从循环可靠性指标可知，有许多影响循环可靠性的因素，下面对影响循环发生停滞、自由水面以及倒流的因素进行讨论，并提出提高循环可靠性的措施。
1.循环可靠性的影响因素
循环的可靠性取决于回路工作点压差S0，因此，凡是使S0降低及使受热弱管子的工作点接近其停滞压差或最大倒流压差的因素都会降低水循环的可靠性。
（1）压力的影响
压力对循环特性的影响见图12.15，图中S1和S2分别为高压和低压时的压差曲线。从式（12.24）及水与水蒸气的性质分析可知，在低压时，重位压差小而流动阻力大，其倒流的压差低，停滞比倒流容易发生，如图S2工作在S′0下，B点可能已经在停滞区，但没有发生倒流。随着压力的提高，重位压差增大而流动阻力减小，在正流量区压差的变化非常有限（图中为示意将压差拉开）；而倒流压差增大较多，与低压压差曲线间的差距较大，则倒流较易发生。
随着锅炉的压力提高，由于汽水之间的密度差减小，循环倍率和循环流速均下降，且循环倍率的变化幅度比循环流速的变化幅度大。
（2）热负荷的影响
图12.15 压力及热负荷对循环可靠性的影响
图12.15也能反映热负荷不均匀性对特性曲线的影响。由于存在热负荷的不均匀性，工作在同一回路工作点S0下，受热最弱管中工质流量最小，该管的工作点最接近停滞压差或最大倒流压差，最易发生停滞、自由水位或倒流。如图中受热弱管的曲线S1比受热强管曲线S2的工作可靠性要差。
图中反映的另一问题是热负荷高低对循环特性的影响，其中S1与S2分别为低负荷与高负荷时受热弱管的特性曲线。在高热负荷时，倒流曲线比较平缓，甚至没有最高点，因此停滞比倒流更易发生。当热负荷降低时，重位压差增加而流动阻力减小，使得压差曲线向上移，向上流动的压差变化较小；而负流量区压差增加很快，且曲线的弯曲较大，倒流压头可能比停滞压头大，即倒流较易发生。
沿管组宽度受热不均匀时，受热弱管循环流速减小而循环倍率增加。锅炉的压力和结构尺寸不变，当锅炉负荷增大（热负荷增加）时，循环倍率降低而循环速度增大。此时循环倍率的变化幅度也比循环速度的变化幅度大。
（3）回路阻力的影响
整个循环回路的流动阻力主要包括三部分，下降管的阻力、水冷壁的阻力及汽水引出管道阻力。在自然循环锅炉中，管内的流量是由回路的密度差所确定。当密度差增大时，由于回路的循环动力增加，使得管内的流量相应增加，此时虽然流动阻力也增加，但是提高了循环的可靠性，对循环是有利的。而由于回路结构特性的原因，如管径、管长及各种阻力系数等因素使得回路的阻力增大，这就要求回路有足够的循环动力才能保证循环的可靠性，否则回路中的流量将会减少，降低了循环的可靠性，对循环是不利的。因此，这里的阻力是指回路的结构特性尺寸。
图12.16 下降管阻力对循环可靠性的影响
下降管阻力对回路工作点的影响见图12.16所示。下降管阻力的增大，其压差特性曲线降低，若上升管热负荷和结构不变，则回路工作点的压差S0下移到S′0，流量从G0减小到G′0。这使得受热弱管流量更小，更易发生停滞、倒流等现象。
图12.17是水冷壁系统的阻力对压差特性曲线的影响。在并联的水冷壁管组中，①如果受热弱的管子阻力增加，该管的压差也增大，曲线上移至
，若回路的工作点S0不变，受热弱管子的流量进一步减小。②如果受热弱管子阻力不变而增加回路的阻力，回路的压差增大，曲线Sss上移至S″ss，回路工作点压头从S0提高到S″0，则回路流量减小，而受热弱管子中的流量反而增加，提高了受热弱管子的可靠性。这实际上是增加了受热强管阻力的结果，使得受热强管的流量减小，出口含汽率增大，回路循环倍率下降。
图12.17 水冷壁阻力对循环可靠性的影响
水冷壁管组通常进入上集箱，再用流通截面较大的几根汽水引出管引到锅筒中。由于汽水引出管流通截面小，流速大且含汽率高，因此流动阻力很大，引出管压差S′yc随流量增大而递增幅度很快，使得总回路压差特性曲线S′ss很陡，对水循环可靠性有很大影响。此时的循环特性曲线见图12.18所示。当汽水引出管阻力增加很大时，其压差曲线由Syc快速增至S′yc，回路曲线由Sss增至S′ss，回路工作点和受热弱管的流量均减少很多。若此时的下降管阻力也很大，将使图中的回路工作点和受热弱管中的流量达到最小值。
