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锅炉论文汽水分离器结构设计

期刊目录网机械论文发表2017-08-02 15:07关注(1)

  汽水分离器有哪些作用,本篇锅炉论文建议在设计汽水分离器内部构件时,尽量使给水管,加药管,连续排污管布置的沿筒体均匀些,以提高蒸汽的纯度,避免产生热变形应力。锅炉技术》专业技术性刊物。反映锅炉技术(电站锅炉和工业锅炉)的科研成果,包括锅炉产品试验成果,运行经验总结,锅炉总体及零部件的设计理论、方法、结果和计算机程序,锅炉制造的新工艺、新技术、新材料,厚壁压力容器的制造工艺和检验等。

  摘要:汽水分离器由上升管和下降管连接起来组成自然循环回路,是自然循环锅炉和辅助循环锅炉的重要部件。汽水分离器内部主要进行汽水分离和化学处理,其壳体内部装有汽水分离和加药、排污设备等装置,可有效地将上升管引入的汽水混合物分离为蒸汽和水,以及有效地进行蒸汽清洗、连续排污、加药等过程,以保证输出合格的蒸汽品质。汽水分离器对炉水进行化学处理,以达到下游装置需要达到的使用指标,其自身储存一定的水量,增加蒸发系统的水容积,以确保水循环的安全。本文通过简述汽水分离器的用途,根据分类来介绍其设计特点,以及内件结构、设计温度,壳体腐蚀等多方面的设计因素,从而用通过改进其结构设计的方法,来改善其使用形式,提高生产效能。

  关键词:汽水分离器腐蚀设计温度内构件

  1绪论

  汽水分离器的概述

  汽水分离器由上升管和下降管连接起来组成自然循环回路,是自然循环锅炉和辅助循环锅炉的重要部件。汽水分离器内部主要进行汽水分离和化学处理。

  1.1汽水分离器的用途

  许多工艺生产过程中需要一定温度和压力的合格蒸汽,但在锅炉中发生的蒸汽和水是混在一起的,这些水汽携带了各种化学物质,如氯化物、硫酸盐、碳酸盐、氢氧化物、氧化硅等。因此这种汽水混合物便需要一个使蒸汽和水分离的过程,借以提高蒸汽的品质。而这个过程便需要借助汽水分离器来实现,由此可见,汽水分离器是锅炉设备系统的一个重要组成部分。

  1.2汽水分离器的主要作用

  容水,锅炉给水补充到汽水分离器,他是下降管中循环水的来源,在负荷升降时在受热水管中能得到适当的水量。并由汽水分离器的高位使循环系统获得一定的循环动力。容气,在蒸汽需要量有变化时,能保持过热器所需的蒸汽流量。汽水分离,利用其分离空间以及汽水分离装置,使汽水混合物充分分离,得到含水沫及杂质少的蒸汽。排污及净化蒸汽,由于蒸汽品质为锅炉主要技术指标之一,特别对于带有过热器的锅炉和小型发电用锅炉尤其重要。而汽水分离器中的加药装置便能起到净化蒸汽的作用。

  2汽水分离器分类及构造

  2.1汽水分离器的分类

  按锅炉出口蒸汽压力分为:低压汽水分离器、中压汽水分离器,高压汽水分离器;按型式分为:立式汽水分离器、卧式汽水分离器。

  2.2汽水分离器的构造

  由于立式低压汽水分离器受到直径及壁厚的限制,目前大部分采用卧式汽水分离器。对于卧式汽水分离器,其长度随锅炉蒸发量的不同,从几米至十几米(对于立式汽水分离器不可能无限增大筒体直径),其直径也可从0.8米至2米多(例如,大连石化分公司柴油加氢装置中内径最大的中压汽水分离器规格为φ2500,而筒体长度最长的中压汽水分离器也达到了14米)。其筒壁的厚度也随着锅炉汽压,直径和所用材料的不同从十几毫米至一百多毫米。低压汽水分离器材料制造商通常使用Q245R,Q345R等。高压汽水分离器常用低合金钢制造,采用板焊或锻焊结构。两者分别如图1.1与图1.2所示。

  图1.1某低压汽水分离器结构的示意图

  图1.2某中压汽水分离器结构的示意图

  汽水分离器主要结构包括①水下孔板,旋风分离器②钢丝网分离器,百叶窗分离器③给水管④加药⑤连续排污管⑥紧急放水管等。其中,水下孔板,旋风分离器用于汽水的一次分离,钢丝网分离器,百叶窗分离器用于汽水的二次分离。

  3设计探讨

  目前,国内外已有的锅炉和压力容器规范,如美国机械师学会(ASME)颁布发的《锅炉和压力容器规范》等,都是从最初锅炉规范扩展成为包括动力锅炉,供热锅炉,压力容器,核动力装置设备的规范,所以压力容器与锅炉系统有着不可分割的联系,国内也将锅炉和压力容器钢板合二为一形成现在的GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》标准。汽水分离器是处于整个锅炉系统内的受压容器,在设计和制造上,必须考虑多方面的因素。下面探讨一下汽水分离器设计中的几个比较特殊的设计。

