蒸汽蓄热器的设计和应用 2

1、 蒸汽蓄热器的应用和设计目 录目 录1第一章 蒸汽蓄热器的应用4一 锅护负荷的波动和消除波动的方法4二 蒸汽蓄热器的原理和结构5三 蒸汽蓄热器在供热系统中的应用原理7四 蒸汽蓄热器的适用技术条件和领域101应用于用汽负荷波动较大的供热系统102应用于瞬时耗汽量极大的供热系统103应用于汽源间断供汽的或流量波动的供热系统114应用于需要蓄存蒸汽供随时需用的场合11五 在锅炉供热系统装用蒸汽蓄热器后的效益121节省锅炉燃料132增大锅炉供汽能力，节省建设投资163减少锅炉故障，延长锅炉使用寿命174保持供汽压力稳定，可提高产品的产量和(或)质量175有利于保护环境186减轻司炉的劳动强度187具有

2、应急的蒸汽储备188节省劳动力19第二章 蒸汽蓄热器的结构设计和热工计算19一 变压式蒸汽蓄热器的设计191蓄热器筒体192充热装置和排汽装置263附属装里314保温装置335自动调节装置33二 典型变压式蒸汽蓄热器34三 蒸汽蓄热器的热工计算361基本概念362单位蓄热量的计算383最大允许蒸发量454充水系数和放热后的水位高度465工作压力和蓄热量的关系486热效率49四 供热系统中锅炉的蓄热量50第三章 蒸汽蓄热器的工程设计50一 工程设计的步骤50二 蒸汽蓄热器工程的供热系统设计521蒸汽蓄热器在供热系统中的联结方式522蒸汽蓄热器对波动负荷的直接平衡和间接平衡53三 需要的蓄热量和蓄

3、热器的容积计算571波动负荷的特性分析582蓄热量的计算原则和方法613蓄热器的容积计算-74四 蒸汽蓄热器的自动调节761压力自动调节772流量自动调节78五 蒸汽蓄热器及其管道仪表的设计和安装80六 工程的技术经济821装设蒸汽蓄热器后的主要经济效益822蒸汽蓄热器的造价和工程投资分析83七 节能工程的经济评价85第四章 蒸汽蓄热器的应用实例86一 应用于用汽负荷波动幅度大、频率高的供热系统861制桨造纸厂862橡胶轮胎厂913酿酒厂924纺织印染厂975糖厂1036医院1087宾馆和大楼1118煤气厂112二 应用于瞬时耗汽量极大的供热系统1141钢厂真空处理工艺1142空间技术试验室1

4、17三 应用于汽源间断供汽或流量波动的供热系统1201在钢厂配合废热锅炉1202垃圾焚烧场1223太阳能电站1244配合电热锅炉126四 应用于储存一定数量的蒸汽供随时发生的紧急用汽127第五章 蒸汽蓄热器的安装和运行129一 蒸汽蓄热器的安装1291地基和围栏1292安装129二 蒸汽蓄热器的起动1291起动前的准备工作1292蒸汽蓄热器的充热1303蒸汽蓄热器的放热131三 蒸汽蓄热器的正常运行操作1321典型供热系统中蓄热器的运行1322监视蒸汽蓄热器的水位1353监视蒸汽蓄热器的压力和水温1364经常检查止回阀和自动调节阀的工作情况137四 蒸汽蓄热器的常见故障和处理1371进汽止回阀

5、或排汽止回阀发生泄漏1372自动调节阀140五 蒸汽蓄热器的维护保养1411维护保养要点1412常用的保养方法141六 蒸汽蓄热器蓄热量的简易测定法142第六章 蓄热器的技术发展概况和分类143一 蒸汽蓄热器的技术发展概况143二 预应力结构蒸汽蓄热器和过热蒸汽蓄热器150三 蓄热器的基本结构原理1521储蓄显热于饱和流体中1522 . 储蓄显热于加压(过冷)液体中153四 蓄热器的典型型式和分类1541基瑟巴赫式锅炉给水蓄热器1542墨科勒式锅炉给水蓄热器1553膨胀式蒸汽蓄热器1574变压式蓄热和恒压式蓄热的联合系统1585蓄热器的分类160附 录163附录一 碟形封头圆柱形蓄热器容积计算

6、(不完全充满水时)163附录二 椭圆形封头圆柱形蓄热器容积计算164附录三 蒸汽蓄热器标准规格(日本光辉蓄热器公司)164附录四 特大型蒸汽蓄热器标准规格(日本光辉蓄热器公司)165附录五 蒸汽蓄热器标准规格(日本奥巴尔机器公司)166第一章 蒸汽蓄热器的应用一 锅护负荷的波动和消除波动的方法在制浆造纸、化学纤维制造、纺织印染、制糖、制药、橡胶制品、食品、酿酒、化工原料、城市煤气、小氮肥造气、冶金及火力发电等厂的生产过程中，全厂用汽设备在运行中虽在一定限度内可以调整用汽时间以降低用汽峰值，但往往用汽负荷仍不均衡，出现较大的波动，迫使供汽锅炉的负荷也随之变动。由于一般锅炉的蓄热量有限，当外界用汽

7、负荷达到高峰或低谷时，锅炉的供汽压力往往时降时升，锅炉的燃烧工况很不稳定，运行热效率下降，因此使司炉操作紧张，劳功强度高；燃料燃烧不完全，排出黑烟，污染环境；又因供汽压力波动，往往使产品的产量和质量下降。为消除供汽锅炉负荷的较大波动，稳定供汽压力，提高锅炉的运行热效率，可在供汽系统中设置蓄热(蒸汽)的装置，亦即热能的吞吐仓库，使锅炉连续地按满负荷或某一稳定的负荷运行。当外界用汽负荷低锅炉供汽有多余时，就将热能储蓄于蓄热装置；在发生高峰负荷锅炉供汽不足时，蓄热装置就释放出所蓄热能以补不足。这样就使锅炉负荷不必跟随用汽负荷的波动而变动，在稳定的燃烧工况下达到最佳的运行热效率。近代冶金厂等工厂为节约