图12.18 汽水引出管阻力对循环可靠性的影响
（4）下降管含有蒸汽的影响
由式（12.10）分析可知，下降管中如果含有蒸汽，会使管中工质密度减小，重位压头大为下降，循环回路的运动压头降低；此外，下降管中的工质因变成两相流动而阻力增大。这两方面的原因使得下降管特性曲线及回路的工作点大为降低，因而对水循环不利。当下降管内水速较小时，由于下降的水不易带走蒸汽泡，故下降管含汽的危害性较大。下降管出现蒸汽的原因有以下四个方面：
①进入下降管的水发生自汽化。锅筒水进入下降管时，如果锅筒中水的过冷度不大，由于入口的局部阻力，以及在流动方向上的动压头增加，使下降管入口处的静压力降低，从而使进水引起自汽化，或称自蒸发。此外，当锅炉的压力下降时在下降管中也会发生水的自汽化现象。
②锅筒水空间的蒸汽被直接带入下降管。水空间的含汽来自两个方面：当上升管的汽水混合物引入锅筒水空间时，导致水空间中含有大量的汽泡；当锅筒内水位发生波动或汽流撞击水面时，也可能使汽空间的蒸汽进入水空间中。这些水空间的蒸汽被水流直接带入下降管中。进入下降管的水速增大，上升管口和下降管口的距离缩小，锅炉压力增高，汽水分离装置效率降低等都会增加带入下降管的蒸汽量。
③旋涡斗将蒸汽吸入下降管中。当锅筒水位面降低到一定高度时，可能在下降管入口处形成旋涡斗，此时锅筒水面上的蒸汽由于与水之间存在摩擦力，将随进入下降管的水流被带入下降管中。旋涡斗的形成原因是水进入下降管时的初始条件和边界条件的不对称性。在实际设备中，无论是水由平静的水空间四面对称地流入下降管，还是从一个方向沿锅筒截面流向下降管，都存在流动的不稳定性，而要做到边界条件绝对对称更是困难，故通常都可观察到有旋涡斗形成的现象，但形成旋涡斗时的水位高度有所差别。旋涡斗只有在水位降低到一定程度后才会出现，而高于某一临界水位高度时则不会形成，这在日常生活中也可以观察到。试验表明，水流从一个方向进入下降管的临界高度可能比由四面对称流入时高好几倍。
④下降管受热产生蒸汽。在现代锅炉中，下降管一般不受热，仅在省煤器受热面不大的低压或中压锅炉中，才采用受热的下降管。下降管受热程度与锅水的欠焓有关。若锅水欠焓很大，且循环回路高度不大时，下降管受热可使上升管的加热段高度减小，含汽段高度增加，对水循环反而是有利的，还可以缩小锅炉的尺寸和节省金属。但是受热太强而产生蒸汽则不利于正常的水循环。
2.提高水循环可靠性的措施
根据上述原理及分析，产生循环不可靠主要是由于并联上升管的受热不均匀和循环回路结构缺陷。
为了提高水循环回路的可靠性，应该做到：
（1）保证受热弱管工作的可靠性 设计时必须保证受热弱管的工作点压差大于停滞、自由水面及最大倒流压差，满足式（12.25）、式（12.26）及式（12.30）的要求。
（2）根据热负荷的强弱划分循环回路 在设计回路时应将水冷壁分成若干管组，尽可能使同一回路各上升管的受热状况与结构特性相同。最好是将各循环回路设计成简单回路，或将炉膛四角的一些受热弱的管子划成单独的组件。显然，沿炉膛宽度管屏的分组数越多，吸热不均匀程度越小，但会增加结构的复杂性。
（3）减小循环回路的流动阻力 下降管的阻力大小由流通截面和阻力系数所决定。采用增大下降管的流通面积，尽量使用大直径和形状简单的下降管，减少弯头等措施以减小下降管的阻力，可以提高循环的可靠性。初步设计时可按由经验得到表12.3来选取下降管与上升管的截面比是合适的。
表12.3 下降管与上升管、汽水引出管与上升管的截面比
上升管组各管的阻力不同主要是并联管子结构不同所引起。当管子绕过燃烧器、人孔、看火孔等时会增加该管的阻力，故受热弱的管子不宜有更多的弯头，也不宜过长。
低压力时的回路循环倍率很大，可用增加受热强管阻力的方法以提高受热弱管子的流量，简单的方法就是在上升管入口处加装节流圈，这可以防止倒流。同时还由于回路循环倍率的降低，减轻了汽水混合物进入锅筒时的扰动。当整个回路的循环倍率已经很小时，则不利于受热强的管子。
