韓子墨，池作和，王進卿，張光學(xué)，楊 文，羅 飛

（1.中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院，杭州310018；2.杭州鍋爐集團股份有限公司，杭州310004）

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)具有熱效率高、污染少等特點，是應(yīng)對能源問題和環(huán)境問題的有效途徑之一［1］.在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，余熱鍋爐是回收燃氣輪機排氣余熱、產(chǎn)生推動汽輪機發(fā)電所需蒸汽的換熱設(shè)備.為了提高余熱鍋爐的熱利用率，余熱鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)采用雙壓、三壓汽水循環(huán)系統(tǒng)，相應(yīng)的余熱鍋爐會有多個汽包.進入汽包的工質(zhì)水含有鈉鹽和硅酸等雜質(zhì)，隨著工質(zhì)水不斷被加熱、蒸發(fā)，其中的雜質(zhì)大部分轉(zhuǎn)移到汽包內(nèi)的鍋水中，而飽和蒸汽從汽包引出時，會攜帶含有雜質(zhì)濃度較大的鍋水液滴，這種攜帶雜質(zhì)的方式稱為機械性攜帶.隨著飽和蒸汽的流通，雜質(zhì)會析出并沉積于換熱器和管道閥門等位置形成鹽垢，造成爆管、堵塞和閥門失靈等后果，嚴重影響余熱鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性.因此，為了減少飽和蒸汽的機械性攜帶，汽包內(nèi)通常設(shè)置汽水分離裝置，對飽和蒸汽進行汽水分離，以除去飽和蒸汽中含有雜質(zhì)的液滴［2-3］.其中波形板分離器作為汽水分離過程中的常用設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于鍋爐汽包汽水分離系統(tǒng)的最末一級，其性能的好壞對蒸汽品質(zhì)有較大影響［4］.

由于汽水分離器內(nèi)部的流體流動屬于兩相流動，分離過程復(fù)雜，不能用理論公式來計算，必須通過試驗進行研究［5］.熱態(tài)試驗雖然能預(yù)測實際波形板內(nèi)的分離過程，但是其關(guān)鍵參數(shù)測量較為困難，而且試驗成本大、操作危險性高.因此，目前對波形板分離器的研究主要通過冷態(tài)試驗.肖立春等［6］通過改變波形板分離器折邊長度、屈折角度、板間距和入口氣流速度等參數(shù)進行了冷態(tài)試驗研究，認為增加疏水鉤可以明顯提高波形板總分離效率，無鉤結(jié)構(gòu)的波形板易產(chǎn)生二次攜帶；王為術(shù)等［7］對帶鉤波形板分離器的性能進行了試驗研究，認為風(fēng)速和含濕率對總分離效率的影響較大，含濕率對壓降的影響不大，風(fēng)速變化顯著影響波形板的壓降.由此可見，已有研究中沒有對波形板的分級分離效率和波形板前后液滴粒徑變化進行試驗研究.一般而言，波形板級數(shù)越多，液滴分離效果越好，但阻力增加.在滿足分離效率要求的前提下，減少級數(shù)可以減少阻力損失.級間效率測量結(jié)果可用于確定波形板最佳級數(shù).對波形板前后液滴粒徑進行測量可以更好地確定臨界破膜速度，即波形板分離器壁面液膜被氣流撕裂時的氣流速度.如果氣流速度大于臨界破膜速度，液膜被撕裂，從而產(chǎn)生二次攜帶，大幅降低分離效率.在波形板分離器的工程設(shè)計中，蒸汽流過波形板分離器的速度應(yīng)該小于臨界破膜速度，并留有一定的安全裕度.

以杭州鍋爐集團股份有限公司研發(fā)的無鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器為研究對象，通過近似?；睦鋺B(tài)試驗方法確定波形板分離器的總分離效率、單級分離效率、入口液滴粒徑、出口液滴粒徑和阻力損失等數(shù)據(jù)，為余熱鍋爐汽包內(nèi)波形板分離器的選型提供依據(jù).