8、能源回收余热而采用余热锅炉(或称废热锅炉)，但由于有些冶金炉的生产有周期性，一个在产周期中有加料、冶炼、成品和出炉等过程，然后重复这些生产过程，因此排出的烟气余热是间断的、周期性的，使余热锅炉只能间断地产生蒸汽，蒸汽流量和压力都有波动。为使这间断供汽的汽源变为连续稳定的汽源以利于用户应用，可以在供汽系统中设置储存余热锅炉间断产生的蒸汽的蓄热装置。实现储蓄蒸汽的独立装置现在常用的有两种：即变压式蓄汽器和变压式蒸汽蓄热器.变压式蓄汽器俗称储汽包或干汽包，属干式定容变压式蓄热器，一般为外壁包有保温层的钢制圆柱形压力容器，它直接储蓄蒸汽。在容器蓄存或释放蒸汽时器内压力随之升高或降低。它的特点是结构简单

9、，能储存过热蒸汽。因为蒸汽的比容大，如果需要储蓄的蒸汽量很多时，就需要体积非常庞大的压力容器。变压式蒸汽蓄热器简称蒸汽蓄热器，是湿式定容变压式蓄热器，它与上述干汽包的蓄热原理和结构均不相同。它以.水为载热体，蓄存蒸汽的热能于高压饱和水中，然后利用饱和水降压后发生闪蒸(或称自蒸发)的原理再产生蒸汽，在相同容积下，它的蓄热量数十倍(或近百倍)于干汽包.二 蒸汽蓄热器的原理和结构蒸汽蓄热器的工作原理是在压力容器中贮存水，将蒸汽通入这水中加热水，即传输热能于水，使容器内水的温度和压力升高，形成具有一定压力的饱和水；然后在容器内压力下降的条件下，饱和水成为过热水，立即沸腾而自蒸发，产生蒸汽。这是以水为载

10、热体间接储蓄蒸汽的蓄热装置。容器中的水既是蒸汽和水进行热交换的传热介质，又是蓄存热能的载热体。常见的卧式蒸汽蓄热器的外形和结构如图1-1和1-2所示。它是钢制圆柱形压力容器，外壁敷有保温层。容器内部装有充蒸汽的分配总管和支管，支管末端装有蒸汽喷头，喷头外围装有水流循环筒(或称换流管)，容器壁上有蒸汽入口和出口、人孔、进水口，其底部有排水口和定位支座。此外，装有压力计、水位计等检测控制仪表，并可根据不同工程的要求，装设蒸汽流量计、远传式压力计等。一般采用卧式的蒸汽蓄热器较多，也有立式的，均可安装在室外，通常装在锅炉房的附近。变压式蒸汽蓄热器在运行时容器内贮有约占总容积80-90%的热水，如图1-

11、2所示，水面以上为蒸汽空间。在供汽锅炉按一定的蒸发量稳定地运行中，如用汽负荷小于锅炉蒸发量时，多余的蒸汽(饱和的或过热的)便经充热蒸汽入口止回阀、截止阀而进入蒸汽蓄热器中的蒸汽分配总管和支管，最后通过蒸汽喷嘴而向上扩散在水中并凝结为水，同时释放出热量以加热水，这是伴随着相变的混合式热交换过程，也是传热和传质的热力过程。这时，容器内的压力和水温均升高，水位由于流入的蒸汽凝结为水而升高，水的焓值提高到与容器内压力相对应的饱和水焓值，这就是蓄热器的充热过程。充热终止时蓄热器内的最高压力(P1)称为充热压力，即蓄热器变压范围的上限。蓄热器内的蒸汽分配总管和支管、蒸汽喷头以及循环筒总称为加热装置。循环筒

12、的作用是当蒸汽通过喷嘴连续喷入水中时，使筒内的水和汽向上流出筒的上口后扩散，这时因筒内上部汽水混合物流出后局部压力下降，使筒下口外的水流入筒内。如此不断循环对流，使容器内上下各部位的水温趋于接近。当用汽负荷大于锅炉蒸发量时，蒸汽蓄热器的送汽母管中汽压下降，蓄热器内压力大于供汽母管中的压力，于是蓄热器汽空间中的蒸汽立即顶开排汽止回阀而流往送汽母管。同时，器内饱和水的压力立即下降，致水温高于降压后的相应饱和温度而成为过热水，形成剩余热量。过热水就迅速自蒸发，产生饱和蒸汽流出蓄热器送往热用户，补充该时锅炉直接供汽的不足，直到规定的放热压力(最低送汽压力)为止。这时容器内压力和水温下降，水位下降，水的

13、焓值降低，这就是蒸汽蓄热器的放热过程。放热终止时的最低压力(P2)称为放热压力，即蓄热器变压范围的下限。实验表明放热过程中过热水的蒸发从数量上来衡量是以水体的连续沸腾蒸发为主，伴随着水的表面蒸发。这种蓄热器依靠容器内饱和水(热介质)压力的升降变化，使容器内饱和水的焓值相应地变化，从而蓄存或释放热能(蒸汽)，称为变压式(或降压式)蒸汽蓄热器。变压式蓄热器中的水在经蒸汽充热提高温度和压力以后，只有在当蓄热器内压力下降时才形成过热水而发生自蒸发，所产生的蒸汽为饱和蒸汽，其压力必定低于充热压力。因此过热蒸汽或饱和蒸汽充入变压式蓄热器蓄存以后再释放出的蒸汽存在着压力比原充入蒸汽压力低和过热度消失(如用过

14、热蒸汽充热)的热力损失，亦即能质有所降低。三 蒸汽蓄热器在供热系统中的应用原理图1-3a)表示一台蒸汽蓄热器与供汽锅炉并联的供热系统。在供汽母管上装有自动调节阀V1、V2，锅炉额定蒸发量为10t/h，压力1.37MPa(14kgf/cm2)。当低压热用户的用汽量为10t/h、压力0.29MPa(3kgf/cm2)时，锅炉供汽量与热用户用汽量基本平衡，在蒸汽蓄热器内蒸汽无进出。图13b)表示用汽量下降到5t/h，因锅炉仍按10t/h蒸发量运行，多余约5t/h蒸汽便流入蒸汽蓄热器蓄存。图1-3c)表示用汽量增加到15t/h，单由锅炉供汽已不够，供汽母管中压力下降，于是蒸汽蓄热器内的高压热水迅速蒸发

