CN103216814B - 实现锅筒内蒸汽流动均匀的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种实现锅筒内蒸汽流动均匀的方法及其装置，通过在锅筒内上部设置一根倒T字形的蒸汽均流管组，且在蒸汽均流管（水平部分）上非均匀布置若干开孔，使蒸汽均匀地向上流动进入均流管中再引出锅筒；沿均流管长度的开孔孔径或开孔密度按照均流管中蒸汽流动时的静压分布设计计算确定，可以保证从锅筒的蒸汽空间向均流管的蒸汽流量均匀地向上流动，从而避免了蒸汽中带水的不利情况。本发明旨在避免锅筒中间区域的饱和水水面发生向上涌起的现象，从根本上免除了输出蒸汽中带水的问题，以提高蒸汽发生设备的运行可靠性。

Description

实现锅筒内蒸汽流动均匀的方法及其装置

技术领域

本发明涉及的是一种蒸汽发生设备或燃烧设备技术领域的方法及装置，具体是一种实现锅筒内蒸汽或烟气流动均匀的方法及其装置。

背景技术

在工业锅炉、余热锅炉、蓄热器等蒸汽发生设备的锅筒中，都存在饱和水和饱和汽两种流体(饱和水在下部，饱和汽在上部)。当锅筒的长度比较大，而且锅筒上部只有中间一根管子从锅筒引出饱和汽时，即使在蒸汽引出处装有汽水分离器，仍不能避免蒸汽中带水。因为在蒸汽空间蒸汽从锅筒两侧流向中间的过程中流速逐步增大，在接近锅筒中部区域蒸汽纵向流动的流速最高，这种高速的蒸汽流会带动中间部分的饱和水水面向上涌起。当中间部分涌起的饱和水水面升高到锅筒顶部时，就会使一部分饱和水随着蒸汽一起流出锅筒，造成蒸汽中大量带水，如图1中所示。蒸汽带水率超过3％时会严重影响到蒸汽的品质而导致企业主要产品的成品率降低，并造成热能设备的故障和损坏。

同样，在某些燃烧设备中，当燃烧室的长度很长，而且只用一根或几根贯穿整个燃烧室长度的带有若干个开孔的烟道引出烟气时，烟气进入烟道的流量分配也是不均匀的。这种不均匀性会造成燃烧室中火焰和烟气的偏流，从而使燃烧效率降低，热负荷的分布不均匀，甚至使受热面超过容许温度而损坏。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN85108386，公开日1986-09-03，记载了一种“蒸汽发生器“，其中在热交换管束包层的下端设置有一个环形带孔或多孔流体分配板,并且该流体分配板最好以一个圆锥形截头锥体的形式设置,用来给向下流动通过该蒸汽发生器的下水管区域的进料水提供均匀的、无涡流的流动工况条件,并且用来防止外来物进入该蒸汽发生器的管来区域。该技术的不足之处及与本技术的不同在于：多孔流体分配板上的开孔是均匀的，未利用多孔板进出口的压力差的变化来设置不均匀开孔的分布，以及利用这种不均匀开孔分布来使进入孔的水流均匀化。

中国专利文献号CN201575447U，公开日2010-09-08，记载了一种“蒸汽锅炉”，该技术包括顶部开有蒸汽出口的上锅筒,固定于上锅筒内的汽水分离板,所述的汽水分离板的四周与上锅筒内壁密封连接,并在汽水分离板上密布开有汽孔。该技术的不足之处及与本技术的不同在于：该技术只解决了汽水分离版的四周与锅筒之间的密封及漏汽问题，未涉及沿上锅筒长度方向上蒸汽流动的不均匀性以及引起的锅筒中部水面涌起问题。而且该技术的汽水分离板上的开孔是均匀的，未利用汽水分离板进出口的压力差的变化来设置不均匀开孔的分布，以及利用这种不均匀开孔分布来使沿锅筒长度进入开孔的水流均匀化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种实现锅筒内蒸汽流动均匀的方法及其装置，在蒸汽发生设备中，利用了蒸汽在均流管中流动时，随着均流管中蒸汽流速的增大，蒸汽的静压逐渐降低这一原理，设计两种特殊布局的均流管，使得蒸汽在锅筒中均匀地向上流动，不会使锅筒中部的饱和水水面发生向上涌起现象。本发明能使蒸汽发生设备中只有中部一根引出管的锅筒的汽空间中蒸汽流动均匀，即沿锅筒长度下部饱和水体中流向锅筒蒸汽空间的蒸汽在汽空间均匀地向上流动，而不是从两侧流向中间。这就避免了锅筒中间区域的饱和水水面发生向上涌起的现象，从根本上免除了输出蒸汽中带水的问题。在燃烧设备中，利用了烟气在烟道中流动时，随着烟道中烟气流速的增大，烟气的静压逐渐降低这一原理，使沿烟道长度的各个开孔的截面不同，使得烟气在每个开孔中均匀地进入烟道，避免了燃烧室中火焰和热负荷的不均匀。

