蒸汽蓄热器选型及性能分析

蒸汽蓄热器选型及性能分析

蒸汽蓄热器是一种蒸汽热能的储存容器。这一技术始于19世纪末。在19世纪，它主要是为了解决工厂对气负荷的变化而提出的。从本世纪20年代起,蒸汽蓄热器被广泛应用于锻造、纺织、机械、卷烟、木材加工和酿酒等行业,适用于以下四种场合:(1)热源间断供热或供热量波动较大;(2)热负荷波动大而频繁;(3)瞬时热耗极大;(4)需要储存热能供随时使用。此外,蒸汽蓄热器还是一种行之有效的节能设备,在集中供热和热电冷联产等应用中有很大的发展前景,国家标准GB50041-2008《锅炉房设计规范》中也作了推荐。合理使用蒸汽蓄热器,一般可节约燃料3%～20%。陈水通结合相关资料及工程经验,对卧式蒸汽蓄热器设计与计算中遇到的若干问题进行了探讨,比较了不同计算方法的适用场合及优缺点,优化了个别参数的计算公式。如今,蒸汽蓄热器在设计及制造等方面积累了不少经验,技术也日趋成熟,但一些设备制造厂家仍多以经验对其进行设计,工程设计与计算并不合理。因此,本文综合相关设计思路及方法,对设计过程中若干注意事项进行总结,并结合案例进行分析,以期达到交流经验和完善设计的目的,对提高蒸汽蓄热器工程设计质量具有参考意义。1蒸汽蓄热装置的基本结构和工作原理1.1蒸汽分配筒蒸汽蓄热器有卧式和立式两种,其中卧式最为常见,其结构如图1所示。蒸汽蓄热器筒体一般为圆柱形,两端采用半球形、椭圆形或碟形封头。筒体内部装有蒸汽分配总管和支管,支管末端装有蒸汽喷头,喷头外围设有循环管;筒壁上设有蒸汽入口和出口、人孔、进水口,其底部设有排水口和定位鞍座;筒体外壁敷有保温层。此外,在筒体上还装设有压力计、水位计等检测控制仪表,并可根据不同工程要求,在出口管道上装设蒸汽流量计和远传式压力计等。1.2自动控制阀的调节蒸汽蓄热器工作原理较为简单,自动调节是其正常运行的重要前提。如图1所示,V1为阀前压力信号控制的自动调节阀,其主要调节任务是保证锅炉出口压力稳定,实现锅炉稳定燃烧;V2为阀后压力信号控制的自动调节阀,其主要调节任务是保证分汽包入口压力稳定,实现生产用汽负荷的稳定。当锅炉压力上升至给定值时,V1受阀前压力信号控制自动开启,V2开启。为保证蒸汽管压力恒定,V1开度逐渐增大,全部蒸汽输往低压用户。当用户端蒸汽压力上升至给定值时,为保证低压用户用汽压力恒定,V2开度逐渐减小,这时多余蒸汽顶开蒸汽蓄热器入口止回阀,充入蓄热器内储存起来。当锅炉压力下降至给定值时,为保证锅炉压力恒定,V1开度逐渐减小,当用户用汽压力下降至给定值时,为保证生产用汽负荷稳定,V2受阀后压力信号控制自动开启,蒸汽蓄热器内蒸汽顶开出口止回阀,输出至低压用户。2蒸汽蓄热装置设计要点2.1主要设计参数(1)周期分段积分曲线法理论蓄热量的计算是合理设计蒸汽蓄热器的重要前提。蓄热量太小,蓄热器起不到应有作用;蓄热量太大,蓄热器容积过大,制造成本提高。理论蓄热量可用分段积分曲线法、高温负荷法和充热时间指标法进行计算。分段积分曲线法是理论蓄热量常用计算方法,该方法根据负荷变化特点,把一个波动周期的连续负荷曲线按接近的峰值分成数段,分别计算出每段的平均负荷和蓄热量,选取的最大值即为系统的理论蓄热量。由于该方法孤立地考虑各分段的蓄热量,没有把它看作蓄热器连续工作的一个状态量,因此,只能满足某一段负荷波动平衡的需要,其结果在多数情况下偏小。针对上述方法的缺点,马连湘提出了周期分段积分曲线法,根据用汽量的变化,合理分段并计算各段的平均负荷,由此画出各段的积分曲线,每段曲线首尾相接形成对应整个波动周期的积分曲线,选取的最高点和最低点之间的距离就是理论蓄热量。