15、，输出蒸汽以补充锅炉供汽的不足。在上述图1-3 b)、c)中，蒸汽蓄热器发挥了在供热过程中的调节作用，消除了用汽负荷波动对锅炉运行的各种不利影响，使锅炉能在稳定的负荷下运行，同时保持供汽压力稳定，有利于生产工艺的顺利进行。图1-4a)、b)中为有高压(1.37MPa)和低压(0.29Mpa)两种用汽压的波动用汽负荷的供热系统。在图l-4a)中锅炉按10t/h蒸发量稳定运行，当高压用汽量增至5t/h、低压用汽量增至10t/h时，单由锅护供低压用汽不够，于是由蒸汽蓄热器将蓄存的蒸汽补充供给低压用户，以满足其用汽量。在图1-4b)中高压、低压用汽量分别降到2t/h、5t/h，多余蒸气约3t/h便流入

16、蒸汽蓄热器蓄存备用。图l-5为工厂中热电合产的自备火力发电站热力系统中装设蒸汽蓄热器的示意图。其中低压蒸汽负荷是波动的，当低压用汽量大于背压式汽轮机的排汽量时，就由蒸汽蓄热器补充供汽，这样就可使锅炉负荷和发电机组的发电量保持稳定，避免发生波动。图1-6表示一台小容量的锅炉配用容量较大的蒸汽蓄热器后可供汽给一次性瞬时耗汽量极大的用户或间断用汽的耗汽量较多的用户。图中示出一台1t/h小锅炉配用了蒸汽蓄热器后可供间断耗汽量达10t/h的用户。由于应用了蒸汽蓄热器，可使供汽锅炉容量大为减小。图17所示的废热锅炉只能间歇地产生蒸汽。为使能连续供汽给热用户起见，装用蒸汽蓄热器以汇集间歇地产生的蒸汽，使间断

17、供汽的汽源变为连续供汽的汽源。以上列举了蒸汽蓄热器的几种典型的应用四 蒸汽蓄热器的适用技术条件和领域蒸汽蓄热器在供热系统中主要用于调节在一定的用汽周期内供汽量和耗汽量之间的不平衡。目前主要用于下列四种情况。1应用于用汽负荷波动较大的供热系统在工厂等用汽负荷波动较大的供热系统中设置蒸汽蓄热器的主要目的是平衡对波动负荷的供汽，从而稳定供汽锅炉的燃烧工况、供汽压力和供汽品质，提高锅炉运行热效率，节约燃料。按不同行业来分，适合装用蓄热器的有制浆造纸厂、化学纤维(浆粕)厂、纺织印染厂、制糖厂、橡胶制品厂、啤酒厂、乳品厂、油脂厂，食品厂、化工原料厂、塑料厂、日用化学品厂、人造板厂、城市煤气厂、中小氮肥厂、

18、机械制造厂等，在这类工厂的生产过程中，用汽负荷都有较大幅度的波动，又有不同周期的频繁性，并且大多数为昼夜连续生产。应用蒸汽蓄热器以后，可使锅炉在一定的蒸发量下稳定运行，不仅使锅炉达到较好的运行热效率，而且因供汽压力稳定，保证蒸汽干度，使生产工艺顺利进行，产品的质量有保证，产量有增长。在有背压式或抽汽式汽轮发电机组的情况下，如汽轮机前后的用汽负荷有较大波动时，就影响到发电量的稳定。若要求发电量不变，可装设蒸汽蓄热器。装设蒸汽蓄热器后，波动负荷由蓄热器调节，可保持汽轮发电机组发电量稳定，又能避免有时因用不完汽轮机的排汽而放空的热损失。2应用于瞬时耗汽量极大的供热系统对瞬时耗汽量极大的供汽，如果采用

19、容量不大的锅炉配以足够容量的蒸汽蓄热器蓄存大量蒸汽，就可节省初次投资，保证供汽。瞬时耗气量极大的场合如下：炼钢车间在钢液真空脱气处理工艺中，现在一般采用蒸汽喷射泵抽气以获得真空。这些蒸汽喷射泵在极短的时间内耗用大量蒸汽。在近代空间技术的实验中，需在地面上体积很大的实验室里模拟高空的真空环境以供设备作试验，现在一般采用蒸汽喷射泵抽气以获得真空环境。该蒸汽喷射泵也在极短时间内耗用大量蒸汽。在肮空母舰上有飞机起飞时用的蒸汽弹射器，也在短时间内耗用大量蒸汽。3应用于汽源间断供汽或流量波动的供热系统在汽源供汽不连续或流量波动大的供热系统，装用蒸汽蓄热器后可以使汽源转变为能连续供汽的汽源。例如在转炉炼钢生

20、产中，余热随着工艺过程间歇地产生，因此汽化冷却装置间歇地产生蒸汽。为使这些蒸汽的用户能连续地使用，可装设蒸汽蓄热器汇集间歇产生的蒸汽，连续供汽给用户。在城市垃圾焚化炉中，由于废物的发热量差异很大，所产蒸汽量有波动，为保证供汽量稳定，可装用蒸汽蓄热汇集后供出。在太阳能发电站中，考虑到白天可能发生阴雨或云层遮挡阳光，因而不能产生蒸汽驱动汽轮发电机组发电，为此须有短时间的备用汽源以继续供汽给汽轮机。日本第一座1000KW太阳能电站中装有可供汽轮发电机组运行三小时用汽量的蒸汽蓄热器。在美国则有供汽轮发电机组运行六小时用汽量的蓄热器。在核电站中，保持额定功率运行，才能充分发挥核电在经济上的优越性。因核反

21、应堆在运行中如功率发生变动就将失去经济性和合理性，所以为了平衡外界用电负荷的波动，一般装用蒸汽蓄热器。4应用于需要蓄存蒸汽供随时需用的场合蒸汽蓄热器可作为一种在任何时候在它的容量限度内储存或供应任意数量蒸汽的热力设备。它可以对热用户遇到正常供汽中断时供紧急用汽，或者相反，它可以随时把暂时用不完的多余的蒸汽储存起来。例如在火力发电厂中，在遇到事故时须立即紧急起动备用汽轮发电机组，但即使是快速起动的电站锅炉，从紧急起动达到满负荷供汽也须十五分钟。如装用蒸汽蓄热器蓄存定量蒸汽后，即可随时紧急供汽给汽轮发电机组运行，直到紧急起动锅炉能满负荷供汽。这样可使输电网络电压不致下降。又如在蒸汽机车修理车间中，

