第七章-锅炉水循环和汽水分离

第七章锅炉水循环及蒸汽净化水循环：在锅炉中，给水进入汽锅后就按一定的循环路线流动不已。水：被加热、汽化，产生蒸汽受热面：靠水循环及时将高温烟气传给的热量带走，使壁温保持在金属的允许工作范围内，从而保证蒸发受热面能长期可靠地工作。汽水分离：把汽水混合物中的汽和水分离开锅炉水循环组织得好坏，汽水分离装置性能的优劣都直接关系着锅炉工作的可靠性。给水在锅炉内部按照一定的循环路线流动不已。在流动过程中，水通过蒸发受热面被加热、汽化、产生蒸汽；而受热面则依靠水循环将高温烟气传递的热量带走，并使壁面温度保持在金属能够承受的工作温度范围内，以保证长期稳定的工作。如果水循环组织不良，管内侧的冷却水膜被破坏并直接与高温蒸气接触，将使换热系数显著降低，壁面温度大幅度提高，将造成受热面局部过热甚至烧蚀、严重的时候发生爆管事故。锅筒内是汽水混合物，借助重力与机械分离装置将蒸汽里面的小水滴分离出来；如果分离效果不佳，将造成蒸汽带水，这一方面将导致蒸汽过热器内壁结垢甚至过热烧毁；对于电站锅炉，蒸汽带水将影响汽轮机的工作，以及蒸汽管网的水击与腐蚀。汽包上联箱水冷壁下联箱下降管第一节锅炉水循环一、锅炉水力系统及循环方式1．锅炉水力系统——工质(水)从进入锅炉到离开锅炉的流动系统1）

加热系统——从冷水到饱和水2）

蒸发系统——从饱和水到饱和蒸汽3）

过热系统——从饱和蒸汽到过热蒸汽2．水循环方式锅炉水循环——水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面回路中的循环流动根据蒸发系统工质流动的动力不同分为自然水循环强制水循环1）自然水循环自然水循环：依靠不受热的下降管和受热的上升管间工质的密度差作为水循环的动力自然水循环的回路：由锅筒、下降管、下集箱、上升管、上集箱、引出管组成的密闭回路2）强制水循环——依靠水泵扬程使工质在受热面内流动的蒸发系统锅炉中的自然水循环给水从锅筒进入不受热的下降管，经过集箱分配到炉内受热上升管束；在上升管内水受热并部分汽化，汽水混合物由于密度较小向上流动回到锅筒；形成自然循环。任何一台蒸汽锅炉都是由若干自然循环回路组成。HHqHsΔPxjΔPssAA由于压力越高饱和温度越高，因此即使此时锅筒内部已经达到饱和压力，但是在上升管处对应其压力仍然是未饱和的，需要继续吸热才能够达到沸点，也就是说必须上升Hs后方可沸腾。实际上锅筒进入下降管的水不一定饱和，即具有欠焓（欠热），所以Hs这一段是肯定存在的。如图，上升管内部的水向上流动，边受热边降压，在Q点开始汽化达到饱和温度；Q点以后，压力继续降低汽化强烈，工质含汽量越来越高，Q点以后的区段称为汽水混合物段Hq。因此总高度就是加热段与汽水混合段之和H=Hs+Hq在循环回路不同高度的工质，由于水柱重量的差异造成压力有所不同；越是靠近下集箱上升管管段其压力较锅筒压力越高。Q分析下集箱两侧的平衡：假设Hs热水、下降管水以及锅筒内部的水具有相同的密度，那么：即有效压头越大，可以克服的下降管阻力就越大，亦即循环水量越大，循环越好。用于克服下降管阻力的压头称为有效压头上式左侧是由于密度差引起的压头差，称为运动压头；右侧是流动总阻力；当水循环稳定的时候两者恰好平衡。由于运动压头取决于上升管含汽段高度和密度差，因此增大循环回路高度、加强上升管受热都可以提高运动压头；对于高压锅炉，由于密度差很小，因此组织自然循环比较困难，应多提高回路高度或者干脆使用强制循环。