1的推荐先假定一个K，计算完后再校核。若假定值得到的Δi_qh值和用计算结果K得到的Δi_qh值，两者的绝对误差小于12kJ/kg，相对误差不超过30%，认为计算完成；否则需重新假定K值重复计算，直至达到误差要求。表12.1推荐的K系额定负荷下的值，若需要校核低负荷（定压运行时）下水循环可靠性时，其循环倍率可按下式估取，即

式中：D_d及D_e为低负荷及额定负荷，t/h；K_d及K_e为低负荷及额定负荷循环倍率。

（2）下降管的受热焓增或散热焓减Δi_xj

下降管受热时的工质焓增使得始热点B的工质欠焓Δi_Bqh减小，则h_rs降低；散热时B点的工质欠焓Δi_Bqh增加，则h_rs升高。Δi_xj计算式为

式中：Q_xj为下降管的吸热量或散热量，kW；G_xj为下降管中的水流量，kg/s。

（3）下降管的带汽焓增Δi_dq

下降管带入的蒸汽随着下降流动将会冷凝放热，其潜热用于加热水，使管内工质的焓增加，则B点的工质欠焓Δi_Bqh减小，h_rs降低。通常，只要锅炉结构设计合理，一般下降管带汽率很小，可以忽略不计。只有当采用分段蒸发时的盐段下降管，或上升管口与下降管口相距小于（200～300mm）时，以及采用再循环管时才需考虑。根据国内的实践，我国电站锅炉水动力计算方法在h_rs的计算中忽略了此项，需要计算可参考有关文献资料。

（4）下降管的阻力Δp_xj和重位压差ρgh_hq

下降管的阻力Δp_xj增大，则B点的工质压力降低，相应的饱和温度减小，使得该点的欠焓Δi_Bqh减小，则h_rs降低；而下降管的重位压差ρgh_hq增大，则B点的工质压力提高，相应的饱和温度增加，使得该点的欠焓Δi_Bqh增加，则h_rs升高。根据图12.12所示结构，h_hq值为

考虑上述影响热水段高度的各种因素，在h_rs段列出热量平衡方程，其物理意义为，每kg工质到达始沸点A在炉内的吸热量等于始热点B的欠焓值Δi_Bqh，凡是使B点欠焓Δi_Bqh增加，h_rs升高的因素取正号，反之则取负号。现假设A点处于上升系统的第一段h₁，该段的吸热量为Q₁kW，循环流量为G0kg/s。并考虑到一般回路的高度很大，而热水段的流动阻力所占比例相对很小，该段的流动阻力可以忽略。若整个回路的高度很低时，最好要把由下集箱进入上升管的局部阻力也算到下降管阻力Δp_xj中去。热量平衡方程为

整理后得到

式中：下降管吸热取负号，散热取正号；下降管阻力Δp_xj的单位是MPa；Δi′/Δp为每MPa压力变化时饱和水焓的变化量，kJ/（kg·MPa），计算时以锅筒压力为准，由水蒸气性质表确定；其它的参量见以上所述。

如果始热点B的水欠焓较大，始沸点A的位置可能上升到第二加热段h₂，该段的吸热量为Q₂kW。用上述的类似方法可得