22、驶入修理车间待维修的机车锅炉中尚有大量热水和部分蒸汽。为回收这部分热能，可藉压力将该部分热水和蒸汽输入蓄热器蓄存。在机车维修完毕后，机车锅炉可先不必在车间内生火，先用蓄热器中的蒸汽预热机车锅炉，然后将蓄热器蓄存的热水输入机车锅炉中，再由锅炉房中的锅炉给机车锅炉串汽增压，机车就可立即起动，驶离修理车间，这种方法称为机车无火始动工艺。又如在医院、宾馆等单位，在深夜用汽量很少。如装用蒸汽蓄热器后，就可将白天多余的蒸汽蓄存以供深夜使用。这样可以减少锅炉值班运行的时间。蒸汽蓄热器可以在新建或已建的工程中采用。在前述各行业的老厂中一般均可添装。特别是在老厂生产发展后，用汽负荷发生变化，依靠调度已有锅炉机组

23、不能满足用汽需要或者不能达到经济地供汽时，就可采取不增加或少增加锅炉机组和司炉人员，以装用蒸汽蓄热器来达到节能的目标。在研究装用蒸汽蓄热器时，必须注意下列的基本技术条件:(1)用汽负荷有频繁的较大幅度的波动，这种波动具有一定的周期性或呈现交变出现的一定的最大峰值与最低负荷；(2)汽源压力必须高于部分或全部用汽设备所需的汽压，这种压差越大，蓄存一定蒸汽量的蒸汽蓄热器的容积就越小，一般要求有0.29MPa(3kgf/cm2)以上的压差；(3)汽源的供汽能力必须略大于一昼夜的平均用汽负荷；(4)具有装设蒸汽蓄热器的场地。五 在锅炉供热系统装用蒸汽蓄热器后的效益在有剧烈且频繁波动的热负荷的锅炉供热系统

24、中，装用蒸汽蓄热器能显著地获得经济效益和环境保护效益。它不仅能提高锅炉的运行热效率，直接节省锅炉燃料，而且由于使所供蒸汽的压力和品质稳定而相应地稳定了生产工艺过程，间接地产生保证产品质量和(或)增加产量的效果。此外，可以避免锅炉经常出现燃烧不良及排出含尘量高和氮的氧化物浓度高的烟气，减少锅炉的故障，减轻司炉的劳动强度等。因此，它的综合效益显著而可观，现分述如下：1节省锅炉燃料锅炉的运行热效率随锅炉负荷的变动而异，一般按额定蒸发量稳定地连续运行时效率最高，锅炉负荷急剧、频繁波动时效率较低。图18示出水管锅炉在一定负荷下和波动负荷时锅炉运行热效率的变化。图中最上面的实线表示锅炉负荷无波动时在各种蒸

25、发率下的热效率，其中蒸发率在15一25kg/(m2·h)的范围内热效率最高。虚线表示负荷波动时的热效率，可以看到负荷变动幅度越大(±50%)，热效率越低。锅炉运行热效率高，亦即生产单位蒸汽量的煤耗少，反之则多。例如某煤种的低位发热量为21一25MJ/Kg(50006000kcal/kg)，该煤一吨用于工业锅炉所产的蒸汽估算如下：锅炉负荷如随用汽负荷的波动而也急剧波动时，锅炉燃料与所需燃烧空气量难以迅速调节达到平衡。当空气量过多时排烟热损失增加，当空气量不充足时燃烧不完全的热损失增多。两者都造成热损失，使锅炉热效率降低。至于热损失的多寡和锅炉性能、燃料特性以及操作水平等有关。

26、为保持锅炉能连续稳定地按一定负荷运行以保持较高的热效率，对剧烈波动的用汽负荷可采用蒸汽蓄热器。在采用蒸汽蓄热器后，当外界用汽负荷较低时，多余蒸汽将蓄入蓄热器中。在用汽高峰时，蓄热器所蓄蒸汽迅速输出，补充该时锅炉供汽的不足，以满足高峰用汽的需要。这样，用汽负荷的波动由蓄热器调节平衡，就可保持锅炉能连续稳定地按一定负荷运行。图19表示未用蒸汽蓄热器时锅炉负荷随用汽负荷波动于619t/h之间。图1一10表示装用蓄热器后锅炉负荷基本稳定在13.5t/h左右。图111中的峰谷线为用汽负荷曲线，中间水平的黑线为锅炉蒸发量曲线。此线之下有黑点的面积(山谷)为蓄入蓄热器的蒸汽量，此线之上有斜线的面识(山蜂)为

27、由蓄热器放出的蒸汽量。由图可知在一个蓄热、放热循环中，斜线的面积与黑点的面识基本上相等，即蓄热器的放热量与蓄热量相等。由此可知在有剧烈波动用汽负荷的供热系统中，供汽锅炉配用蒸汽蓄热器后锅炉就不再追随波动负荷而变动蒸发量，基本上保持连续稳定的运行工况。这就避免了燃烧工况变动时的各种热损失。虽然蒸汽蓄热器本体有散热损失，但一般在有良好的保温层条件下这热损失很微小。虽然负荷波动使锅炉燃烧工况急剧变化所引起的燃料损失随锅炉机组的型式、容量规模、机动性能和所用燃料品种及操作维修水平等的不同而有较大变化，但许多装用蒸汽蓄热器后的实际测试资料表明，一般可节省燃料5%-10%，有时超过15%。在热电合产的工厂

28、自备电站中，一般要求汽轮发电机组的发电量保持不变。但如使用汽轮机抽汽或排汽的热用户负荷波动很大时，就导致机组发电量波动很大，甚至使汽轮机不能正常地安全运行。如在汽轮机的抽汽或排汽侧装用蒸汽蓄热器，平衡用汽负荷的波动，就可使汽轮发电机组按一定的发电量安全稳定地运行，达到节约能源的目的。2增大锅炉供汽能力，节省建设投资锅炉有了适当容量的蒸汽蓄热器配合供汽以后，就能应付剧烈而又频繁波动的用汽负荷，满足高峰用汽量大于锅炉额定蒸发量时的需要。所以，在锅炉房设计中，锅炉容量的确定不必按最大用汽量计算，可按平均用汽量计算。这样，锅炉机组的总容量就能减少，除了需另行计算配用适当容量的蒸汽蓄热器外，在一定范围内