本发明是通过以下技术方案实现：

本发明涉及一种实现锅筒内蒸汽流动均匀的方法，通过在锅筒内上部设置一根倒T字形的蒸汽均流管组，且在蒸汽均流管(水平部分)上非均匀布置若干开孔，使蒸汽均匀地向上流动进入均流管中再引出锅筒。

所述的非均匀布置是指以下a、b两种方式中的任一：

a)开孔直径d恒定，将均流管沿长度分为若干段，各段均流管的开孔数目与该段均流管的管外与管内蒸汽的压差相对应；具体为：将均流管沿长度分为n段，n＝5～20，自中心线向两端方向各有n/2段，各段均流管开孔的数目mi按下式计算：

$\mathrm{mi}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ξ}\×v}{\mathrm{\ΔPi}}}\×\frac{\mathrm{Di}}{4d^2}---\left(1\right)$

各段均流管中开孔之间的节距S按下式计算：

Si＝Li/mi  (m)                        (2)

其中：ξ为均流管开孔的阻力系数，一般取1.1～3.5；V为饱和蒸汽比容(m³/kg)；ΔPi为按式(5)和式(6)计算所得的该段均流管管外与管内蒸汽的压差(Pa)；Di为每段均流管的蒸汽流量(t/h)；d为均流管的开孔直径(m)，一般d＞0.005m；Si为该段均流管开孔的节距(单排开孔)；Li为该段均流管的长度(m)；mi为该段均流管的开孔数目。

b)开孔间距S恒定，将均流管沿长度分为若干段，每段均流管的开孔数目m恒定，开孔直径di沿均流管长度由两端往中心线逐步减小。具体为：将均流管沿长度分为n段，n＝5～20，自中心线向两端方向各有n/2段，各段均流管开孔的孔径di通过以下方式确定：

$\mathrm{di}=\sqrt{\frac{\mathrm{Div}}{2.83\mathrm{mwi}}}\left(m\right)---\left(3\right)$

$\mathrm{wi}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔPiv}}{\mathrm{\ξ}}}(m/s)---\left(4\right)$

其中：m为每段均流管的开孔数目；wi为该段均流管开孔处的蒸汽流速(m/s)；其它各符号及其单位与式(1)及(2)相同。

所述的均流管端部与各管段之间蒸汽的压降P₀-Pi通过下式得到：

$P_0-\mathrm{Pi}=\left\{\mathrm{\α}\right[X^2]+\mathrm{\β}[X^3\left]\right\}\frac{W{c}^2\mathrm{\ρ}}{2}\left(\mathrm{Pa}\right)---\left(5\right)$

均流管中计算管段开孔的压降ΔP(即均流管外锅筒中的静压与均流管中计算点的静压之差)按式(6)计算：

ΔP＝ΔPa+(P₀-Pi) (Pa)    (6)

$\mathrm{\ΔPa}=\mathrm{\ξ}\×\frac{W{a}^2}{2v}\left(\mathrm{Pa}\right)---\left(7\right)$

式中：ΔPa为均流管端部(图2中a点)的开孔阻力(Pa)；P₀为均流管中端部的蒸汽静压(Pa)；Pi为均流管中各计算管段的蒸汽静压(Pa)；α、β为蒸汽静压与动压转换的综合系数，其取值为α＝1.8～2.2；β＝0.05～1；X为均流管中计算点的相对长度，l为均流管中从端部，即图2中a点到计算均流管中各点，即均流管中分为n段的各段的中点的长度(m)；L为单侧均流管的总长度(m)；Wc为均流管出口处，即图2中b点的管内纵向蒸汽流速(m/s)；Wa为均流管端部开孔处的蒸汽流速(m/s)；ρ为蒸汽密度(kg/m³)；v为蒸汽比容(m³/kg)。

由于锅筒中蒸汽空间的静压是一个定值，而均流管中蒸汽的静压Pi按式(5)沿均流管蒸汽流动的方向是逐步降低的，所以沿均流管蒸汽流动的方向，锅筒与均流管之间的压差ΔP是逐步增大的，即在均流管的端部(X＝0处，即图2中a点)锅筒与均流管之间的压差ΔP最小；在均流管的出口处(X＝1处，即图2中b点)锅筒与均流管之间的压差ΔP达到最大。

