大型火管鍋爐的鍋筒內裝設計

武成國

摘要：以某一項目為例，對大型火管鍋爐的鍋筒內部裝置進行選型計算，為同類鍋筒設計提供參考實例。

關鍵詞：鍋筒、水下孔板、波形板分離器、勻汽孔板、

0、前言

一項目的大型立式火管鍋爐頂部設置鍋筒，鍋爐本體高20m，鍋爐通過鍋筒產汽量約為14t/h，循環倍率為40，鍋筒的上升管為6根，下降管為2根，這些基本設計條件對內部裝置的布置帶來一定的困難。

對鍋筒而言，設計可靠性高的內裝，達到良好的分離效果，對系統的正常運行至關重要。本文從鍋筒設計實例，探討大型立式火管鍋爐的鍋筒內裝設計。

1、鍋筒內裝設計原則

鍋筒內裝的設計原則包括合理的汽水一次和二次分離、良好的汽水流動、給水均勻分配、合理的排污，防止下降管帶汽等等。

下面將從鍋筒內裝的設計原則方面，說明內裝總體布置、一次分離裝置、二次分離裝置、給水分配管、排污管、水位保護裝置和下降管入口柵板等設計。

鍋筒設計數據，運行壓力1.1MPa（G），蒸汽流量14t/h，循環倍率40，上升管規格6-φ219，布置在鍋筒側面，下降管規格為2-φ325，布置在鍋筒下部，筒體為DN1200，長度為4500mm，要求飽和蒸汽濕度不大于1%。

2、鍋筒內裝選型和布置

2.1 內裝選型

本項目的鍋爐雖然是火管鍋爐，但對蒸汽品質要求高，鍋筒內裝組合方案為，一次分離裝置采用水下孔板，二次分離裝置采用波形板分離器和勻汽孔板，能達到濕度要求。

根據要求，鍋筒的上升管布置在側面，可以采用縫隙擋板，但鍋筒通徑DN1200mm，直徑小，若采用縫隙擋板，大部分蒸汽從正常液位以上至少150高的位置分離出，再向上流動中進行重力分離，然后進入波形板分離器和勻汽孔板進行分離，其中的重力分離的距離小，重力分離的效果差，故不采用縫隙擋板。

2.2 內裝布置

鍋筒內裝的布置為：6根上升管布置在側面，上升管區域通過折流板與水下孔板相連接;兩根下降管布置在兩端的下部，在鞍座的外側;上部布置波形板分離器和勻汽孔板;兩端設置上排污接口，中間下部設計下排污接口;其余內裝按需要布置，下面詳細說明內裝設計。

3、折流板和一次分離裝置設計

3.1 折流板設計

上升管在側面，需設置折流板將汽水混合物引到水下孔板的下部進行一次汽水分離，折流板的設計原則為：汽水混合物從折流板與筒體的間隙流到水下孔板的流速盡量的低，減小流體對水下孔板氣墊的沖擊;汽水混合物從折流板縱向兩端流出時，避免下降管帶氣。

計算后，鍋筒折流板與筒體的間隙面積3200（縱向）x150（橫向）mm=4.8x105mm，上升管的總橫截面積為1.88 x105mm，前者是后者的2.5倍，設計合理。

3.2 一次分離裝置設計

一次分離裝置采用水下孔板，設計原則：選擇合理的穿孔流速，形成一層氣墊，均勻蒸發負荷;合理的水流動，形成良好的水內部循環;應盡量的長，至少為鍋筒長度的三分之二。

根據運行壓力，水下孔板穿孔流速為5.3m/s，因需總開孔面積較大，為減少孔數量，開孔直徑定為φ12mm，設計數據為3400（長度）mmx600（寬度）mm-1176（孔數量）-φ12（孔直徑）mm。

因鍋爐循環倍率高，上升管中分離出的水量為546t/h，合理布置水下孔板的位置，是本鍋筒與常規鍋筒相比，應特別考慮的方面。通常水下孔板與鍋筒筒體的通道面積，能夠保證水的流速在1m/s以下，水流能通暢，經計算本鍋筒此速度為0.8m/s，設計合理。

