鍋爐水循環(huán)基本原理

鍋爐運行時，只有使受熱面所吸收的火焰及高溫煙氣的熱量不斷被水或蒸汽帶走，使受熱面金屬得到一定的冷卻，鍋爐才能有效而安全地工作。因此，鍋爐中的水或汽水混合物，必須在閉合回路中持續(xù)而有規(guī)律地循環(huán)流動。

鍋爐的水循環(huán)分為自然循環(huán)和強制循環(huán)兩種。自然循環(huán)是依靠熱水部分汽水混合物的密度小于不受熱部分水的密度，從而形成壓力差（流動壓頭），促進鍋水流動。強制循環(huán)是利用水泵的推動作用，強迫鍋水流動。

一般蒸汽鍋爐普遍采用自然循環(huán)。對于熱水鍋爐，盡管采暖系統(tǒng)幾乎都采用強制循環(huán)，但在鍋爐中兩種循環(huán)方法均可采用，自然循環(huán)是依靠出水與回水之間的密度差來形成的，強制循環(huán)是利用網(wǎng)路中的循環(huán)水泵實現(xiàn)的。

在常溫下水是無色無味透明的液體，具有一定的體積，但沒有固定的形狀。水隨著溫度的變化，可變成蒸汽，也可變成冰。水在攝氏零度以下，液態(tài)可變成固態(tài)，這種固態(tài)稱為冰或雪，如果溫度高于攝氏零度，固態(tài)會變成液態(tài)。如果再不斷加熱，水會開始沸騰，液態(tài)又會變成氣態(tài)，稱為蒸汽。蒸汽可分飽和蒸汽和過熱蒸汽。

1、飽和蒸汽和過熱蒸汽的特性

在一定壓力下，飽和蒸汽的溫度是恒定的，不同的壓力對應一個不同的飽和蒸汽溫度值。知道工作壓力，查水蒸氣性質表即可得到飽和蒸汽溫度。飽和蒸汽的品質不高，或多或少帶有小水滴，要想得到理想的蒸汽品質，就必須對飽和蒸汽繼續(xù)加熱，提高蒸汽的干度和溫度，使飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽。只有裝置過熱器的鍋爐，才能將飽和蒸汽通過過熱器繼續(xù)加熱成為過熱蒸汽。

2、鍋爐水位形成原理

水在連通器內(nèi)，當水面上所受的壓力相等時，各處的水面始終保持一個平面，如圖1所示。

鍋爐上的水位表就是利用這一原理設計的。熱水鍋爐，除蒸汽定壓外整個鍋爐內(nèi)部都充滿了水；而對蒸汽鍋爐需要一定的蒸汽空間，水位要控制在一定的高度。通過觀察上鍋筒的水位表，水位線以下為飽和水，飽和水不斷加熱蒸發(fā)，水位將會逐漸下移，為保持一定的水位，就要給鍋爐補水，保持水位的穩(wěn)定。

鍋爐運行時，水和汽水混合物在閉合的回路中持續(xù)而有規(guī)律地循環(huán)流動，受熱面從火焰和高溫煙氣中吸收的熱量，不斷地被流動的水或汽水混合物帶走，保證受熱面金屬得到冷卻，這就叫鍋爐水循環(huán)。

鍋爐水循環(huán)按其循環(huán)方式可分為自然循環(huán)和強制循環(huán)兩種。自然循環(huán)是依靠受熱部分汽水混合物的密度小于不受熱部分水的密度，從而形成壓力差（流動壓頭），促使鍋爐水流動。強制循環(huán)是利用水泵的推動作用，強迫鍋爐水流動。

由于鍋爐結構不同，自然循環(huán)至少應有一條循環(huán)回路，也可以有幾條循環(huán)回路。如圖2所示是自然循環(huán)鍋爐單回路的水循環(huán)示意圖。鍋筒和下集箱由左右兩根爐管連通，其中左管位于爐膛內(nèi)吸收熱量，管中的水有一部分被汽化，成為汽水混合物，由于密度較小而向上流人鍋筒；右管位于爐墻外部受熱，管中是溫度較低的水，由于密度大而向下流入下集箱。因此，左管稱為上升管，右管稱為下降管，整個回路在鍋爐運行中循環(huán)不息。

