工业锅炉饱和蒸汽湿度影响因素的实验研究

2021-02-19程静，徐艳，黄容

工业加热 2021年12期

程静，徐艳，黄容

( 深圳市特种设备安全检验研究院，广东深圳 518029)

湿饱和蒸汽是工业锅炉所产蒸汽的主要形态。蒸汽湿度是表征饱和蒸汽品质的重要参数，但目前工业锅炉蒸汽湿度的控制并没受太大的重视，不仅影响了工业锅炉运行的经济性，腐蚀后续过热器和工艺管道设备，有些行业也会对产品的质量造成不利的影响[1-2]。工业锅炉运行参数不稳定，其锅水含盐量、蒸汽压力和水位高度都随时变化，运行时经常会出现蒸汽湿度大而影响蒸汽品质。工业锅炉饱和蒸汽湿度的影响因素较为明确，但定量研究较少。本文通过设计一套工业锅炉模拟装置，消除测量误差，采用实验方法，分别得出锅水含盐量、蒸汽压力和水位高度对工业锅炉饱和蒸汽湿度影响的规律，这对工业锅炉的设计和运行都有较强现实意义。

1 实验装置

图1为本实验装置整体布置简图。电控柜为整个装置的自动化控制系统；汽化釜是模拟工业锅炉锅筒产生蒸汽的装置，汽化釜可移出，进行注水、清洗等工作；电加热丝在汽化釜的圆周方向上均匀布置，可产生最高为3.0 MPa的饱和蒸汽；蒸汽由蒸汽管路引出，蒸汽管路上设置有压力表、温度表、爆破片、阀门等辅件和附件；补水管路是汽化釜的补水通道；进料天平和出料天平，分别用来计量补给水和蒸汽冷凝水的质量；蒸汽的冷凝装置通过二级冷却可将蒸汽完全冷却，并将蒸汽冷凝水的温度控制在20 ℃左右。

2 实验方法

2.1 锅炉水样的制备

在实际运行的工业锅炉锅筒内取锅炉水80L作为实验基础用水，所取实验用基础锅炉水的主要指标如表1所示。

表1 实验用基础锅炉水指标

采用加热蒸发浓缩的方法制备基于基础锅炉水的不同含盐浓度的水样，分别制备浓缩系数(浓缩系数为浓缩结束时锅水质量与浓缩开始时锅水质量的比值)为0～90%按照10%间隔均匀分布的10个锅炉水样，其中浓缩系数为70%和30%的水样制备10 L，其他浓缩系数的水样制备5 L。

2.2 湿度的测量

2.3 蒸汽冷凝水取样

为保证蒸汽冷凝水取样的准确性，在每次实验之前先用纯水产生蒸汽对整个系统进行冲洗，在蒸汽冷凝水取样时，取中间段的蒸汽冷凝水。

2.4 锅水含盐量对蒸汽湿度影响的实验

分别将10个不同浓度的锅炉水样400 mL加热产生蒸汽并通过控制蒸汽管道阀门开度将蒸汽压力稳定在1.0 MPa时取蒸汽冷凝水100 mL，分别计算出蒸汽湿度，在实验过程中通过补水系统保证水位稳定，消除水位变化的影响和取样误差。

2.5 压力对蒸汽湿度影响的实验

取基础水样、70%浓缩水样和30%浓缩水样400 mL加热产生蒸汽并通过控制蒸汽管道阀门开度将蒸汽压力稳定在0.4～2.8 MPa按照0.4 MPa均匀间隔的压力时取蒸汽冷凝水100 mL，分别计算出蒸汽湿度，在实验过程中通过补水系统保证水位稳定，消除水位变化对蒸汽湿度的影响。

2.6 水位对蒸汽湿度影响的实验

取基础水样、70%浓缩水样和30%浓缩水样600 mL加热产生蒸汽并通过控制蒸汽管道阀门开度将蒸汽压力稳定在1.0 MPa，在实验过程中连续取蒸汽冷凝水，每60 mL间隔为一个冷凝水样，取8个样品，分别计算出蒸汽湿度。在本次整个实验过程中关闭自动补水系统。汽化釜的尺寸为R35 mm×162 mm，600 mL的锅炉水样对应高度为156 mm(接近满水位)，每取60 mL蒸汽冷凝水，汽化釜的水位降低15.6 mm。

