郭朋飛,隋陽(yáng),王琪,羅茜

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院,陜西 西安 710076;2北京石油化工工程有限公司西安分公司,陜西 西安 710076)

汽包主要用于電力行業(yè)中壓高壓亞臨界鍋爐中,是鍋爐中最重要的受壓元件[1]。汽包也是化工裝置中常見的工藝設(shè)備,常被用于廢熱鍋爐系統(tǒng),或與放熱反應(yīng)的反應(yīng)設(shè)備配套使用,如甲醇裝置中甲醇合成塔,乙二醇裝置中乙二醇羰化反應(yīng)器和加氫反應(yīng)器都配有汽包,以實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)蒸汽的功能。在工業(yè)爐中,也通常在對(duì)流段設(shè)置汽包等部件以有效利用工業(yè)爐余熱副產(chǎn)蒸汽,從而提高工業(yè)爐的熱效率。

1 汽包功能

汽、水循環(huán)系統(tǒng)指汽水混合物在汽包、上升管、下降管、下集箱組成系統(tǒng)中的循環(huán)流動(dòng),在循環(huán)不息的流動(dòng)過程中,水通過受熱面被加熱、氣化,產(chǎn)生蒸汽,匯集于汽包的汽、水混合物在汽包的蒸汽空間經(jīng)過汽、水分離后,蒸汽被引出。汽、水循環(huán)系統(tǒng)中汽包的功能如下,1)容水:系統(tǒng)給水直接補(bǔ)充至汽包內(nèi),它是下降管中循環(huán)水的來(lái)源,在負(fù)荷升降時(shí)在受熱管中能得到適當(dāng)?shù)乃?并由汽包的高位使循環(huán)系統(tǒng)獲得一定的循環(huán)動(dòng)力;2)容汽:下游蒸汽需求量發(fā)生變化時(shí),能維持下游所需的蒸汽流量;3)汽、水分離:通過汽包內(nèi)的分離空間及汽、水分離裝置,使汽、水混合物在汽包內(nèi)充分地分離,得到含水沫及雜質(zhì)少的蒸汽[2];4)排污:通過加藥裝置改善水的品質(zhì),處理給水中的殘余硬度,避免其在系統(tǒng)內(nèi)生成水垢,同時(shí)水汽被蒸發(fā)后,一些不溶性污物會(huì)濃縮于汽包之中,故汽包還擔(dān)負(fù)有排污作用。

2 汽包容積

汽包容積取決于氣相空間和液相空間大小。汽包的氣相空間起著重力分離的作用,向上流動(dòng)的蒸汽攜帶著以一定初速向上濺起的水滴,由于重力作用,水滴隨蒸汽向上運(yùn)動(dòng)到某一高度后終將落回水面,為保證氣相空間有足夠高度實(shí)現(xiàn)重力分離,工程上推薦不小于0.5 m,同時(shí)把容積強(qiáng)度即汽包內(nèi)氣相空間單位時(shí)間內(nèi)通過的蒸汽流量作為一個(gè)控制指標(biāo),如式1所示。

RR=Dv/VR

(1)

其中,RR為容積強(qiáng)度,m3/(m3·h);D為蒸汽流量,kg;v為蒸汽比熱容,m3/kg;VR為汽包內(nèi)蒸汽空間體積,m3。

不同壓力下允許的蒸汽空間的容積強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 不同壓力下允許的容積強(qiáng)度

汽包的液相空間起著容水作用,應(yīng)有足夠大的容積,以便在喪失水位時(shí)維持對(duì)鍋爐的供水直到停車,推薦汽包尺寸按低水位報(bào)警到水干的時(shí)間應(yīng)為2～6 min。

綜合考慮氣相空間和液相空間大小,即可設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的汽包尺寸。

3 汽包內(nèi)件

3.1 分離元件

汽水分離裝置的作用是有效分離飽和蒸汽中攜帶的水分,增大蒸汽干度,滿足下游用戶需要。汽包的分離元件分為一次分離元件和二次分離元件[3]。汽水混合物進(jìn)入汽包時(shí),含有大量的水分,最高可達(dá)95%～98%,一次分離元件的作用是對(duì)進(jìn)入汽包的汽水混合物進(jìn)行初次分離,同時(shí)保證分離出的水分能順利地流入汽包的液相空間,不會(huì)被蒸汽二次攜帶,并避免在消除汽水混合物動(dòng)能的過程中把水滴碰得過碎,常見的一次分離元件有進(jìn)口擋板、縫隙擋板、水下孔板、旋風(fēng)分離器[4]。二次分離元件的作用是把蒸汽中攜帶的細(xì)小水滴分離出來(lái),并均勻地引出蒸汽。二次分離元件布置在氣相空間,由于氣相空間有限,故要求結(jié)構(gòu)緊湊,占用較小的蒸汽空間,常用的二次分離元件有勻汽孔板、波形板分離器、集汽管。