如圖3所示是自然循環(huán)鍋爐多回路的水循環(huán)示意圖。水冷壁管和兩組對流管束都為上升管，它們合用一組下降管，從而分別構成三條水循環(huán)回路。

自然循環(huán)鍋爐中的水，每經(jīng)過一次循環(huán)，只有一部分水轉化為蒸汽。通常將進入循環(huán)回路的水量稱為循環(huán)流量，它與該循環(huán)回路中所產(chǎn)生的蒸汽量的比值，稱為循環(huán)倍率，即

循環(huán)倍率=循環(huán)流量/循環(huán)回路中的產(chǎn)氣量

倍率表示在循環(huán)回路中的水，要經(jīng)過多少次循環(huán)才能完全轉化為蒸汽，是衡量鍋爐安全運行的一項指標。水循環(huán)好的鍋爐，受壓部件受熱均勻，熱應力小，因此可以加快鍋水升溫和汽化過程，縮短點火至正常供汽的時間。低壓小型鍋爐的循環(huán)倍率均在幾十至二百之間。

熱水鍋爐不產(chǎn)生蒸汽，但為了安全運行，必須保證鍋水在受熱面中有一定的流速。

自然循環(huán)的鍋爐，當水循環(huán)工況不正常時，會產(chǎn)生循環(huán)停滯與倒流、汽水分層、下降管帶汽等故障。

1、循環(huán)停滯與倒流

在同一循環(huán)回路中，當并聯(lián)的各上升管受熱不均勻時，受熱弱的管中汽水混合物的密度，必然大于受熱強的管中汽水混合物的密度。在下降管供水有限的情況下，受熱弱的管內(nèi)可能流速降低，甚至處于停止不動的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為循環(huán)停滯。這時，上升管內(nèi)的蒸汽不能及時被攜帶走，管壁冷卻情況嚴重惡化，可能造成管壁過熱爆破事故。

當并聯(lián)的各上升管受熱嚴重不均勻時，受熱最強的管中的汽水混合物上升力強，流速過大而產(chǎn)生抽吸作用，致使受熱最弱的管中汽水混合物朝著正常循環(huán)方向相反的方向流動，這

種現(xiàn)象稱為水循環(huán)倒流。這時，如果汽水混合物沿著整個管子截面均勻向下流動，可能還不會發(fā)生事故；但當汽泡的上升速度與水的向下流動速度相等時，便會造成汽泡停滯，形成“汽塞”。發(fā)生汽塞的管段會因得不到有效的冷卻而過熱燒壞。

為了避免發(fā)生循環(huán)停滯和倒流故障，除了鍋爐結構合理外，在運行操作上盡量使各上升管受熱均勻。例如，要避免在水冷壁上局部嚴重結渣和積灰；避免爐墻局部有較大的漏風吹到水冷壁管上；保持燃燒穩(wěn)定，盡可能使爐中火焰分布均勻；定期排污數(shù)量不要過多，排污時間不要過長等。

2、汽水分層

當受熱管接近水平布置，管中介質流速不高時，由于蒸汽密度小于水的密度，蒸汽便在管子上部流動，水在管子下部流動，這種現(xiàn)象稱為汽水分層。這時，由于蒸汽的導熱性能差，就可能使管子上部的壁溫過高而燒壞。在汽水分界處，由于水面波動，壁溫時高時低，同時又與含鹽量較高的鍋水接觸，因此，容易引起疲勞裂紋和腐蝕。此外，由于水波動，不斷有水滴濺到上部管壁，當水分蒸發(fā)后，水中的鹽分就沉枳下來形成水垢，更加促使管子過熱燒壞。

