[科普中国]-锅炉水循环

锅炉水循环指水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面中的循环流动，分为自然循环和强制循环两种。自然循环指依靠水和汽水混合物的密度差维持的循环；强制循环指依靠回路中水泵的压头维持的循环。正常的水循环可以保证锅炉蒸发受热面及时可靠的冷却，是锅炉安全运行的基本条件之一。

简介锅炉运行时，水和汽水混合物在闭合的回路中持续而有规律地循环流动，受热面从火焰和高温烟气中吸收的热量，不断地被流动的水或汽水混合物带走，保证受热面金属得到冷却，这就叫锅炉水循环。

锅炉水循环按其循环方式可分为自然循环和强制循环两种。自然循环是依靠受热部分汽水混合物的密度小于不受热部分水的密度，从而形成压力差（流动压头），促使锅炉水流动。强制循环是利用水泵的推动作用，强迫锅炉水流动。1

水与水蒸气的性质在常温下水是无色无味透明的液体，具有一定的体积，但没有固定的形状。水随着温度的变化，可变成蒸汽，也可变成冰。水在摄氏零度以下，液态可变成固态，这种固态称为冰或雪，如果温度高于摄氏零度，固态会变成液态。如果再不断加热，水会开始沸腾，液态又会变成气态，称为蒸汽。蒸汽可分饱和蒸汽和过热蒸汽。

1、饱和蒸汽和过热蒸汽的特性

在一定压力下，饱和蒸汽的温度是恒定的，不同的压力对应一个不同的饱和蒸汽温度值。知道工作压力，查水蒸气性质表即可得到饱和蒸汽温度。饱和蒸汽的品质不高，或多或少带有小水滴，要想得到理想的蒸汽品质，就必须对饱和蒸汽继续加热，提高蒸汽的干度和温度，使饱和蒸汽变为过热蒸汽。只有装置过热器的锅炉，才能将饱和蒸汽通过过热器继续加热成为过热蒸汽。

2、锅炉水位形成原理

水在连通器内，当水面上所受的压力相等时，各处的水面始终保持一个平面，如下图所示。

锅炉上的水位表就是利用这一原理设计的。热水锅炉，除蒸汽定压外整个锅炉内部都充满了水；而对蒸汽锅炉需要一定的蒸汽空间，水位要控制在一定的高度。通过观察上锅筒的水位表，水位线以下为饱和水，饱和水不断加热蒸发，水位将会逐渐下移，为保持一定的水位，就要给锅炉补水，保持水位的稳定。2

锅炉水循环基本信息水循环的基本原理锅炉运行时，只有使受热面所吸收的火焰及高温烟气的热量不断被水或蒸汽带走，使受热面金属得到一定的冷却，锅炉才能有效而安全地工作。因此，锅炉中的水或汽水混合物，必须在闭合回路中持续而有规律地循环流动。

锅炉的水循环分为自然循环和强制循环两种。自然循环是依靠热水部分汽水混合物的密度小于不受热部分水的密度，从而形成压力差（流动压头），促进锅水流动。强制循环是利用水泵的推动作用，强迫锅水流动。

一般蒸汽锅炉普遍采用自然循环。对于热水锅炉，尽管采暖系统几乎都采用强制循环，但在锅炉中两种循环方法均可采用，自然循环是依靠出水与回水之间的密度差来形成的，强制循环是利用网路中的循环水泵实现的。

水循环回路由于锅炉结构不同，自然循环至少应有一条循环回路，也可以有几条循环回路。如下图所示是自然循环锅炉单回路的水循环示意图。锅筒和下集箱由左右两根炉管连通，其中左管位于炉膛内吸收热量，管中的水有一部分被汽化，成为汽水混合物，由于密度较小而向上流人锅筒；右管位于炉墙外部受热，管中是温度较低的水，由于密度大而向下流入下集箱。因此，左管称为上升管，右管称为下降管，整个回路在锅炉运行中循环不息。

