韓子墨，池作和，王進(jìn)卿，張光學(xué)，楊 文，羅 飛

（1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州310018；2.杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司，杭州310004）

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)具有熱效率高、污染少等特點(diǎn)，是應(yīng)對(duì)能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一［1］.在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，余熱鍋爐是回收燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱、產(chǎn)生推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電所需蒸汽的換熱設(shè)備.為了提高余熱鍋爐的熱利用率，余熱鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)采用雙壓、三壓汽水循環(huán)系統(tǒng)，相應(yīng)的余熱鍋爐會(huì)有多個(gè)汽包.進(jìn)入汽包的工質(zhì)水含有鈉鹽和硅酸等雜質(zhì)，隨著工質(zhì)水不斷被加熱、蒸發(fā)，其中的雜質(zhì)大部分轉(zhuǎn)移到汽包內(nèi)的鍋水中，而飽和蒸汽從汽包引出時(shí)，會(huì)攜帶含有雜質(zhì)濃度較大的鍋水液滴，這種攜帶雜質(zhì)的方式稱為機(jī)械性攜帶.隨著飽和蒸汽的流通，雜質(zhì)會(huì)析出并沉積于換熱器和管道閥門等位置形成鹽垢，造成爆管、堵塞和閥門失靈等后果，嚴(yán)重影響余熱鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性.因此，為了減少飽和蒸汽的機(jī)械性攜帶，汽包內(nèi)通常設(shè)置汽水分離裝置，對(duì)飽和蒸汽進(jìn)行汽水分離，以除去飽和蒸汽中含有雜質(zhì)的液滴［2-3］.其中波形板分離器作為汽水分離過(guò)程中的常用設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于鍋爐汽包汽水分離系統(tǒng)的最末一級(jí)，其性能的好壞對(duì)蒸汽品質(zhì)有較大影響［4］.

由于汽水分離器內(nèi)部的流體流動(dòng)屬于兩相流動(dòng)，分離過(guò)程復(fù)雜，不能用理論公式來(lái)計(jì)算，必須通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行研究［5］.熱態(tài)試驗(yàn)雖然能預(yù)測(cè)實(shí)際波形板內(nèi)的分離過(guò)程，但是其關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量較為困難，而且試驗(yàn)成本大、操作危險(xiǎn)性高.因此，目前對(duì)波形板分離器的研究主要通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn).肖立春等［6］通過(guò)改變波形板分離器折邊長(zhǎng)度、屈折角度、板間距和入口氣流速度等參數(shù)進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究，認(rèn)為增加疏水鉤可以明顯提高波形板總分離效率，無(wú)鉤結(jié)構(gòu)的波形板易產(chǎn)生二次攜帶；王為術(shù)等［7］對(duì)帶鉤波形板分離器的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為風(fēng)速和含濕率對(duì)總分離效率的影響較大，含濕率對(duì)壓降的影響不大，風(fēng)速變化顯著影響波形板的壓降.由此可見(jiàn)，已有研究中沒(méi)有對(duì)波形板的分級(jí)分離效率和波形板前后液滴粒徑變化進(jìn)行試驗(yàn)研究.一般而言，波形板級(jí)數(shù)越多，液滴分離效果越好，但阻力增加.在滿足分離效率要求的前提下，減少級(jí)數(shù)可以減少阻力損失.級(jí)間效率測(cè)量結(jié)果可用于確定波形板最佳級(jí)數(shù).對(duì)波形板前后液滴粒徑進(jìn)行測(cè)量可以更好地確定臨界破膜速度，即波形板分離器壁面液膜被氣流撕裂時(shí)的氣流速度.如果氣流速度大于臨界破膜速度，液膜被撕裂，從而產(chǎn)生二次攜帶，大幅降低分離效率.在波形板分離器的工程設(shè)計(jì)中，蒸汽流過(guò)波形板分離器的速度應(yīng)該小于臨界破膜速度，并留有一定的安全裕度.

以杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司研發(fā)的無(wú)鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器為研究對(duì)象，通過(guò)近似?；睦鋺B(tài)試驗(yàn)方法確定波形板分離器的總分離效率、單級(jí)分離效率、入口液滴粒徑、出口液滴粒徑和阻力損失等數(shù)據(jù)，為余熱鍋爐汽包內(nèi)波形板分離器的選型提供依據(jù).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 近似?；睦鋺B(tài)試驗(yàn)方法

根據(jù)相似原理，要使?；囼?yàn)結(jié)果能夠應(yīng)用到實(shí)際過(guò)程中，必須使試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際裝置中物理現(xiàn)象的單值性條件相似和已定特征數(shù)（即準(zhǔn)則）相等.因此，為了保證冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果盡可能地反映波形板內(nèi)實(shí)際的分離過(guò)程，所采用的試驗(yàn)元件與實(shí)際產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)尺寸一致.另一方面，運(yùn)用相似原理，根據(jù)波形板內(nèi)汽水分離過(guò)程的特點(diǎn)，保留與該過(guò)程密切相關(guān)的參數(shù)準(zhǔn)則，從而近似?；瘜?shí)際過(guò)程.

波形板分離液滴主要是依據(jù)慣性進(jìn)行分離的，而這一機(jī)理的主要準(zhǔn)則關(guān)系是氣流曳力和液滴慣性力之比，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保持該無(wú)量綱數(shù)與實(shí)際過(guò)程相等.

臨界破膜速度是波形板分離器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù).相關(guān)資料表明，該參數(shù)主要與韋伯?dāng)?shù)We有關(guān)，韋伯?dāng)?shù)代表了氣流曳力與液滴表面張力之比，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)保證該特征數(shù)與實(shí)際過(guò)程一致.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

所采用的無(wú)鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.3種波形板分離器除疏水鉤結(jié)構(gòu)不同外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均一致.3種波形板分離器與實(shí)際產(chǎn)品的尺寸比例為1∶1，高度選取部分高度（370mm）.

圖1 波形板分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the corrugated-plate separator

圖2為波形板分離器試驗(yàn)臺(tái).采用空氣和霧化水的混合物模擬汽包內(nèi)的濕蒸汽.空氣由送風(fēng)機(jī)提供，經(jīng)管道引入試驗(yàn)段.霧化水由壓縮空氣霧化噴嘴產(chǎn)生，霧化所需的高壓空氣和水分別由空氣壓縮機(jī)和水泵提供.混合室保證了空氣和霧化水的充分混合.

圖2 波形板分離器試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Test apparatus for the corrugated-plate separator

波形板分離器下方共有6個(gè)集水倉(cāng)，分別對(duì)應(yīng)波形板分離器的6級(jí)，用于收集每級(jí)波形板分離出來(lái)的水.通過(guò)測(cè)量每級(jí)的水量，可以計(jì)算出單級(jí)分離效率.在波形板分離器前后各有一個(gè)測(cè)壓口，使用壓差計(jì)測(cè)量空氣通過(guò)波形板分離器前后的壓降.在冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架尾部采用標(biāo)準(zhǔn)皮托管測(cè)量風(fēng)速，之后根據(jù)流量守恒計(jì)算得到波形板分離器的入口風(fēng)速.采用LS-2000激光粒度分析儀測(cè)量液滴粒徑的分布，該儀器測(cè)量臺(tái)架如圖3所示.

圖3 激光粒度分析儀測(cè)量臺(tái)架Fig.3 Test bench for the laser particle size analyzer

1.3 試驗(yàn)方法

采用空氣和霧化水的汽水混合物模擬汽包內(nèi)的濕蒸汽分離過(guò)程，為了使?；瘮?shù)據(jù)更接近工程實(shí)際，霧化水平均粒徑須遵循相似原理.其中氣流曳力（FI）和液滴慣性力（FD）之比這一無(wú)量綱數(shù)對(duì)分離效率的影響最大.該無(wú)量綱數(shù)為

式中：ρd為液滴密度，kg／m3；Dd為液滴粒徑，m；rd為液滴運(yùn)動(dòng)軌跡曲率半徑，m；ug為氣相速度，m／s；ud為液滴速度，m／s；μg 為動(dòng)力黏度，Pa·s.