1 試驗系統(tǒng)及方法

1.1 近似?；睦鋺B(tài)試驗方法

根據(jù)相似原理，要使?；囼灲Y(jié)果能夠應(yīng)用到實際過程中，必須使試驗?zāi)Ｐ团c實際裝置中物理現(xiàn)象的單值性條件相似和已定特征數(shù)（即準則）相等.因此，為了保證冷態(tài)試驗結(jié)果盡可能地反映波形板內(nèi)實際的分離過程，所采用的試驗元件與實際產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)尺寸一致.另一方面，運用相似原理，根據(jù)波形板內(nèi)汽水分離過程的特點，保留與該過程密切相關(guān)的參數(shù)準則，從而近似?；瘜嶋H過程.

波形板分離液滴主要是依據(jù)慣性進行分離的，而這一機理的主要準則關(guān)系是氣流曳力和液滴慣性力之比，所以在設(shè)計時應(yīng)保持該無量綱數(shù)與實際過程相等.

臨界破膜速度是波形板分離器設(shè)計的一個關(guān)鍵參數(shù).相關(guān)資料表明，該參數(shù)主要與韋伯數(shù)We有關(guān)，韋伯數(shù)代表了氣流曳力與液滴表面張力之比，因此在設(shè)計時也應(yīng)保證該特征數(shù)與實際過程一致.

1.2 試驗設(shè)備

所采用的無鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器結(jié)構(gòu)見圖1.3種波形板分離器除疏水鉤結(jié)構(gòu)不同外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均一致.3種波形板分離器與實際產(chǎn)品的尺寸比例為1∶1，高度選取部分高度（370mm）.

圖1 波形板分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the corrugated-plate separator

圖2為波形板分離器試驗臺.采用空氣和霧化水的混合物模擬汽包內(nèi)的濕蒸汽.空氣由送風(fēng)機提供，經(jīng)管道引入試驗段.霧化水由壓縮空氣霧化噴嘴產(chǎn)生，霧化所需的高壓空氣和水分別由空氣壓縮機和水泵提供.混合室保證了空氣和霧化水的充分混合.

圖2 波形板分離器試驗臺Fig.2 Test apparatus for the corrugated-plate separator

波形板分離器下方共有6個集水倉，分別對應(yīng)波形板分離器的6級，用于收集每級波形板分離出來的水.通過測量每級的水量，可以計算出單級分離效率.在波形板分離器前后各有一個測壓口，使用壓差計測量空氣通過波形板分離器前后的壓降.在冷態(tài)試驗臺架尾部采用標準皮托管測量風(fēng)速，之后根據(jù)流量守恒計算得到波形板分離器的入口風(fēng)速.采用LS-2000激光粒度分析儀測量液滴粒徑的分布，該儀器測量臺架如圖3所示.

圖3 激光粒度分析儀測量臺架Fig.3 Test bench for the laser particle size analyzer

1.3 試驗方法

采用空氣和霧化水的汽水混合物模擬汽包內(nèi)的濕蒸汽分離過程，為了使?；瘮?shù)據(jù)更接近工程實際，霧化水平均粒徑須遵循相似原理.其中氣流曳力（FI）和液滴慣性力（FD）之比這一無量綱數(shù)對分離效率的影響最大.該無量綱數(shù)為

式中：ρd為液滴密度，kg／m3；Dd為液滴粒徑，m；rd為液滴運動軌跡曲率半徑，m；ug為氣相速度，m／s；ud為液滴速度，m／s；μg 為動力黏度，Pa·s.

根據(jù)文獻報道，熱態(tài)工況下波形板分離器的入口液滴平均粒徑為224μm，通過式（1）計算得出冷態(tài)工況下入口液滴平均粒徑為63μm.

