電站鍋爐-第八章

大型機組鍋爐典型的汽包和汽包內(nèi)部裝置蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置汽包第八章汽包及其內(nèi)部裝置鍋爐原理課件汽包汽包啟動應(yīng)力汽包啟動應(yīng)力是指鍋爐啟動、停運與變負荷過程中汽包壁的應(yīng)力。包括工質(zhì)壓力引起的機械應(yīng)力，汽包壁溫度不均勻引起的熱應(yīng)力及汽包與內(nèi)部介質(zhì)重量等引起的對加應(yīng)力。其中熱應(yīng)力包括汽包上、下側(cè)溫差和汽包內(nèi)、外壁溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力。汽包壁很厚，汽包啟動應(yīng)力（由機械應(yīng)力、熱應(yīng)力及對加應(yīng)力組成）很大，須引起足夠重視并采取相應(yīng)措施。汽包內(nèi)外壁的溫差由下式計算式中w——加熱介質(zhì)的溫升速度；

α——熱擴散率；一般規(guī)定汽包上、下壁金屬溫差Δt=（t上-t下）/2≤50℃。汽包啟動應(yīng)力汽包啟動應(yīng)力是指鍋爐啟動、停運與變負荷過程中汽包壁的應(yīng)力。包括工質(zhì)壓力引起的機械應(yīng)力，汽包壁溫度不均勻引起的熱應(yīng)力及汽包與內(nèi)部介質(zhì)重量等引起的對加應(yīng)力。其中熱應(yīng)力包括汽包上、下側(cè)溫差和汽包內(nèi)、外壁溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力。汽包壁很厚，汽包啟動應(yīng)力（由機械應(yīng)力、熱應(yīng)力及對加應(yīng)力組成）很大，須引起足夠重視并采取相應(yīng)措施。汽包內(nèi)外壁的溫差由下式計算式中w——加熱介質(zhì)的溫升速度；

α——熱擴散率；一般規(guī)定汽包上、下壁金屬溫差Δt=（t上-t下）/2≤50℃。汽包壁溫度場汽包汽包的安全性分析

汽包壁很厚，在鍋爐啟動時，汽包上下壁溫度差別很大，須給予足夠的重視并采取相應(yīng)的措施加以控制：嚴格控制汽包溫差——鍋爐進水水溫<90℃，平均溫升速度≤1.5～2℃/min或100℃/h，在任何情況下，各汽包壁溫測點的溫度差小于40℃；汽包采用環(huán)形夾套結(jié)構(gòu)，如右圖；鍋爐啟、停初期，采用鄰爐加熱裝置，同時適當(dāng)?shù)剡M水與放水，保證受熱均勻；爐膛點火時，燃燒器投入對稱且均勻；維持汽包正常和平穩(wěn)的水位。

環(huán)形夾套汽包結(jié)構(gòu)汽包蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置蒸汽品質(zhì)及對鍋爐、汽輪機工作的影響鍋爐蒸汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)蒸汽污染對鍋爐、汽輪機的危害降低熱能的有效利用，影響與蒸汽直接接觸產(chǎn)品的質(zhì)量及工藝條件；部分鹽分沉積在過熱器及再熱器的管壁面上，將使壁溫升高，產(chǎn)生垢下腐蝕，導(dǎo)致鋼材強度降低，發(fā)生爆管事故；部分鹽分沉積在蒸汽管道閥門處，使閥門動作失靈以及泄漏；部分鹽分沉積在汽輪機通流部分，將使流通截面縮小，葉片表面變得粗糙，葉片形狀改變，使汽輪機流阻增大，出力和效率降低，影響轉(zhuǎn)子的動平衡，引起機組振動。嚴重時甚至造成重大安全事故。蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置提高蒸汽品質(zhì)的措施提高給水品質(zhì)；連續(xù)排污。其最大允許的排污率見下表，而最小排污率取決于腐蝕產(chǎn)物污染爐水的程度，一般ρPW≥0.3%；

改進汽包內(nèi)部裝置提高汽水分離效率；采用蒸汽清洗裝置，減少蒸汽對鹽類的選擇性攜帶；采用分段蒸發(fā)等方法來提高蒸汽品質(zhì)；注意控制汽包水位和壓力穩(wěn)定，根據(jù)負荷變化控制排污量以保持鍋爐水的水質(zhì)；盡量降低熱力系統(tǒng)的汽水損失，減少補給水量。

最大允許排污率ρPW蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置

蒸汽污染的原因飽和蒸汽的機械攜帶蒸汽機械攜帶的含鹽量，取決于攜帶水分的多少及鍋水含鹽量的大小，其關(guān)系可用下式表示，即：式中Sqj—機械攜帶的鹽量，mg/kg；