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，熱態(tài)工況下波形板分離器的入口液滴平均粒徑為224μm，通過(guò)式（1）計(jì)算得出冷態(tài)工況下入口液滴平均粒徑為63μm.

試驗(yàn)中需要保證入口空氣含濕率不變，當(dāng)入口空氣速度改變時(shí)，需要調(diào)整霧化水量，使氣流含濕量恒定.采用壓縮空氣霧化噴嘴，在一定范圍內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力來(lái)改變霧化水滴的粒徑.不同工況下霧化粒徑的測(cè)量結(jié)果表明，霧化水滴的平均粒徑基本能夠保持在63μm 左右.

1）告警發(fā)生時(shí)間/告警恢復(fù)時(shí)間：2014-09-15 11:54:51+08:00/2014-09-15 11:55:07+08:00.

3種波形板分離器的試驗(yàn)條件見(jiàn)表1.試驗(yàn)中保持含濕率不變，入口空氣速度根據(jù)相似原理計(jì)算，冷態(tài)試驗(yàn)入口風(fēng)速近似為1～9m／s，相應(yīng)的水質(zhì)量流量見(jiàn)表1.

表1 波形板分離器試驗(yàn)條件Tab.1 Experimental conditions for the corrugatedplate separator

在試驗(yàn)過(guò)程中一部分水會(huì)在混合管道中脫離氣流被均汽板前的水箱收集（見(jiàn)圖2），這部分水并未進(jìn)入波形板，其質(zhì)量計(jì)為ms.試驗(yàn)結(jié)束后，可從渦輪流量計(jì)中讀出試驗(yàn)過(guò)程中所消耗水的累積質(zhì)量m，用電子天平分別測(cè)出波形板分離器每一級(jí)分離出的水質(zhì)量mfi和均汽板前水箱的水質(zhì)量ms，則波形板分離器的總分離效率η為

單級(jí)分離效率ηi為

不同波形板分離器的阻力系數(shù)ξ為

式中：Δp為波形板分離器前后壓降，Pa；ρ為空氣密度，kg／m3；u為入口風(fēng)速，m／s.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 總分離效率的比較

3種波形板分離器的總分離效率見(jiàn)圖4.從圖4可以看出，對(duì)于無(wú)鉤波形板分離器，隨著入口風(fēng)速的增大，當(dāng)入口風(fēng)速為1～2m／s時(shí)，總分離效率升高，最大值為91.2%，而當(dāng)入口速度大于約2 m／s時(shí)，總分離效率則呈下降趨勢(shì)；對(duì)于單鉤和雙鉤波形板分離器，總分離效率隨入口風(fēng)速的增大也呈先升高后降低的趨勢(shì)，但總分離效率最大值所對(duì)應(yīng)的入口風(fēng)速分別約為5 m／s和7 m／s.造成這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)入口風(fēng)速超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，波形板分離器內(nèi)出現(xiàn)二次攜帶現(xiàn)象，波形板分離器內(nèi)液膜破裂、大液滴碰壁飛濺，產(chǎn)生大量的二次液滴，這些二次液滴重新進(jìn)入主氣流從而使總分離效率下降，這個(gè)入口風(fēng)速的臨界值即為臨界破膜速度.在本試驗(yàn)中，無(wú)鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器的臨界破膜速度分別約為2m／s、5m／s和7m／s.一般來(lái)講，較大的臨界破膜速度意味著波形板分離器在較大的入口風(fēng)速范圍內(nèi)變化時(shí)，仍能保持較高的分離效率.當(dāng)汽包出口的蒸汽量發(fā)生較大幅度變化，即進(jìn)入波形板分離器的蒸汽速度大幅度變化時(shí)，臨界破膜速度大的波形板分離器具有更好的負(fù)荷適應(yīng)性.