3 实验结果与分析

3.1 锅水含盐量对蒸汽湿度的影响

工业锅炉锅水含盐量变化较大。当含盐量增加时，一方面锅水黏度增加，使得水空间的小气泡不易合并，小气泡上升速度较慢，使得水空间增大，挤压了汽空间，使得汽水不易分离，造成蒸汽带水量增加，蒸汽湿度增大；另一方面，会在汽水分界面处形成泡沫，泡沫层也会挤压汽空间，使得汽水不易分离，泡沫也会直接被蒸汽带走，造成蒸汽带水量增加，蒸汽湿度增大[3]。

蒸汽湿度随锅水含盐量变化的实验结果如图2所示，由图2中可以看出，在不同的浓缩系数下，随着锅水含盐量的增加，蒸汽湿度先基本保持不变然后再线性增加，其转折点出现在浓缩系数80%左右。这说明，在工业锅炉实际运行过程中，在正常的锅水含盐量的范围内，蒸汽湿度变化不大，但当含盐量超过一定的值，蒸汽湿度随着含盐量的增加线性增加。在本实验所采用的锅炉水中，蒸汽湿度急剧增加的转折点出现在含盐量的质量含量在0.21%左右。

图2 蒸汽湿度随锅水含盐量的变化图

3.2 蒸汽压力对蒸汽湿度的影响

从理论上来说，对于同一台工业锅炉，在其他条件不变的情况下，饱和蒸汽压力升高，其流动速度增加，带水能力增强，会导致蒸汽湿度的增加。

不同锅水含盐量下蒸汽湿度随蒸汽压力变化的实验结果如图3所示，由图3中可以看出，在不同的锅水浓缩系数，不同的锅水含盐量的情况下，在0～3.5 MPa的饱和蒸汽压力下，在高含盐量下，随着蒸汽压力的升高，蒸汽湿度缓慢增加，其他情况下，蒸汽湿度随蒸汽压力的升高基本上保持不变。工业锅炉饱和蒸汽压力正常的运行区间在0～3.8 MPa，因此，饱和蒸汽压力的提升对工业锅炉蒸汽湿度的影响不大。

图3 不同锅水含盐量下蒸汽湿度随蒸汽压力的变化图

3.3 水位高度对蒸汽湿度的影响

锅炉水位的高低决定了汽水分离空间，分离空间的大小直接影响水滴从蒸汽分离下来的速度。水位越高，汽水分离空间越小，水滴从水蒸气中分离下来的速度越小，当水滴还没来得及分离的时候，就被蒸汽带走了，造成蒸汽湿度的增加[4]。

不同锅水含盐量下蒸汽湿度随水位变化的实验结果如图4所示，由图4中可以看出，在不同的锅水浓缩系数，不同的锅水含盐量的情况下，蒸汽湿度随着水位增加首先基本保持不变，后线性平稳增加，最后在指数性急剧增加，在高水位运行情况下，饱和蒸汽湿度达到20%以上，最高达78.32%，蒸汽品质严重恶化。实验用的汽化釜的总高度为162 mm，从基本保持不变到线性增加的转折点出现在水位高度110 mm左右，距离蒸汽出口52 mm，从线性增加到指数性增加的转折点出现在水位高度130 mm左右，距离蒸汽出口32 mm。

图4 不同锅水含盐量下蒸汽湿度随水位高度的变化图

综合以上三组实验，在工业锅炉运行参数范围内，蒸汽压力对蒸汽湿度基本没有影响，锅水含盐量在一定范围内增加时，蒸汽湿度基本保持不变，当锅水含盐量超过一定值时，会导致蒸汽湿度随着锅水含盐量线性增加；在低水位时，水位增加对蒸汽湿度基本没有影响，中高水位时，水位增加会导致蒸汽湿度随着水位线性增加，在高水位时，水位增加会导致蒸汽湿度随着水位指数性增加。从对蒸汽湿度的贡献来说，中高水位对蒸汽湿度的影响最大，锅炉含盐量次之，蒸汽压力和低水位基本没有影响。因此，在工业锅炉的日常运行中，为保证蒸汽品质，使蒸汽湿度保持在正常范围内，要严禁高水位运行，做好水处理，定时进行锅水含盐量相关指标的测定，及时进行排污和补充锅水。