如下图所示是自然循环锅炉多回路的水循环示意图。水冷壁管和两组对流管束都为上升管，它们合用一组下降管，从而分别构成三条水循环回路。

循环倍率自然循环锅炉中的水，每经过一次循环，只有一部分水转化为蒸汽。通常将进入循环回路的水量称为循环流量，它与该循环回路中所产生的蒸汽量的比值，称为循环倍率，即

循环倍率=循环流量/循环回路中的产气量

倍率表示在循环回路中的水，要经过多少次循环才能完全转化为蒸汽，是衡量锅炉安全运行的一项指标。水循环好的锅炉，受压部件受热均匀，热应力小，因此可以加快锅水升温和汽化过程，缩短点火至正常供汽的时间。低压小型锅炉的循环倍率均在几十至二百之间。

热水锅炉不产生蒸汽，但为了安全运行，必须保证锅水在受热面中有一定的流速。

锅炉水循环故障自然循环的锅炉，当水循环工况不正常时，会产生循环停滞与倒流、汽水分层、下降管带汽等故障。

1、循环停滞与倒流

在同一循环回路中，当并联的各上升管受热不均匀时，受热弱的管中汽水混合物的密度，必然大于受热强的管中汽水混合物的密度。在下降管供水有限的情况下，受热弱的管内可能流速降低，甚至处于停止不动的状态，这种现象称为循环停滞。这时，上升管内的蒸汽不能及时被携带走，管壁冷却情况严重恶化，可能造成管壁过热爆破事故。

当并联的各上升管受热严重不均匀时，受热最强的管中的汽水混合物上升力强，流速过大而产生抽吸作用，致使受热最弱的管中汽水混合物朝着正常循环方向相反的方向流动，这

种现象称为水循环倒流。这时，如果汽水混合物沿着整个管子截面均匀向下流动，可能还不会发生事故；但当汽泡的上升速度与水的向下流动速度相等时，便会造成汽泡停滞，形成“汽塞”。发生汽塞的管段会因得不到有效的冷却而过热烧坏。

为了避免发生循环停滞和倒流故障，除了锅炉结构合理外，在运行操作上尽量使各上升管受热均匀。例如，要避免在水冷壁上局部严重结渣和积灰；避免炉墙局部有较大的漏风吹到水冷壁管上；保持燃烧稳定，尽可能使炉中火焰分布均匀；定期排污数量不要过多，排污时间不要过长等。

2、汽水分层

当受热管接近水平布置，管中介质流速不高时，由于蒸汽密度小于水的密度，蒸汽便在管子上部流动，水在管子下部流动，这种现象称为汽水分层。这时，由于蒸汽的导热性能差，就可能使管子上部的壁温过高而烧坏。在汽水分界处，由于水面波动，壁温时高时低，同时又与含盐量较高的锅水接触，因此，容易引起疲劳裂纹和腐蚀。此外，由于水波动，不断有水滴溅到上部管壁，当水分蒸发后，水中的盐分就沉枳下来形成水垢，更加促使管子过热烧坏。

为了避免发生汽水分层故障，汽水混合物的上升管或引出管不能水平布置，而且倾斜角度一般不应小于15°。

3、下降管滞汽

当锅炉正常运行时，下降管是不允许出现蒸汽的。否则，锅水要向下流，汽泡要向上浮，两者互相顶撞，既增加了流动阻力，又减少了循环流量。如果下降管中夹带蒸汽量较多，会形成汽塞，使水循环停止，严重影响锅炉安全运行。

为了避免发生下降管滞汽故障，在锅炉结构上尽量将下降管接在锅筒底部，至少在最低水位以下4倍管径处，以免锅水进入下降管时形成气穴将蒸汽抽带进去。上升管与下降管的管口应有一定距离，或在其间装置隔板，避免从上升管流出的蒸汽被抽入下降管内。此外，下降管应尽量不受热或少受热，如将水冷壁系统的下降管布置在炉墙外面，将锅炉给水布置在下降管的进口附近，以降低下降管的进口水温。2

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学