試驗中需要保證入口空氣含濕率不變，當入口空氣速度改變時，需要調(diào)整霧化水量，使氣流含濕量恒定.采用壓縮空氣霧化噴嘴，在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力來改變霧化水滴的粒徑.不同工況下霧化粒徑的測量結(jié)果表明，霧化水滴的平均粒徑基本能夠保持在63μm 左右.

1）告警發(fā)生時間/告警恢復(fù)時間：2014-09-15 11:54:51+08:00/2014-09-15 11:55:07+08:00.

3種波形板分離器的試驗條件見表1.試驗中保持含濕率不變，入口空氣速度根據(jù)相似原理計算，冷態(tài)試驗入口風(fēng)速近似為1～9m／s，相應(yīng)的水質(zhì)量流量見表1.

表1 波形板分離器試驗條件Tab.1 Experimental conditions for the corrugatedplate separator

在試驗過程中一部分水會在混合管道中脫離氣流被均汽板前的水箱收集（見圖2），這部分水并未進入波形板，其質(zhì)量計為ms.試驗結(jié)束后，可從渦輪流量計中讀出試驗過程中所消耗水的累積質(zhì)量m，用電子天平分別測出波形板分離器每一級分離出的水質(zhì)量mfi和均汽板前水箱的水質(zhì)量ms，則波形板分離器的總分離效率η為

單級分離效率ηi為

不同波形板分離器的阻力系數(shù)ξ為

式中：Δp為波形板分離器前后壓降，Pa；ρ為空氣密度，kg／m3；u為入口風(fēng)速，m／s.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 總分離效率的比較

3種波形板分離器的總分離效率見圖4.從圖4可以看出，對于無鉤波形板分離器，隨著入口風(fēng)速的增大，當入口風(fēng)速為1～2m／s時，總分離效率升高，最大值為91.2%，而當入口速度大于約2 m／s時，總分離效率則呈下降趨勢；對于單鉤和雙鉤波形板分離器，總分離效率隨入口風(fēng)速的增大也呈先升高后降低的趨勢，但總分離效率最大值所對應(yīng)的入口風(fēng)速分別約為5 m／s和7 m／s.造成這種現(xiàn)象的主要原因是：當入口風(fēng)速超過某個臨界值時，波形板分離器內(nèi)出現(xiàn)二次攜帶現(xiàn)象，波形板分離器內(nèi)液膜破裂、大液滴碰壁飛濺，產(chǎn)生大量的二次液滴，這些二次液滴重新進入主氣流從而使總分離效率下降，這個入口風(fēng)速的臨界值即為臨界破膜速度.在本試驗中，無鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器的臨界破膜速度分別約為2m／s、5m／s和7m／s.一般來講，較大的臨界破膜速度意味著波形板分離器在較大的入口風(fēng)速范圍內(nèi)變化時，仍能保持較高的分離效率.當汽包出口的蒸汽量發(fā)生較大幅度變化，即進入波形板分離器的蒸汽速度大幅度變化時，臨界破膜速度大的波形板分離器具有更好的負荷適應(yīng)性.

圖4 3種波形板分離器的總分離效率Fig.4 Total separation efficiency of three differentlystructured corrugated-plate separators

從圖4還可以看出，雙鉤波形板分離器的總分離效率最大值可達98.5%，無鉤和單鉤波形板分離器的總分離效率最大值分別為91.2%和93.6%；在不同入口風(fēng)速下，雙鉤波形板分離器的總分離效率高于無鉤和單鉤波形板分離器.這是由于雙鉤波形板分離器的雙鉤結(jié)構(gòu)一方面可以有效阻止液膜被撕裂，另一方面在雙鉤之間形成漩渦，可有效分離小液滴，從而保持較高的總分離效率.因此，如果設(shè)計時需采用較高的總分離效率，宜選用雙鉤波形板分離器作為汽水分離元件.