4、二次分離裝置設計

4.1 波形板分離器設計

二次分離裝置包括波形板分離器和勻汽孔板。波形板分離器的布置有水平式和立式兩種，水平式的蒸汽最大允許速度較立式小很多，為將波形板分離器布置的長些，蒸汽體積流量小選水平式，蒸汽體積流量大選立式;波形板分離器的長度應盡量的長，至少為鍋筒長度的三分之二。

計算后，本鍋筒波形板分離器前的蒸汽速度為2.1m/s，縱向長度同水下孔板，縱向有兩排波形板分離器，以鍋筒縱向中心面呈V型布置，在V形底部布3根φ25的疏水管，插入到正常水位以下，用來疏水和平衡壓力。

4.2 勻汽孔板設計

勻汽孔板設計原則：選擇合理的穿孔流速，防止局部蒸汽負荷集中，均勻蒸汽負荷。

計算后，本鍋筒勻汽孔板的選用穿孔流速為13m/s，開孔數據為900（孔數量）-φ6（孔直徑），開孔率為2%，縱向長度為3300mm。為防止局部蒸汽負荷集中，應注意兩點，一是勻汽孔板上部弓形截面的最大縱向蒸汽速度應不大于蒸汽穿孔平均流速的二分一，二是蒸汽引出管內的蒸汽速度應不大于蒸汽穿孔平均流速的百分之七十，若不滿足這兩點，應采取措施;經計算本鍋筒的勻汽孔板的符合這兩點的要求，不需采用措施。

5、給水分配管、排污管、水位保護裝置設計

5.1 給水分配管

本項目給水分配管從封頭進入，直接將給水引到下降管處，能防止下降管入口處抽空，和振動等;由于管內給水溫度比鍋筒內運行溫度低，為防止溫差應力對鍋筒的疲勞破壞，給水管引入封頭處應加套管，套管和給水管的間隙大小應能使溫度梯度減小。

本項目鍋筒，給水分配管通徑DN65，套管通徑DN100，能滿足設計要求。

5.2 排污管設計

鍋筒一般設置連續排污管和定期排污管，設計原則：裝在雜質濃度最大的地方，同時遠離給水管和加藥管。

本項目鍋筒長徑比小，為細長型筒體，因此兩端各設置DN40連續排污管（上排污管），排污負荷均勻。在鍋筒中間的底部設一定期排污管（下排污管），通徑為DN40。排污設計能夠滿足蒸汽品質的要求。

5.3 水位保護裝置設計

水位保護裝置的設計原則：減少和消除鍋筒內部工況對水位計的干擾，防止水位計的讀數失真導致人為失誤，保證水位計的正常工作。

常規直徑φ1200mm的鍋筒，液位計中心距一般為350mm，適用整體式水位保護裝置（即汽側保護和水側保護合并在一起）。本項目同為直徑φ1200mm的鍋筒，但用戶要求液位計中心距為500mm，數量為3套，且3套液位計均布置在同一側（另一側6根上升管和折流板占用大量空間），若仍采用整體式結構，占用鍋筒內部徑向的空間大，將影響鍋筒內部的水循環和蒸汽品質，因此本項目水位保護裝置的水側保護和汽側保護分開，符合設計原則。

6、下降管入口柵板設計

下降管入口柵板的設計原則：防止下降管入口產生漩渦和分離出汽體，下降管帶汽會引起水循環事故和振動等，應避免。

本項目鍋筒下降管為2-φ325x10，通徑大，下降管距最低水位（鍋筒水平中心面以下20）距離為580mm，小于四倍下降管內徑4x305=1220mm，應設置下降管入口柵板;入口柵板距下降管取為180mm，符合0.5～1.0倍管徑的要求;入口柵板的大小設計為650x650，滿足2倍管徑的要求;因下降管的位置距離水下孔板和折流板較近，為防止上升管的汽水混合物可能進入下降管，在入口柵板靠近水下孔板一側，加適當高度的擋板，進一步避免下降管帶汽的可能性。

7、結束語

本鍋筒針對根據大型立式火管鍋爐的工況，進行了優化設計，為同類鍋筒的設計提供了借鑒。

參考文獻

[1] JB/T9618-1999，《工業鍋爐鍋筒內部裝置 設計導則》[S]。

[2] 林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊，第2版 [M]. 北京：化學工業出版社，2009.590-616。