29、可减少建设投资。例如在图1一11中，总容量为13.5t/h的锅炉机组可供19.5t/h的高峰用汽。特别在已建锅炉房的条件下，当高峰用汽负荷随生产的发展而增加时，只要已有锅炉的蒸发量大于平均用汽量，锅炉工作压力大于用户用汽压力，配用适当容量的蒸汽蓄热器后就可应付自如。这与增设锅炉机组相比，除可以节省建设投资之外，一般可以节省人员、能源和运行费用。在通常情况下，设置蒸汽蓄热器的投资常低于装设等量的锅炉机组(包括辅助设备、电力设施等)及所需房屋建筑的投资。蒸汽蓄热器常装设在室外，只需简单的基础，场地面积有限时，可适当升高蓄热器支座，只占用空间。在进行投资的分析对比时，除考虑设置蓄热器和锅炉机组两种方

30、案的初次投资之外，还须比较常年运行维修费用。蒸汽蓄热器使用寿命长，维修保养工作少，几乎无须修理，可以长期保持正常工作状态，这是相当重要的一个方面，对比于锅炉，炉膛内的管子、炉排等常常出现一些故障必须检修，则蓄热器的维护费用几乎可以忽视。设置蒸汽蓄热器的投资是否小于设置相应的锅炉机组的投资，这个技术经济界线主要视蓄热器的放热时间长短而定。一般放热时间愈长，蓄热器容量愈大，蓄热器所需的投资也愈多。据联邦德国古特司登按西方的情况分析比较：对于工业锅炉供汽，如蒸汽蓄热器的连续放热时间在四小时以内，在此时期内高峰负荷正常，负荷曲线接近三角形，则蒸汽蓄热器的工程投资少于设置锅炉机组的投资。此外，与蓄热系统

31、的合理程度也有关，至于电站，据新近的分析研究，甚至连续放热时间达到六小时，可能还是合算的。3减少锅炉故障，延长锅炉使用寿命未用蒸汽蓄热器时，供汽锅炉的燃烧强度随剧烈波动的用汽负荷而多变：有时赶火，猛加燃料，炉膛内燃烧剧烈，使炉壁过热；有时压火，炉膛内燃烧缓慢，炉膛温度下降，这样易使炉墙耐火砌体开裂、炉管弯曲变形或水冷壁上结渣。如炉内燃烧不尽，火焰延伸，可使蒸汽过热器或对流管束的金属超温，易生故障。装用蒸汽蓄热器后，锅炉负荷稳定，燃烧工况稳定，汽压稳定，可以避免发生上述不良现象。因此，锅炉检修工作量减少，维修费用也减少，锅炉的使用寿命延长，这些都是短时间内不易确切计算的经济效益。4保持供汽压力稳

32、定，可提高产品的产量和(或)质量有些产品的产量和(或)质量受生产过程中所供的蒸汽压力是否稳定、品质是否达到要求的明显的影响。例如，糖厂中糖的结晶和粒度的优劣和供给结晶罐的蒸汽压力是否稳定有关。又如，纺织印染厂中供给染槽的蒸汽干度和压力如不稳定，则染液浓度发生变化后就会影响印染的质量，使次品率上升。对上述类型用汽负荷有较大波动的热用户，如锅炉蓄热量有限，遇高峰用汽时供汽压力下降、蒸汽严重带水，就会影响生产工艺，影响产品的产量和质量。如配用蒸汽蓄热器，就可保持高峰用汽时蒸汽压力稳定和干度合格，使生产工艺顺利进行，就能提高产品的产最和质量。一般对制桨造纸厂、染织厂、制糖厂可增产5%以上。5有利于保护

33、环境锅炉对急剧波动用汽负荷的供汽，在未用蒸汽蓄热器时锅炉蒸发量随用汽负荷的波动而变动，锅炉的燃烧很不稳定，燃料的燃烧与所需的空气量时常失去平衡。当空气量不足时，将发生不完全燃烧而产生黑烟。当空气量过多时，则燃烧温度越高时燃烧所产生的废气中氮的氧化物(NOx )就越增多。锅炉配用蒸汽蓄热器后，锅炉按一定的负荷稳定地运行，燃烧工况稳定后就容易实现低氧燃烧，废气中氮的氧化物减少，烟气含尘量低，有利于环境卫生。6减轻司炉的劳动强度当锅炉容量有限，供汽给负荷波动剧烈而又频繁的热用户时，司炉必须付出很大注意力于经常频繁紧张地追随外部用汽负荷的波动而调节燃烧，劳动强度高。.这种长时间的紧张心情和劳动易使人劳

34、累。如果装用适当的蒸汽蓄热器，锅炉基本上可按一定的负荷稳定运行，这就解除了司炉原来时刻紧张的心情和劳动。操作时只须监视仪表，做到基本上有规律地运行，司炉的注意力可集中于达到效率最佳的运行工况。7具有应急的蒸汽储备在供汽系统中装设蒸汽蓄热器后，如锅炉机组突然发生故障或停电，锅炉停止运行或立即进行抢修时，蒸汽蓄热器可以继续供汽一段时间，维持必须连续供汽的生产工艺，例如在橡胶轮胎厂的硫化罐及某些实验恒温室等。这时，锅炉设备就有一段抢修或采取应急措施的时间，同时可减少或避免生产上的损失。又如在日本东京，当某一市区的大气中光化学烟雾超限后，环境监察站立即发出警报，该区内有关工厂的锅炉必须立即临时降低负荷

35、，减少锅炉排烟量直到再次得到监察站的通知。在这段降负荷运行时间内，蒸汽蓄热器可以应急供汽，可以避免或减少生产上的损失。8节省劳动力在锅炉供汽系统中装用蒸汽蓄热器后，对用汽量很少的一段时间可以停用锅炉，由蓄热器单独供汽。例如：(1)医院等在夜间只需要少量蒸汽；(2)工厂在休假日个别部门仍需用少量蒸汽。这时，锅炉可以停止运行，该时的值班管理人员可以减少或取消。综上所述，装用蒸汽蓄热器后能取得经济效益(包括节能效益)，环保效益和锅炉运行方面的效益。其中有可以正确计算出的效益，也有难以金钱计算的无形的效益，例如增大供汽的可靠性后对于生产方面所带来的有利影响等等。在当前能源紧张时期，蒸汽蓄热器已日益显出