自然循环的实质：由重位压差造成的循环推动力克服上升系统和下降系统的流动阻力，推动工质在循环回路中流动。即由于水冷壁管吸热，使水的密度改变成为汽水混合物的密度，并在高度为H的回路中形成了重位压差。回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推动力越大。工质密度差不仅与压力有关，而且与水冷壁管吸热强度有关。在正常循环情况下，吸热越多，密度差越大，工质循环流动速度越高；而压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。自然水循环的影响因素1.锅炉的工作压力工作压力越低，汽水密度差越大，使运动压头增加，克服循环阻力的能力越大2.上升管的热负荷热负荷越高，上升管中工质的含汽量就越多，工质的平均密度越小，下降管和上升管的工质密度差越大3.循环回路的高度循环回路的高度越高，产生的动力压头越大，对水循环越有利4.循环回路的阻力循环管道的结构特性，即各部分的阻力系数，阻力越小，流动越好锅炉的水循环自然水循环机械水循环自然水循环运动压头自然水循环的影响因素自然水循环的可靠性指标循环流速w0循环倍率K自然循环的自补偿能力1.循环流速水循环的可靠性是要求所有的受热管都要保证管内具有连续水膜冲刷管壁以得到良好的冷却，防止管壁结盐和超温，因此必须保持一定的循环流速。循环流速指整个回路中水进入上升管时候的速度循环流速的大小直接反映管内水流将管外热量与管内蒸汽带走的能力；循环流速越大，工质放热系数越大，带走的热量越多，管壁冷却条件越好，金属超温的可能性越小。对于供热锅炉，工作压力较低，汽水密度差较大，有利于实现自然循环，水冷壁循环流速一般0.4~2m/s;对流管束0.2~1.5m/s2.循环倍率在循环流速相同的情况下，由于上升管在炉内所处的位置不同受热强度也不同，因此热负荷不同、产汽量也不同，造成在出口位置水量的差别，如果热负荷过大将导致连续水膜无法维持；另外产汽量越多流速越大，高速汽流也可能撕裂水膜。因此为了保证有足够的水冷却管壁，在循环管路中从下降管进入上升管的水量G往往是数十倍于上升管同时产生的蒸汽量D；循环倍率定义：K=G/D；x=1/K是上升管含汽率也就是干度。其物理意义是单位质量的水在循环回路中全部汽化所需要循环的次数。K越大，x越小，表示上升管出口汽水混合物中水的份额越大，冷却越好。循环倍率随着压力的提高水的汽化潜热降低，因此在受热相同的情况下压力越高K越小；蒸发量大的锅炉，上升管受热长度较长且热负荷较大，因此K较小。供热锅炉压力一般较低，其循环倍率较大（50～200），一般无需考虑循环倍率低的问题。增大循环倍率的措施通常是增大下降管总截面积和保证上升管受热长度与直径之比不过大。自然循环热水锅炉的循环倍率概念有所不同，它指受热面在吸热量和锅炉循环水量以及供回水温度相同的条件下按照自然循环工作时受热面流量与直流工作时流量之比。热水炉有多个循环回路，尽管供回水温度相同，但各自的吸热量和温升不同，所以全炉的循环倍率是各回路循环倍率的加权平均。蒸汽锅炉自然循环倍率全部大于1；热水锅炉自然循环则可能大于也可能小于1，这是热水锅炉的特点之一。3.循环回路特性曲线该特性曲线表示在一定热负荷下有效压头Syx、阻力ΔPxj以及流量（或相应循环流速）之间的关系。下降管阻力ΔPxj是循环流速w0的函数，后者增加引起前者的增大。对于上升管而言，热负荷一定时增大循环流速将使管内含汽率减小，汽水混合物密度增大，并使克服下降管阻力的有效压头下降。