13.3.1 强制循环锅炉
1.强制循环锅炉及其工作特点
强制循环锅炉是在自然循环锅炉基础上发展起来的，在结构上与自然循环锅炉非常相似。根据循环倍率范围的不同，强制循环锅炉又分为控制循环锅炉和低循环倍率锅炉两种型式。控制循环锅炉又称为辅助循环锅炉，与自然循环锅炉相同，也有与蒸发系统出口相连接的锅筒，如图11.1（b）所示。两者的最主要区别为控制循环锅炉的下降管中加装了循环泵，用以克服系统的流动阻力，并在水冷壁入口处加装节流圈控制流量的分配。控制循环锅炉的循环倍率通常为3～5，循环泵的压头一般为0.4～0.8MPa，流动动力约是自然循环锅炉的5倍，消耗的功率相当于锅炉效率的0.3%～0.4%。
低循环倍率锅炉是随着锅炉水处理和控制技术的发展，对汽液两相流动和沸腾传热规律的进一步掌握，使得锅炉在很低的循环倍率下仍然能够安全可靠地工作，从而出现的强制循环锅炉的另一种形式，如图13.15所示。低循环倍率锅炉通常应用于亚临界压力，其循环倍率一般在1.3～1.8左右，由于循环水量少，可以用直径小的汽水分离器以取代控制循环锅炉的锅筒，省煤器的出水直接进入混合器。
图13.15 低循环倍率锅炉的循环系统示意图
从锅炉的水循环方式来说，控制循环锅炉与低循环倍率锅炉的工作原理和特点完全相同，都属于工质在蒸发系统内多次循环的强制循环锅炉，其差别仅在于循环倍率和汽水分离的效率不同。因此，这两种锅炉的水动力特性和计算方法具有共性。强制循环与自然循环相比，由于系统中增加了循环泵，使其具有如下的特点。
（1）强制循环的循环倍率K决定锅炉的经济性和运行的安全性。循环倍率是由设计者控制选定的，循环倍率高，水冷壁的冷却条件好，运行可靠，但锅炉的金属消耗量大，制造成本高，循环泵的容量大，电耗也大；循环倍率低，则锅炉启停时间短，机动性强，低循环倍率锅炉取消锅筒可以节省钢材20%左右，但对运行控制要求高。
（2）循环泵在高温高压下长期运行，其可靠性是循环回路安全工作的重要保证，因此要对循环泵进行可靠性校核。
图13.16 强制循环锅炉流量与负荷的关系
（3）在全部锅炉负荷范围内，蒸发系统中的工质在水冷壁中均进行再循环。当锅炉负荷D改变时，若循环泵的工作台数不变，除了因循环泵特性及管路特性而使流量略有变化，水冷壁中工质的循环流量G基本不变，如图13.16所示。因此，循环倍率大约与锅炉负荷成反比，D增大时K减小。这样，在额定负荷时，可以采用比直流锅炉低得多的质量流速，流动阻力相应要小得多；而在低负荷时，水冷壁中的工质质量流速则较大，冷却条件又比直流锅炉好得多。若额定负荷下能保证循环回路工作可靠，则在低负荷时工作会更可靠。因而当运行的循环泵台数保持不变时，只需进行额定负荷下的水循环计算。
（4）在各循环回路或管子的进口加装节流圈来强制流量的分配。
2.强制循环锅炉水动力特性的要点
强制循环锅炉的循环回路结构相似于自然循环锅炉。由于在系统的下降管中加装了循环泵，水动力特性具有强制循环的特性，要点如下：
（1）循环倍率的选取
循环倍率是设计时首先要确定的参数，选取值必须保证水冷壁中的质量流速使受热面得到可靠冷却。最小质量流速是根据正常的流动工况和水动力特性的稳定等条件决定的，即不出现多值性，不发生脉动，防止产生汽水分层，避免发生沸腾传热恶化等现象，同时还应考虑热偏差的影响。
实际选取时，先按强度要求及外壁不会形成氧化皮的要求确定允许的金属壁温，然后根据水冷壁最大内壁热负荷、工质工作压力和饱和温度，按传热恶化时的壁温计算方法，求得允许的最小质量流速，并对各种非正常工况进行校核。当然，实际选用的最小质量流速还应大于计算值，以留有一定裕度。通常强制循环的循环倍率不小于3，便能保证正常传热及受热面工作的可靠性。对于低循环倍率锅炉，质量流速的选取和流量的合理分配则要求更加严格。
（2）流量分配
强制循环锅炉各回路中的工质流量的分配是决定锅炉运行可靠性的关键问题。在上述讨论的形成流量偏差的诸多因素中，影响蒸发受热面流量分配最大的因素是由于并联管组热负荷不均匀引起的热效流量偏差。因此，流量应按热负荷的强弱来分配，其主要原则是保证热负荷强的管中流量多，热负荷弱的管中流量少，即保持各并联管组（或各管）出口处的质量含汽率x基本相等。
流量分配的方法是在管组进口处加装节流圈，其装设有两种不同方式：①集中式，即将工况相近的管子分为一组，每个并联管组（回路）集中装设一个节流圈。这种方式结构简单，但没考虑到各管的不同情况，因此选取质量流速时要留有一定裕度，从而增加耗电量。②分散式，即每根水冷壁管装一个节流圈。这种方式完全可以根据回路中各管的结构和热负荷分布情况装设不同孔径节流圈，留有裕度小，可以减少循环泵的耗电量，但结构太复杂。