圖4 3種波形板分離器的總分離效率Fig.4 Total separation efficiency of three differentlystructured corrugated-plate separators

從圖4還可以看出，雙鉤波形板分離器的總分離效率最大值可達(dá)98.5%，無(wú)鉤和單鉤波形板分離器的總分離效率最大值分別為91.2%和93.6%；在不同入口風(fēng)速下，雙鉤波形板分離器的總分離效率高于無(wú)鉤和單鉤波形板分離器.這是由于雙鉤波形板分離器的雙鉤結(jié)構(gòu)一方面可以有效阻止液膜被撕裂，另一方面在雙鉤之間形成漩渦，可有效分離小液滴，從而保持較高的總分離效率.因此，如果設(shè)計(jì)時(shí)需采用較高的總分離效率，宜選用雙鉤波形板分離器作為汽水分離元件.

2.2 單級(jí)分離效率的比較

3種波形板分離器的單級(jí)分離效率見(jiàn)圖5.從圖5可知，對(duì)于無(wú)鉤和雙鉤波形板分離器，無(wú)論是高入口風(fēng)速還是低入口風(fēng)速，前3級(jí)的單級(jí)分離效率遠(yuǎn)高于后3級(jí)的單級(jí)分離效率，即對(duì)于這2種結(jié)構(gòu)的波形板分離器來(lái)說(shuō)，分離作用主要體現(xiàn)在第1級(jí)～第3級(jí).以無(wú)鉤波形板分離器入口風(fēng)速約為2m／s時(shí)為例，前3 級(jí)的單級(jí)分離效率分別為42.6%、24.7%和18.9%，后3 級(jí)的單級(jí)分離效率分別為3.6%、1.2%和0.2%，前3級(jí)的單級(jí)分離效率顯著高于后3級(jí).

圖5 3種波形板分離器的單級(jí)分離效率Fig.5 Single-stage separation efficiency of three differentlystructured corrugated-plate separators

對(duì)于單鉤波形板分離器，當(dāng)入口風(fēng)速增大到6 m／s后，后3級(jí)單級(jí)分離效率的上升幅度顯著大于無(wú)鉤和雙鉤波形板分離器，尤其是第6級(jí)單級(jí)分離效率的上升幅度最為明顯.當(dāng)入口風(fēng)速約為8 m／s時(shí)，單鉤波形板分離器第6 級(jí)的單級(jí)分離效率為12.5%，已高于其第4級(jí)和第5級(jí)，這與無(wú)鉤和雙鉤波形板分離器第6級(jí)單級(jí)分離效率始終為最小的情形明顯不同.這主要因?yàn)閱毋^波形板分離器第6級(jí)存在擋板（見(jiàn)圖1），大量液滴撞擊到擋板上后被分離，使得第6級(jí)單級(jí)分離效率上升幅度較大.若單鉤波形板分離器的擋板一旦失效，將對(duì)波形板分離器在較大入口風(fēng)速時(shí)的單級(jí)分離效率產(chǎn)生顯著影響.

對(duì)于無(wú)鉤和雙鉤波形板分離器，由于后2級(jí)的單級(jí)分離效率很低，在保證總分離效率的前提下，可以取消第5級(jí)和第6級(jí)以減小波形板分離器的阻力.

2.3 總分離效率與出口液滴粒徑的關(guān)系

不同入口風(fēng)速下3種波形板分離器總分離效率與出口液滴粒徑的關(guān)系見(jiàn)圖6.從圖6可以看出，3種波形板分離器的總分離效率和出口液滴粒徑間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律.當(dāng)入口風(fēng)速達(dá)到臨界破膜速度時(shí)，波形板分離器壁面上的液膜被撕裂，產(chǎn)生二次攜帶，且因液膜被撕裂而產(chǎn)生較大粒徑的液滴，出口液滴粒徑迅速增大，總分離效率降低.結(jié)合總分離效率和出口液滴粒徑測(cè)量結(jié)果，可以很好地確定臨界破膜速度.

