锅炉水循环及汽水分离

锅炉水循环及汽水分离）

在蒸汽锅炉中，给水进入汽锅后就按一定的循环路线流动不已。在循环不息的流动过程中，水通过蒸发受热面被加热、汽化，产生蒸汽；而受热面——金属壁则靠水循环及时将高温烟气传给的热量带走，使壁温保持在金属的允许工作温度范围内，从而保证蒸发受热面能长期可靠地工作。但是，如果水循环组织不好，循环流动不良，即便是热水锅炉，也将会造成种种事故。例如，当水冷壁正常的冷却水膜被破坏而直接与蒸汽相接触时，管壁壁温会显著增高，当温度超过金属允许极限时，会发生爆管事故。

由各蒸发受热面汇集于锅筒的汽水混合物，在锅筒的蒸汽空间中借重力或机械分离后，蒸汽引出。如果汽水分离效果不佳，蒸汽将严重带水，导致蒸汽过热器内壁沉积盐垢，恶化传热以致过热而被烧损。对于饱和蒸汽锅炉，蒸汽带水过多也难以满足用户需要，还会引起供汽管网的水击和腐蚀。

可见，锅炉水循环组织得好坏，汽水分离装置性能的优劣都直接关系着锅炉工作的可靠性。因此，对水循环的基本规律、汽水分离的原理以及影响因素应有所了解，以便在今后的专业实践中，指导锅炉的运行管理和技术改造工作。

第一节 锅炉的水循环

水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面回路中的循环流动，称为锅炉的水循环。由于水的密度比汽水混合物的大，利用这种密度差所产生的水和汽水混合物的循环流动，叫做自然循环；借助水泵的压头使工质流动循环的叫强制循环。在供热锅炉中，除热水锅炉外，蒸汽锅炉几乎都采用自然循环。

一、 自然循环的基本概念

图6-1自然循环回路示意图

1-上锅筒；2-下集箱；3-上升管；4-下降管

图6-1为蒸汽锅炉的蒸发受热面自然循环回路示意图，它由锅筒、集箱、下降管和上升管（水冷壁管）所组成。水自锅筒进入不受热的下降管，然后经下集箱进入布置于炉内的上升管；在上升管中受热后部分水汽化，汽水混合物则由于密度较小向上流动输回锅筒，如此形成了水的自然循环流动。任何一台蒸汽锅炉的蒸发受热面，都是由这样的若干个自然循环回路所组成。

由图可见，在循环回路中不同高度的工质，所受压力因水柱重量不同而不等。愈靠近下集箱的上升管管段，工质压力超过锅筒中的压力值愈大。也就是说，锅筒中的水即便是已达

到相应压力下的饱和温度，当流进上升管下端时，水温离该处压力下的饱和温度尚有一个差值，需要继续受热才能达到沸点，即需上升一段高度Hs后方会开始沸腾汽化。实际上，由锅筒进入下降管的水不一定达到饱和温度，也即锅水尚具有一定的欠焓，或叫欠热，所以上升管下端Hs这一区段加热水总是存在的。

上升管内的水在向上流动的过程中，一边受热一边减压，当到达汽化点Q时，水温等于该点压力下的饱和温度，开始沸腾汽化。在Q点以后，压力继续降低，汽化更烈，工质中含汽量随上升流动愈来愈多。因此，Q点以后的这段Hq，便是上升管的含汽区段，也即汽水混合物区段。

如此，循环回路的总高度H即为加热水区段Hs和含汽区段Hq之和，即

H=Hs+Hq m

在水循环稳定流动的状态下，作用于图6-1中集箱A-A截面两边的力平衡相等。假设此回路中没有装置汽水分离器；Hs区段加热水的密度和下降管中的水一样，都近似等于锅

'A-A截面两边作用力相等的表达式可写为 筒中蒸汽压力Pg下的饱和密度ρ，则

Pg+(Hs+Hq)ρ'g-∆Pxj=Pg+Hsρ'g+Hqqg+∆Pss Pa (6-2)

式中 Pg——锅筒中蒸汽压力，Pa；

ρ'——下降管和加热水区段饱和水的密度，kg/m3；

q——上升管含汽区段汽水混合物的平均密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

∆Pxj、∆Pss ——分别为下降管系统和上升管系统的流动阻力，Pa。

经移项整理，便可得到下式：

Hqgρ'-q=∆Pxj+∆Pss Pa （6-3）

上式左边是下降管和上升管中工质密度差引起的压头差，也就是自然循环回路的推动力，称为水循环的运动压头。等式的右边，恰好是循环回路的流动总阻力。这样，此式的物理意义十分明确：当回路中水循环处于稳定流动时，水循环的运动压头对于整个循环回路的流动阻力。