彭岚认为用傅立叶级数计算理论蓄热量比传统计算方法更为合理,大大提高了工程设计与运行的经济性。(2)单位饱和水蓄热量/%根据文献,蒸汽蓄热器容积可按下式进行计算V=Gg0φV=Gg0φ式中V——蒸汽蓄热器容积/m3;G——理论蓄热量/kg;g0——单位饱和水蓄热量/kg·m-3;φ——充水系数,一般在0.75～0.85之间选取。由于蒸汽蓄热器工程初期投资直接取决于蓄热器本体造价,因此,曹家枞对蓄热器容积算法进行了研究,并以此对上海重型机器厂155m3蒸汽蓄热器进行了优化。此外,蒸汽蓄热器容积的计算还应考虑一定的裕量。(3)利用蒸汽支管发展充热系统为使蒸汽蓄热器内水温迅速达到均匀,通常采用蒸汽喷头加循环筒的加热方式。卧式蒸汽蓄热器充热装置如图1所示,主蒸汽管接入蒸汽蓄热器后与水平方向分配总管相接,并在总管上接出若干垂直的蒸汽支管,支管末端装设蒸汽喷头。通过在蒸汽支管外套装直径较大的循环筒,组成对流充热装置。蒸汽喷头能将蒸汽分成小股高速喷入水中,形成比重较轻的汽水混合物以引起水的对流。喷头和喷嘴的构造与充热蒸汽压力、加热速率、噪声和振动的控制有关。喷嘴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。在充热过程中,蒸汽蓄热器内压力是变化的,因此充热速率和喷嘴的蒸汽流速也是变化的。董茂林等对蒸汽蓄热器喷嘴型式进行了研究,计算得到了合适的喷嘴形式及喷口蒸汽速度。(4)蒸发的能力。根据初蒸汽蓄热器原则上对放热速率无限制,可按外界需求确定。但实际上对蒸汽干度有要求,因而存在一定限度,即最大允许蒸发率。当超过这一限度时,蒸汽带水就多。最大允许蒸发率可表示为qmax=220p1式中qmax——最大允许蒸发率/kg·m-2·h-1;p1——充热蒸汽绝对压力/Pa。2.2充热装置设计因素蒸汽蓄热器的充热过程是极为复杂的瞬态两相传热和传质过程,分为两个阶段:第一阶段,来自锅炉的蒸汽通过喷嘴向斜上方喷出,与周围的水强烈混合;第二阶段,由于循环筒内外工质密度差及蒸汽向上喷出引射的双重作用,循环筒内热水上升并向四周扩散,同时筒体下部冷水进入循环筒,内外工质形成循环。为评价充热过程进行的完善程度,吴晓等研究了循环筒和喷嘴结构对充热过程的影响,提出了充热效率和充热速率两个评估参数。这两个参数值越大,充热过程单位时间内凝结的蒸汽量就越大,放出的热量也越多,充热过程进行得越完善。在充热过程中,蒸汽蓄热器筒内水温的上升速率主要取决于进汽压力的大小和进汽时筒内与进汽管的压差。当进汽压力一定时,筒内与进汽管压差越大,水温上升越快。随着进汽压力的增大,筒内压力也相应增大。此后,筒内水温基本保持线性增长。当充热过程行将结束时,进汽量减少,水温上升速率开始减慢。最后进出压力相等,充热量为零,但水温变化略滞后。蒸汽蓄热器筒壁温升是筒内水汽温升的反映,它受多种因素制约。充热装置的设计、进汽压力、进汽流量、初始水温等对筒内水汽温升均有影响。试验表明:蒸汽蓄热器在冷启动时,筒体下部水空间温升有一滞后;而在热启动时,筒体上下部水空间则以不同的升温速率同步上升。当充热装置设计不合理或进汽压力较低时,筒体底部水仅靠自然对流换热,筒内温度不能很快达到均匀,筒壁上下温差较大。由于蒸汽蓄热器不断地充放热,其内部温度场频繁变化且不均,由此造成的热疲劳对其安全运行及寿命有一定影响。因此,正确设计充热装置十分重要。