大型火管锅炉的锅筒内装设计

武成国

摘要：以某一项目为例，对大型火管锅炉的锅筒内部装置进行选型计算，为同类锅筒设计提供参考实例。

关键词：锅筒、水下孔板、波形板分离器、匀汽孔板、

0、前言

一项目的大型立式火管锅炉顶部设置锅筒，锅炉本体高20m，锅炉通过锅筒产汽量约为14t/h，循环倍率为40，锅筒的上升管为6根，下降管为2根，这些基本设计条件对内部装置的布置带来一定的困难。

对锅筒而言，设计可靠性高的内装，达到良好的分离效果，对系统的正常运行至关重要。本文从锅筒设计实例，探讨大型立式火管锅炉的锅筒内装设计。

1、锅筒内装设计原则

锅筒内装的设计原则包括合理的汽水一次和二次分离、良好的汽水流动、给水均匀分配、合理的排污，防止下降管带汽等等。

下面将从锅筒内装的设计原则方面，说明内装总体布置、一次分离装置、二次分离装置、给水分配管、排污管、水位保护装置和下降管入口栅板等设计。

锅筒设计数据，运行压力1.1MPa（G），蒸汽流量14t/h，循环倍率40，上升管规格6-φ219，布置在锅筒侧面，下降管规格为2-φ325，布置在锅筒下部，筒体为DN1200，长度为4500mm，要求饱和蒸汽湿度不大于1%。

2、锅筒内装选型和布置

2.1 内装选型

本项目的锅炉虽然是火管锅炉，但对蒸汽品质要求高，锅筒内装组合方案为，一次分离装置采用水下孔板，二次分离装置采用波形板分离器和匀汽孔板，能达到湿度要求。

根据要求，锅筒的上升管布置在侧面，可以采用缝隙挡板，但锅筒通径DN1200mm，直径小，若采用缝隙挡板，大部分蒸汽从正常液位以上至少150高的位置分离出，再向上流动中进行重力分离，然后进入波形板分离器和匀汽孔板进行分离，其中的重力分离的距离小，重力分离的效果差，故不采用缝隙挡板。

2.2 内装布置

锅筒内装的布置为：6根上升管布置在侧面，上升管区域通过折流板与水下孔板相连接;两根下降管布置在两端的下部，在鞍座的外侧;上部布置波形板分离器和匀汽孔板;两端设置上排污接口，中间下部设计下排污接口;其余内装按需要布置，下面详细说明内装设计。

3、折流板和一次分离装置设计

3.1 折流板设计

上升管在侧面，需设置折流板将汽水混合物引到水下孔板的下部进行一次汽水分离，折流板的设计原则为：汽水混合物从折流板与筒体的间隙流到水下孔板的流速尽量的低，减小流体对水下孔板气垫的冲击;汽水混合物从折流板纵向两端流出时，避免下降管带气。

计算后，锅筒折流板与筒体的间隙面积3200（纵向）x150（横向）mm=4.8x105mm，上升管的总横截面积为1.88 x105mm，前者是后者的2.5倍，设计合理。

3.2 一次分离装置设计

一次分离装置采用水下孔板，设计原则：选择合理的穿孔流速，形成一层气垫，均匀蒸发负荷;合理的水流动，形成良好的水内部循环;应尽量的长，至少为锅筒长度的三分之二。

根据运行压力，水下孔板穿孔流速为5.3m/s，因需总开孔面积较大，为减少孔数量，开孔直径定为φ12mm，设计数据为3400（长度）mmx600（宽度）mm-1176（孔数量）-φ12（孔直径）mm。

因锅炉循环倍率高，上升管中分离出的水量为546t/h，合理布置水下孔板的位置，是本锅筒与常规锅筒相比，应特别考虑的方面。通常水下孔板与锅筒筒体的通道面积，能够保证水的流速在1m/s以下，水流能通畅，经计算本锅筒此速度为0.8m/s，设计合理。