由式可见，自然循环的运动压头取决于上升管中含汽区段的高度和饱和水与汽水混合物的密度差。显热，增大循环回路的高度，含汽区段高度也增加；上升管吸热越多，可使其中含汽率越高，这些都会使运动压头增高。当锅炉压力增高时，水、汽密度差减小，组织稳定的自然循环就趋困难，所以高压锅炉总是设法提高循环回路的高度，以便获得必要的运动压头，或采用强制循环。 ()

自然循环的运动压头，扣除上升管系统阻力后的剩余部分，称为循环回路的有效压头，以Pyx表示，它是用来克服下降管系统阻力的。在稳定流动工况下，有效压头应与下降管系统的阻力相等，即

Pyx=Hqgρ'-ρq-∆Pss=∆Pxj Pa （6-4）

自然循环回路的有效压头愈大，可用以克服的下降管阻力的压头就愈大，也即工质循环的流速和水量愈大，水循环愈强烈和安全。

二、水循环的可靠性指标

1. 循环流速

锅炉水循环的可靠性是要求所有受热的上升管都毫无例外地保证得到足够的冷却。具体地说，必须保证上升管管内有连续的水膜冲刷管壁，并保持一定的循环流速，以防止管壁超温和结盐。

循环流速，通常指的是循环回路中水进入上升管时的速度，用符号ω0表示，其计算式为 ()

ω0=G m/s （6-5）3600ρ'fss

式中 G——进入上升管的水流量，即循环水质量流量，kg/h；

ρ'——水进入上升管时的密度，近似取锅炉压力下的饱和水密度，kg/m3；

fss——循环回路的上升管总截面积，m2。

循环流速的大小，直接反映管内流动的水将管外传入的热量和管内产生的蒸汽泡带走的能力。循环流速愈大，工质放热系数愈大，带走的热量愈多，也即管壁的冷却条件愈好，管壁金属就不会超温。所以，循环流速是用以判断锅炉水循环可靠性的重要指标之一。

对于供热锅炉，由于工作压力低，汽、水的密度差大，对自然循环是有利的。水冷壁的循环流速，一般在0.4~2m/s，锅炉对流管束的循环流速约为0.2~1.5m/s。

2. 循环倍率

由循环流速的定义知道，它是按进入上升管的水流量G进行计算的。但是，对于热负荷不同的上升管，即使循环流速相同，由于管内产汽量不同，在其出口处的汽水混合物中水的流量却不相同。上升管的热负荷愈大，产汽量愈多，到出口处时的水量就愈少，以致在管壁上有可能维持不住连续的水膜；另一方面，产汽量愈多，汽水混合物的流速愈大，也有可能在高速汽水流的冲刷下将水膜撕碎，从恶造成传热恶化，使管壁超温。因此，为了保证在上升管中有足够的水来冷却管壁，在每一循环回路中由下降管进入上升管的水流量G常常是几倍、甚至上百倍地大于同一时间内在上升管中产生的蒸汽量D。两者之比，称为循环回路的循环倍率，这是另一个用以说明水循环好坏的重要指标，常用符号K表示，其表达式为

K=G （6-6） D

不难看出，循环倍率K的倒数即为上升管的含汽率，或汽水混合物的干度，以x表示，则有

x=D1= （6-7） GK

循环倍率的物理意义是单位质量的水在此循环回路中全部变成蒸汽，需经循环流动的次数。循环倍率K愈大，干度x愈小，它表示上升管出口处汽水混合物中水的份额愈大，冷却条件愈好，水循环安全。

由于水的汽化潜热是随压力的增高而降低的，在上升管受热情况相同的条件下，压力愈高，K值愈小。蒸发量大的锅炉，上升管受热长度一般都较长或者上升管的热负荷较高，则K值也较小。基于供热锅炉的压力和容量都较小，上升管热负荷也不高，所以其循环倍率一般都很大，约在50~200这一范围内变动，无需多虑循环倍率过低的问题。对于某些燃油燃气锅炉所采用的双面曝光水冷壁回路，因其热负荷很高，应当注意不使该回路的K值过小。增大循环倍率的结构措施，通常是加大该回路的下降管总截面积和使上升管受热长度与直径之比不宜过大。

对于自然循环热水锅炉的受热面，也有“循环倍率”的概念，但其含义不同于蒸汽锅炉。它是指受热面在吸热量和锅炉的循环水流量及供、回水温度相同的工作条件下，按自然循环工作时通过受热面的流量与按直流工作时通过的流量之比。一台热水锅炉有若干自然循环回路，它们有着共同的锅炉供、回水温度，但各自的吸热量和温升不同。所以，全炉循环倍率为各回路循环倍率按吸热量比例的加权平均值。

