低壓余熱鍋爐汽包內部分離元件的選型和設計

喬豪杰， 魯宜武 ，張 艷 ，宮 卿

(兗礦魯南化工有限公司醋酸車間，山東 滕州 277500)

低壓余熱鍋爐汽包內部分離元件的選型和設計

喬豪杰， 魯宜武 ，張 艷 ，宮 卿

(兗礦魯南化工有限公司醋酸車間，山東 滕州 277500)

依據汽包的實際工況，通過對一次和二次分離元件的選型和設計計算，最終完成縫隙擋板和勻汽孔板的結構設計。對汽包內部分離元件的選型和設計有一定的借鑒意義。

汽包；縫隙擋板；勻汽孔板

余熱鍋爐的產品為蒸汽，但在鍋爐中蒸汽和水是混合在一起的，因此需要有一個使蒸汽和水分離的過程，還需要設置內部汽液分離裝置，以防汽水混合物進入汽包內的位置不當，致使局部蒸發強度超過了允許值，蒸汽夾帶大量水分。

1 汽包參數

汽包蒸發量12t/h，輸出蒸汽壓力0.5MPa，內徑D汽包為2000mm，筒體長度L汽包為6000mm。

蒸汽引出管1根，汽包上升管根數 30根，以0°、15°和30°方向上沿汽包長度三排均勻引入，其同排相鄰管道之間的中心距為500mm。

汽包下降管8根，以縱向中心線偏移15°，雙列對稱排列，管間距為500mm。

2 一次分離元件

2.1 一次分離元件的選型

一次分離元件的作用，就是把大量的水分分離出來，并保證在消除動能的過程中不得把水滴碰的過碎。分離出的水分能順利的流入水室，不形成二次攜帶。常用的一次分離元件有水下孔板、旋風分離器、金屬絲網、進口擋板和縫隙擋板等。

水下孔板適用于適用于中壓鍋爐，汽水混合物由水位下引入，由于水下孔板下部會形成很厚的氣墊，易造成下降管帶氣，當汽水混合物沿鍋筒長度和寬度均勻引入鍋筒時不采用。

旋風分離器適用于氣水混合物速度較高且動能較大的鍋爐，中壓鍋爐在4～5m/s，高壓鍋爐在3～4m/s以上，裝置旋風分離器會使阻力增加。

金屬絲網分離器，用于中壓鍋爐，當水質條件較好，氣水混合物引入管速度較低，且沿汽包長度均勻分布的情況。金屬絲網分離器的優點是阻力小、制造安裝和檢修方便，但對鍋水濃度敏感，而且水室含氣較多，容易引起水位膨脹。

縫隙擋板，以中壓鍋爐為宜，其引入位置為靠近正常水位線上下30°，沿鍋筒長度均勻引入。

彈回擋板，適用于入口速度較低的情況，其中中壓低于3m/s，高壓為2～2.5m/s。否則會把水滴碰的太碎而造成二次攜帶，在中低壓鍋爐上單獨使用，對高壓鍋爐只能作為預分離元件使用。

由于汽包屬于低壓余熱鍋爐汽包，參照文獻[1]中附錄C常用的幾種鍋內裝置組合方案，選用縫隙擋板做為一次分離元件。

2.2 縫隙擋板設計

汽包的正常水位在綜合考慮提高蒸汽品質和保證水循環安全，防止降水管入口處發生抽空和帶汽現象，取汽包中心線以下100mm；

汽包上升管同排相鄰管道之間的中心距為500mm。縫隙擋板的長度L2與上升管相匹配，因此L2取5m。

根據文獻[2]，下擋板的下緣應沒入正常水位下150m～200mm。本汽包取200mm。上擋板下緣與正常水位的距離不小于150mm，本汽包取用500mm。參照文獻[2]中，縫隙擋板下擋板與汽包內壁的最小距離b＇的計算式為1式：

(1)

式中O2為流經縫隙擋板的蒸汽量，為汽包的蒸汽量，即12t/h。K2為鍋爐的循環倍率，其數值按照表1選取200。v′為飽和水的比體積，查詢文獻[3]，飽和水在0.5MPa時的比體積為1.09×10-3m3/kg。u′為擋板水流速，根據文獻[1]中的介紹，對低壓汽包，水流速度為0.5～1.0m/s，本文取0.5m/s。

把各值代入得：

表1 鍋爐的循環倍率

鍋爐型式P/MPaD/(t/h)循環倍率/K低壓鍋爐<1．5≤15200～150低壓鍋爐1．5～3．0≤15100～50雙鍋筒鍋爐1．5～3．030～20065～45

縫隙擋板的寬度b按照2式計算：

(2)

式中v為飽和蒸汽的比體積，查詢文獻[3]，其值為0.3749m3/kg。u"為縫隙擋板間的蒸汽通流速度；參考文獻[2]：汽包壓力為0.5MPa時，蒸汽通流速度推薦為2.5～3.7m/s，本文取2.5m/s。

把各值代入2式得縫隙擋板間的寬度b2為：

組成縫隙的兩導向板的重疊長度為L2′為縫隙擋板距離的2倍，即200mm。縫隙擋板兩端設計加擋板，以防汽水混合物由兩端短路。

2.3 縫隙擋板設計結論

綜合以上各計算，最終得到的縫隙擋板結構圖如圖1所示：

圖1 縫隙擋板結構示意圖

3 二次分離元件

3.1 二次分離元件的選型

由一次分離元件分離出來的蒸汽仍含有一定的濕分，由于受到汽包內部結構的影響，沿汽包長度和寬度上，蒸汽分布負荷是不均勻的，往往出現局部蒸汽負荷過大、流速過高的現象，致使蒸汽攜帶過多的濕分。因此還應設置一些分離元件，使蒸汽引出汽包之前進行二次分離。常用的二次分離元件有波形板分離器、勻汽孔板、集汽管(包括縫隙式集汽管和抽氣孔板)和蝸殼式分離器。

