淺談汽包設計方法

郭朋飛,隋陽,王琪,羅茜

(1.陜西煤業化工技術研究院,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備,常被用于廢熱鍋爐系統,或與放熱反應的反應設備配套使用,如甲醇裝置中甲醇合成塔,乙二醇裝置中乙二醇羰化反應器和加氫反應器都配有汽包,以實現副產蒸汽的功能。在工業爐中,也通常在對流段設置汽包等部件以有效利用工業爐余熱副產蒸汽,從而提高工業爐的熱效率。

1 汽包功能

汽、水循環系統指汽水混合物在汽包、上升管、下降管、下集箱組成系統中的循環流動,在循環不息的流動過程中,水通過受熱面被加熱、氣化,產生蒸汽,匯集于汽包的汽、水混合物在汽包的蒸汽空間經過汽、水分離后,蒸汽被引出。汽、水循環系統中汽包的功能如下,1)容水:系統給水直接補充至汽包內,它是下降管中循環水的來源,在負荷升降時在受熱管中能得到適當的水量,并由汽包的高位使循環系統獲得一定的循環動力;2)容汽:下游蒸汽需求量發生變化時,能維持下游所需的蒸汽流量;3)汽、水分離:通過汽包內的分離空間及汽、水分離裝置,使汽、水混合物在汽包內充分地分離,得到含水沫及雜質少的蒸汽[2];4)排污:通過加藥裝置改善水的品質,處理給水中的殘余硬度,避免其在系統內生成水垢,同時水汽被蒸發后,一些不溶性污物會濃縮于汽包之中,故汽包還擔負有排污作用。

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,水滴隨蒸汽向上運動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現重力分離,工程上推薦不小于0.5 m,同時把容積強度即汽包內氣相空間單位時間內通過的蒸汽流量作為一個控制指標,如式1所示。

RR=Dv/VR

(1)

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

不同壓力下允許的蒸汽空間的容積強度如圖1所示。

圖1 不同壓力下允許的容積強度

汽包的液相空間起著容水作用,應有足夠大的容積,以便在喪失水位時維持對鍋爐的供水直到停車,推薦汽包尺寸按低水位報警到水干的時間應為2～6 min。

綜合考慮氣相空間和液相空間大小,即可設計出經濟合理的汽包尺寸。

3 汽包內件

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]。汽水混合物進入汽包時,含有大量的水分,最高可達95%～98%,一次分離元件的作用是對進入汽包的汽水混合物進行初次分離,同時保證分離出的水分能順利地流入汽包的液相空間,不會被蒸汽二次攜帶,并避免在消除汽水混合物動能的過程中把水滴碰得過碎,常見的一次分離元件有進口擋板、縫隙擋板、水下孔板、旋風分離器[4]。二次分離元件的作用是把蒸汽中攜帶的細小水滴分離出來,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,故要求結構緊湊,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。

分離裝置的設計原則如下[5]:1)應盡可能避免汽包氣相空間、汽包蒸發面的局部負荷過大,保證蒸汽能均勻地穿出水面和從汽包引出;2)應有效削弱進入汽包的汽水混合物動能,降低其對汽包水面的沖擊;3)應使進入汽包的汽水混合物流動路線急轉多折,從而能充分利用慣性和離心的分離作用,并應注意及時把分離的水引走,避免被蒸汽再次攜帶;4)創造大量的水膜表面積,以黏附更多的水滴。

3.1.1 進口擋板

當上升管設在汽包的氣相空間時,可在上升管管口設置進口擋板,以削弱汽水混合物動能并在擋板上形成水膜,同時蒸汽在流經擋板和汽包筒體形成的間隙時急劇轉彎,可以從蒸汽中分離出部分水滴,對汽水混合物起初步分離的作用。

設計要點:1)進入進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形成細小水滴,對分離不利;2)擋板與管口之間應保持有不小于兩倍上升管管徑的距離,保證進入汽包后的汽水混合物有距離減速、擴散,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口擋板之間的夾角不宜大于45°,以平穩消除汽水混合物的動能。

3.1.2 縫隙擋板

縫隙擋板是通過調整兩塊擋板的間距達到調節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入縫隙擋板后,在縫隙擋板和汽包筒體形成的狹小空間內慣性回旋,縫隙擋板的下擋板擋住水分使其向下流入汽包的液相空間,蒸汽從上下擋板間的空隙流出,從而完成汽水混合物的初步分離,如圖2所示。縫隙擋板內無阻隔物,汽水阻力小,分離效果也較好,且結構簡單,制造容易,使用過程中很少需要維護[6]。

3.1.3 水下孔板

當汽水混合物從汽包液相空間進入時,常采用在水面下裝設開有均勻小孔的孔板,使水面上各處蒸汽均勻發生,設置水下孔板后會對蒸汽蒸發產生一定阻力,從而在孔板下方形成一層穩定的氣墊,有效消除汽水混合物動能,最終蒸汽可以均勻通過孔板,減少水面上飛濺的水滴細沫,汽包中水面也比較平穩。阻力過大時,會導致形成的氣墊過厚,汽包下降管中容易帶汽,蒸汽蒸發阻力與開孔大小及數量相關。

3.1.4 旋風分離器

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

1-筒體導葉;2-溢流環;3-筒體。

設計要點:1)適合于蒸發量大于35 t/h、對蒸汽品質要求較高的場合;2)工業用旋風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)旋風分離器上部應設溢流環,使沿筒體旋轉上升的水膜從筒體與溢流環的間隙里流出,從而降低蒸汽帶水量;4)旋風分離器底部邊緣應在汽包的正常水位下180～200 mm處,從而避免蒸汽由旋風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,依靠小孔節流作用使蒸汽沿汽包寬度、長度方向均勻上升,從而使汽包氣相空間各處蒸汽負荷均勻,避免氣相空間出現局部負荷集中現象,從而有效利用氣相空間實現重力分離,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。設計要點:1)在滿足設計數據要求的前提下,勻汽孔板應盡量布置在高處,以增加蒸汽空間的有效分離高度;2)勻汽孔板應盡量布置得長些,其長度不宜小于三分之二的汽包直段長度,以增加蒸汽空間的利用程度;3)勻汽孔板四周應嚴密,兩端應有封板封死。

3.1.6 給水分配管

汽包在運行過程中不停地向外輸出蒸汽,同時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系統正常運行,給水分配管的作用是使給水沿汽包長度方向均勻分配。給水分配管一般設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。同時給水分配管應遠離排污管特別是表面排污管,以提高排污水的含鹽濃度。

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

4 設計實例

已知某項目中汽包初期操作壓力為2.6 MPa,蒸發量為69.76 t/h;末期操作壓力為3.3 MPa,蒸發量為67.07 t/h,下面依據上述條件對該汽包進行設計,操作條件下汽包內氣液均為飽和狀態,查詢可知汽包的操作溫度及其物性參數,并可確定汽包的設計壓力及設計溫度,如表1所示。

表1 汽包設計條件

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度設計:

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,按低位報警到水干時間6 min設計: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)本項目中汽包蒸發量較大,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度為:

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

取汽包長度為8.6 m,綜上所述,汽包規格為DN2 000 mm×8 600 mm。

4.2 汽包內件

該項目汽水混合物從液相空間進入汽包,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《工業鍋爐鍋筒內部裝置設計導則》進行內件結構設計[8-9],最終結構尺寸如下:

1)縫隙擋板,結構尺寸如圖4所示。

圖4 汽包內件結構

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

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

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

5 結語

本文從工程設計角度出發,詳細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、加藥管等汽包內件的設計方法,對工業裝置中汽包的設計有一定的借鑒作用。