工業鍋爐飽和蒸汽濕度影響因素的實驗研究

程 靜，徐 艷，黃 容

( 深圳市特種設備安全檢驗研究院，廣東 深圳 518029)

濕飽和蒸汽是工業鍋爐所產蒸汽的主要形態。蒸汽濕度是表征飽和蒸汽品質的重要參數，但目前工業鍋爐蒸汽濕度的控制并沒受太大的重視，不僅影響了工業鍋爐運行的經濟性，腐蝕后續過熱器和工藝管道設備，有些行業也會對產品的質量造成不利的影響[1-2]。工業鍋爐運行參數不穩定，其鍋水含鹽量、蒸汽壓力和水位高度都隨時變化，運行時經常會出現蒸汽濕度大而影響蒸汽品質。工業鍋爐飽和蒸汽濕度的影響因素較為明確，但定量研究較少。本文通過設計一套工業鍋爐模擬裝置，消除測量誤差，采用實驗方法，分別得出鍋水含鹽量、蒸汽壓力和水位高度對工業鍋爐飽和蒸汽濕度影響的規律，這對工業鍋爐的設計和運行都有較強現實意義。

1 實驗裝置

圖1為本實驗裝置整體布置簡圖。電控柜為整個裝置的自動化控制系統；汽化釜是模擬工業鍋爐鍋筒產生蒸汽的裝置，汽化釜可移出，進行注水、清洗等工作；電加熱絲在汽化釜的圓周方向上均勻布置，可產生最高為3.0 MPa的飽和蒸汽；蒸汽由蒸汽管路引出，蒸汽管路上設置有壓力表、溫度表、爆破片、閥門等輔件和附件；補水管路是汽化釜的補水通道；進料天平和出料天平，分別用來計量補給水和蒸汽冷凝水的質量；蒸汽的冷凝裝置通過二級冷卻可將蒸汽完全冷卻，并將蒸汽冷凝水的溫度控制在20 ℃左右。

2 實驗方法

2.1 鍋爐水樣的制備

在實際運行的工業鍋爐鍋筒內取鍋爐水80L作為實驗基礎用水，所取實驗用基礎鍋爐水的主要指標如表1所示。

表1 實驗用基礎鍋爐水指標

采用加熱蒸發濃縮的方法制備基于基礎鍋爐水的不同含鹽濃度的水樣，分別制備濃縮系數(濃縮系數為濃縮結束時鍋水質量與濃縮開始時鍋水質量的比值)為0～90%按照10%間隔均勻分布的10個鍋爐水樣，其中濃縮系數為70%和30%的水樣制備10 L，其他濃縮系數的水樣制備5 L。

2.2 濕度的測量

2.3 蒸汽冷凝水取樣

為保證蒸汽冷凝水取樣的準確性，在每次實驗之前先用純水產生蒸汽對整個系統進行沖洗，在蒸汽冷凝水取樣時，取中間段的蒸汽冷凝水。

2.4 鍋水含鹽量對蒸汽濕度影響的實驗

分別將10個不同濃度的鍋爐水樣400 mL加熱產生蒸汽并通過控制蒸汽管道閥門開度將蒸汽壓力穩定在1.0 MPa時取蒸汽冷凝水100 mL，分別計算出蒸汽濕度，在實驗過程中通過補水系統保證水位穩定，消除水位變化的影響和取樣誤差。

2.5 壓力對蒸汽濕度影響的實驗

取基礎水樣、70%濃縮水樣和30%濃縮水樣400 mL加熱產生蒸汽并通過控制蒸汽管道閥門開度將蒸汽壓力穩定在0.4～2.8 MPa按照0.4 MPa均勻間隔的壓力時取蒸汽冷凝水100 mL，分別計算出蒸汽濕度，在實驗過程中通過補水系統保證水位穩定，消除水位變化對蒸汽濕度的影響。

2.6 水位對蒸汽濕度影響的實驗

取基礎水樣、70%濃縮水樣和30%濃縮水樣600 mL加熱產生蒸汽并通過控制蒸汽管道閥門開度將蒸汽壓力穩定在1.0 MPa，在實驗過程中連續取蒸汽冷凝水，每60 mL間隔為一個冷凝水樣，取8個樣品，分別計算出蒸汽濕度。在本次整個實驗過程中關閉自動補水系統。汽化釜的尺寸為R35 mm×162 mm，600 mL的鍋爐水樣對應高度為156 mm(接近滿水位)，每取60 mL蒸汽冷凝水，汽化釜的水位降低15.6 mm。

3 實驗結果與分析

3.1 鍋水含鹽量對蒸汽濕度的影響

工業鍋爐鍋水含鹽量變化較大。當含鹽量增加時，一方面鍋水黏度增加，使得水空間的小氣泡不易合并，小氣泡上升速度較慢，使得水空間增大，擠壓了汽空間，使得汽水不易分離，造成蒸汽帶水量增加，蒸汽濕度增大；另一方面，會在汽水分界面處形成泡沫，泡沫層也會擠壓汽空間，使得汽水不易分離，泡沫也會直接被蒸汽帶走，造成蒸汽帶水量增加，蒸汽濕度增大[3]。

