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！！！！．！；杭州中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、热工中心站２０１３年 年会论文集 锅炉汽包紧急放水及定排冷却水量的探讨 （中国恩菲工程技术有限公司，北京】０００３８）摘要：汽包紧急放水管道是蒸汽锅炉的一项安全装置，但对其设置规范和计算则缺乏专门的规定， 在工程实际使用中还发生过设备和人身事故．有关问题一直困扰着工程技术人员，问题包 括：影响汽包水位变化的主要因素；紧急放水量、通流能力以及紧急放水所需时间的确定； 平时需要多少冷却水量，紧急放水时需要多少冷却水量，才能达到允许的的排水温度４０。Ｃ， 进入水道专业的排水系统。本文对上述问题进行了分析并得出结论。 关键词：汽包；紧急放水；定排；连排；．冷却水 引言 根据我国劳动部颁发的“蒸汽锅炉安全技术监察规程”中的规定：额定蒸汽压力大于或等于３．８ＭＰａ 的锅炉应在锅筒的最低安全水位和正常水位之间接出紧急放水管，放水管应装阀门，一旦发生满水以 便及时放水。… ＧＢ５００１５．２００３《建筑给水排水设计规范》中，４．１．３下列建筑排水应单独排水至水处理或回收构 筑物：４．水温超过４０＂Ｃ的锅炉、水加热器等加热设备排水；防止热污染，控制排入大气的气温和排入 水道的水温。幢１ 水道专业采用塑料管作为排水管的允许排水温度为４５。Ｃ．６０。 ＤＬ／Ｔ ５０５４．１９９６（（火力发电厂汽水管道设计技术规定》８．６．１．５：锅炉紧急放水管道从汽包引出后， 宜先布置一段较长的垂线 虽有上述规定，但紧急放水词题仍困扰着工程技术人员，这些问题主要包括： 紧急放水需要多少冷却水量，才能达到允许的的排水温度４０。Ｃ，进入水道专业的排水系统。 本文以秦皇岛垃圾焚烧发电工程为例，对这些问题进行了分析。 １．满水和紧急放水的关系 １．１锅炉满水的概念以及和紧急放水的关系 汽包水位与紧急放水的关系详见图ｌ－１“汽包水位及 紧急放水管的设置”。从图中可以看出汽包设有上限、Ｆ 限紧急停炉水位，并设有汽包最高安全水位及紧急放水 管。满水指汽包水位高＝于二最高安全水位而危及锅炉安全 运行，使锅炉蒸汽严重带水，蒸汽品质下降，影响正常 供气，严重时会使过热器管积垢，损坏用汽设备。此时 应施行紧急放，将水从汽包放到定期排污扩容器。 ．２０６一 汽包水位及紧急放水管的设置中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、热工中心站２０１３年 年会论文集 ２０１３．！！垫型 １．２汽包满水的主要扰动因素 影响锅炉汽包水位升高的主要扰动因素有三个： （１）蒸发量 （２）燃料量 （３）给水量 当锅炉蒸发量突然增大时，给水量和燃料量尚未变化时，汽包水位不仅不会下降反而会很快升高， 这就是通常所说的“虚假水位”，水位达到最高所需时间为３０～４０ｓ； 当燃料量增加时，若给水量、汽机进汽阀开度不变，则汽包实际水位变化规律与蒸发量扰动工况 是相似的。水位达到最高点所需时间为３～４ｍｉｍ 汽包给水量扰动引起的水位升高影响因素较多。在机组运行中，由于受汽包虚假水位的影响，汽 动给水泵汽源压力变化会引起水压力的变化、机组启动过程或变工况运行中给水泵投用台数的增加， 以及给水调节阀的泄漏等原因都会造成给水量的扰动。 在上述可能引起汽包满水的三种主要扰动因素中，蒸发量、燃料量扰动引起的水位升高持续时间 很短，经过几秒钟或几十秒钟后即转为下降。而当给水量扰动引起的汽包水位升高时，需借助紧急放 水等措施加以控制。