波形分離器由多塊波形板相間排列組成。濕蒸汽在波形板組成的曲折通道中通過時，水滴受離心力的作用，被甩到波形板上，并沿波形板留到下沿，當水滴集成一定大小后，靠重力落下，使汽水分離。一般用于裝有過熱器且對蒸汽品質要求較高的鍋爐，

勻汽孔板是利用孔板的阻力，使蒸汽沿汽包長度、寬度均與上升，防止局部地區蒸汽符合集中，因此能有效地利用蒸汽空間，有利于重力分離。勻汽孔板適用于各種容量和參數的鍋爐，可以單獨使用，也可以與波形分離器配合使用。是使用比較廣泛的分離元件。 小鍋爐的汽包直徑較小，為了便于安裝采用集汽管代替均汽板。集汽管有抽取式和縫隙式兩種。單獨使用蒸汽效果較差，常與蝸殼式分離器配合使用。

蝸殼式分離器是由集汽管和外面的蝸殼組成。濕蒸汽切向進入蝸殼，靠離心力的作用使汽水分開，起到細分離的作用。該型分離器適用于對氣質要求較高的低壓小容量的蒸汽鍋爐。

ERICA程序是歐盟提出的電離輻射對生態環境風險評價的框架程序，其來自于2004—2007年的歐盟“電離污染環境風險：評估和管理”(ERICA)項目。

根據各種二次分離元件的特性，結合一次分離裝置為縫隙擋板，本汽包選用勻汽孔板作為二次分離元件。

3.2 勻汽孔板的設計

根據文獻[1]中的介紹：勻汽孔板的總長度應不小于汽包直段長度的三分之二，以增加蒸汽空間的利用程度。本汽包勻汽孔板長度L3取4m。蒸汽穿孔的平均流速過高則阻力太大，過低則不能起到均勻蒸汽負荷的作用其勻汽孔板中穿孔氣速u3"和板前氣速u2"的推薦值見表2。

表2 穿孔速度及板前速度推薦值表

汽包勻汽孔板的穿孔平均氣速u3"取25m/s，最高汽速u2＇為30m/s。參考文獻[1]，勻汽孔板的開孔的小孔孔徑d一般取8～12mm，但不應小于5mm。本汽包的勻汽孔板開孔孔徑取8mm。

勻汽孔板的弓形高度h7根據汽包內部結構，參照文獻[1]中的勻汽孔板上部流通面積換算曲線，取100mm。勻汽孔板弓形截面積A7、勻汽孔板上部弓形截面寬度b7、勻汽孔板上部所對應的圓心角θ7和勻汽孔板的弓形高度h7之間的關系如圖2所示：

圖2 勻汽孔板上部A7與b7、θ7和h7關系

根據圖2計算，得其θ7值為51.68°，其弓形截面寬度b7為871mm：

其弓形截面面積A7計算式為3：

(3)

代入求得弓形截面面積A7為：

勻汽孔板上最大縱向速度u＇7按照4式計算：

(4)

式中n1為汽包蒸氣引出管管數。本余熱鍋爐汽包引出管管數為1。

把各值代入9-18式得：

根據勻汽孔板結構，一側勻汽孔板的長度L3′長度為2m，其每排孔孔數np取取11，則每排孔的總截面積A值為：

勻汽孔板的二側開孔總數∑n為：

按每一側排孔45，則實際布孔總數∑n′為：

實際勻汽孔板的穿孔蒸汽速度u3"值為：

修正前的初縫寬度b3值為：

查K10曲線圖得其值為0.91。

修正后的初縫寬度b3′值為：

修正后的終縫寬度bL′：

因此其放大系數C′為：

其始端孔節距s1為：

L3′/4處的孔節距按式4-3計算：

(5)

把各值代入式中求得：

同樣2L3′/4處的孔節距值為0.0433m，3L6′/4處的孔節距為0.0443m。

終端孔節距SL3'為0.0469m。

3.3 勻汽孔板設計結論

勻汽孔板的si數值表見表3，其結構圖參照圖3：

表3 si的數值

實際布置時，可根據∑si數值與L3＇之差值，對各孔間距進行調整，使得∑si≈L3＇=2m。

圖3 勻汽孔板示意圖

[1] 全國鍋爐標準化技術委員會. JB/T 9618-1999工業鍋爐鍋筒內部裝置設計導則[S]. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[2] 李守恒, 楊厲丹, 王振文, 等. 電站鍋爐汽水分離裝置的原理和設計[M]. 北京: 水利電力出版社, 1986: 47-141.

[3] 劉光啟, 馬連湘, 劉 杰. 化學化工物性數據手冊(無機卷)[M].北京: 化學工業出版社 工業裝備與信息工程出版中心, 2002: 3-32.

(本文文獻格式：喬豪杰， 魯宜武，張 艷，等.低壓余熱鍋爐汽包內部分離元件的選型和設計[J].山東化工，2017，46(14)：82-85.)

2017-05-14

喬豪杰(1981—)，河南襄城人，工程師，工程碩士，從事醋酸車間設備管理工作。

TK229

A

1008-021X(2017)14-0082-04

生產與應用