36、其重要性而被列为节能设备。但实际上它所能产生的效益超过单纯的节能，所以在部分工业领域中有广泛推广应用的前途。蓄热器成为国家重点推广的节能设备，是国家计委重点推广的48项成熟推广的节约资源措施中的第6项。第二章 蒸汽蓄热器的结构设计和热工计算一 变压式蒸汽蓄热器的设计变压式蒸汽蓄热器由以下五个部分组成：1蓄热器筒体；2充热装置和排汽装置；3附属装置；4保温装置；5自动调节装置。分别说明如后。1蓄热器筒体蒸汽蓄热器的筒体是贮存热水和蒸汽进行蓄热或放热的压力容器，在运行时容器的下部为水容积，上部为汽空间，内部装有充热放热装置，其设计要求为：l)在强度上能耐受设计的工作压力；2)在给定的容积、压力条件

37、下，力求制造简单、容易；3)在给定的容积、压力条件下，力求用料少、重量轻；4)在给定的容积、压力条件下，占地面积越小越好；5)为使散热损失达到最小，对给定容积的筒体，其表面积越小越好，即对单位容积的表面积力求最小；6)蓄热效率好，制造费用低。蓄热器筒体的设计应按上述要求考虑。据此，从有利于压力容器的强度来看，筒体的断面应为圆形，所以一般选用圆筒形为基本形伏，其两端则采用半球形、椭圆形或碟形封头，有时也可用球形的筒体。半球形封头在制造上难度稍大，且受钢板尺寸的限制。如由数量过多的球面形钢板拼焊，则制作较难；对筒体直径不太大的容器，常采用五块拼成。如直径过大，势必需用较厚的钢板，但壁厚超过一定数值

38、(见钢制焊接压力容器技术条件)后必须对局部器壁或整体进行退火，这样制造费用会相当多地增加，所以中小型蓄热器的直径一般宜在23m间。根据安装场地的条件，蓄热器可制成立式或卧式。立式占地面积较小，但抗地震的性能不及卧式好。卧式的内部装置较简单，蒸发表面积较大。图2-1示出卧式的外形。(1)、筒体的容积和表面积如图2一l所示，如D=筒体的直径(m)；L=筒体的总长度(m)；F=筒体的全部表面积(m2)，. V=筒体的容积(m3)F。=筒体的安装占地面积m2)，则当封头为半球形时的容积图2一2表示上式的计算结果。利用图22的曲线，可以直接求得筒体容积。例如蓄热器筒体长15m，直径3m，求它的容积。从纵

39、轴(长度)上找出15m的点，过此点引水平直线向右交直径3m的斜线于一点，由此引平行于纵轴的直线交横轴于98m3处，即它的容积。碟形封头的筒体容积计算公式见附录一。用t=L/D的值可示出蓄热器筒体的体形.。t值可由图22中查得。如L=D时t=1，即筒体为球形。利用图22可在给定的容积和直径下求得长度。为尽量减少热损失和节省材料起见，在给定的容积下对所选蓄热器筒体的表面积要力求最小。为此，须求取筒体容积V和表面积F的最佳值关系，这个表面和容积之比F/V称为表面积率。半球形封头的圆柱形蓄热器的表面积F见下式：图23即按上式关系计算的表面积和单位容积表面积率对容积的曲线图，如上例D=3m，L=15m时

40、V=98m3。t=L/D=5,在图23中横轴上取98m3的一点，平行于纵轴向上作直线与t=5曲线相交于一点，由此点向左在横轴上可查得表面积140m2。由图2一3可知：1)当t(=L/D)一定时，随着筒体容积的增大，其表面积率变小(见图中五条虚线)；2)当容积一定时，t值越小(筒体短而胖)，其表面积率越小。t的最小值为1，t=1时筒体呈球形，这时表面积率最小。球的表面积虽然最小，但实际上制造钢制球形蓄热器将因其制造费用的增加而抵消重量轻的得益。一般考虑到制造方便、费用低，常采用圆筒形。钢制蓄热器的t优化值在3.55之间。碟形封头的立式压力容器宜取t4，卧式的取t>4，对预应力铸铁结构蓄热器

41、则约近于6。此外，考虑到陆上运输的方便，容积在50一150m3的蓄热器直径的上限为3m。蓄热器的长度和直径比(t=L/D)是对造价有相当影响的一个因素。直径愈大则筒壁随之加厚，长度愈长则表面积增大，两者均影响到容器的重量，亦即造价。表面积如增大则保温层费用相应增多。粗略估计，一般可以认为容器的重量正比于压力和容积之积，这样消除了直径的因素。(2)、安装占地面积立式蒸汽蓄热器的安装占地面积小于卧式的。随着t值的增大，两者占地面积的差数变大。t值愈接近1时，两者占地面积的差数愈小。t=1时(球形)，两者相等。此外，即使在t值相等而容积增大时，两者占地面积的差数也变大。图24为t=4时立式与卧式蒸汽

42、蓄热器占地面积的变化曲线。由该图可知容积为100m3的蓄热器，当它为立式时占地面积约为10m2，卧式时约为43m2，后者比前者多33m2。(3)、筒体强度。蒸汽蓄热器筒体的强度计算公式根据各国的工业标准而定。日本采用：式中 t筒体最小壁厚(mm)；P设计工作压力(kgf/cm2).，D筒体内壁直径(mm)，a1抗拉强度(kgf/mm2)；x一容许抗拉应力对钢材抗拉强度之比，取1/4(焊接条件时1/4.25)；一纵向焊缝系数。1kgf/cm2=0.01kgf/mm2=0.0980665MPa蓄热器在反复的充热和放热过程中筒内水温不断变化，装在室外时受气候影响较大，因此在设计选用容器材质时须十分往

43、意，在加工制造和安装时须有相当的精度。(4)、筒体结构蒸汽蓄热器的圆柱形筒体和普通的锅炉锅筒相同，制作时先将二、三块钢板拼接成圆环，然后将这些圆环拼接成长的圆筒。半球形封头通常约用五块钢板拼合。如图2一5所示，卧式蓄热器球形封头由球冠8和四块扇形钢板9拼成的球台组成。筒体中部有集汽室，在此设有蒸汽出口2，安全阀座6，空气阀座7。1为蒸汽入口，3为排水阀座，4、5为人孔。近来也有因受筒体运输高度限制等原因而取消集汽室的。立式蓄热器在筒体基本结构方面除无集汽室外，其余和卧式的相同。必须注意到立式蓄热器在高度上比卧式的高得多，因此须考虑到筒体内由于水位高度对筒体下部所形成的压头，所以筒体下部所用钢板

