程 靜，徐 艷，黃 容

( 深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)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(méi)受太大的重視，不僅影響了工業(yè)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，腐蝕后續(xù)過(guò)熱器和工藝管道設(shè)備，有些行業(yè)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量造成不利的影響[1-2]。工業(yè)鍋爐運(yùn)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(shí)變化，運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)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(guò)設(shè)計(jì)一套工業(yè)鍋爐模擬裝置，消除測(cè)量誤差，采用實(shí)驗(yàn)方法，分別得出鍋水含鹽量、蒸汽壓力和水位高度對(duì)工業(yè)鍋爐飽和蒸汽濕度影響的規(guī)律，這對(duì)工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為本實(shí)驗(yàn)裝置整體布置簡(jiǎn)圖。電控柜為整個(gè)裝置的自動(dòng)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(jìn)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(mén)等輔件和附件；補(bǔ)水管路是汽化釜的補(bǔ)水通道；進(jìn)料天平和出料天平，分別用來(lái)計(jì)量補(bǔ)給水和蒸汽冷凝水的質(zhì)量；蒸汽的冷凝裝置通過(guò)二級(jí)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(shí)驗(yàn)方法

2.1 鍋爐水樣的制備

在實(shí)際運(yùn)行的工業(yè)鍋爐鍋筒內(nèi)取鍋爐水80L作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)用水，所取實(shí)驗(yàn)用基礎(chǔ)鍋爐水的主要指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用基礎(chǔ)鍋爐水指標(biāo)

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(shí)鍋水質(zhì)量與濃縮開(kāi)始時(shí)鍋水質(zhì)量的比值)為0～90%按照10%間隔均勻分布的10個(gè)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(cè)量

2.3 蒸汽冷凝水取樣

為保證蒸汽冷凝水取樣的準(zhǔn)確性，在每次實(shí)驗(yàn)之前先用純水產(chǎn)生蒸汽對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，在蒸汽冷凝水取樣時(shí)，取中間段的蒸汽冷凝水。

2.4 鍋水含鹽量對(duì)蒸汽濕度影響的實(shí)驗(yàn)

分別將10個(gè)不同濃度的鍋爐水樣400 mL加熱產(chǎn)生蒸汽并通過(guò)控制蒸汽管道閥門(mén)開(kāi)度將蒸汽壓力穩(wěn)定在1.0 MPa時(shí)取蒸汽冷凝水100 mL，分別計(jì)算出蒸汽濕度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)補(bǔ)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(duì)蒸汽濕度影響的實(shí)驗(yàn)

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(guò)控制蒸汽管道閥門(mén)開(kāi)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(shí)取蒸汽冷凝水100 mL，分別計(jì)算出蒸汽濕度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)補(bǔ)水系統(tǒng)保證水位穩(wěn)定，消除水位變化對(duì)蒸汽濕度的影響。

2.6 水位對(duì)蒸汽濕度影響的實(shí)驗(yàn)

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(guò)控制蒸汽管道閥門(mén)開(kāi)度將蒸汽壓力穩(wěn)定在1.0 MPa，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)取蒸汽冷凝水，每60 mL間隔為一個(gè)冷凝水樣，取8個(gè)樣品，分別計(jì)算出蒸汽濕度。在本次整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閉自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)。汽化釜的尺寸為R35 mm×162 mm，600 mL的鍋爐水樣對(duì)應(yīng)高度為156 mm(接近滿(mǎn)水位)，每取60 mL蒸汽冷凝水，汽化釜的水位降低15.6 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鍋水含鹽量對(duì)蒸汽濕度的影響

工業(yè)鍋爐鍋水含鹽量變化較大。當(dāng)含鹽量增加時(shí)，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(huì)在汽水分界面處形成泡沫，泡沫層也會(huì)擠壓汽空間，使得汽水不易分離，泡沫也會(huì)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(shí)驗(yàn)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€(xiàn)性增加，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在濃縮系數(shù)80%左右。這說(shuō)明，在工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(dāng)含鹽量超過(guò)一定的值，蒸汽濕度隨著含鹽量的增加線(xiàn)性增加。在本實(shí)驗(yàn)所采用的鍋爐水中，蒸汽濕度急劇增加的轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(duì)蒸汽濕度的影響

從理論上來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一臺(tái)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(dòng)速度增加，帶水能力增強(qiáng)，會(huì)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行區(qū)間在0～3.8 MPa，因此，飽和蒸汽壓力的提升對(duì)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(duì)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(lái)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(lái)的速度越小，當(dāng)水滴還沒(méi)來(lái)得及分離的時(shí)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)性平穩(wěn)增加，最后在指數(shù)性急劇增加，在高水位運(yùn)行情況下，飽和蒸汽濕度達(dá)到20%以上，最高達(dá)78.32%，蒸汽品質(zhì)嚴(yán)重惡化。實(shí)驗(yàn)用的汽化釜的總高度為162 mm，從基本保持不變到線(xiàn)性增加的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在水位高度110 mm左右，距離蒸汽出口52 mm，從線(xiàn)性增加到指數(shù)性增加的轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，在工業(yè)鍋爐運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)，蒸汽壓力對(duì)蒸汽濕度基本沒(méi)有影響，鍋水含鹽量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，蒸汽濕度基本保持不變，當(dāng)鍋水含鹽量超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蒸汽濕度隨著鍋水含鹽量線(xiàn)性增加；在低水位時(shí)，水位增加對(duì)蒸汽濕度基本沒(méi)有影響，中高水位時(shí)，水位增加會(huì)導(dǎo)致蒸汽濕度隨著水位線(xiàn)性增加，在高水位時(shí)，水位增加會(huì)導(dǎo)致蒸汽濕度隨著水位指數(shù)性增加。從對(duì)蒸汽濕度的貢獻(xiàn)來(lái)說(shuō)，中高水位對(duì)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(méi)有影響。因此，在工業(yè)鍋爐的日常運(yùn)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(yán)禁高水位運(yùn)行，做好水處理，定時(shí)進(jìn)行鍋水含鹽量相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，及時(shí)進(jìn)行排污和補(bǔ)充鍋水。

4 結(jié) 論

(1)本文所設(shè)計(jì)的工業(yè)鍋爐模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)鍋水含鹽量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，蒸汽濕度基本保持不變，當(dāng)鍋水含鹽量超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蒸汽濕度隨著鍋水含鹽量線(xiàn)性增加。

(3)在工業(yè)鍋爐運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)，蒸汽壓力對(duì)蒸汽濕度的影響不大。

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