当有效压头与阻力平衡时，交点就是水循环工作点A。依据实际得出的循环流速与推荐值对照，对水循环工作的可靠性进行校核4.自然循环的自补偿能力在一定上升管含汽率范围内，自然循环回路中上升管受热增强时，循环水量和循环流速也随之增大（循环推动力增大），这种循环特性称自补偿能力--可避免管壁超温但热负荷太大时，含汽率超过一定值，由于流动阻力的快速增加使循环水流速反而减小，则会失去自补偿能力。最大循环流速对应的循环倍率称为界限循环倍率。为了保证自然循环回路的工作安全，锅炉上升管的含汽率必须始终小于界限含汽率，而循环倍率则应始终大于界限循环倍率。自然水循环的故障循环停滞和倒流汽水分层下降管带汽循环回路由并联于锅筒与集箱之间的许多根上升管和数根下降管组成；由于炉膛结构、管子受热长度以及积灰等情况的不同，产生受热不均匀性；如果个别上升管受热严重不良，则产生的有效压头将不足以克服公共下降管的阻力，从而使循环流速趋近于零，这种现象就是“循环停滞”。1、循环的停滞与倒流循环停滞的管内仍产生蒸汽，循环倍率接近1，气泡依靠浮力上升，同时在倾斜管转弯、接头部位往往引起汽泡的集聚，并沉积水垢，造成传热恶化甚至烧坏管子；如果循环停滞发生的上升管恰好连接于汽包的蒸汽空间，（如图），则形成一层自由水面，水面以上仅有蒸汽，冷却效果差；而水面的波动则导致温差应力和盐垢沉积；上升管尽量不要连接在锅筒汽空间，对自然循环不利；高出锅筒水位的h段（汽水混合物）对应的下降管内工质不是水而是蒸汽，所以此段的流动压头是负的，相当于增大了流动阻力。危害若某根上升管受热极差并使有效运动压头小于阻力时，将产生“倒流”；此时该上升管变成了受热的下降管，如果倒流速度较小，导致气泡的聚集形成汽塞，引起管子烧坏。对设置水冷壁管上集箱时，不论引出管引入锅筒汽空间还是水空间，受热极差的上升管在上、下集箱之间都有可能形成停滞或倒流现象。一般多采用加大下降管截面积和引出管截面积的方法来减少循环阻力，防止循环停滞与倒流。根本办法就是减少或避免并联的各上升管受热的不均匀性预防措施倒流2、汽水分层一般情况下，随着蒸汽压力的增加，发生汽水分层的可能性增加。因此要保证循环流速不低于0.6～0.8m/s、倾角不小于15度、尽量避免流动死角等。发生于水平或者微倾斜的上升管段，特别是流速较低的时候会出现汽水分层现象；多发生于炉顶、前后拱的受热面。危害当这一管段受热时，会引起上下温差应力以及汽水界面的交变应力；在上部会结盐垢使壁温升高甚至过热预防措施3.下降管带汽正常情况下，下降管入口水流纯粹靠静压进入，不会汽化；但是如果入口处阻力过高，将产生压降，则锅筒内的饱和水在进入下降管的时候因压力降低而汽化产生汽泡，造成下降管带汽，从而使阻力增加，对水循环不利。另一个原因是下降管管口距离锅筒水面太近，由于上方水面形成的漩涡而将蒸汽吸入下降管；因此下降管要尽量连接在锅筒底部或保证入口上方有一定水位。下降管受热强烈、下降管出口与上升管入口距离太近并且没有良好的隔离装置也可能造成下降管带汽。危害下降管带汽不仅使自身的阻力增加，还迫使循环的运动压头降低，减弱了水的循环流动，从而增大了循环停滞、倒流、自由水面等出现的可能性。水力工况不稳定对水循环的影响升压过程锅水的饱和温度随压力升高也相应的升高.会使上升管的加热水区段高度增加，运动压头下降，循环速度也相应的降低在升压时，受热弱的管子比受热强的管子产汽量减少幅度大。也就是说，锅炉在升压过程中，循环回路的热负荷及受热不均性要增加。因此，当升压速度大到一定程度时，这个热偏差将使受热弱的管子有可能出现循环停滞或循环倒流。降压过程当压力降低时，水的饱和温度也随之相应降低，所有金属和水放出蓄热量，对水循环的影响可分为三种情况来说明：