除了通过紧急放水管迅速排掉汽包中多余水量外，还应排掉扰动期内给水量的增 １．３出现满水的可能时机现代锅炉一般采用三冲量给水自动调节，即将水位作为主信号；蒸汽流量作为前馈信号，以制止 “虚假水位”调节偏差；给水流量作为反馈信号，以克服给水流量变化到水位响应的时滞，并且给水 流量自身发生扰动，给水流量又作为前馈信号迅速消除内扰。因此在正常运行期间可以较好地满足了 汽包水位控制的要求。 但在机组启动及低负荷工况时（一般在３０％ＢＭＣＲ以下），需切换到单冲量调节，即根据水位一 个信号调节给水流量。它不能克服“虚假水位”引起的给水流量调节偏差。故汽包满水现象主要发生 在机组启动调试及低负荷运行阶段。 ２．紧急放水流量、通流能力及时间 ２．１紧急放水流量 水位过高会造成满水，而过量放水导致缺水又会破坏水冷壁水循环，蒸汽温度急剧上升，水冷壁 管得不到充分的冷却，严重时可能发生过热爆管，严重威胁机组的安全运行。因此必须限制紧急放水 流量和时间。 垃圾电厂中控室焚烧发电ＤＣＳ系统设有汽包各项水位的指示、报警及紧急放水阀门启闭控制， 汽包的各项水位及其相互关系详见图２－１“汽包紧急放水水位”。（注：打阴影线的表示紧急放水时需 要放掉的水） 图２．１所示可以看出汽包设有高高高水位，达到该水位则相应的辅机应跳闸停炉。紧急放水是当 急放至最高水位。对自然循环锅炉的紧急放水水位主＝＝三二＝＝＝＝＝＝＝＝王＝痤一一额定高差，即高高水位与最高水位之差，一般为 ７５～ｌＯＯｍｍ。据此可求出紧急放水量。、２．２紧急放水通流能力及时间 图２—１汽包紧急放水一２０７．． ２０１３．１２杭州 中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、热工中心站２０１３年 年会论文集 汽包紧急放水是将水从汽包放到定期排污扩容器中，文献记载汽包紧急放水阀打开的持续时间为 几十秒至一分多钟，对自然循环锅炉可取为３０ｓ－－一５０ｓ。 紧急放水管道中的流动，压损较大，属于初态为饱和水的可压缩汽液两相流动，在理论上可按有 摩阻的稳态流动方程求解，所以可参考《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中６．４节两相流体的管 道介绍的方法来确定管道的通流能力。［３］主要计算过程如下： 两相流介质质量流速ｍ可按下式计算： ‘Ｊ２ｍ：＝Ｊ— Ｖ毒＋４．６１９ｆｌ 式中ｐ为介质密度，ｋｇ／ｍ３；ｄｐ为介质压力变化，Ｐａ：ｄＨ为管道高度变化，ｍ；积分限１为管道始端参数；积分限２为管道终端参数；劬为管道总阻力系数。 两相流体的通流能力可按下式计算：Ｇ＝２ ８２７聊口２。其中所为质量流速，Ｏ。为管道内径，ｍ。 可根据紧急放水量与通流能力的比值，得到紧急放水的时间。 ３．排污及紧急放水系统 排污、紧急放水系统相关的设备包括：锅炉、连续排污扩容器、定期排污扩容器、排污降温池。 这些设备间的联系详见图３．１“汽包锅炉排污系统图”。 为了保证蒸汽品质，炉水的水质必须符合规 定的标准，所以对自然循环锅炉进行排污。锅炉排污方式分连续排污和定期排污两种。连续排污—— 从锅炉水循环回路中上汽包内含盐浓度最大的部位连续放出锅水，以维持额定的锅水含盐量；定期排 污——补充连续排污的不足，从锅炉下汽包及联箱排除汽包内的沉淀物，以改善锅水品质。通常锅炉 的排污率是指连续排污的量。锅炉定期排污量一般取为锅炉蒸发量的０．１％～０．５％，排污时间不超过 ０．５－－一ｌｍｉｎ。通常说的排污率是指连续排污率，不得低于锅炉最大连续蒸发量的０．３％，一般为１％～５％。 锅炉连续排污水排至连续排污扩容器。经连续排污扩容器扩容产生的二次蒸汽引至除氧器，扩容 器内尚未蒸发的，含盐浓度更高的排污水经调节 阀排至定期排污扩容器。