蒸汽濕度隨鍋水含鹽量變化的實驗結果如圖2所示，由圖2中可以看出，在不同的濃縮系數下，隨著鍋水含鹽量的增加，蒸汽濕度先基本保持不變然后再線性增加，其轉折點出現在濃縮系數80%左右。這說明，在工業鍋爐實際運行過程中，在正常的鍋水含鹽量的范圍內，蒸汽濕度變化不大，但當含鹽量超過一定的值，蒸汽濕度隨著含鹽量的增加線性增加。在本實驗所采用的鍋爐水中，蒸汽濕度急劇增加的轉折點出現在含鹽量的質量含量在0.21%左右。

圖2 蒸汽濕度隨鍋水含鹽量的變化圖

3.2 蒸汽壓力對蒸汽濕度的影響

從理論上來說，對于同一臺工業鍋爐，在其他條件不變的情況下，飽和蒸汽壓力升高，其流動速度增加，帶水能力增強，會導致蒸汽濕度的增加。

不同鍋水含鹽量下蒸汽濕度隨蒸汽壓力變化的實驗結果如圖3所示，由圖3中可以看出，在不同的鍋水濃縮系數，不同的鍋水含鹽量的情況下，在0～3.5 MPa的飽和蒸汽壓力下，在高含鹽量下，隨著蒸汽壓力的升高，蒸汽濕度緩慢增加，其他情況下，蒸汽濕度隨蒸汽壓力的升高基本上保持不變。工業鍋爐飽和蒸汽壓力正常的運行區間在0～3.8 MPa，因此，飽和蒸汽壓力的提升對工業鍋爐蒸汽濕度的影響不大。

圖3 不同鍋水含鹽量下蒸汽濕度隨蒸汽壓力的變化圖

3.3 水位高度對蒸汽濕度的影響

鍋爐水位的高低決定了汽水分離空間，分離空間的大小直接影響水滴從蒸汽分離下來的速度。水位越高，汽水分離空間越小，水滴從水蒸氣中分離下來的速度越小，當水滴還沒來得及分離的時候，就被蒸汽帶走了，造成蒸汽濕度的增加[4]。

不同鍋水含鹽量下蒸汽濕度隨水位變化的實驗結果如圖4所示，由圖4中可以看出，在不同的鍋水濃縮系數，不同的鍋水含鹽量的情況下，蒸汽濕度隨著水位增加首先基本保持不變，后線性平穩增加，最后在指數性急劇增加，在高水位運行情況下，飽和蒸汽濕度達到20%以上，最高達78.32%，蒸汽品質嚴重惡化。實驗用的汽化釜的總高度為162 mm，從基本保持不變到線性增加的轉折點出現在水位高度110 mm左右，距離蒸汽出口52 mm，從線性增加到指數性增加的轉折點出現在水位高度130 mm左右，距離蒸汽出口32 mm。

圖4 不同鍋水含鹽量下蒸汽濕度隨水位高度的變化圖

綜合以上三組實驗，在工業鍋爐運行參數范圍內，蒸汽壓力對蒸汽濕度基本沒有影響，鍋水含鹽量在一定范圍內增加時，蒸汽濕度基本保持不變，當鍋水含鹽量超過一定值時，會導致蒸汽濕度隨著鍋水含鹽量線性增加；在低水位時，水位增加對蒸汽濕度基本沒有影響，中高水位時，水位增加會導致蒸汽濕度隨著水位線性增加，在高水位時，水位增加會導致蒸汽濕度隨著水位指數性增加。從對蒸汽濕度的貢獻來說，中高水位對蒸汽濕度的影響最大，鍋爐含鹽量次之，蒸汽壓力和低水位基本沒有影響。因此，在工業鍋爐的日常運行中，為保證蒸汽品質，使蒸汽濕度保持在正常范圍內，要嚴禁高水位運行，做好水處理，定時進行鍋水含鹽量相關指標的測定，及時進行排污和補充鍋水。

4 結 論

(1)本文所設計的工業鍋爐模擬實驗裝置能有效地消除鍋水和蒸汽冷凝水的取樣誤差和水位誤差，保證實驗測量數據的準確性。

(2)鍋水含鹽量在一定范圍內增加時，蒸汽濕度基本保持不變，當鍋水含鹽量超過一定值時，會導致蒸汽濕度隨著鍋水含鹽量線性增加。

(3)在工業鍋爐運行參數范圍內，蒸汽壓力對蒸汽濕度的影響不大。

(4)低水位時，水位變化對蒸汽濕度影響不大；中高水位時，蒸汽濕度隨著水位增加而線性增加；高水位時，蒸汽濕度隨著水位增加而線性增加。