ω—蒸汽濕度，即蒸汽中所帶水分占濕蒸汽質(zhì)量的百分數(shù)，%； Sls—鍋水含鹽量，mg/kg。影響蒸汽帶水的主要因素為鍋爐負荷、工作壓力、蒸汽空間高度和鍋水含鹽量等。蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置

鍋爐負荷的影響在鍋水含鹽量一定的情況下，鍋爐負荷與蒸汽濕度的關(guān)系可用以下公式表示：ω=ADn式中A—與壓力和汽水分離裝置有關(guān)的系數(shù)；n—與鍋爐負荷有關(guān)的指數(shù)。現(xiàn)代汽包鍋爐，蒸汽濕度一般不允許超過0.1%，故鍋爐應(yīng)在第二負荷區(qū)域前半段工作。B點對應(yīng)的蒸汽負荷稱為臨界負荷，用Dc表示。蒸汽速度高，一些較大的水滴被帶走，蒸汽濕度增加較快，約為0.03%~0.2%蒸汽只帶出細小水滴，蒸汽濕度不超過0.03%大量飛濺水滴被帶走，蒸汽濕度急劇增加>0.2%蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置

汽包內(nèi)蒸汽流速不僅與負荷有關(guān)，還與汽包結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，常用蒸發(fā)面負荷Rm和蒸汽空間負荷Rk兩個指標(biāo)來實現(xiàn)汽包的合理設(shè)計。蒸發(fā)面負荷:指單位時間通過單位蒸發(fā)面積的蒸汽容積。蒸汽空間負荷：指單位時間通過單位蒸汽空間的蒸汽容積。

式中D——鍋爐蒸發(fā)量。kg/h；ν''——飽和蒸汽比體積，m3/kg；A——汽包中蒸發(fā)面的面積，m2；V——汽包蒸汽空間容積，m3。蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置

蒸發(fā)面負荷Rm愈大，蒸汽平均上升速度越高，帶水能力越強。蒸汽空間負荷Rk越大，蒸汽在汽包汽空間停留時間越短，水滴來不及分離就被蒸汽帶走。Rk的推薦值如下表所示。表8-3蒸汽空間負荷Rk的推薦值蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置工作壓力隨工作壓力的升高，飽和蒸汽與水的密度差減小，汽與水分離困難，蒸汽卷起水滴的能力增強，同時，壓力高，飽和溫度也高，水的表面張力減小，大水滴更容易破碎成細水滴。所以工作壓力愈高蒸汽愈容易帶水，汽包蒸汽空間的許可負荷越低。對于運行的鍋爐，壓力急劇降低時也會影響蒸汽帶水。由于汽壓降低，汽包和蒸發(fā)系統(tǒng)中的存水及受熱面金屬會放出熱量產(chǎn)生部分附加蒸汽，致使汽包水容積膨脹，穿過蒸發(fā)面的汽量增多，從而造成蒸汽大量帶水，蒸汽品質(zhì)惡化。蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置蒸汽空間高度蒸汽空間高度對蒸汽帶水的影響如右所示。一般汽包正常水位應(yīng)在汽包中心線以下100～200mm處，允許波動范圍為50～75mm。運行中水位過高或壓力突變導(dǎo)致虛假水位現(xiàn)象發(fā)生時，都會使蒸汽帶水量增加，蒸汽品質(zhì)惡化，所以運行中應(yīng)嚴格監(jiān)視汽包水位。

蒸汽濕度與蒸汽空間高度的關(guān)系蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置鍋水含鹽量蒸汽濕度與鍋水含鹽量關(guān)系如下圖所示。鍋爐負荷越高，臨界鍋水含鹽量越低。對具體鍋爐而言，其臨界鍋水含鹽量應(yīng)通過熱化學(xué)試驗確定，并應(yīng)使實際鍋水含鹽量遠小于臨界鍋水含鹽量。蒸汽濕度與鍋水含鹽量的關(guān)系蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置