2.2 單級分離效率的比較

3種波形板分離器的單級分離效率見圖5.從圖5可知，對于無鉤和雙鉤波形板分離器，無論是高入口風(fēng)速還是低入口風(fēng)速，前3級的單級分離效率遠高于后3級的單級分離效率，即對于這2種結(jié)構(gòu)的波形板分離器來說，分離作用主要體現(xiàn)在第1級～第3級.以無鉤波形板分離器入口風(fēng)速約為2m／s時為例，前3 級的單級分離效率分別為42.6%、24.7%和18.9%，后3 級的單級分離效率分別為3.6%、1.2%和0.2%，前3級的單級分離效率顯著高于后3級.

圖5 3種波形板分離器的單級分離效率Fig.5 Single-stage separation efficiency of three differentlystructured corrugated-plate separators

對于單鉤波形板分離器，當入口風(fēng)速增大到6 m／s后，后3級單級分離效率的上升幅度顯著大于無鉤和雙鉤波形板分離器，尤其是第6級單級分離效率的上升幅度最為明顯.當入口風(fēng)速約為8 m／s時，單鉤波形板分離器第6 級的單級分離效率為12.5%，已高于其第4級和第5級，這與無鉤和雙鉤波形板分離器第6級單級分離效率始終為最小的情形明顯不同.這主要因為單鉤波形板分離器第6級存在擋板（見圖1），大量液滴撞擊到擋板上后被分離，使得第6級單級分離效率上升幅度較大.若單鉤波形板分離器的擋板一旦失效，將對波形板分離器在較大入口風(fēng)速時的單級分離效率產(chǎn)生顯著影響.

對于無鉤和雙鉤波形板分離器，由于后2級的單級分離效率很低，在保證總分離效率的前提下，可以取消第5級和第6級以減小波形板分離器的阻力.

2.3 總分離效率與出口液滴粒徑的關(guān)系

不同入口風(fēng)速下3種波形板分離器總分離效率與出口液滴粒徑的關(guān)系見圖6.從圖6可以看出，3種波形板分離器的總分離效率和出口液滴粒徑間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律.當入口風(fēng)速達到臨界破膜速度時，波形板分離器壁面上的液膜被撕裂，產(chǎn)生二次攜帶，且因液膜被撕裂而產(chǎn)生較大粒徑的液滴，出口液滴粒徑迅速增大，總分離效率降低.結(jié)合總分離效率和出口液滴粒徑測量結(jié)果，可以很好地確定臨界破膜速度.

對于無鉤波形板分離器，當入口風(fēng)速小于臨界破膜速度時，出口液滴粒徑約為10μm；當入口風(fēng)速接近和大于臨界破膜速度后，出口液滴粒徑迅速增大到20μm 左右；當入口風(fēng)速增大到5 m／s以上時，出口液滴粒徑隨入口風(fēng)速的增大而略微減小.對于單鉤和雙鉤波形板分離器，當入口風(fēng)速遠小于臨界破膜速度時，出口液滴粒徑為5～6μm；當入口風(fēng)速接近和大于臨界破膜速度后，出口液滴粒徑迅速增大到24～26μm.

2.4 波形板分離器的阻力特性

波形板分離器的阻力大小是衡量其性能好壞的重要指標之一.一個結(jié)構(gòu)良好的波形板分離器除了需要保證良好的分離效率，還要求其阻力小.3種波形板分離器阻力系數(shù)隨波形板入口處雷諾數(shù)Re的變化曲線見圖7，其中Re為：

式中：ν為運動黏度，m2／s；De為當量直徑，m；a和b分別為波形板分離器入口高度和寬度，m.

