锅炉水循环及汽水分离

锅炉水循环及汽水分离）

在蒸汽锅炉中，给水进入汽锅后就按一定的循环路线流动不已。在循环不息的流动过程中，水通过蒸发受热面被加热、汽化，产生蒸汽；而受热面——金属壁则靠水循环及时将高温烟气传给的热量带走，使壁温保持在金属的允许工作温度范围内，从而保证蒸发受热面能长期可靠地工作。但是，如果水循环组织不好，循环流动不良，即便是热水锅炉，也将会造成种种事故。例如，当水冷壁正常的冷却水膜被破坏而直接与蒸汽相接触时，管壁壁温会显著增高，当温度超过金属允许极限时，会发生爆管事故。

由各蒸发受热面汇集于锅筒的汽水混合物，在锅筒的蒸汽空间中借重力或机械分离后，蒸汽引出。如果汽水分离效果不佳，蒸汽将严重带水，导致蒸汽过热器内壁沉积盐垢，恶化传热以致过热而被烧损。对于饱和蒸汽锅炉，蒸汽带水过多也难以满足用户需要，还会引起供汽管网的水击和腐蚀。

可见，锅炉水循环组织得好坏，汽水分离装置性能的优劣都直接关系着锅炉工作的可靠性。因此，对水循环的基本规律、汽水分离的原理以及影响因素应有所了解，以便在今后的专业实践中，指导锅炉的运行管理和技术改造工作。

第一节锅炉的水循环

水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面回路中的循环流动，称为锅炉的水循环。由于水的密度比汽水混合物的大，利用这种密度差所产生的水和汽水混合物的循环流动，叫做自然循环；借助水泵的压头使工质流动循环的叫强制循环。在供热锅炉中，除热水锅炉外，蒸汽锅炉几乎都采用自然循环。

一、自然循环的基本概念

图6-1自然循环回路示意图

1-上锅筒；2-下集箱；3-上升管；4-下降管

图6-1为蒸汽锅炉的蒸发受热面自然循环回路示意图，它由锅筒、集箱、下降管和上升管（水冷壁管）所组成。水自锅筒进入不受热的下降管，然后经下集箱进入布置于炉内的上升管；在上升管中受热后部分水汽化，汽水混合物则由于密度较小向上流动输回锅筒，如此形成了水的自然循环流动。任何一台蒸汽锅炉的蒸发受热面，都是由这样的若干个自然循环回路所组成。

由图可见，在循环回路中不同高度的工质，所受压力因水柱重量不同而不等。愈靠近下集箱的上升管管段，工质压力超过锅筒中的压力值愈大。也就是说，锅筒中的水即便是已达

到相应压力下的饱和温度，当流进上升管下端时，水温离该处压力下的饱和温度尚有一个差值，需要继续受热才能达到沸点，即需上升一段高度s H 后方会开始沸腾汽化。实际上，由锅筒进入下降管的水不一定达到饱和温度，也即锅水尚具有一定的欠焓，或叫欠热，所以上升管下端s H 这一区段加热水总是存在的。

上升管内的水在向上流动的过程中，一边受热一边减压，当到达汽化点Q 时，水温等于该点压力下的饱和温度，开始沸腾汽化。在Q 点以后，压力继续降低，汽化更烈，工质中含汽量随上升流动愈来愈多。因此，Q 点以后的这段q H ，便是上升管的含汽区段，也即汽水混合物区段。

如此，循环回路的总高度H 即为加热水区段s H 和含汽区段q H 之和，即

s q m H H H =+

在水循环稳定流动的状态下，作用于图6-1中集箱A A -截面两边的力平衡相等。假设此回路中没有装置汽水分离器；s H 区段加热水的密度和下降管中的水一样，都近似等于锅筒中蒸汽压力g P 下的饱和密度ρ'，则A A -截面两边作用力相等的表达式可写为

()q g s q xj g s q ss a g g g P H H P P H H P ρρρ''++-∆=+++∆P (6-2)