飽和蒸汽的溶解攜帶蒸汽溶解攜帶的鹽量與分配系數(shù)和鍋水含鹽量的大小有關(guān)，用下式表示，即：

式中SqR—飽和蒸汽溶解攜帶的鹽量，mg/kg；

α—分配系數(shù)，指某種鹽在蒸汽中的溶解量與它在鍋水中溶解量的比值的百分數(shù)，%。

ρ'，ρ''—飽和水與飽和蒸汽的密度，kg/m3；N—溶解指數(shù)，與鹽的種類有關(guān)，各種鹽類的溶解指數(shù)如下表幾種鹽類的溶解指數(shù)蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置高壓蒸汽溶鹽的特點飽和蒸汽和過熱蒸汽都具有溶解鹽分的能力，所有能溶于飽和蒸汽的鹽類也能溶于過熱蒸汽；隨著壓力的提高，蒸汽溶解鹽分的能力增強。中、低壓蒸汽幾乎是不溶解鹽分的，高壓及以上壓力的蒸汽能直接溶解鹽類，是因為隨著壓力提高，蒸汽密度不斷增大，飽和水的密度相應(yīng)降低，蒸汽密度逐漸接近于水的密度，因而蒸汽的性質(zhì)也愈接近水的性質(zhì)。水能溶解鹽類，蒸汽也能直接溶解鹽類；高壓蒸汽的溶鹽具有選擇性。在相同條件下，蒸汽對各種鹽類的溶解能力也是不同的，而且差別很大。 根據(jù)飽和蒸汽的溶鹽能力，可把鍋水中的溶鹽分為三類：第一類鹽分為溶解系數(shù)最大的硅酸(SiO2,H2SiO3等)；第二類為NaOH、NaCl、CaC12等，當(dāng)壓力超過14MPa，其溶解系數(shù)也能達到相當(dāng)大的數(shù)值；第三類為一些難溶于蒸汽的鹽分，只有當(dāng)壓力超過20MPa時，才考慮第三類溶鹽的溶解攜帶。蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置硅酸在蒸汽中的溶解特性硅酸在蒸汽中的溶解度最大；硅酸以分子形式溶解在蒸汽中。鍋水中的硅酸和硅酸鹽可以根據(jù)條件不同相互轉(zhuǎn)化，方程如下：Na2SiO3+2H2O→2NaOH+H2SiO3Na2SiO5+3H2O→2NaOH+2H2SiO3增大pH值，有利于硅酸轉(zhuǎn)化為難溶于蒸汽的硅酸鹽，從而使蒸汽中的硅酸含量減少，提高蒸汽品質(zhì)。因此，為改善蒸汽品質(zhì)應(yīng)使鍋水中的pH值大些。但pH值不能過大，否則不僅會使鍋水泡沫增多，蒸汽帶水量增加，還會引起金屬設(shè)備的堿腐蝕，一般控制鍋水的pH值為9～100。對于高壓以下的蒸汽，蒸汽的機械攜帶是其污染的主要原因。對于高壓及以上的蒸汽，蒸汽污染包括蒸汽的機械攜帶和溶解攜帶。這時蒸汽攜帶的鹽量為機械攜帶鹽量和溶解攜帶鹽量的和。蒸汽凈化和汽包內(nèi)部裝置汽水分離裝置汽包內(nèi)汽水分離過程分為兩個階段：進行初步的汽水分離的粗分離階段；將蒸汽中的小水滴進一步的分離并使蒸汽從汽包上部均勻引出的細分離階段。目前我國電廠鍋爐采用的進口擋板、旋風(fēng)分離器屬粗分離設(shè)備，而波形板分離器、頂部多孔板屬于細分離設(shè)備。汽包內(nèi)部裝置

進口擋板

進口擋板當(dāng)汽水混合物碰撞到擋板上時，由于轉(zhuǎn)彎和板上水膜勃附作用，使蒸汽中的水滴分離出來，從而達到粗分離的目的。為避免蒸汽二次帶水，裝設(shè)擋板應(yīng)注意：擋板與汽流間的夾角<45°；管子出口汽水混合物流速：中壓鍋爐<3m/s,高壓鍋爐2～2.5m/s;擋板出口流速，中壓鍋爐1～1.5m/s，高壓鍋爐<1m/s；管口至擋板距離S≥2d。汽包內(nèi)部裝置汽水混合物由連接罩切向進入分離器，依靠離心力進行汽水分離，分離出的水分被拋向筒壁，沿筒壁流下；蒸汽沿筒體旋轉(zhuǎn)上升，經(jīng)頂部的波形板分離器徑向流出，進入汽包。為提高內(nèi)置旋風(fēng)分離器的分離效果，一般推薦：中壓鍋爐為5～8m/s；高壓和超高壓鍋爐為4～6m/s。

