工業鍋爐蒸汽帶水問題的研究

李尹建 陳玉梅 曹 云 魏 宇

1. 中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041 2. 四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川 成都 610000

0 前言

近年來，在天然氣處理廠中低壓蒸汽鍋爐供熱系統被廣泛應用，使用低壓蒸汽鍋爐數量也成倍增加。隨著天然氣處理廠大型化，低壓蒸汽鍋爐也逐漸大型化。蒸汽帶水問題是低壓蒸汽鍋爐大型化過程中比較常見且不易解決的問題。蒸汽帶水可能使系統下游換熱裝置無法達到設計換熱負荷，影響工藝裝置正常生產。嚴重時,帶水的蒸汽在管道里產生水錘作用,對蒸汽管道、管道支吊架受力產生極為不利的影響，產生安全隱患。本文通過對土庫曼斯坦某天然氣處理廠5×110 t/h 低壓蒸汽鍋爐的汽包水容器、汽包水位測量系統、爐膛尺寸、汽包運行壓力、給水溫度、汽水的噴入角度、爐水含鹽量、分離器結構、安裝位置的檢查，分析造成汽包飽和蒸汽帶水的主要原因，為大型低壓蒸汽鍋爐供熱系統帶水問題的解決提供參考。

1 系統組成

土庫曼斯坦某天然氣處理廠5×110 t/h 低壓蒸汽鍋爐供熱系統采用5 臺110 t/h 低壓飽和蒸汽鍋爐，鍋爐設計運行壓力0.7 MPa。蒸汽凝結水系統補水采用2 套100 t/h 水處理裝置，水處理裝置采用機械過濾+反滲透+熱力除氧的工藝技術，處理后水質指標滿足GB/T 1576-2008《工業鍋爐水質》要求。凝結水系統采用閉式凝結水回收，凝結水罐定壓壓力0.1 MPa。蒸汽供熱系統見圖1。

圖1 蒸汽供熱系統

2 前期試運行情況

鍋爐房建成初期，5 臺110 t/h 蒸汽鍋爐相繼完成烘煮爐工作，5 臺鍋爐交替并保持低負荷下運行，低負荷下參數指標：鍋爐汽包壓力0.65 MPa，蒸汽量20 t/h，鍋爐給水量22 t/h。此時，由于工藝裝置所用蒸汽裝置并未運行，所有鍋爐房低負荷運行產生蒸汽均由鍋爐房外分氣缸調壓放空閥排出。在這種工況下，分氣缸的液位始終保持為0，未見液位升高。

隨著整個工藝裝置試運行條件逐步具備，鍋爐供熱負荷也逐步增大，當單爐產蒸汽量達到70～80 t/h 時，鍋爐上水量出現不足，無法再為鍋爐提供充足的上水，鍋爐負荷無法繼續提升。

試運行期間，有部分蒸汽管路或用汽設備出現不同程度的管路不通暢、蒸汽帶水、水擊等現象，因涉及廠區眾多管網和附屬設備，暫無法確定原因，但根據經驗分析鍋爐產出蒸汽帶水有可能就是原因之一。

3 升負荷試驗情況

為盡快查明原因，在試運行結束后，隨即進行了單臺鍋爐熱態升負荷試運行試驗，目的是驗證鍋爐本體能否達到鍋爐額定運行工況。

3.1 試驗條件

a) 試驗鍋爐位號：H-4701/C。

b) 蒸汽排放路徑：蒸汽經鍋爐房蒸汽管路輸送至室外分汽缸后，分兩路自動泄壓，直接排放至大氣。

c) 升負荷狀態：延續原中低負荷運行工況熱態升負荷，由40 t/h左右蒸發量按照不大于1%/min的速度提升。

d) 給水泵：系統供水壓力、流量充足。

e) 其它附屬系統：正常，滿足正常運行要求。

3.2 試驗現象

3.2.1 現象1

鍋爐蒸發量低于80 t/h 時，鍋爐房外分氣缸液位約5%左右，負荷發生變化時未見分氣缸內液位變化。此時分氣缸排污閥處于關閉狀態，僅開啟疏水閥。

3.2.2 現象2

鍋爐蒸發量超過80 t/h 后，布置于鍋爐房外的分汽缸液位開始明顯上升。此時，分汽缸底部的疏水閥一直處于開啟狀態，但疏水能力明顯不足，不能及時排出分氣缸中凝結水，必須開啟分氣缸排污閥，將分氣缸內凝結水排至鍋爐排污池，才能降低分氣缸液位。此時，控制室操作臺顯示給水流量和蒸汽流量存在差異，當蒸汽流量穩定在110 t/h 左右時，給水流量顯示在130～140 t/h 左右，給水流量比蒸汽流量表度數高出約20～30 t/h（因處于調試階段，數據不平穩）。而鍋爐蒸發量在80 t/h內時，給水流量數值僅比蒸汽流量顯示數值多3%～5%。

3.2.3 現象3

同時開啟兩兩臺鍋爐，其中一臺蒸發量70 t/h，另一臺鍋爐蒸發量40 t/h，即兩臺鍋爐所產蒸汽進入分汽缸的流量依然在110 t/h，蒸汽溫度和壓力也基本相同，分汽缸內凝結水液位低于5%，未見異常變化。

3.2.4 現象4

根據運行經驗，當水質嚴重惡化時，可能造成蒸汽帶水。因此鍋爐運行過程中，運行人員對爐水進行取樣分析化驗，爐水水質滿足GB/T 1576-2008《工業鍋爐水質》要求。此時鍋爐爐水水質完全滿足規范要求，可排除鍋爐操作運行上造成的“汽水共騰”現象。