如前所述，蒸汽锅炉的自然循环回路中，循环倍率都大于1。但在热水锅炉中，不管是回路循环倍率，还是全炉循环倍率，都有可能大于1，也有可能小于1。这是热水锅炉自然循环的特点之一。如图5-20所示的这台热水锅炉，因有大量的自然循环对流（管束）受热面，其全炉循环倍率大于1，对流（管束）受热面的循环倍率也大于1，而水冷壁循环倍率则可能大于1，也可能小于1。

图5-20 DHL14-1.25/80AII型热水锅炉

1—链条炉；2—下降管；3—辐射受热面（水冷壁）；4—锅筒；5—热水出口；

6—对流受热面（钢管省煤器）；7—回水入口；8—空气预热器

3. 循环回路的特性曲线

图6-2 水循环特性曲线

图6-2所示为循环回路的特性曲线，表示在一定的热负荷下，有效压头Pyx、阻力∆Pxj和流量（或相应的循环流速）之间的关系。

对于结构已定的循环回路，下降管系统的阻力是水循环流速ω0的函数，ω0增大，∆Pxj也增大。对上升管而言，在一定热负荷下，增大ω0时，使管内含汽率减小，上升管含汽区段中汽水混合物的平均密度q增大。这样，用于克服下降管阻力的有效压头Pyx下降。只有在Pyx与∆P即两曲线的交点A才是水循环的工作点。这与通风系统中，xj两者取得平衡时，

风机特性曲线与管路特性曲线相交而得出工作点的原理一样。在水循环回路工作点处可得出实际的循环流速ω0，可用以与一般的推荐值对照，并对水循环工作的可靠性进行校核，以检查个别管子有无可能发生水循环故障。

三、自然循环锅炉的水循环故障

自然循环的动力源于循环回路的运动压头。当回路高度一定时，锅炉压力愈低，运动压头愈大，有利于自然水循环。供热锅炉压力并不高，按理容易保证良好的水循环。但在实际运行中，发生水循环故障的却不乏其例，常见的除上升管产生循环停滞、倒流和汽水分层之外，还有下降管带汽，它们都将会严重影响锅炉工作的安全和正常运行。因而有必要对这些主要故障的产生原因进行分析，然后针对实际情况找出防止和消除这些故障的方法。

1. 循环停滞和倒流

一个循环回路，如水冷壁受热面，它总是由并联的许多上升管和几根下降管连接于锅筒和集箱而工作的。在同一循环回路中，每根上升管的受热强度并非相同，有时甚至相差十分悬殊。这种受热的不均匀性，主要是由于炉膛和燃烧设备的结构特性、管外挂渣积灰和管子受热段的长短不一等原因造成的。很明显，如果个别上升管的受热情况非常不良，则会因受热微弱产生的有效运动压头不足以克服公共下降管的阻力，以致可能该上升管的循环流速趋于零，这种现象称为循环停滞。

在停滞管中仍会产生蒸汽，汽泡因有浮力而上升进入锅筒；同时由该上升管上、下口向管内补水，其循环倍率接近于1。由于流速很小，在循环停滞管的倾斜管段及接头焊缝处，

将会积聚汽泡，并析出和沉积水垢。假若该上升管恰好处于高温烟气区段，管子还会有被烧坏的危险。

图6-3自由水面

1-受热强的上升管；2-受热弱的上升管；3-下降管

如果发生循环停滞的上升管接于锅筒的蒸汽空间，水将停留在上升管的某一部位，水面以上全为蒸汽，形成如图6-3所示的“自由水面”。在自由水面以上的管段中仅有蒸汽在缓缓流动，其冷却情况很差，易引起管壁过热而烧坏；同时又因水面微微波动，水面附近这段管子壁温也随之波动，产生温差应力，也易沉积盐垢，同样可能引起管子的损坏。

由图6-3可见，即便是没有发生循环停滞的上升管，当它连接于锅筒的汽空间时，于自然循环也是不利的。在上升管高出锅内水位的高度h的区段中，其内仍是水汽混合物，而与此管段相应的所谓“下降管”段内的工质不是水，而是锅筒水面以上空间中的饱和蒸汽。因此在h区段内产生的流动压头是一负值，也即等于上升管中增加了一个阻力。所以，上升管或水冷壁上集箱的汽水引出管要尽可能地接于锅筒的水空间；如果必须在汽空间引入时，也应尽量超过最高水位的这段高度降低，以减少对水循环不利的影响。

显然，当上升管接入锅筒水空间时，即使发生循环停滞现象也不会出现稳定的自由水面。这时，上升管中仍产生蒸汽，水从上升管的上端或下端流入以补充蒸发的需要。

如果接入锅筒水空间的某根上升管受热极差，其运动压头小于共同下降管阻力时，将会发生循环倒流现象。由式（6-4）可以看出，只有当上升管的流动阻力为负值时才能达到平衡，也即表示水的流向颠倒，该上升管变成了一根受热的下降管。此时，如倒流速度较大，上升管中产生的气泡将被带着向下流动，这不会发生什么危险；但是，如果倒流速度较小时，气泡会停滞积聚，在管内形成“汽塞”，会导致管子烧损。在供热锅炉中，有时水冷壁管有上集箱汇集，再用汽水引出管引入锅筒（图6-4）。在此情况下，不论引出管引入锅筒汽空间还是水空间，受热极差的上升管在上、下集箱之间都有可能形成停滞或倒流现象。