旋風(fēng)分離器1—進口法蘭；2—拉桿；3—底板；4—導(dǎo)向葉片；5—筒體；6—溢流環(huán)；7—波形板頂帽

旋風(fēng)分離器汽包內(nèi)部裝置不同尺寸的內(nèi)置旋風(fēng)分離器的允許壓力推薦值

旋風(fēng)分離器的連接方式(a)單位式(b)總聯(lián)箱式(c)分聯(lián)箱式汽包內(nèi)部裝置

渦輪分離器

1—梯形頂帽；2—波形板；3—集汽短管；4—鉤頭螺栓；5—固定式導(dǎo)向葉片；6—渦輪芯子；7—外筒；8—內(nèi)筒；9—排水夾層；10—支撐螺栓

螺旋臂式分離器其它內(nèi)置式旋風(fēng)分離器汽包內(nèi)部裝置內(nèi)置旋風(fēng)分離器高度受到限制，分離效果不能得到充分發(fā)揮。故一般作為粗分離設(shè)備，與其他分離設(shè)備配合使用。外置式旋風(fēng)分離器的工作原理與內(nèi)置式相同，如右圖。因其布置在爐外，不受汽包尺寸的限制，故其直徑可較大(為300~500mm)，高度也可較高(能達4~5m)，汽水分離效果較好。但需承受很高的內(nèi)壓力，金屬耗量多，制作難度大，應(yīng)用不廣，一般用于分段蒸發(fā)系統(tǒng)的鹽段分離。

外置式旋風(fēng)分離器的示意圖1—筒體；2—由水冷壁來的汽水混合物引入管；3—多孔板；4—蒸汽連通管；5—下降管；6—水連通管；7—汽包汽包內(nèi)部裝置波形板分離器，由密集波形板組成，如右圖。每塊波形板厚度1~3mm，板間距約10mm，組裝時注意間距均勻。汽流通過波形板時，轉(zhuǎn)彎時的離心力將水滴分離出來。波形板分離器可分為水平布置和立式布置兩種。水平布置如右圖，其蒸汽流向與水流向平行。蒸汽流速：中壓不大于0.5m/s；高壓不大于0.2m/s，超高壓不大于0.1m/s。立式布置如圖1-58中的波形板分離器頂帽，其蒸汽流向與水流向垂直。其蒸汽流速可為臥式波形板分離器的1.5~2倍。

波形板分離器波形板分離器（百葉窗分離器）汽包內(nèi)部裝置頂部多孔板裝在汽包上部蒸汽出口處，如下圖。其作用是利用孔板的節(jié)流作用，使蒸汽空間的負荷分布均勻。在與波形板分離器配合使用時，可使波形板分離器的蒸汽負荷均勻，提高分離效果。還能阻擋住一些小水滴，起到一定的細分離作用。頂部多孔板由3～4mm鋼板制成，孔徑一般6～10mm。為使汽流上升速度均勻，改善分離效果，對于中壓鍋爐8～12m/s；高壓鍋爐6～8m/s；超高壓鍋爐4～6m/s。頂部多孔板1—蒸汽引出管；2—盲板；3—頂部多孔板頂部多孔板（均汽孔板）汽包內(nèi)部裝置蒸汽清洗裝置蒸汽清洗裝置的形式較多，按蒸汽與給水的接觸方式不同，分為起泡穿層式、雨淋式和水膜式等幾種，其中以起泡穿層式為最好。它的具體結(jié)構(gòu)又分為鐘罩式和平孔板式兩種。鐘罩式清洗裝置工作可靠有效，但因結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，阻力較大，所以使用的較少，現(xiàn)代超高壓鍋爐多采用平孔板式穿層清洗裝置。平孔板式清洗裝置結(jié)構(gòu)簡單，阻力小，清洗面積大，清洗效果好；缺點是鍋爐在低負荷下工作時，清洗水會從小孔漏下，造成干板。

蒸汽清洗裝置(a)鐘罩式;(b)平孔板式汽包內(nèi)部裝置影響清洗效果的因素影響蒸汽清洗效果的因素主要有：清洗水量和清洗水品質(zhì)、水層厚度、清洗前蒸汽的含鹽量和蒸汽流速等。清洗水量大，清洗效果好。清洗水的品質(zhì)越高，清洗效果越好。目前一般用30%～50%的鍋爐給水作清洗水；清洗水層太薄時，與蒸汽的接觸時間短，清洗不充分，效果不好；若水層太厚，會降低分離空間的高度，使蒸汽帶水增加，一般水層厚度為40～50mm；清洗前的蒸汽品質(zhì)越差，清洗后的清洗水含鹽量越高，清洗后的蒸汽含鹽量也越高。目前實際清洗效率約為60%～70%。亞臨界壓力鍋爐，由于硅酸分配系數(shù)較大，蒸汽清洗效果較差，因此主要依靠采用較好的水處理方法來提高給水品質(zhì)。當(dāng)不采用清洗裝置已能滿足蒸汽品質(zhì)要求時，可不設(shè)置蒸汽清洗裝置。汽包內(nèi)部裝置大