分離裝置的設(shè)計(jì)原則如下[5]:1)應(yīng)盡可能避免汽包氣相空間、汽包蒸發(fā)面的局部負(fù)荷過大,保證蒸汽能均勻地穿出水面和從汽包引出;2)應(yīng)有效削弱進(jìn)入汽包的汽水混合物動(dòng)能,降低其對(duì)汽包水面的沖擊;3)應(yīng)使進(jìn)入汽包的汽水混合物流動(dòng)路線急轉(zhuǎn)多折,從而能充分利用慣性和離心的分離作用,并應(yīng)注意及時(shí)把分離的水引走,避免被蒸汽再次攜帶;4)創(chuàng)造大量的水膜表面積,以黏附更多的水滴。

3.1.1 進(jìn)口擋板

當(dāng)上升管設(shè)在汽包的氣相空間時(shí),可在上升管管口設(shè)置進(jìn)口擋板,以削弱汽水混合物動(dòng)能并在擋板上形成水膜,同時(shí)蒸汽在流經(jīng)擋板和汽包筒體形成的間隙時(shí)急劇轉(zhuǎn)彎,可以從蒸汽中分離出部分水滴,對(duì)汽水混合物起初步分離的作用。

設(shè)計(jì)要點(diǎn):1)進(jìn)入進(jìn)口擋板的汽水混合物速度不宜太大,否則水分沖擊擋板后會(huì)形成細(xì)小水滴,對(duì)分離不利;2)擋板與管口之間應(yīng)保持有不小于兩倍上升管管徑的距離,保證進(jìn)入汽包后的汽水混合物有距離減速、擴(kuò)散,避免擋板上的水膜被汽水混合物撕破;3)汽水混合物流向與進(jìn)口擋板之間的夾角不宜大于45°,以平穩(wěn)消除汽水混合物的動(dòng)能。

3.1.2 縫隙擋板

縫隙擋板是通過調(diào)整兩塊擋板的間距達(dá)到調(diào)節(jié)汽水混合物流速的目的,其具體工作方式為,上升管的汽水混合物進(jìn)入縫隙擋板后,在縫隙擋板和汽包筒體形成的狹小空間內(nèi)慣性回旋,縫隙擋板的下?lián)醢鍝踝∷质蛊湎蛳铝魅肫囊合嗫臻g,蒸汽從上下?lián)醢彘g的空隙流出,從而完成汽水混合物的初步分離,如圖2所示?？p隙擋板內(nèi)無(wú)阻隔物,汽水阻力小,分離效果也較好,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造容易,使用過程中很少需要維護(hù)[6]。

3.1.3 水下孔板

當(dāng)汽水混合物從汽包液相空間進(jìn)入時(shí),常采用在水面下裝設(shè)開有均勻小孔的孔板,使水面上各處蒸汽均勻發(fā)生,設(shè)置水下孔板后會(huì)對(duì)蒸汽蒸發(fā)產(chǎn)生一定阻力,從而在孔板下方形成一層穩(wěn)定的氣墊,有效消除汽水混合物動(dòng)能,最終蒸汽可以均勻通過孔板,減少水面上飛濺的水滴細(xì)沫,汽包中水面也比較平穩(wěn)。阻力過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致形成的氣墊過厚,汽包下降管中容易帶汽,蒸汽蒸發(fā)阻力與開孔大小及數(shù)量相關(guān)。

3.1.4 旋風(fēng)分離器

如圖3所示,來(lái)自上升管的汽水混合物從切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器,靠汽水密度不同通過離心力進(jìn)行汽水初步分離,沿筒體上升的蒸汽在流過頂帽時(shí),濕蒸汽再次得到分離,而且旋風(fēng)分離器還起到消除汽水混合物的動(dòng)能、減少液相空間含汽量、保證液相平靜、避免產(chǎn)生泡沫等作用。

1-筒體導(dǎo)葉;2-溢流環(huán);3-筒體。

設(shè)計(jì)要點(diǎn):1)適合于蒸發(fā)量大于35 t/h、對(duì)蒸汽品質(zhì)要求較高的場(chǎng)合;2)工業(yè)用旋風(fēng)分離器的筒體直徑一般用260 mm和290 mm兩種,其筒體用2～3 mm厚的鋼板卷成;3)旋風(fēng)分離器上部應(yīng)設(shè)溢流環(huán),使沿筒體旋轉(zhuǎn)上升的水膜從筒體與溢流環(huán)的間隙里流出,從而降低蒸汽帶水量;4)旋風(fēng)分離器底部邊緣應(yīng)在汽包的正常水位下180～200 mm處,從而避免蒸汽由旋風(fēng)分離器底部短路流出。

3.1.5 勻汽孔板

勻汽孔板工作原理與水下孔板相似,依靠小孔節(jié)流作用使蒸汽沿汽包寬度、長(zhǎng)度方向均勻上升,從而使汽包氣相空間各處蒸汽負(fù)荷均勻,避免氣相空間出現(xiàn)局部負(fù)荷集中現(xiàn)象,從而有效利用氣相空間實(shí)現(xiàn)重力分離,勻汽孔板上一般均勻開孔,孔徑為8～12 mm,孔間距不宜大于50 mm。設(shè)計(jì)要點(diǎn):1)在滿足設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要求的前提下,勻汽孔板應(yīng)盡量布置在高處,以增加蒸汽空間的有效分離高度;2)勻汽孔板應(yīng)盡量布置得長(zhǎng)些,其長(zhǎng)度不宜小于三分之二的汽包直段長(zhǎng)度,以增加蒸汽空間的利用程度;3)勻汽孔板四周應(yīng)嚴(yán)密,兩端應(yīng)有封板封死。