4、二次分离装置设计

4.1 波形板分离器设计

二次分离装置包括波形板分离器和匀汽孔板。波形板分离器的布置有水平式和立式两种，水平式的蒸汽最大允许速度较立式小很多，为将波形板分离器布置的长些，蒸汽体积流量小选水平式，蒸汽体积流量大选立式;波形板分离器的长度应尽量的长，至少为锅筒长度的三分之二。

计算后，本锅筒波形板分离器前的蒸汽速度为2.1m/s，纵向长度同水下孔板，纵向有两排波形板分离器，以锅筒纵向中心面呈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，用来疏水和平衡压力。

4.2 匀汽孔板设计

匀汽孔板设计原则：选择合理的穿孔流速，防止局部蒸汽负荷集中，均匀蒸汽负荷。

计算后，本锅筒匀汽孔板的选用穿孔流速为13m/s，开孔数据为900（孔数量）-φ6（孔直径），开孔率为2%，纵向长度为3300mm。为防止局部蒸汽负荷集中，应注意两点，一是匀汽孔板上部弓形截面的最大纵向蒸汽速度应不大于蒸汽穿孔平均流速的二分一，二是蒸汽引出管内的蒸汽速度应不大于蒸汽穿孔平均流速的百分之七十，若不满足这两点，应采取措施;经计算本锅筒的匀汽孔板的符合这两点的要求，不需采用措施。

5、给水分配管、排污管、水位保护装置设计

5.1 给水分配管

本项目给水分配管从封头进入，直接将给水引到下降管处，能防止下降管入口处抽空，和振动等;由于管内给水温度比锅筒内运行温度低，为防止温差应力对锅筒的疲劳破坏，给水管引入封头处应加套管，套管和给水管的间隙大小应能使温度梯度减小。

本项目锅筒，给水分配管通径DN65，套管通径DN100，能满足设计要求。

5.2 排污管设计

锅筒一般设置连续排污管和定期排污管，设计原则：装在杂质浓度最大的地方，同时远离给水管和加药管。

本项目锅筒长径比小，为细长型筒体，因此两端各设置DN40连续排污管（上排污管），排污负荷均匀。在锅筒中间的底部设一定期排污管（下排污管），通径为DN40。排污设计能够满足蒸汽品质的要求。

5.3 水位保护装置设计

水位保护装置的设计原则：减少和消除锅筒内部工况对水位计的干扰，防止水位计的读数失真导致人为失误，保证水位计的正常工作。

常规直径φ1200mm的锅筒，液位计中心距一般为350mm，适用整体式水位保护装置（即汽侧保护和水侧保护合并在一起）。本项目同为直径φ1200mm的锅筒，但用户要求液位计中心距为500mm，数量为3套，且3套液位计均布置在同一侧（另一侧6根上升管和折流板占用大量空间），若仍采用整体式结构，占用锅筒内部径向的空间大，将影响锅筒内部的水循环和蒸汽品质，因此本项目水位保护装置的水侧保护和汽侧保护分开，符合设计原则。

6、下降管入口栅板设计

下降管入口栅板的设计原则：防止下降管入口产生漩涡和分离出汽体，下降管带汽会引起水循环事故和振动等，应避免。

本项目锅筒下降管为2-φ325x10，通径大，下降管距最低水位（锅筒水平中心面以下20）距离为580mm，小于四倍下降管内径4x305=1220mm，应设置下降管入口栅板;入口栅板距下降管取为180mm，符合0.5～1.0倍管径的要求;入口栅板的大小设计为650x650，满足2倍管径的要求;因下降管的位置距离水下孔板和折流板較近，为防止上升管的汽水混合物可能进入下降管，在入口栅板靠近水下孔板一侧，加适当高度的挡板，进一步避免下降管带汽的可能性。

7、结束语

本锅筒针对根据大型立式火管锅炉的工况，进行了优化设计，为同类锅筒的设计提供了借鉴。

参考文献

[1] JB/T9618-1999，《工业锅炉锅筒内部装置 设计导则》[S]。

[2] 林宗虎，徐通模.实用锅炉手册，第2版 [M]. 北京：化学工业出版社，2009.590-616。