44、厚于上部。如果筒体高度为20m，则在筒体上部与下部所受水的静压压差为0.20MPa(2kgf/cm2)。此外，因蓄热器安装于室外，对立式的须考虑能抗风压。(5)、安装基础和筒体支座蒸汽蓄热器在运行时内盛热水，其总重量达数十吨至上百吨，对立式的还须考虑抗风压的平衡力矩，所以它必须有足够坚固的基础。在设计和安装蓄热器支座时必须考虑到蓄热器内热水温度变化所引起的筒体热涨冷缩，因此对立式和卧式蓄热器的支座均须考虑能吸收不同方向的伸缩。例如蓄热器的工作压力为1.47MPa (15kgf/cm2)时的蒸汽温度约为200，按钢的线膨胀系数为2.5mm/m计算，如蓄热器两支座的间距为17m，则其纵向伸长量为4

45、2 .5mm。因此，如无允许自由伸缩的装置，将会产生很大的推力。为此，蓄热器除有固定支座外，必须考虑允许它向不同方向自由伸缩的活动支座。如图2一6所示，可以装设分别按伸缩方向布置的滚动支座和兼有防止摆动作用及允许斜方向伸缩的铰接支座。图中箭头所指的方向即蓄热器的膨胀方向。图中所示卧式蓄热器除装有固定支座外，另采用滚动支座使筒体能自由伸缩，又为防止摇摆而采用有挡板的滚动支座。(钢制卧式容器用的鞍式支座标准见机械部和燃化部部颁标准)上图中最右面的是和一般不同的立式蓄热器安装形式，全部压载在一个环形支座上，其纵向则可自由伸缩。2充热装置和排汽装置在蒸汽蓄热器中，蓄热时采用蒸汽对蓄热器充热，器内以水为

46、蓄热介质蓄热。在释放热能时，部分饱和水自蒸发产生蒸汽携带热能输往用户。在蒸汽进人蓄热器加热水时，蒸汽冷凝为水，器内水温、压力和水位随之升高，这就是充热。正确的充热过程要力求充热时器内水温迅速地达到均匀，压力损失小。为此，一般蓄热器的水容积深而充热放热的压差不大时，需要保证贮水有良好的对流循环的充热装置。装置的形式随蓄热条件而定，现在常用蒸汽喷头和循环套管。图27表示卧式蒸汽蓄热器内充热装置的布置，有双排(上图)和单排(下图)。通常由一根主蒸汽管接入蓄热器筒体内后沿水平方向分成左右两根配汽总管，并在总管上接出若干垂直的蒸汽支管，支管末端接装蒸汽喷头。在蒸汽支管外套装直径较大的水流循环管，组合成加

47、热换流装置，如图28所示，其中右图适用于以低压蒸汽如0.2MPa(2kgf/cm2)充热的低压蒸汽蓄热器。加热换流装置竖立在筒体水容积中。循环管的上端和下端分别以支撑固定于蒸汽支管和筒体底壁上、它使水在加热时有良好的对流循环，水容积中的水温较均匀。常用循环管的形状有圆柱形和渐缩渐扩的喇叭形，图28中所示下端成喇叭形，有的在上端也做成倒置喇叭形，如图29所示蒸汽喷头的作用为使蒸汽分成小股高速喷入水中，形成比重较轻的汽水混合物而引起水的对流。这就使蒸汽在水中迅速有效地均匀扩散后与水混合，放出汽化潜热加热全部水。喷头与喷嘴的构造和充热蒸汽压力、加热逮率、噪声与振动的控制有关。图2一9中所示为常用的葫

48、芦形喷头，它分上下两层。喷嘴位于喷头的肩部，有一定的斜度。有的是在喷孔上接装一小段渐扩形或渐缩形喷嘴。在充热时，蒸汽从喷嘴喷入水中，于是循环管内的水先受热而水温升高，以致比重减小，部分水为汽泡所置换而成为比重稍轻的汽水混合物，并扩散上升。又由于喷出汽柱的位能以及循环管外存在着水柱压力的作用，使循环管下口的水向上流入压力略低的循环管。如此不断循环，筒体内各部位的水温就较快地趋向均匀。必须避免在蓄热器筒体下部水容积中发生水温差异较大的冷水区，以防金属筒壁膨胀不均而导致开裂。图2一9示出了加热换流管的水循环路线。蓄热器充热进汽管和筒体内蒸汽分配管管径的选用必须考虑力求减少压力损失，因为充热蒸汽压力的

49、降低意味着单位水容积蓄热量的减少。(1)、喷头和喷嘴蒸汽喷孔的大小和数量应根据要求的充热速率和喷嘴特性进行计算。在蓄热器筒体尺寸定型化的条件下，每种尺寸的筒体内安装的喷头数量可以根据不同工程要求的不同充热速率而确定。在整个充热过程中，蓄热器内压力和充热速率是变化的，所以喷嘴的蒸汽流速也是变化的，一般最大流速采用50m/s，喷嘴数量可按最大充热速率计算。通常喷嘴的孔径为10mm。例如，一个喷头有40个喷嘴，如喷嘴的流量系数取0.5，则将有16cm2的有效开口面积，若喷嘴的蒸汽流速为50m/s，充热压力为1.37MPa(14kgf/cm2)，则每只喷头喷出的蒸汽量约为1.8t/h。低压蒸汽喷头用于

50、低压蒸汽蓄热器。这类蓄热器的充热蒸汽压力较低，例如0.2MPa(2kgf/cm2),一般为动力机械中已经使用过的蒸汽，所以也称废汽蓄热器。例如，用于贮存汽轮机抽汽或排汽等低压汽源的蓄热器。由于低压蒸汽进入蓄热器喷头的压力已较低，必须尽量减少其压力损失，所以低压喷头的入水深度宜浅，但又要保持一定深度，以使筒体内的水能较好地上下对流。如果喷嘴入水的深度过浅，就只能加热上层的水，在水容积的中下层将形成深厚的冷水带。水的上下层温差大，就会严重影响蓄热器的性能。图28中右图为带有循环管的一种低压蒸汽喷头，这种形式最早用于法国人拉托教授创制的汽轮机废汽蓄热器。立式蒸汽蓄热器的喷头与卧式的完全不同。因沿筒体