3.1.6 給水分配管

汽包在運(yùn)行過程中不停地向外輸出蒸汽,同時(shí)通過排污裝置排出含鹽量較高的爐水,故需向汽包給水以保證汽水循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行,給水分配管的作用是使給水沿汽包長(zhǎng)度方向均勻分配。給水分配管一般設(shè)在低于最低水位的近水面處,以減少蒸汽的帶鹽和減輕泡沫的形成。同時(shí)給水分配管應(yīng)遠(yuǎn)離排污管特別是表面排污管,以提高排污水的含鹽濃度。

設(shè)計(jì)要點(diǎn):1)配水母管應(yīng)盡量長(zhǎng)些,且由中間向兩側(cè)配水,其長(zhǎng)度不宜小于三分之二的鍋筒直段長(zhǎng)度,以使配水沿汽包長(zhǎng)度方向均勻;2)給水分配管上小孔的開孔方向應(yīng)以有意造成鍋水濃度差為原則;3)小孔間距100～200 mm。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

已知某項(xiàng)目中汽包初期操作壓力為2.6 MPa,蒸發(fā)量為69.76 t/h;末期操作壓力為3.3 MPa,蒸發(fā)量為67.07 t/h,下面依據(jù)上述條件對(duì)該汽包進(jìn)行設(shè)計(jì),操作條件下汽包內(nèi)氣液均為飽和狀態(tài),查詢可知汽包的操作溫度及其物性參數(shù),并可確定汽包的設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度,如表1所示。

表1 汽包設(shè)計(jì)條件

4.1 汽包容積

1)氣相空間所需體積,按操作壓力下允許的容積強(qiáng)度設(shè)計(jì):

初期工況所需體積為:

VR=Dv/RR= (69 760×0.079 78)/950≈5.9 m3

末期工況所需體積為:

VR=Dv/RR=(69 070×0.006 156)/900≈4.6 m3

取氣相空間體積為5.9 m3。

2)液相空間所需體積,按低位報(bào)警到水干時(shí)間6 min設(shè)計(jì):初期工況所需體積為:

V=6.9.76×(6/60)×1.201≈8.4 m3

末期工況所需體積為:

V=67.07×(6/60)×1.228≈8.3 m3

取液相空間體積為8.4 m3。

3)本項(xiàng)目中汽包蒸發(fā)量較大,取汽包直徑為2 000 mm,如圖9所示,正常液位在汽包截面中心線處,高液位、低液位偏離正常液位200 mm,低低液位在低液位下方100 mm。高液位上方為氣相空間,其截面積為1.173 5 m2;低低液位下方為液相空間,其截面積為0.98 m2。

按氣相空間所需體積可知汽包長(zhǎng)度為:

L=V/F1=5.9/1.1735=5.1 m

按液相空間所需體積可知汽包長(zhǎng)度為:

L=V/F2=8.4/0.98=8.6 m

取汽包長(zhǎng)度為8.6 m,綜上所述,汽包規(guī)格為DN2 000 mm×8 600 mm。

4.2 汽包內(nèi)件

該項(xiàng)目汽水混合物從液相空間進(jìn)入汽包,一次分離裝置采用縫隙擋板,二次分離裝置采用勻汽孔板,排污裝置采用喇叭口排污裝置,按JB/T 9618—1999《工業(yè)鍋爐鍋筒內(nèi)部裝置設(shè)計(jì)導(dǎo)則》進(jìn)行內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8-9],最終結(jié)構(gòu)尺寸如下:

1)縫隙擋板,結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

圖4 汽包內(nèi)件結(jié)構(gòu)

2)勻汽孔板,孔板尺寸為900 mm×4 100 mm,均勻開設(shè)1 954個(gè)φ10 mm小孔,孔間距40 mm,蒸汽出口正下方φ680 mm范圍內(nèi)為非開孔區(qū)。

3)給水分配管,給水分配管大小為DN150 mm,長(zhǎng)度7 000 mm,按100 mm間距均勻開設(shè)128個(gè)φ12 mm小孔,開孔為兩排,一排朝下開設(shè),一排水平開設(shè)。

4)排污裝置,排污管大小為DN40 mm,長(zhǎng)度7 300 mm,按800 mm間距均勻開設(shè)10個(gè)φ8 mm小孔,開孔朝上,孔上設(shè)DN25 mm喇叭口連續(xù)排污管。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā),詳細(xì)闡述了汽包的工藝作用及一次分離元件、二次分離元件、給水分配管、排污裝置、加藥管等汽包內(nèi)件的設(shè)計(jì)方法,對(duì)工業(yè)裝置中汽包的設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。