圖6 波形板分離器總分離效率與出口液滴粒徑的關(guān)系Fig.6 Outlet droplet size vs.total separation efficiency of the corrugated-plate separator

圖7 3種波形板分離器的阻力系數(shù)Fig.7 Resistance coefficient of three differently-structured corrugated-plate separators

從圖7可以看出，單鉤波形板分離器的阻力系數(shù)最大，雙鉤波形板分離器的阻力系數(shù)次之，無鉤波形板分離器的阻力系數(shù)最小.這是由于單鉤波形板分離器的單鉤結(jié)構(gòu)對氣流邊界層的破壞較大，因此壓降也較大；無鉤波形板分離器流道內(nèi)沒有布置疏水鉤，從而對氣流的擾動較少，阻力系數(shù)較小；雙鉤波形板分離器阻力系數(shù)小于單鉤波形板分離器的原因是雙鉤波形板分離器的疏水鉤由前鉤和后鉤組成，前鉤的存在對氣流進行了很好的導(dǎo)流，避免氣流直接沖刷后鉤，大大減少了氣流的擾動，從而減小了阻力系數(shù).

從圖7還可以看出，當Re增大到某一數(shù)值時，波形板分離器的阻力系數(shù)不再隨Re變化，表明Re達到一個臨界值時，波形板分離器內(nèi)氣流運動狀態(tài)進入第二自?；瘏^(qū).3種波形板分離器第二自模化區(qū)的臨界Re均約為12 000，對應(yīng)的入口風(fēng)速約為6 m／s，此時無鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器對應(yīng)的阻力系數(shù)分別約為3.7、9.3和5.1.

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合總分離效率和出口液滴粒徑測量結(jié)果，很好地確定了無鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器的臨界破膜速度，分別為2m／s、5m／s和7m／s.

（2）雙鉤波形板分離器的總分離效率最大值可達98.5%，無鉤和單鉤波形板分離器的總分離效率最大值分別為91.2%和93.6%.雙鉤波形板分離器的總分離效率明顯高于無鉤和單鉤波形板分離器.

（3）對于無鉤和雙鉤波形板分離器，由于后2級的單級分離效率很低，在保證總分離效率的前提下，可以取消第5級和第6級以減小其阻力.

（4）對于單鉤波形板分離器，在入口風(fēng)速超過6 m／s后，后3級單級分離效率的上升幅度顯著大于無鉤和雙鉤波形板分離器，尤其是第6級單級分離效率的上升幅度最為明顯.

（5）當Re超過12 000時，無鉤、單鉤和雙鉤波形板分離器進入第二自?；瘏^(qū)，對應(yīng)的阻力系數(shù)分別約為3.7、9.3和5.1.雙鉤波形板的總分離效率高、阻力系數(shù)小，在實際工程中可優(yōu)先采用.

［1］陳杰.基于某燃氣輪機的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)建模仿真［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［2］車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2011.

［3］高慶偉，郜志華.鍋爐結(jié)垢與其受熱面壁溫升高的關(guān)系［J］.河南科技，2009（10）：55-56.

GAO Qingwei，GAO Zhihua.The relationship between boiler scale and wall temperature raise［J］.Henan Science and Technology，2009（10）：55-56.

［4］丁凱.波形板分離器分離效率的數(shù)值模擬與測試［D］.杭州：中國計量學(xué)院，2013.

［5］路銘超，李亞洲，熊珍琴，等.汽水分離器性能試驗研究［J］.動力工程學(xué)報，2013，33（1）：76-80.

LU Mingchao，LI Yazhou，XIONG Zhenqin，etal.Experimental study on performance of moisture separators［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（1）：76-80.

［6］肖立春，李強，丁志江，等.汽水分離器分離效率的冷態(tài)實驗研究［J］.熱能動力工程，2010，25（2）：177-179.

XIAO Lichun，LI Qiang，DING Zhijiang，etal.Coldstate experiment on separation efficiency performance of corrugated-plate separator［J］.Journal of Engineerng for Thermal Energy and Power，2010，25（2）：177-179.

［7］王為術(shù)，徐維暉，羅毓珊，等.帶鉤波形板分離器分離性能試驗研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31（2）：52-54.

WANG Weishu，XU Weihui，LUO Yushan，etal.Experiment on separation efficiency performance of corrugated-plate separator with hook［J］.Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2010，31（2）：52-54.