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 0ssm/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1D==（6-7）xG K循环倍率的物理意义是单位质量的水在此循环回路中全部变成蒸汽，需经循环流动的次数。

循环倍率K愈大，干度x愈小，它表示上升管出口处汽水混合物中水的份额愈大，冷却条件愈好，水循环安全。

由于水的汽化潜热是随压力的增高而降低的，在上升管受热情况相同的条件下，压力愈高，K值愈小。

蒸发量大的锅炉，上升管受热长度一般都较长或者上升管的热负荷较高，则K值也较小。

基于供热锅炉的压力和容量都较小，上升管热负荷也不高，所以其循环倍率一般都很大，约在50~200这一范围内变动，无需多虑循环倍率过低的问题。

对于某些燃油燃气锅炉所采用的双面曝光水冷壁回路，因其热负荷很高，应当注意不使该回路的K值过小。

增大循环倍率的结构措施，通常是加大该回路的下降管总截面积和使上升管受热长度与直径之比不宜过大。

对于自然循环热水锅炉的受热面，也有“循环倍率”的概念，但其含义不同于蒸汽锅炉。

它是指受热面在吸热量和锅炉的循环水流量及供、回水温度相同的工作条件下，按自然循环工作时通过受热面的流量与按直流工作时通过的流量之比。

一台热水锅炉有若干自然循环回路，它们有着共同的锅炉供、回水温度，但各自的吸热量和温升不同。

所以，全炉循环倍率为各回路循环倍率按吸热量比例的加权平均值。

如前所述，蒸汽锅炉的自然循环回路中，循环倍率都大于1。

但在热水锅炉中，不管是回路循环倍率，还是全炉循环倍率，都有可能大于1，也有可能小于1。

这是热水锅炉自然循环的特点之一。

如图5-20所示的这台热水锅炉，因有大量的自然循环对流（管束）受热面，其全炉循环倍率大于1，对流（管束）受热面的循环倍率也大于1，而水冷壁循环倍率则可能大于1，也可能小于1。

图5-20 DHL14-1.25/80AII型热水锅炉1—链条炉；2—下降管；3—辐射受热面（水冷壁）；4—锅筒；5—热水出口；6—对流受热面（钢管省煤器）；7—回水入口；8—空气预热器3. 循环回路的特性曲线图6-2 水循环特性曲线图6-2所示为循环回路的特性曲线，表示在一定的热负荷下，有效压头yx P 、阻力xj P ∆和流量（或相应的循环流速）之间的关系。

对于结构已定的循环回路，下降管系统的阻力是水循环流速0ω的函数，0ω增大，xj P ∆也增大。

对上升管而言，在一定热负荷下，增大0ω时，使管内含汽率减小，上升管含汽区段中汽水混合物的平均密度q ρ增大。

这样，用于克服下降管阻力的有效压头yx P 下降。

只有在yx P 与xj P ∆两者取得平衡时，即两曲线的交点A 才是水循环的工作点。

这与通风系统中，风机特性曲线与管路特性曲线相交而得出工作点的原理一样。

在水循环回路工作点处可得出实际的循环流速0ω，可用以与一般的推荐值对照，并对水循环工作的可靠性进行校核，以检查个别管子有无可能发生水循环故障。

三、自然循环锅炉的水循环故障自然循环的动力源于循环回路的运动压头。

当回路高度一定时，锅炉压力愈低，运动压头愈大，有利于自然水循环。

供热锅炉压力并不高，按理容易保证良好的水循环。

但在实际运行中，发生水循环故障的却不乏其例，常见的除上升管产生循环停滞、倒流和汽水分层之外，还有下降管带汽，它们都将会严重影响锅炉工作的安全和正常运行。

因而有必要对这些主要故障的产生原因进行分析，然后针对实际情况找出防止和消除这些故障的方法。

1. 循环停滞和倒流一个循环回路，如水冷壁受热面，它总是由并联的许多上升管和几根下降管连接于锅筒和集箱而工作的。

在同一循环回路中，每根上升管的受热强度并非相同，有时甚至相差十分悬殊。

这种受热的不均匀性，主要是由于炉膛和燃烧设备的结构特性、管外挂渣积灰和管子受热段的长短不一等原因造成的。