式中 g P ——锅筒中蒸汽压力，a P ；

ρ'——下降管和加热水区段饱和水的密度，3kg/m ；

q ρ——上升管含汽区段汽水混合物的平均密度，3kg/m ；

g ——重力加速度，2m/s ；

xj P ∆、ss P ∆——分别为下降管系统和上升管系统的流动阻力，a P 。

经移项整理，便可得到下式：

()

q q xj ss a g H P P ρρ'-=∆+∆P （6-3）

上式左边是下降管和上升管中工质密度差引起的压头差，也就是自然循环回路的推动力，称为水循环的运动压头。等式的右边，恰好是循环回路的流动总阻力。这样，此式的物理意义十分明确：当回路中水循环处于稳定流动时，水循环的运动压头对于整个循环回路的流动阻力。

由式可见，自然循环的运动压头取决于上升管中含汽区段的高度和饱和水与汽水混合物的密度差。显热，增大循环回路的高度，含汽区段高度也增加；上升管吸热越多，可使其中含汽率越高，这些都会使运动压头增高。当锅炉压力增高时，水、汽密度差减小，组织稳定的自然循环就趋困难，所以高压锅炉总是设法提高循环回路的高度，以便获得必要的运动压头，或采用强制循环。

自然循环的运动压头，扣除上升管系统阻力后的剩余部分，称为循环回路的有效压头，以yx P 表示，它是用来克服下降管系统阻力的。在稳定流动工况下，有效压头应与下降管系统的阻力相等，即

()

q yx q ss xj a g P H P P ρρ'=--∆=∆P （6-4）

自然循环回路的有效压头愈大，可用以克服的下降管阻力的压头就愈大，也即工质循环的流速和水量愈大，水循环愈强烈和安全。

二、水循环的可靠性指标

1. 循环流速

锅炉水循环的可靠性是要求所有受热的上升管都毫无例外地保证得到足够的冷却。具体地说，必须保证上升管管内有连续的水膜冲刷管壁，并保持一定的循环流速，以防止管壁超温和结盐。

循环流速，通常指的是循环回路中水进入上升管时的速度，用符号0ω表示，其计算式为 0ss

m/s 3600G f ωρ=' （6-5） 式中 G ——进入上升管的水流量，即循环水质量流量，kg/h ；

ρ'——水进入上升管时的密度，近似取锅炉压力下的饱和水密度，3kg/m ；

ss f ——循环回路的上升管总截面积，2m 。

循环流速的大小，直接反映管内流动的水将管外传入的热量和管内产生的蒸汽泡带走的能力。循环流速愈大，工质放热系数愈大，带走的热量愈多，也即管壁的冷却条件愈好，管壁金属就不会超温。所以，循环流速是用以判断锅炉水循环可靠性的重要指标之一。

对于供热锅炉，由于工作压力低，汽、水的密度差大，对自然循环是有利的。水冷壁的循环流速，一般在0.4~2m/s ，锅炉对流管束的循环流速约为0.2~1.5m/s 。

2. 循环倍率

由循环流速的定义知道，它是按进入上升管的水流量G 进行计算的。但是，对于热负荷不同的上升管，即使循环流速相同，由于管内产汽量不同，在其出口处的汽水混合物中水的流量却不相同。上升管的热负荷愈大，产汽量愈多，到出口处时的水量就愈少，以致在管壁上有可能维持不住连续的水膜；另一方面，产汽量愈多，汽水混合物的流速愈大，也有可能在高速汽水流的冲刷下将水膜撕碎，从恶造成传热恶化，使管壁超温。因此，为了保证在上升管中有足够的水来冷却管壁，在每一循环回路中由下降管进入上升管的水流量G 常常是几倍、甚至上百倍地大于同一时间内在上升管中产生的蒸汽量D 。两者之比，称为循环回路的循环倍率，这是另一个用以说明水循环好坏的重要指标，常用符号K 表示，其表达式为

G K D

= （6-6） 不难看出，循环倍率K 的倒数即为上升管的含汽率，或汽水混合物的干度，以x 表示，则有