上升管尽量不用中间集箱连接而直接进入锅筒以减少阻力。适当减小上升管径将使出口含汽率增大，则循环动力增加，虽然流动阻力也增大，但在大部分情况下仍使总循环流量增大，只要循环倍率大于界限循环倍率，可以改善循环特性。
增大汽水引出管的流通截面以减小其流动阻力，也可以提高循环可靠性。由于引出管中汽水混合物的流速较大，因此它的影响比下降管还显著。若同时增加下降管和引出管截面积，则效果会好得多。选用引出管的管径应大于上升管，合理的汽水引出管和上升管的截面比按表12.3选取。
（4）防止下降管带汽 在校验下降管的工作可靠性时，一般按不出现蒸汽的条件来考虑。为防止进口自汽化，除了降低下降管水速，减少动压及局部阻力损失外，在下降管进口之上必须保证一定的水位高度h，使其重位压头超过入口的动压与局部阻力之和，则入口的静压大于锅筒内的静压。由伯努利方程可以得到满足不会发生自汽化的条件为
式中：Δiqh为锅水欠焓，若锅水达到饱和，则Δiqh＝0；i′为锅筒压力下饱和水的焓。
为了避免蒸汽直接进入下降管，下降管的入口应低于上升管出口，通常希望二者间的距离大于250～300mm，否则两管口之间必须加装隔板。汽水分离装置的型式对下降管带汽也有很大影响，锅内旋风分离器是较好的设备，可以减少锅筒中水空间的含汽量，同时还可以减小水面的波浪和撞击等。
为了防止形成漩涡斗，水最好是四面对称地进入下降管，且下降管尽可能安装在锅筒的最低部，使管口上方有最大水位高度。当基本静止的锅水因重力作用进入下降管时，其进口截面上的水位高度应大于4倍下降管的内径。如果锅水在锅筒内还存在水平方向的流动，则不出现旋涡斗的水位高度除和下降管径有关外，还与下降管中的流速及锅筒中水的水平方向流速有关，可查阅有关资料。当水位高度不能满足要求时，常在下降管的上方或管口内部加装栅格板或十字架，以破坏旋涡斗的形成。常见的结构见图12.19所示。
图12.19 下降管防止旋涡斗的栅格板装置
（a）单管直片型；（b）单管扇型；（c）成组下降管上方装设的直片型
通常只在中压以下才有可能安全地采用受热下降管。受热的下降管一般放在烟温小于600℃的区域内，其受热面热负荷约为2.5～6kW/m2。下降管中水受热不汽化的条件为
式中：m为给水和锅水混合不均匀系数，给水沿锅筒长度由多孔管均匀配水时，m＝0.75；在锅筒内个别位置上用开口管子给水时，m＝0.5；i′/p为每MPa压力变化时饱和水焓的变化量，kJ/（kg·MPa）；
为沿宽度最大热负荷不均匀系数，对于锅炉管束，
＝1.2～1.3；Δixj为每kg水在下降管中的吸热量，kJ/kg。
（5）几点注意事项 受热上升管不采用无绝热的水平管及水平倾角不大于15°的倾斜管，避免出现汽水分层现象。
链条炉排的水冷壁下集箱作为防焦箱时，应自防焦箱顶部引出，且管端不应伸入防焦箱内。配水管应从防焦箱端部引入，以免防焦箱受热段内出现无水流动的死角。
采用集中下降管时，同一下降管连接的回路数目不宜过多，最好不超过5～6个，以免回路过于复杂，对循环不利。
复习思考题
1.如何建立自然循环锅炉的水动力基本方程，分为几种型式？
2.作图说明热负荷变化对上升管压差特性曲线及回路工作点的影响。
3.自然循环锅炉的自补偿能力是如何形成的？
4.简述自然循环锅炉的水动力计算方法和步骤。
5.如何用图解法确定复杂回路总工作点和各管屏的工作点？
6.试述影响上升管热水段高度的因素及其影响作用。
7.讨论自然循环锅炉中为什么会出现循环停滞，自由水位及倒流。
8.自然水循环的可靠性指标有哪些，对水循环有何影响？
9.分析讨论影响自然循环回路中出现停滞、倒流的主要因素及其对水循环可靠性的影响。
10.简述提高自然循环可靠性的主要措施。
主要参考文献
1.樊泉桂，阎维平.锅炉原理.北京：中国电力出版社，2004
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