3.3 試驗分析

基本確定鍋爐在超過80 t/h 負荷的狀態下，帶水嚴重。通過對鍋爐的汽包水容器、汽包水位測量系統、爐膛尺寸、汽包運行壓力、給水溫度、汽水的噴入角度、爐水含鹽量、分離器結構、安裝位置的檢查，分析造成汽包飽和蒸汽帶水主要原因，初步確定問題如下：

a）從結構分析，鍋爐未采用常規D 型蒸汽鍋爐的上鍋筒下鍋筒布置方式，而是在原上鍋筒下鍋筒模式的基礎上增加了一個汽包，作為蒸汽分離設備，其汽包結構見圖2。

圖2 汽包結構圖

根據汽包結構設計圖紙，其中有勻氣板、水下分離擋板等原件。根據JB/T 9618-1999《工業鍋爐鍋筒內部裝置 設計導則》中計算公式：

計算結果蒸汽空間在僅靠重力分離或只有勻氣設備的情況下，110 t/h 的蒸汽需要的蒸汽空間約29.3 m3，根據目前汽包外形尺寸計算，蒸汽空間僅為12.7 m3。考慮水下分離原件對汽水運行的影響，根據現有蒸汽空間大小計算，本汽包在正常情況下也僅滿足約70～80 t/h的蒸汽產量。

可以看出計算數據與現場試驗數據基本一致，初步斷定，鍋爐帶水與蒸汽分離空間過小有很大的關系。

b)從鍋筒內汽水運行狀態分析，蒸汽可能經集中上升管后對水下孔板的沖力較大，水下孔板可能產生變形，使得水下孔板不能起到分離作用，或者汽水混合物直接穿過水下孔板造成汽水短路，而使汽水混合物直接由絲網分離器分離，分離不充分，產生蒸汽帶水的現象。

c)隨著負荷的增大，汽包內汽水混合物經由上升管后速度較大，有部分汽水混合物直接從水下孔板折邊處穿出，造成局部汽水短路，使汽水混合物直接由絲網分離器分離，分離不充分，因此產生蒸汽帶水。

4 鍋爐改造

根據試驗分析，初步可以判斷出，蒸汽帶水問題的根源是蒸汽空間不足及蒸汽分離原件效果不明顯。由于現場實際情況，無法對鍋爐汽包進行擴容或更換更大的汽包。因此，從汽包內用于分離汽水的內構件入手，對其進行改造和加工，旨在增加汽水分離效果，達到在額定負荷下不帶水的狀態。

根據對汽包內構件的作用分析，現場進行了改造：

a）在每臺鍋爐汽包內的14 根Φ325 汽水上升管出口處，分別加裝帶孔的緩沖板1 套，旨在緩沖和分解汽水上升沖力，防止汽水混合物直接沖擊水下孔板，造成水下孔板分離不及時，爐水跟隨蒸汽沖出汽包，同時也降低汽包內水位波動，保證鍋爐正常運行。

圖3 改造后汽包結構圖

b）水下孔板左側折邊處用封板與鍋筒封焊，水下孔板右側折邊處加高，同時在水下孔板兩端各加焊一塊封板，使汽水上升速度均勻。這種做法的目的是為了讓汽包內汽水運行有序，避免高負荷時出現汽水分離出的水下降時被產生的蒸汽又推回二次分離孔板，造成二次分離孔板分離不及時，蒸汽帶水進入系統，改造后結構見圖3。

c）操作措施：由于本鍋爐采用汽包+上鍋筒+下鍋筒的爐型結構，運行時汽包液位位于汽包中心線處，可適當調整其液位、增大氣相空間。改造后再次試驗時，在保證安全的前提下汽包液位降低20 mm 運行，增大分離空間及時間。

5 結果及分析

改造完成后，鍋爐再次進行試運行，所有運行參數均與初次試運行參數保持一致。鍋爐由冷態至單臺鍋爐滿負荷110 t/h 狀態，整個蒸汽系統運行平穩，鍋爐給水流量計顯示數值比蒸汽流量計顯示數值高約3%～5%，此時分氣缸未見液位出現。滿負荷運行72 h，均未見異常。

根據改造的結果可以看到，造成本工程低壓蒸汽鍋爐帶水的主要原因：汽包內蒸汽空間不足，汽水分離空間過小；汽包內汽水分離原件效果不佳。

根據以上主要原因采取相應措施：

a）對于汽包的蒸汽空間不足，汽水分離空間過小的問題，徹底解決的辦法是更換鍋爐汽包。但是根據現場情況，鍋爐已經建設完成，要更換鍋爐汽包幾乎是不可行的，因此只能從操作方面考慮，盡可能增大蒸汽空間。在保證鍋爐運行安全的前提下降低鍋爐的運行液位，達到增大蒸汽空間的目的。

b）對于汽包內分離原件效果不佳的問題，根據鍋爐汽包汽水分離原理，采取增加上升管緩沖板、增加水下分離孔板側擋板等措施，優化汽包汽水運行方式，達到加強分離效果的目的。

事實證明，本次鍋爐蒸汽帶水問題的原因分析是正確的，采取的措施是有效的。通過改造，使汽水充分分離，最終解決了鍋爐蒸汽帶水問題。

6 結論

在低壓蒸汽鍋爐系統大型化的過程中，蒸汽帶水問題是最為突出的問題之一。如何避免蒸汽帶水問題，是今后鍋爐設計的一個比較重要的課題。鍋爐設計過程中應考慮各方面因素對蒸汽品質的影響，在鍋爐制造、建設前解決相應問題，避免現場反復改造鍋爐本體，造成對鍋爐本體的破壞。

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