  3.1内件结构的设计

  内构件主要由给水管、加药装置和套管构成,并要考虑到连续排污的功能。

  3.1.1给水管

  给水管是用来供给水的,给水的作用是由于蒸汽的不断产生,需要不断向汽水分离器补给新鲜水,以防止“缺水”现象,当给水口加在水面上时,还起到对蒸汽清洗的作用。给水分配管要使给水沿汽水分离器筒体长度均匀分配,因此在结构上一般要做到以下几点:1.配水母管尽量长,且由中间向两侧配水,其长度不宜小于三分之二的筒体长度;2.配水母管一般可装在近水面处(应低于最低水位),以减少蒸汽的代盐和减轻或避免泡沫的产生。3.配水母管应远离排污管,特别是表面排污管,以提高排污水的含盐浓度。4.配水母管上小孔的开孔方向应以有意造成水浓度差为原则,装在近水面处的给水管应侧面开孔。

  3.1.2加药装置

  加药的作用是使磷酸盐等药品沿锅筒长度均匀分配,将水中的硬度盐等易结垢物质生成易排除的水渣,并在金属表面形成一层有益的保护膜,防止苛性脆化。加药管应远离排污管,靠近给水管或下降入口,亦可布置在受热最热的加热炉对流管束区内,使药液能很好地与给水混合,反应后生成的软渣可顺利排至下锅筒,定期地或连续地由排污管排出。加药管的横截面积不小于管上所开小孔中面积的两倍,以使加药均匀。加药管的长度应与给水管相同,并装在下降管附近。

  3.1.3给水管与加药管引入汽水分离器的套管结构

  给水管与加药管引入汽水分离器的部位要加装套管。这是由于给水或者药品进入汽水分离器的水温,一般要低于汽水分离器中水的饱和温度。当给水或者药品水温低于汽水分离器中水的饱和温度而又经常变动时,如果不加装套管,在给水管或加药管与汽水分离器的连接处的汽水分离器壁上就会出现相当大的温差应力循环。时间长了,这种应力就会造成接头处的疲劳破裂。所以为了防止这种现象的发生,给水管或者加药管一般应采用套管结构。

  3.1.4连续排污的设计

  连续排污的作用是排走含盐量较大的锅水,使锅水含盐量维持在允许的范围内,以减少锅水膨胀和防止形成泡沫,减少蒸汽的湿度和带盐,减少蒸发管内的积垢。其结构低压汽水分离器一般是由一根排污主管和装有许多开有喇叭口形缝的吸污短管所组成,此种结构既能满足尽可能排走水面炉水,又能在水位波动时保持水位不断。布置上应满足喇叭口形表面连续排污管布置在水下面,斜切口的下端比最低水位低40mm。中压汽水分离器一般采用小孔排污,排污管应兼顾表面泡沫污及旋分筒下端排出的沉渣。排污管应装在锅水浓度最大的区域,并应远离给水管和加药管,排污管上的切口或小孔的开孔方向应朝向锅水浓度大的一侧。同时由于连续排污不是装在最底部,虽然也能排出一些细粒水渣,但是沉积在下部的粗粒水渣大部分都不能排出,因此连续排污应与设置在汽水分离器底部的定期排污配合使用。

  同时为了汽水分离器中水位的正常,避免发生“满水''现象,汽水分离器也应该设置紧急放水装置。

  3.2设计温度的选取

  对于一般压力容器,设计温度取金属器壁在正常操作情况下,可能达到的最高壁温,加一定的附加值。汽水分离器是锅炉系统的一个重要的受压容器,它的介质是饱和状态,饱和状态下蒸汽和水的压力温度称为饱和压力和饱和温度,也就是说,设计压力应与相应的饱和蒸汽温度相对应,每一饱和蒸汽压都对应于一个饱和蒸汽温度,所以汽水分离器的设计温度应与其它压力容器设计温度的选取有一定的区别。

  3.2.1无损检测以及焊缝系数的选取

  汽水分离器在锅炉的一个循环系统中,在正常工作时,筒体中是水、汽两相共存的饱和状态,一旦筒体破裂,汽水分离器液面上的压力瞬即下降为大气压力,大气压力相对应的饱和温度是100℃,原工作压力下大于100℃的饱和水此时极不稳定,在大气压力下,难于存在“过饱和水”其中一部分立即汽化,体积骤然膨胀许多倍,在汽水分离器周围空间形成爆炸,这样的爆炸主要是水的瞬时汽化形成的,又由于焊缝部位在组织及性能上往往是不均匀的,焊缝部位常因受热及冷却不匀产生焊缝应力,容易产出裂纹等各种缺陷。焊缝是容器比较薄弱的部位。参照《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第82条的规定,汽水分离器的纵向和环向对接焊缝,对于额定蒸汽压力大于或等于0.40MPa的汽水分离器,应每条焊缝100%射线探伤,焊缝系数取Ф=1.0