实际上，通常采用的是第一种方式，且节流圈只分成几个规格等级的孔径。循环倍率较大的强制循环锅炉容许流量偏差大，采用分级装设集中式节流圈，即可满足安全可靠的要求。此外，对采用一次上升管屏的强制循环锅炉，当压力高，回路高度大，质量流速小，重位压头远大于流动阻力时，也具有自然循环锅炉的自补偿能力，同一回路中各管流量可按热负荷分布自动调整。而其它布置型式的管屏，如水平管圈、上升－下降管屏、下降管屏则没有自补偿能力，热负荷大者流量小。对于采用一次上升垂直布置的低循环倍率锅炉，由于流动阻力不是很大，且管径较小、管数较多，一般只能采用集中式装节流圈，当工作在亚临界压力下时，也具有自补偿能力。
如果管屏中吸热不均匀性过大，则应将管屏分组分得更细更合理些，或在各管进口加装节流圈等措施减小其影响。
按照各管组（回路）的平均出口含汽率xc（回路循环倍率的倒数）相同的原则，可按下式预先分配进入各管组（回路）的循环流量
式中：Q为循环回路的热负荷，kW；r为相应锅筒压力的汽化潜热，kJ/kg；Δiqh为按锅筒压力计算的进入回路的水的欠焓，kJ/kg。
如果水动力计算的流量不能满足上式的分配值，则需通过改变各回路进口供水管中节流圈的阻力进行调整。
（3）循环泵的工作可靠性
循环泵的工作可靠性是强制循环锅炉安全运行的重要保证。从水动力角度考虑的可靠性，是指必须防止循环泵入口处发生汽化，即要求在锅炉最大负荷下循环泵入口处的压差应大于循环泵的汽蚀裕量。循环泵入口处工质汽化是由于该处压力降低引起的，主要包括循环水的流动阻力和循环泵入口的局部阻力，以及工况变动时产生的降压。因此，如果锅筒（或分离器）水位面到循环泵吸入口具有足够的高度h，其产生的重位压头大于各种因素导致的压力降低，则不会出现汽化现象。当再循环管中为饱和水时，不发生汽化的条件是
式中：ρ为再循环管中的密度，kg/m3；h为锅筒（或分离器）水位面到循环泵入口高度，m；Δplz为相应于h高度的流动阻力，Pa；Q为循环泵的汽蚀裕量，m，由循环泵生产厂家提供。
上式可以看出，增加再循环管的高度和水的欠焓，减小流动阻力，有利于防止工质的汽化。如果再循环管中的水有欠焓，上式可把欠焓值考虑进去。一般在正常运行时可能不会使循环泵进口汽化，但锅炉降压时则可能会汽化，故对降压速度应有限制，允许降压速度的计算可查阅有关文献。
3.强制循环锅炉水动力计算及可靠性校核
强制循环锅炉水动力计算的目的，除了要保证蒸发受热面的工作可靠性，即确定各个循环回路内有足够的质量流速，并校核回路中是否会发生循环停滞、倒流及脉动等不稳定工况外，还要确定循环泵的出力和压头，并保证在泵的进口处不发生汽化。
强制循环水动力计算方法与自然循环锅炉基本相同，主要计算步骤如下：
（1）按设计要求选取循环倍率。
（2）根据回路热负荷，按式（13.24）分配各回路的流量，并在回路的入口考虑相应的节流圈，要求各回路出口处的质量含汽率x基本相等。
（3）计算整个回路的压差特性Δp＝f（G）。与自然循环不同，这里的压差特性是，在不计循环泵压头条件下，上升管阻力与下降管阻力的差值与上升管流量的关系。仍采用三点法分别计算上升管和下降管阻力，在图上合成后画出回路的压差特性曲线。在计算上升管压差时，应对加热水段和含汽段分别进行计算。加热水段的高度hrs的计算和自然循环中的计算方法相同，仍采用式（12.22）或式（12.23）的形式，不同的是式中的下降管阻力Δpxj＝Δpjl＋Δpb，即用节流圈的阻力与循环泵的压头之和取代。泵的压头需要预先估计，一般为3×105 Pa。
（4）根据选取的循环倍率，选择合适的循环泵，绘出的泵的特性曲线Δpb＝f（G）。回路的压差特性曲线和泵特性曲线的交点，即为循环回路的工作点。
（5）对于复杂回路，则可根据回路的结构组成，分别作出各简单回路的压差特性曲线，按照串联时在相同流量下压差叠加，并联时在相同压差下流量叠加的原则进行合成，从而求得回路的总特性曲线及总工作点，并反推出各简单回路的工作点。
（6）若各简单回路的流量不能与各回路的吸热量相匹配，则改变各回路前的节流圈阻力按（3）～（5）条重新计算，直至满足（2）的要求。
计算完成后对工作可靠性进行校验。强制循环锅炉的循环可靠性的指标仍然是管壁能否得到充分、正常的冷却，包括不发生循环的停滞和倒流、水动力多值性、流量脉动，传热恶化、以及循环泵的汽化等。
①停滞及倒流问题。对于垂直上升管组按自然循环的停滞和倒流的方法进行校验，对于垂直下降管组为防止停滞和倒流，一般要求工质的质量流速ρw不小于500kg/（m2·s）。
②水动力多值性和脉动问题的校验按本章所述进行。控制循环锅炉的垂直上升管不会产生水动力的多值性。对于低循环倍率锅炉，由于循环倍率较低，进入蒸发管的循环水欠焓较大，当高压加热器解列时应作校验。
③传热恶化现象按第11章方法确定是否发生。通常要对受热最强的那根管子进行校验，对水平管还应检查是否会发生汽水分层现象。
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