（1）当锅水欠焓较大时，一般情况下下降管不会产生蒸汽，放出的蓄热量使水冷壁下部的加热水段高度减小。受热弱的管子中水量大，放出的蓄热量也多，其结果可弥补循环回路热负荷的不足和减小受热不均匀性的差值，对水循环是有利的。（2）当锅水欠焓很小时，下降管可能产生蒸汽。如果下降管中的工质流速较大，即使下降管中产生一些蒸汽，也无所谓，只是要下降管的流动阻力增加和工质的平均密度减小而水循环减弱些。如果降压速度过大，受热弱的管子有可能发生循环停滞或循环倒流。（3）当锅水欠焓很小，下降管中流速又很低（小于0.6m/s）时，下降管中产生蒸汽后，就会使下降管中工质流速更低，出现循环停滞或循环倒流，直接影响水循环的安全性。锅筒压力对应下的饱和水焓值和水冷壁入口炉水的焓值的差值，称之为入口欠焓。入口欠焓越大，那么水冷壁内含汽率越低，运动压头越小，循环流速越低，对水循环不利负荷变动过程

在锅炉负荷变动时，如果没有加剧管间热量分配的不均匀性，对水循环的安全性是没有什么影响的。但负荷波动时一定要注意水位的稳定，不能超出允许变动的范围。否则，会使水循环的安全性受到影响。自然循环回路的合理布置合理布置的目的:使受热均匀、提高运动压头、降低阻力以及防止汽水分层。并联管总长度、受热管长度、受热负荷以及几何形状等尽量相近似，保证受热均匀；按照受热情况划分循环回路。例如前后墙、侧墙水冷壁组成独立系统。每个循环回路设置自己的独立的下降管和汽水引出管。提高循环回路高度以保证足够的运动压头，并设法降低循环阻力。1.循环回路的设计布置2.上升管的布置尽量与锅筒水空间连接，避免自由水面，且注意与下降管入口之间保持必要的距离，或装设隔板加以有效的隔离，防止下降管带汽；如果上升管必须在锅筒汽空间引入，应尽量压低此管段最高点与水位间的距离；减少上升管及上集箱蒸汽引出管弯头数量，减小流动阻力；上升管尽量不要水平布置，倾斜布置倾角不应小于15度；上升管在保证阻力的同时要采用小管径，含汽率增高，运动压头提高。对于热水锅炉，水冷壁宜采用垂直上升结构，回路简单。3.下降管的布置结构尽量简单以便减小阻力，不设中间集箱、不用串联管、不允许水平管与锐角弯头；尽可能从锅筒底部引出；下降管入口与上升管出口要保持一定距离并用隔板隔开；下降管要放置炉外不受热；下集箱中下降管与上升管的连接要尽量保证90度交角并避免轴线重合。下降管截面积一般不应小于上升管截面积的25％～30％。供热锅炉不宜采用集中下降管布置，以免水力偏差引起水量分配不均。4.对流管束水循环分析管束1因处于炉膛出口受热最强，2、3逐次减弱；因此整个循环中1、2上升管，3下降管。如高负荷则3前排受热强烈可能转变为上升管；反之，低负荷2后排则可能变为下降管甚至循环停滞。因此要尽量布置在不同温度区间。要注意循环工况有变化的管子应与上锅筒的水空间相接，并尽可能接近锅筒底部，以免倒流时带进蒸汽；同时，将这几排管子尽可能布置于烟温不高的区域，尤其是上部宜置于烟气流程的末尾，以免在产生短时间的循环停滞时烧损管子，并尽量减少这几排管子的弯头，以减少流动阻力。六、供热锅炉对流管束的水循环321.