所述的开孔优选设置在沿均流管周界的上方。

所述的蒸汽均流管的水平部分距离锅筒内壁的上沿为50～200mm，沿均流管长度方向设有若干开孔。

当蒸汽均流管上的开孔孔径确定，而沿其长度的开孔之间的间距按照这种压差的变化规律来设计计算；或者开孔之间的间距固定，而开孔的大小按照这种压差的变化规律来设计计算，则在每一段均流管长度上由锅筒进入均流管的蒸汽流量就是均匀的，从而使锅筒中蒸汽向上流动的流速均匀。

所述的均流管的横截面为圆形或者其他形状，采用一般的管壁厚度就可满足要求。

所述的开孔沿均流管周界的上方、侧面，或者其他角度方向。

所述的均流管在长度方向上设有若干个支撑点，由固定在锅筒上的支撑件支撑均流管，不使其弯曲并可自由膨胀。均流管的出汽口用短管与锅筒引出蒸汽的出口相焊接。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有均流性能好，设备简单可靠的优点。而且在运行中不用维修，能够使热能设备输出的蒸汽中的带水率减小到0.3％以下，从而保证了安全运行。

附图说明

图1为原有设备锅筒中蒸汽空间蒸汽流动不均匀且锅筒中部水位向上涌起示意图；

图2为蒸汽发生设备锅筒中均流管布置及蒸汽空间蒸汽流动均匀示意图；

图3为实施例1中均流管结构示意图；

图中：(i)为侧视图；(ii)为俯视图；(iii)为剖视图；

图4为实施例2中均流管结构示意图；

图中：(i)为侧视图；(ii)为俯视图；(iii)为剖视图；

图中：锅筒1、水空间2、蒸汽空间3、均流管4、蒸汽引出5、均流管上开孔6，箭头方向为蒸汽流动方向。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例涉及的产生饱和蒸汽的蒸汽发生设备，如图2和3所示，其输出蒸汽量D＝10t/h，蒸汽压力P＝1.6MPa.g，

蒸汽均流管的截面为圆形，长度L＝20m，内径为0.08m，取均流管的分段数n＝12，均流管开孔孔径d＝0.0075m，开孔总数为274个。

所述的蒸汽均流管的水平部分距离锅筒内壁的上沿为0.10mm，图3中每一段的开孔用一个孔表示，所述开孔的孔径d相同，开孔的间距S沿均流管长度由两端往中心线逐步减小。

从均流管的端部到中部，锅筒中蒸汽的压力与均流管内的蒸汽压力之间的压差ΔP按式(5)和式(6)计算，本实施例1计算结果ΔP在6100～20000 Pa范围内。

计算结果每段均流管的开孔数目mi及开孔之间的间距Si见下表：

在均流管的端部由于锅筒中蒸汽的压力与均流管中的蒸汽压力之间的压差小，所以开孔之间的节距Si较小，而在均流管的中部由于锅筒中蒸汽的压力与均流管中的蒸汽压力之间的压差大，所以开孔之间的节距Si较大。

实施例2

本实施例涉及的产生饱和蒸汽的蒸汽发生设备，如图2和4所示，其输出蒸汽量D＝10t/h，蒸汽压力P＝1.6MPa.g，

蒸汽均流管的截面为圆形，长度L＝20m，内径为0.08m，取均流管的分段数n＝12，开孔总数为276个。

所述的蒸汽均流管的水平部分距离锅筒内壁的上沿为0.1m，图4中每一段的开孔用一个孔表示，每段均流管开孔的数目均为23个，节距S均为0.072m。沿均流管长度由两端往中心线开孔的孔径逐步减小。

从均流管的端部到中部，锅筒中蒸汽的压力与均流管内的蒸汽压力之间的压差ΔP按式(5)和式(6)计算，本实施例2计算结果在6000～19000 Pa范围内。

计算结果每段均流管的开孔数目mi及开孔孔径di见下表：

在均流管的端部由于锅筒中蒸汽的压力与均流管中的蒸汽压力之间的压差小，所以开孔的孔径较大，而在均流管的中部由于锅筒中蒸汽的压力与均流管中的蒸汽压力之间的压差大，所以开孔的孔径较小。

实施例3

本实施例涉及的燃烧设备，烟气总流量为V＝168162 nm³/h。烟气用7根烟道引出烟气。每根烟道长度为23.62m，宽度为0.58m，高度为2.33m，沿每根烟道长度有9个矩形开孔从燃烧室引入烟气。