為了避免發(fā)生汽水分層故障，汽水混合物的上升管或引出管不能水平布置，而且傾斜角度一般不應小于15°。

3、下降管滯汽

當鍋爐正常運行時，下降管是不允許出現(xiàn)蒸汽的。否則，鍋水要向下流，汽泡要向上浮，兩者互相頂撞，既增加了流動阻力，又減少了循環(huán)流量。如果下降管中夾帶蒸汽量較多，會形成汽塞，使水循環(huán)停止，嚴重影響鍋爐安全運行。

為了避免發(fā)生下降管滯汽故障，在鍋爐結構上盡量將下降管接在鍋筒底部，至少在最低水位以下4倍管徑處，以免鍋水進入下降管時形成氣穴將蒸汽抽帶進去。上升管與下降管的管口應有一定距離，或在其間裝置隔板，避免從上升管流出的蒸汽被抽入下降管內(nèi)。此外，下降管應盡量不受熱或少受熱，如將水冷壁系統(tǒng)的下降管布置在爐墻外面，將鍋爐給水布置在下降管的進口附近，以降低下降管的進口水溫。

《鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)原理及其應用》可供熱能工程、電廠熱能與動力工程、建筑環(huán)境設備與工程等相關專業(yè)人員、工程設計人員閱讀，也可作為高等院校相關專業(yè)的選修教材或參考書。作者在多年從事鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)水動力不穩(wěn)定性、鍋爐水循環(huán)、鍋爐水動力特性、直流鍋爐水動力調整和鍋爐水循環(huán)運行狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷的理論和試驗研究工作中，做出了具有創(chuàng)造性的成果，《鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)原理及其應用》即為這些研究成果的總結。

《鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)原理及其應用》共10章，介紹了鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測的研究背景和意義及其技術的發(fā)展，鍋爐自然水循環(huán)在線監(jiān)測對象和方法，鍋爐自然水循環(huán)可靠性的理論模型，鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)流動不穩(wěn)定性試驗和理論研究。

鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)水動力特性，鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)，鍋爐水循環(huán)試驗，鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)改進和直流鍋爐水動力調整方法研究與實踐。

前言

第1章 緒論

第2章 鍋爐自然水循環(huán)在線監(jiān)測對象和方法

第3章 鍋爐自然水循環(huán)可靠性的理論模型

第4章 鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)流動不穩(wěn)定性試驗研究

第5章 鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)流動不穩(wěn)定性的理論研究

第6章 鍋爐蒸發(fā)管內(nèi)水動力特性

第7章 鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)

第8章 鍋爐水循環(huán)試驗

第9章 鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)的改進

第10章 直流鍋爐水動力調整方法研究與實踐

卡吉斯熱水鍋爐水循環(huán)

整個供暖期及熱水鍋爐切斷電源后3分鐘內(nèi)必須保證鍋爐水循環(huán)正常進行，以散去鍋爐內(nèi)的余熱。

為了保證熱水鍋爐正常、安全地運行，爐內(nèi)的水溫不可超過30℃（尤其在循環(huán)泵剛啟動時）。

回水溫度不可低于40℃（燃氣鍋爐）或30℃（燃油鍋爐），以防止煙氣凝結。

系統(tǒng)水每年必須更換一次。

熱水鍋爐必須配有相應的保護系統(tǒng)，尤其是獨立的供暖系統(tǒng)。分流泵使鍋爐溫度不會激增，尤其防止獨立的供暖系統(tǒng)發(fā)生反復的溫度激增。功率30KW以上的鍋爐必須安裝分流泵（分流泵的安裝見圖1）。

卡吉斯熱水鍋爐水處理

水質不同需采取相應的水處理措施并由水處理技術人員進行。如果在硬水區(qū)，請注意系統(tǒng)排水及注水時應反復進行水處理。系統(tǒng)水必須保持清潔無沉淀及雜質。由于系統(tǒng)水中含有固體雜質及腐蝕性物質而造成的鍋爐管道阻塞不在保修范圍內(nèi)。管道阻塞將導致鍋爐損壞及裂縫。