蒸汽品质第二节蒸汽品质及蒸汽带水（1）含义：单位质量蒸汽含有的杂质，μg/kg盐类：钠盐＋SiO2（主要杂质）气体：O2、N2、CO2、NH3（少量）（2）杂质类型盐类（3）杂质危害过热器：流动阻力增加，超温阀门：失灵，漏汽汽轮机：喷嘴和叶片粗糙气体腐蚀CO2参与沉积332.蒸汽污染的原因（1）杂质来源给水含杂质蒸发炉水杂质↑（2）污染原因机械携带选择性携带饱和蒸汽带水蒸汽溶盐饱和蒸汽携带含盐浓度较大的锅水水滴饱和蒸汽具有直接溶解盐的能力蒸汽对不同盐分的溶解能力不同（3）污染机理机械携带选择性携带总带盐量ω：蒸汽湿度a：分配系数K：携带系数（4）净化措施汽水分离→降低饱和蒸汽带水（机械携带）蒸汽清洗→降低蒸汽溶盐（选择性携带）排污→降低炉水含盐量水处理→提高给水品质分配定律：在一定压力和温度下，如果某物质在两种互不相溶的介质（蒸汽和炉水）里均能溶解，则这两种介质中的溶解度之比为常数，即分配系数Sw：锅水含盐量353.机械携带（1）原因汽水混合物进入汽空间冲击水面冲击部件相互冲击水滴飞溅进入汽空间饱和蒸汽带水汽水混合物进入水空间汽泡穿层溅出水滴进入汽空间汽泡破裂机械携带就是饱和蒸汽携带了水4．蒸汽质量指标供热锅炉对蒸汽品质的要求比电站锅炉要低很多，但也必须得保证用户的基本要求，所以对蒸汽中的带水量有一定的规定，通常以饱和蒸汽湿度大小作为供热锅炉的蒸汽品质指标。

有过热器的供热锅炉，其饱和蒸汽湿度规定应不大于1%；对无过热器的水管锅炉，饱和蒸汽湿度规定应不大于3%；对无过热器的锅壳式锅炉，饱和蒸汽湿度规定应不大于5%；从锅筒引出的蒸汽中含有细微的水滴的现象称为蒸汽带水，一般来说蒸汽品质的好坏取决于蒸汽带水的多少，因为水滴是含盐量很高的炉水。原因一：上升管引入锅筒水空间时，气泡破裂飞溅出的水滴；原因二：锅筒内汽水流动撞击产生水滴；原因三：水位波动振荡产生水滴。这些水滴中较大的由于重力作用沉降回炉水中，细微的则被蒸汽带走。球状颗粒下落的力与气流的提升力平衡的时候，颗粒悬浮；当提升力增加的时候，颗粒被带走。托住颗粒的最小气流公式如上，可见：颗粒直径愈小，带走液滴所需要的流动速度越小；工作压力越高，水与汽的密度差越小，那么相同的气流速度可以带走更大的颗粒；气流速度增加，则蒸汽带水的能力随之增大。二、蒸汽带水的原因及其影响因素FFfG蒸汽带水的影响因素锅炉正常运行时负荷平稳；当负荷增加时，蒸汽在锅筒内上升速度增加，水滴被吹起的高度提高、所带起的水滴数量增加。水空间含汽量增加，锅筒水位增高，汽空间高度降低。汽空间蒸汽流速增加，携带水滴增多。锅筒蒸汽空间的平均上升速度代表着蒸汽携带水滴的能力，通常用蒸发面负荷来表示；有时候也用锅筒蒸汽空间的容积负荷来衡量，它表示蒸汽在锅筒内逗留时间的倒数，逗留时间越长，颗粒下落的机会越多，携带越少。Rs、Rv大说明锅筒尺寸相对较小，汽水分离条件差；两者小则说明锅筒尺寸较大，从耗材来讲不经济。1.蒸汽负荷的影响蒸汽带水的影响因素

压力提高，汽水密度差减小，汽水重力分离变弱；另外高汽压对应着较高的饱和温度，则分子间运动加强,引力减弱，更容易产生细微水滴颗粒。当压力增高时，许用的Rv降低。但是，降压运行并非对汽水分离有利。当在原蒸发量下，降压运行，尽管汽液密度差增大加强了汽水分离，但是压力降低比容增大将增加锅筒内汽流速度，从而削弱汽水分离。特别是压力骤然降低的情况下，锅筒内的水将急剧沸腾，从而使蒸发量骤增、流速大大提高，造成蒸汽大量带水。2.