在定期排污扩容器中， 扩容蒸汽排入大气，排污水排入排污降温池后排 放。为补充连续排污的不足，锅炉各下集箱的排 污管均接至定期排污总管，由总管经锅炉间的定 期排污母管接至定期排污扩容器（简称定排）；紧 急放水管也经定期排污母管接至定排。锅炉排污 水进入定排扩容器扩容后，蒸汽排入大气，冷却 水电动阀自动打开，与排污水混合将其冷却，再 经排污降温池进一步冷却接至水道专业设置的排 水系统。 ３－１汽包锅炉排污系统图 ４．定期排污扩容器及排污降温池所需冷却水量的计算 排污水量包括连续排污冷却水量，定期排污冷却水量，紧急放水冷却水量。下面以秦皇岛工程为 例，对冷却水量进行确定。 秦皇岛垃圾焚烧发电厂工程安装２台额定蒸发量为４１．６ｔ／ｈ的锅炉。 连续排污率按照１％计算；则连续排污量为４１．６２１％＝０．８３２ｔ／ｈ； 定期排污率按照Ｏ．２％计算；则定期排污量为４１．６０．２％＝０．０８３２ｔ；按照“小型热电设计手＂Ｐ３０８， ．２０８． 中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、热工中心站２０１３年 年会论文集 ２０１３．１２杭州 ｌｍｉｎ排Ｏ．２％计算，每班１次，每次１分钟，２台炉３班每天排污水量共为０．０８３２ ３＜２３＝０．４９９２ｔ 实际运行中，单台炉每班排污水量为４１．６Ｏ．２ｅ／ｅ气）．０８３２ｔ，排放时间按１分钟计算。则定排小时 流量为０．０８３２６０＝４．９９２ｔ／ｈ． 工作压力（绝对）（ＭＰａ） 工作温度（） 对应焓值（ＫＪ／Ｋｇ）． 汽化潜热（ＫＪ／Ｋｇ） 连续捧污扩容器 Ｏ．１５ １１１．３５ ４６７．０８ ２２２６．０３ 定期捧污扩容器 Ｏ．１２ １０４．８ ４３９．３ ２２４３．７６ 汽包工作压力 ４．４ ２５６ １１１５．４０ 水道冷却水 Ｏ．１ ２５ １０４．８４ 混合水 Ｏ．１ ：４０ １６７．５４ 根据《小型热电站实用设计手册》Ｐ３０６公式（７．２１１），每千克排污水汽化量： 皿：华１ｋｇ／ｋｇ 其中：ｉＢ－——汽包压力下的饱和水焓，ｋＪ／ｋｇｔＴ１——汽包到扩容器间的管道散热损失，取为０．９８： ｉｋ－—扩容器压力下的饱和水焓，ｋＪ／ｋｇ： ｘ－—．扩容器的蒸汽于度，取为０．９７．０．９８； 卜—扩容器压力下的汽化潜热，ｋＪ／ｋｇ： ４．１连续排污冷却水 两台炉同时连续排污，连续排污冷却水量详见表４＿１。 在连捧扩容器中扩 在定捧扩容器中扩容 定期捧污扩容器 使用时间 连续排污水量ｔ／ｈ 冷却水量伽讹０．８３２ ０．５９３ Ｏ．５９ ２．６ 连续使用 ４．２定期排污冷却水量 如不考虑多台炉同时定期排污，则单台炉定排每班需要冷却水小时流量计算如卞表４．２。 ｌ定期捧污水量ｔ 在定捧扩容器中扩容后 定期捧污扩容器冷 定期捧污扩容器冷却 余下的捧污水量ｔ 却水量ｔ ，水小对流量ｔ／ｈ 使用时间 Ｉ－０．０８３２ ０．０５８ Ｏ．２５ １５ 间断使用 由于计算得出的冷却水时间短，瞬时流量大。因此考虑将水道连续供给定排扩容器冷却水量增加 到３ｔ／ｈ，这样定捧扩容器中的存水在仅连续排污的时候温度保持在３８１２。定期排污时，这部分水由于 温度低于４０１２，同时水量相对于定期排污水量也比较大，也可起到较好的冷却作用。经计算得到如 连续供给冷却水量３ｔ／ｈ，遇到同时连排、定排时，定排扩容器出口水溘也可保持在４０＂Ｃ，满足水道排 放要求。 ４．３锅炉紧急放水冷却水量 紧急放水量计算，采用静态计算方法，不计入给水量扰动期内的给水增加量。仅按单台炉考虑， 不考虑两台炉同时紧急放水的情况。 汽包紧急放水量与水位，汽包内液相区工质质量、密度、汽包形状密切相关。