  3.2.2筒体内部的腐蚀

  在正常运行条件,汽水分离器筒体内金属表面上常覆盖有一层氧化铁Fe3O4膜,具有良好的保护性能;但是如果氧化铁Fe3O4膜遭到了破坏,则金属表面就会暴露在高温炉水中,很容易遭到腐蚀。促使氧化铁Fe3O4膜破坏的主要因素之一是炉水的PH值,正常的炉水PH值多保持在9-10之间,氧化铁Fe3O4膜稳定,不会脱落,因而筒体内金属腐蚀轻微,几乎可以认为不受腐蚀。但当给水中的杂质在筒体内发生浓缩并从水中析出,筒体的金属表面上有沉积物时,情况就会发生变化,有沉积物下的炉水中的各种杂质浓度都很高,就会发生沉积物下腐蚀。视炉水(锅炉运行中汽水系统容纳的水)的杂质情况,可能发生下述两种腐蚀。

  (1)碱性腐蚀(延性腐蚀):当炉水中存在有游离NaOH时,沉积物下的炉水蒸浓后,会使PH值升得很高,在高PH值(PH>13)下,金属表面上的氧化铁Fe3O4膜会溶于炉水而遭到破坏,其反应为:

  Fe3O4+4NaOH=2NaFeO2+Na2FeO2+2H2O

  另一方面铁与NaOH直接反应,如下式:

  Fe+2NaOH=Na2FeO2+H2↑

  反应生成的亚铁酸钠Na2FeO2在高PH值的炉水中是可溶的,此时生成的H2(氢气)不会受到阻拦,可很快地进入汽水混合物中而被带走,因此不会发生钢的脱碳现象只是在沉积物下形成一个个腐蚀坑,这就是碱性腐蚀。

  碱性腐蚀常发生在多孔沉积物的下面,其特征是凸凹不平的腐蚀坑,坑上覆盖有腐蚀产物,坑下金属的金相组织和机械性能都没有变化,金属仍保留它的延性,所以又叫延性腐蚀。腐蚀达到一定深度后,器壁变薄,器壁会在内压作用下而鼓包。

  (2)酸性腐蚀(脆性腐蚀):当浓缩的炉水中含有较多的MgCl2和CaCl2时,在沉积物下将发生如下反应:

  MgCL2+2H2O=Mg(OH)2+2HCL↑

  CaCL2+2H2O=Ca(OH)2+2HCL↑

  反应生成物Mg(OH)2,Ca(OH)2是沉积物,而HCL则是强酸。因此,沉积物下会积累起很高H+浓度,发生酸对金属的腐蚀。此时,阳极反应为:

  Fe→Fe2++2e

  阴极反应:

  2H++2e→2H→H2

  由于阳极反应发生在沉积物之下,所生成的氢气受到阻碍,不能很快扩散到汽水混合物区域,故有一部分氢气可能扩散到金属内部,和碳钢中的渗碳体(Fe3C),发生如下反应:

  Fe3C+2H=3Fe+CH4

  从造成碳钢脱碳,使腐蚀部位的金相组织发生了变化,有明显的脱碳现象,此外,反应生成物CH4会在金属内部产生压力,使金属组织中逐渐形成裂纹、性能、变脆。

  酸性腐蚀常发生在比较致密的沉积物下面,是由于反应中产生的氢气渗入到金属内部引起的,所以又叫氢脆。

  给水中带入沉积物(主要是铁的腐蚀产物)是引起锅内沉积物下腐蚀的重要原因。

  防止上述沉积物下的腐蚀,应从提高给水和清除水中的杂质入手

  例如.(1)消除给水腐蚀,防止给水系统因腐蚀而使给水的铁、铜、含量增大。

  (2)减少炉水中的游离NaOH量,例如采取措施降低给水的碳酸盐碱度等。

  结论

  汽水分离器是自然循环锅炉系统中的最主要受压容器,所以我们在设计中不仅要执行GB150等压力容器的标准,同时也要针对它的特性,结合锅炉设计中的规范进行设计,做到安全第一,效率第一的原则.

    汽水分离器人孔设置上比较特殊,一般在封头上选用自紧式快开人孔,这种人孔的人孔盖自筒体里侧向外用螺栓拉紧,这样可借助筒体内的压力使封闭得更加严密。

  由于炼油工业技术的不断发展,压力容器向着大型化,复杂化的方向发展,随着汽水分离器产汽量的不断增加,汽水分离器同样也向着大型化方向发展也要求设计者考虑更加周密,例如,在十几米长的汽水分离器上用两个鞍座能否满足要求,是否选用叁鞍座,立式汽水分离器和卧式汽水分离器那个更适应未来的发展,这都是我们今后需要不断探讨的问题。

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