蒸汽压力的影响蒸汽带水的影响因素指锅筒水位平面到蒸汽引出口的垂直高度；气流的携带作用只能使飞溅大颗粒上升一段距离，如果蒸汽空间足够高，则蒸汽带水减少；在一定高度以后，蒸汽含湿趋向平稳，因此这个高度也不需要太高，供热锅炉一般0.4~0.6米。3.蒸汽空间高度的影响蒸汽带水的影响因素随着循环的进行，锅水逐渐浓缩，含盐量增大，导致蒸汽的含盐量增大；锅水含盐量增大，水分子之间结合力增强，生成气泡变小，汽泡对水的相对速度减慢，锅水含汽率增加，促使水位膨胀上升；汽泡间液体的粘度增大，沿汽泡表面水层流动摩擦力也增大，浮至水面的汽泡不易破裂，形成泡沫层。这都会造成蒸汽带水。如果含盐量继续增大，则有可能导致泡沫层充满整个汽空间，汽、水同时被吸入蒸汽引出管，蒸汽大量带水，这种现象叫做“汽水共腾”，属于运行事故。4.锅水含盐量的影响锅水含盐量与蒸汽湿度的关系临界含盐量控制锅水含盐量除水质要求，还要增大锅炉排污。4.锅水含盐量的影响43基本思路消除汽水混合物的动能（防止水滴粉碎）蒸汽沿空间水平截面均匀分布（降低蒸汽上升速度）从蒸汽中分离细微水滴（利用密度差）分离原理重力分离惯性分离离心分离第三节汽水分离装置水膜分离汽水分离原理重力分离原理：利用蒸汽和水的密度不同，从而使汽、水在锅筒汽空间依靠重力进行自然分离惯性力分离原理：利用汽、水两相流体改变方向时，蒸汽和水滴的惯性力不同，从而使汽、水分离离心力分离原理：利用汽、水两相流体旋转运动时，产生的离心力不同，从面使汽、水分离。水膜分离原理：利用汽、水两相流体中水和蒸汽粘度不同，水粘度大，易附着于金属壁面形成水膜，并依靠本身的重力向下流入水空间，从而使汽、水分离。45分离装置挡板：惯性分离水下孔板：重力分离旋风分离器：离心分离和重力分离波形板：水膜分离、离心分离和重力分离顶部均汽板：重力分离粗分（一次分离）：汽水混合物分离细分（二次分离）：蒸汽携带的细微水滴分离46旋风分离器原理

汽水混合物沿切线方向进入水滴抛向筒壁并沿筒壁流下蒸汽由中心上升防止贴筒水膜被撕破水稳定地流入汽包水容积中防止水向下排出时将蒸汽带出旋风分离器

内置旋风分离器的主要优点是：（1）消除并有效地利用汽水混合物的动能。（2）能在炉水含盐浓度较高的情况下工作。（3）沿汽包长度均匀布置，使汽流分布较均匀，避免局部蒸汽流速较高的现象发生。（4）不承受内压力，因而可用薄钢板制成，加工容易，金属耗量小。缺点：因装在汽包内，高度受到限制，使它的分离效果受到影响，可与其它设备配合使用；旋风分离器的数量较多，拆装检修工作量大。即在水面以下装设多孔孔板，由于孔板的阻力，在其下方形成稳定的汽垫，可以有效削弱汽水混合物的动能；蒸汽可以均匀穿过孔板，并平稳到达水表面，减少了飞溅。孔板可以减小水位膨胀，使蒸汽空间受到较小的影响。多用钢板制作，孔径8~10毫米，过小阻力大、过大气流不均；一般布置在最低水位80毫米处，以保证最低水位时依然有效；长度一般在锅筒长度的2/3以上，保证蒸汽全部穿过孔板；孔板与锅筒壁之间有间隙，便于水顺畅下流；孔板边缘设置水封挡板。引入汽空间时采用。装于汽水引入管管口，形成水膜削减水流动能，蒸汽在该处急转弯，分离出部分颗粒。引入速度不宜太大。两挡板间空隙截面要适宜，蒸汽速度在1.5~4.5m/s。借小孔节流作用使锅筒汽空间蒸汽流速均匀分离器与汽流的接触面积很大，汽流中水滴易于吸附在钢丝网上，达到汽水分离的目的装设于汽空间，也是借助小孔节流作用使汽空间各处负荷均匀；一般位置较高，充分利用重力分离作用。孔径8-10mm，孔间距不宜大于50mm尽量装得高些，纵向蒸汽流速低于穿孔流速的一半。