程 靜，徐 艷，黃 容

( 深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院，廣東 深圳 518029)

濕飽和蒸汽是工業(yè)鍋爐所產(chǎn)蒸汽的主要形態(tài)。蒸汽濕度是表征飽和蒸汽品質(zhì)的重要參數(shù)，但目前工業(yè)鍋爐蒸汽濕度的控制并沒受太大的重視，不僅影響了工業(yè)鍋爐運行的經(jīng)濟性，腐蝕后續(xù)過熱器和工藝管道設(shè)備，有些行業(yè)也會對產(chǎn)品的質(zhì)量造成不利的影響[1-2]。工業(yè)鍋爐運行參數(shù)不穩(wěn)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(jīng)常會出現(xiàn)蒸汽濕度大而影響蒸汽品質(zhì)。工業(yè)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(shè)計一套工業(yè)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(yè)鍋爐飽和蒸汽濕度影響的規(guī)律，這對工業(yè)鍋爐的設(shè)計和運行都有較強現(xiàn)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(tǒng)；汽化釜是模擬工業(yè)鍋爐鍋筒產(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(zhì)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(yè)鍋爐鍋筒內(nèi)取鍋爐水80L作為實驗基礎(chǔ)用水，所取實驗用基礎(chǔ)鍋爐水的主要指標如表1所示。

表1 實驗用基礎(chǔ)鍋爐水指標

采用加熱蒸發(fā)濃縮的方法制備基于基礎(chǔ)鍋爐水的不同含鹽濃度的水樣，分別制備濃縮系數(shù)(濃縮系數(shù)為濃縮結(jié)束時鍋水質(zhì)量與濃縮開始時鍋水質(zhì)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(shù)為70%和30%的水樣制備10 L，其他濃縮系數(shù)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(chǎn)生蒸汽對整個系統(tǒng)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(chǎn)生蒸汽并通過控制蒸汽管道閥門開度將蒸汽壓力穩(wěn)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(tǒng)保證水位穩(wěn)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(chǔ)水樣、70%濃縮水樣和30%濃縮水樣400 mL加熱產(chǎn)生蒸汽并通過控制蒸汽管道閥門開度將蒸汽壓力穩(wěn)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(tǒng)保證水位穩(wěn)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(chǔ)水樣、70%濃縮水樣和30%濃縮水樣600 mL加熱產(chǎn)生蒸汽并通過控制蒸汽管道閥門開度將蒸汽壓力穩(wěn)定在1.0 MPa，在實驗過程中連續(xù)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(guān)閉自動補水系統(tǒng)。汽化釜的尺寸為R35 mm×162 mm，600 mL的鍋爐水樣對應(yīng)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(jié)果與分析

3.1 鍋水含鹽量對蒸汽濕度的影響

工業(yè)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(jié)果如圖2所示，由圖2中可以看出，在不同的濃縮系數(shù)下，隨著鍋水含鹽量的增加，蒸汽濕度先基本保持不變?nèi)缓笤倬€性增加，其轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在濃縮系數(shù)80%左右。這說明，在工業(yè)鍋爐實際運行過程中，在正常的鍋水含鹽量的范圍內(nèi)，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(zhuǎn)折點出現(xiàn)在含鹽量的質(zhì)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(yè)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(dǎo)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(jié)果如圖3所示，由圖3中可以看出，在不同的鍋水濃縮系數(shù)，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(yè)鍋爐飽和蒸汽壓力正常的運行區(qū)間在0～3.8 MPa，因此，飽和蒸汽壓力的提升對工業(yè)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(jié)果如圖4所示，由圖4中可以看出，在不同的鍋水濃縮系數(shù)，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(wěn)增加，最后在指數(shù)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(zhì)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(zhuǎn)折點出現(xiàn)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(shù)性增加的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)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(yè)鍋爐運行參數(shù)范圍內(nèi)，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(nèi)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(dǎo)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(dǎo)致蒸汽濕度隨著水位線性增加，在高水位時，水位增加會導(dǎo)致蒸汽濕度隨著水位指數(shù)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(yè)鍋爐的日常運行中，為保證蒸汽品質(zhì)，使蒸汽濕度保持在正常范圍內(nèi)，要嚴禁高水位運行，做好水處理，定時進行鍋水含鹽量相關(guān)指標的測定，及時進行排污和補充鍋水。

4 結(jié) 論

(1)本文所設(shè)計的工業(yè)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(shù)據(jù)的準確性。

(2)鍋水含鹽量在一定范圍內(nèi)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(dǎo)致蒸汽濕度隨著鍋水含鹽量線性增加。

(3)在工業(yè)鍋爐運行參數(shù)范圍內(nèi)，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。