紧急放水量是从高 高到高水位，相差７５ｍｍ。高水位在锅筒中心线ｍｍ。高高水位在高水位上方７５ｍｍ。 以秦皇岛工程为例，汽包中间直段为圆筒，两端封头设为半球形。已知汽包内径、厚度为１５００ ３＜４６，直段１０．１ｍ，总长１２ｍ。可算出紧急放水量为１．２１９ｔ。再通过１．５中介绍的通流能力计算方法 得到Ｇ＝３１．４７ｋｇ／ｓ＝１１３．３ｔ／ｈ，则紧急放水１．２１９吨所用时间为１．２１９／１１３．３＝０．０１１ｈ＝３９．５３ｓ。与文献中提 ．２０９．． ！！！！：１２杭州 中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、热工中心站２０１３年 年会论文集 到的紧急放水时间对自然循环锅炉可取为３０ｓ一－５０ｓ是一致的。 紧急放水进入定期排污扩容器后，余下的排污水量为０．８５７ ｔ。由于瞬间流量很大，若想将这部分 水量在定排扩容器中冷却到低于４０＂（２，需要非常大的冷却水量，水道无法满足。因此有必要设置排 污降温池，将这部分水在摔污降温池中冷却到４０以下。 仍按水道连续提供给定排扩容器冷却水２．５６ｔ／ｈ计算。紧急放水在定排扩容器中可冷却到５９＂Ｃ。 选择图集０４Ｓ５１９小型排水构筑物中ｌ型排污池，有效容积是１．８４ｍ３，计算得排污降温池需要冷却水 小时流量为６０ｔ／ｈ，才可将污水冷却到４０。 这个冷却水瞬时需要量是比较大的。而且紧急放水时间短，控制困难，万一操作不当或操作延迟 就难以发挥到冷却的作用。因此考虑将水道能连续提供给定排扩容器冷却水量升高到３．５ｔ／ｈ。这样定 排扩容器和排污降温池中的存水平常保持为３６．６。紧急放水在定排扩容器可以冷却至５８＂（２，在降 温池中３６．６＂Ｃ存水的冷却作用下，可降温到４０＂（２，符合要求，降温池不再需要冷却水。 ５结论 ５．１建议采用温控冷却水的定期排污扩容器。 ５．２当紧急放水时应借助排污降温池将排污水降温到４０以下，锅炉排污系统排污降温池设计是 不可少的。 ５．３以秦皇岛工程为例，锅炉连排、定排、紧急放水的冷却水量及设备出口水温详见裳５－Ｉ（１）， 表５．１（２）， “锅炉排污冷却水量、排水温度”。 ’５．３．１若连续供给定排扩容器冷却水３ｔ／ｈ，见表５。－１（１）。 （１）仅开连排时，定排扩容器出口温度３８，可以满足排水温度小于４０的要求。 （２）若同时开连排，定排，定排扩容器出口温度４０，满足排水温度要求。 （３）若在连排的同时开紧急放水，定排扩容器出口温度５９．３，这时排污池供给冷却水量３２讹， 才能满足排污降温池出口水温为４０，满足排水温度要求。 表５－１（１） 锅炉排污冷却水量、排水温度 冷却水量（ｔ／ｈ） 定排扩容器出口水温 排污降温池出口水温 排水项目 连排单独捧水３３８ ３８ 连捧定捧同时排水 ３４０ 、３８ 连排紧急放水同时放水 ３５９．３ ４１．６ 连排紧急放水同时放水 ３３２ ５９．３ ４０ ５．３．２若连续供给定排扩容器冷却水３．５ｔ／ｈ，见表５．１（２）。 （１）仅开连排时，定排扩容器出口温度３６．６＂Ｃ，可以满足排水温度小于４０＂Ｃ的要求。 （２）若同时开连排，定排，定排扩容器出Ｅｌ温度３８．４＊Ｃ，满足排水温度小于４０＂（２的要求。 （３）若在连排的同时开紧急放水，定摊扩容器出口温度５８＂（２，这时排污池不需供给冷却水量， 仅凭排污池自身的水可冷却到４０＂（２，满足排水温度要求。 表５－１（２） 锅炉排污冷却水量、排水温度 冷却水量（ｔ／ｈ） 定排扩容器出口水温 摊污降温池出口水温 排水项目 连排单独排水３．Ｓ ３６．６ ３６．６ 连排定排同时捧水 ３．５’ ３８．４ ３６．８ 连排紧急放水同时放水 ３．５ ５８ ４０ ．２１０．