按式(5)的计算结果，烟道中沿长度的烟气静压在－0.7～－125Pa范围。沿烟道长度由端部往出口开孔的烟气静压逐步降低。

沿烟道长度9个开孔的面积见下表：

在烟道的端部由于燃烧室中烟气的压力与烟道中的烟气压力之间的压差小，所以开孔的面积较大，而在烟道的出口由于燃烧室中烟气的压力与烟道中的烟气压力之间的压差大，所以开孔的面积较小。

Claims (8)

1.一种实现锅筒内蒸汽流动均匀的方法，其特征在于，通过在锅筒内上部设置一根倒T字形的蒸汽均流管组，且在蒸汽均流管水平部分上非均匀布置若干开孔，使蒸汽均匀地向上流动进入均流管中再引出锅筒；

所述的非均匀布置是指以下a、b两种方式中的任一：

a)开孔直径d恒定，将均流管沿长度分为若干段，各段均流管的开孔数目与该段均流管的管外与管内蒸汽的压差相对应；

b)开孔间距S恒定，将均流管沿长度分为若干段，每段均流管的开孔数目恒定，开孔直径di沿均流管长度由两端往中心线逐步减小；

使得每一段均流管长度上由锅筒进入均流管的蒸汽流量就是均匀的，从而使锅筒中蒸汽向上流动的流速均匀。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的非均匀布置中：

方式a)具体为：将均流管沿长度分为n段，n＝5～20，自中心线向两端方向各有n/2段，各段均流管开孔的数目mi按下式计算：

$\mathrm{mi}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ξ}\×v}{\mathrm{\ΔPi}}}\×\frac{\mathrm{Di}}{{4d}^2}---\left(1\right)$

各段均流管中开孔之间的节距按下式计算：

Si＝Li/mi (m)      (2)

其中：ξ为均流管开孔的阻力系数；V为饱和蒸汽比容(m³/kg)；ΔPi为按式(5)和式(6)计算所得的该段均流管管外与管内蒸汽的压差(Pa)；Di为每段均流管的蒸汽流量(t/h)；d为均流管的开孔直径(m)；Si为该段均流管开孔的节距；Li为该段均流管的长度(m)；mi为该段均流管的开孔数目；

方式b)具体为：将均流管沿长度分为n段，n＝5～20，自中心线向两端方向各有n/2段，各段均流管开孔的孔径di通过以下方式确定：

$\mathrm{di}=\sqrt{\frac{\mathrm{Div}}{2.83\mathrm{niwi}}}\left(m\right)---\left(3\right)$

$\mathrm{wi}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔPiv}}{\mathrm{\ξ}}}(m/s)---\left(4\right)$

其中：mi为每段均流管的开孔数目；wi为该段均流管开孔处的蒸汽流速(m/s)；其它各符号及其单位与式(1)及(2)相同；

所述的均流管端部与各管段之间蒸汽的压降P₀-Pi通过下式得到：

$P_0-\mathrm{Pi}=\left\{\mathrm{\α}\right[X^2]+\mathrm{\β}[X^3\left]\right\}\frac{{\mathrm{Wc}}^2\mathrm{\ρ}}{2}\left(\mathrm{Pa}\right)---\left(5\right)$

均流管中计算管段开孔的压降ΔP按式(6)计算：

ΔP＝ΔPa+(P₀-Pi)(Pa)    (6)

$\mathrm{\ΔPa}=\mathrm{\ξ}\×\frac{{\mathrm{Wa}}^2}{2v}\left(\mathrm{Pa}\right)---\left(7\right)$

式中：ΔPa为均流管端部的开孔阻力(Pa)；P₀为均流管中端部的蒸汽静压(Pa)；Pi为均流管中各计算管段的蒸汽静压(Pa)；α、β为蒸汽静压与动压转换的综合系数；X为均流管中计算点的相对长度，l为均流管中从端部到计算均流管中各点，即均流管中分为n段的各段的中点的长度(m)；L为单侧均流管的总长度(m)；Wc为均流管出口处的管内纵向蒸汽流速(m/s)；Wa为均流管端部开孔处的蒸汽流速(m/s)；ρ为蒸汽密度(kg/m³)；v为蒸汽比容(m³/kg)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的均流管开孔的阻力系数ξ为1.1～3.5。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的均流管的开孔直径d＞0.005m。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的蒸汽静压与动压转换的综合系数，其取值为α＝1.8～2.2；β＝0.05～1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的蒸汽均流管的水平部分距离锅筒内壁的上沿为50～200mm，沿均流管长度方向设有若干开孔。

7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征是，所述的开孔设置在沿均流管周界的上方。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的均流管在长度方向上设有若干个支撑点，由固定在锅筒上的支撑件支撑均流管。