此外,在充热过程中,由于筒内汽、液以及液体不同水层间存在温差而造成的振动和噪声也应引起重视。2.3蒸汽压力变化蒸汽蓄热器的放热过程是充热的反过程,当放汽阀后压力低于蓄热器内压力时,蓄热器内饱和蒸汽在压差作用下经放汽阀流出,使得蓄热器内蒸汽压力不断降低。当蓄热器内蒸汽压力低于其饱和水对应的饱和压力时,饱和水迅速蒸发为饱和蒸汽。当释放的蒸汽压力降至设定的放汽压力时,放热过程结束。蒸汽压力变化形式直接影响蒸汽蓄热器释放的蒸汽流量,研究表明:当蒸汽压力随时间线性递减时,放汽流量随时间呈指数增大。蓄热器内蒸汽由降压自蒸发产生,由于水含盐浓度低、粘度小,使得蒸发表面形成的水滴较细,易被蒸汽带走。蒸汽带水有三个连续过程:压降形成的汽水混合物升至液面的过程;汽水分离产生液滴的过程;液滴经过汽空间被带出的过程。顾永坚对蒸汽蓄热器放热过程带水规律研究后认为,用限定汽空间高度、充水系数以及蒸发强度来控制蒸汽湿度,以保证蒸汽品质的方法不够全面。安装汽水分离器能显著减少蒸汽带水量,提高蒸汽品质。3蒸汽蓄热器容积以某工程所用蒸汽蓄热器为例,该蓄热器作为电厂供汽的补充,瞬时饱和蒸汽流量达67t/h,放汽时间10s。已知电厂供汽为4.5MPa(绝压)、315℃过热蒸汽;蓄热器出口饱和蒸汽压力3.6MPa(绝压)。根据工程要求,充、放热为单次非周期过程,因此,蒸汽蓄热器理论蓄热量G为G=m˙t3.6=67×103.6≈186kgG=m˙t3.6=67×103.6≈186kg式中m˙m˙——蓄热器出口蒸汽流量/t·h-1;t——供汽时间/s。由充、放热蒸汽状态可查得相应状态下的饱和水参数:进汽压力下饱和水焓值hf1为1122kJ/kg;放汽压力下饱和水焓值hf2为1058kJ/kg;放汽压力下饱和水蒸发焓值hv2为1745kJ/kg;放汽压力下饱和水密度ρ2为807kg/m3。因此,蒸汽蓄热器容积V为V=Gg0φ=Ghv2(hf1−hf2)φρ2=186×1745(1122−1058)×0.85×807=7.4m3V=Gg0φ=Ghv2(hf1-hf2)φρ2=186×1745(1122-1058)×0.85×807=7.4m3考虑到蒸汽闪蒸速率和工程后期需要,蒸汽蓄热器容积最终确定为15m3,闪蒸面积A约为9m2。蓄热器采用的标准喷头有40个喷嘴,其孔径为12mm,出口蒸汽流速取50m/s。充热时,每个喷头喷出蒸汽量为m˙s=40×3.6×π4(d1000)2uξρv1=40×3.6×π×0.0122×504×0.5×18.7=7.6t/hm˙s=40×3.6×π4(d1000)2uξρv1=40×3.6×π×0.0122×504×0.5×18.7=7.6t/h式中d——喷嘴孔径/mm;u——喷嘴出口蒸汽流速/m·s-1;ξ——喷头流量系数,取0.5;ρv1——充热蒸汽密度/kg·m-3。考虑到蒸汽喷头沿蓄热器轴向布置及汽水换热效率,最终确定喷头数量为7个。由上一节分析可求得蒸汽不带水最大允许蒸发率qmax为9900kg/(m2·h),而实际蒸发率q为q=1000m˙A=1000×679≈7444kg/(m2⋅h)q=1000m˙A=1000×679≈7444kg/(m2⋅h)因此,蒸汽蓄热器出口理论为干蒸汽。由于工程对蒸汽品质要求较高,最终设计考虑在蒸汽蓄热器出口增设汽水分离装置。4充热装置的布置对蒸汽蓄热器工作原理及设计要点进行分析,在此基础上,对蒸汽流量为67t/h的蒸汽蓄热器进行设计。根据蓄热器充、放热特点,在设计过程中,应注意以下问题:(1)合理布置充热装置以实