51、高度方向不能装设粗大的蒸汽管子，所以只能在由上引下的进汽主管上从筒体上端算起约1/3高度处分接出几个喷头，如图210中的1。也不能象卧式蓄热器在每只喷头外围装一根循环管，仅能装用一根大直径的长达近筒底处的循环总管，如图210中的2。为提高立式蒸汽蓄热器在放热时的蒸发率，如图2一10所示在循环管2外侧的管子3的上端装设叠置的圆锥形套管。充热过程是个复杂的传热传质动力热力过程。原来蓄热器内压力较低，蒸汽流入器内后先提高器内压力。由于充热开始时器内压力低，所以流入的蒸汽汽泡首先被过热，这部分热能在开始冷凝时先传给周围的水。在充热开始时，离开喷嘴的蒸汽并不冷凝而有经过水层后上升到汽空间的趋向。这样便使

52、器内压力升高，并使以后流入的蒸汽的压力上升到略高于相应的饱和温度，这个饱和温度高于该时的水温。由于存在着这个温差，就引起了器内蒸汽汽泡的冷凝而将热传给水。然后，在器内自动产生一个稳定状态，即小部分蒸汽总是流到汽空间以增高压力，其余大部分蒸汽则在水中上升的过程中冷凝为水而释放出热能，并加热了水。因为在喷头截面处的蒸汽和水的热交换不能将全部蒸汽的热能传给水，所以部分蒸汽将在水中扩散。蒸汽在扩散过程中与水进行热交换，水容积内存在水汽混合物，它的比容瞬时增大很多，因此这时蓄热器的水位表上所示的水位常出现上下波动。在充热过程中实际上存在一定的热损失，使蓄热器内上部汽空间的温度与水容积内上层的水温存在着温

53、差，引起了水容积内水温的分层性不均匀。随着水深的增加，水温和相应的饱和温度的温差愈大，因此蓄热器内各点有不同的温差，这个温差以平均小于4为较好。实践证明，蒸汽喷头的入水深度对蓄热器内各部位的温差有重要的影响，即和蒸汽喷出时的压头(水柱高度)、汽泡上升时间等有关，所以喷头入水深度应按蓄热器的工作压力和充热速率来决定，力求减少总的温度损失。(2)、集汽装置和汽水分离装置蒸汽蓄热器的排汽装置包括集汽装置、限流装置和汽水分离装置。在蒸汽蓄热器的设计中，已经控制了筒体内的蒸发强度和留有足够的汽水分离空间高度，使之具有产生干饱和蒸汽的基本条件。但为了获得质量更好的蒸汽，可以在卧式蓄热器筒体顶部排汽口上设置

54、集汽室。传统的集汽室为钟罩形(俗称将军帽)，但近来有改用一段卧式圆柱形筒体的方案，它可以用法兰连接于蓄热器的排汽口。汽水分离装置的形式较多，其安装位置也随形式而异，有的装在集汽室中，有的装在卧式蓄热器筒体内的顶部。通常在集汽室中装置渐缩渐扩形限流喷嘴(即拉伐尔限流喷嘴)。在送汽管内汽压急剧下降时，这个限流喷嘴将限止自蓄热器中流出的蒸汽流最于某一最高值，以防止蓄热器内急剧蒸发后蒸汽带水很多。又由于这个喷嘴的节流作用，将使蒸汽中的水滴再次蒸发。从蒸汽蓄热器中蒸发出的蒸汽经过上述汽水分离装置后，在流经出口止回阀和自动调节阀时发生节流绝热膨胀，致使原来的干饱和蒸汽成为具有十多度()过热度的微过热蒸汽。

55、3附属装置(l)、止回阀为使蒸汽蓄热器按照负荷变化的需要自动进行充热和放热，除了在供汽母管上装设自动调节阀之外，对与锅炉并联连接的蒸汽蓄热器，必须在其进汽口排汽口各装设一只止回阀。对串联连接的蓄热器，则必须在其进汽口装设一只止回阀。蓄热器进汽口的止回阀可以防止蓄热器放热时热水倒流而引起水击和蒸汽带水。排汽口如无止回阀则蒸汽可经排汽口倒流入蓄热器的汽空间，该处压力立即上升，但筒体内的水不能很快加热以完成正常的蓄热效果。此外可在紧靠蓄热器进汽和排汽止回阀的前面或后面各装设一只截止阀以利于止回阀的检修。(2)、压力计为监视蒸汽蓄热器内的压力，须在蓄热器筒体的汽空间开孔接装蒸汽压力计。如要检测和连续记

56、录蓄热器在运行过程中充热和放热时的汽压变化情况，可装用有自动记录的压力计。(3)、液位计为监视蒸汽蓄热器在运行过程中的水位以及控制初次投运时加水的水位，必须在筒体上装设适当的液位计。液位计的极限量程应大于充热终了时的高水位和小于放热终了时的低水位。蒸汽蓄热器的充热和放热状况，反映于蓄热器内的压力(或温度)和水位高度，所以水位也是重要的检测目标。一般可采用自动连续记录的仪表，并远传到锅炉房控制台一并监视，或装在蓄热器旁边的小亭内。(4)、安全阀安全阀根据有关的安全监察规程进行设计。安全阀安装的位置，当有集汽室时安装在集汽室上，无集汽室时安装在蓄热器筒体顶部汽空间的范围内。(5)、排水阀和给水阀蒸

57、汽蓄热器在运行过程中，为保持一定的汽空间高度和水量而必须定时调整水量，需要装设排水阀和给水阀。在维修时要放出贮水，为此须在蓄热器筒体底部最低点处装设排水阀。排水阀和排水管的直径根据蓄热器容积而定。排水管可接到锅炉给水箱，以回收排出的热水及其热能。蒸汽蓄热器在初次运行时要先加入软水。此外，如用过热蒸汽充热时在运行中须补充软水，为此在邻近卧式蒸汽蓄热器筒体的水平中心线高度处向筒体内水容积区间接入进水管，在进水管上装设给水阀和止回阀各一只。(6)、空气阀蒸汽蓄热器在初次投运时须为加水而排出筒体内的空气，在维修时又须为放出贮水而将空气引入筒体内，以避免筒体内造成真空。为此，在筒体的顶部高点处需装设一只空气阀。4保温装置由于蒸汽蓄热器内贮存的水和蒸汽的温度较高，筒体表面温度与周围空气温度