對(duì)于無(wú)鉤波形板分離器，當(dāng)入口風(fēng)速小于臨界破膜速度時(shí)，出口液滴粒徑約為10μm；當(dāng)入口風(fēng)速接近和大于臨界破膜速度后，出口液滴粒徑迅速增大到20μm 左右；當(dāng)入口風(fēng)速增大到5 m／s以上時(shí)，出口液滴粒徑隨入口風(fēng)速的增大而略微減小.對(duì)于單鉤和雙鉤波形板分離器，當(dāng)入口風(fēng)速遠(yuǎn)小于臨界破膜速度時(shí)，出口液滴粒徑為5～6μm；當(dāng)入口風(fēng)速接近和大于臨界破膜速度后，出口液滴粒徑迅速增大到24～26μm.

2.4 波形板分離器的阻力特性

波形板分離器的阻力大小是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)之一.一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的波形板分離器除了需要保證良好的分離效率，還要求其阻力小.3種波形板分離器阻力系數(shù)隨波形板入口處雷諾數(shù)Re的變化曲線見(jiàn)圖7，其中Re為：

式中：ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2／s；De為當(dāng)量直徑，m；a和b分別為波形板分離器入口高度和寬度，m.

圖6 波形板分離器總分離效率與出口液滴粒徑的關(guān)系Fig.6 Outlet droplet size vs.total separation efficiency of the corrugated-plate separator

圖7 3種波形板分離器的阻力系數(shù)Fig.7 Resistance coefficient of three differently-structured corrugated-plate separators

從圖7可以看出，單鉤波形板分離器的阻力系數(shù)最大，雙鉤波形板分離器的阻力系數(shù)次之，無(wú)鉤波形板分離器的阻力系數(shù)最小.這是由于單鉤波形板分離器的單鉤結(jié)構(gòu)對(duì)氣流邊界層的破壞較大，因此壓降也較大；無(wú)鉤波形板分離器流道內(nèi)沒(méi)有布置疏水鉤，從而對(duì)氣流的擾動(dòng)較少，阻力系數(shù)較??；雙鉤波形板分離器阻力系數(shù)小于單鉤波形板分離器的原因是雙鉤波形板分離器的疏水鉤由前鉤和后鉤組成，前鉤的存在對(duì)氣流進(jìn)行了很好的導(dǎo)流，避免氣流直接沖刷后鉤，大大減少了氣流的擾動(dòng)，從而減小了阻力系數(shù).

從圖7還可以看出，當(dāng)Re增大到某一數(shù)值時(shí)，波形板分離器的阻力系數(shù)不再隨Re變化，表明Re達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，波形板分離器內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入第二自?；瘏^(qū).3種波形板分離器第二自?；瘏^(qū)的臨界Re均約為12 000，對(duì)應(yīng)的入口風(fēng)速約為6 m／s，此時(shí)無(wú)鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別約為3.7、9.3和5.1.

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合總分離效率和出口液滴粒徑測(cè)量結(jié)果，很好地確定了無(wú)鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器的臨界破膜速度，分別為2m／s、5m／s和7m／s.

（2）雙鉤波形板分離器的總分離效率最大值可達(dá)98.5%，無(wú)鉤和單鉤波形板分離器的總分離效率最大值分別為91.2%和93.6%.雙鉤波形板分離器的總分離效率明顯高于無(wú)鉤和單鉤波形板分離器.

（3）對(duì)于無(wú)鉤和雙鉤波形板分離器，由于后2級(jí)的單級(jí)分離效率很低，在保證總分離效率的前提下，可以取消第5級(jí)和第6級(jí)以減小其阻力.

（4）對(duì)于單鉤波形板分離器，在入口風(fēng)速超過(guò)6 m／s后，后3級(jí)單級(jí)分離效率的上升幅度顯著大于無(wú)鉤和雙鉤波形板分離器，尤其是第6級(jí)單級(jí)分離效率的上升幅度最為明顯.

（5）當(dāng)Re超過(guò)12 000時(shí)，無(wú)鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)，對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別約為3.7、9.3和5.1.雙鉤波形板的總分離效率高、阻力系數(shù)小，在實(shí)際工程中可優(yōu)先采用.

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