图6-4带上下集箱的水冷壁结构示意图

1-上锅筒；2-汽水引出管；3-水冷壁上集箱；4-水冷壁下集箱；5-下降管

为防止循环的停滞和倒流，常采用加大下降管截面积和引出管截面积的办法，以减少循环回路的阻力。诚然，要从根本上消除这一弊病，那只有设法减少或避免并联的各上升管受热的不均匀性。

2. 汽水分层

在水平或微倾斜的上升管段，由于水、汽的密度不同，当流速低时会出现汽水分层流动。汽水分层的程度取决于流动工况，是否会造成危害则要看这管段的受热情况。当汽水分层管段受热时，会引起管壁上下温差应力和汽水交界面的交变应力；管壁上部会结盐垢，使热阻变大，壁温升高。所以在布置锅炉炉膛的顶棚管、前后拱上的水冷壁以及燃油炉冷炉底受热面时，需特别予以注意。

发生汽水分层的可能性，随着蒸汽压力的升高和蒸发部分管子直径的增大而增加。据研究，供热锅炉压力不高，只要循环流速不低于0.6~0.8m/s，就不会产生汽水分层现象。为进一步提高锅炉工作的可靠性，管子与水平线之间倾角不宜小于15°。但对此必须针对实际情况作具体分析，如管子上端（出口端）受高温，则要求倾斜角更大；反之，如在燃用低质煤时，炉子后拱的管子倾角有时仅8°~10°，但因后拱水冷壁管外包有耐火泥或耐火砖衬，受热较弱，又处于含汽量较少的管段，所以还是允许的。在链条炉中，两侧的防渣箱是水平布置的，但要尽量避免流动死角。下降管最好由防渣箱两头引入，假若一端实在不便布置下降管时，那么此端也应有上升管引出；而水冷壁管则须由防渣箱的顶部引出。

3. 下降管带汽

锅炉中的锅水虽都处于或接近饱和状态，由于水静压的作用，进入下降管的水一般不会沸腾汽化，也即在工况正常时，下降管入口的水不会汽化而使下降管带汽。但如果下降管入口阻力较大，产生压降，水则可能汽化造成下降管带汽，从而使其平均体积流量增大，阻力增加，对水循环不利。

造成下降管带汽的另一个原因，是下降管管口距锅筒水位面太近，上方水面形成漩涡斗而将蒸汽吸入下降管。因此，下降管应尽量接于锅筒底部或保证下降管上方有一定的水位高度。

此外，下降管受热过强、上升管出口和下降管入口距离太近而又无良好的隔离装置等情况，也会引起下降管带汽。不论何种原因引起的下降管带汽，所造成的后果是相同的。下降管带汽不仅自身阻力增大，还使循环回路的运动压头降低，减弱了水的循环流动，从而增大了出现循环停滞、倒流、自由水面等不正常流动现象的可能性。

四、自然循环回路的合理布置

通过上述对产生水循环故障原因的分析，在自然循环锅炉水循环回路的布置时，应以改善各上升管受热均匀性，提高循环回路运动压力，降低上升管、下降管和汽水引出管阻力以及防止汽水分层等为原则，采取相应的必要措施，以保证循环流动的良好、可靠。显然，这些都与锅炉结构和运行条件有关。

1. 循环回路的设计布置

上升管的受热不均匀是造成水循环故障的基本原因。因此，在设计布置水循环回路时，并联管子的总长度、受热管段长度、受热负荷以及几何形状等应尽可能地相近似，也即应按受热情况划分循环回路。譬如，图1-1所示的链条炉，其前、后和两侧的水冷壁的几何形状和受热强度等都有差别，所以设计时一般就将它们分别组成独立的循环回路，且每个循环回路都设置有自己独立的下降管和汽水引出管，以提高水循环的可靠性。

图1-1 SHL型锅炉

1—上锅筒；2—下锅筒；3—对流管束；4—炉膛；5—侧墙水冷壁；6—侧水冷壁上集箱；

7—侧水冷壁下集箱；8—前墙水冷壁；9—后墙水冷壁；10—前水冷壁下集箱；

11—后水冷壁下集箱；12—下降管；13—链条炉排；14—加煤斗；

15—风仓；16—蒸汽过热器；17—省煤器；18—空气预热器；

19—烟窗及防渣管；20—二次风管

如前所知，自然循环运动压头与回路的高度及汽、水密度差成正比。锅炉工作压力越高，汽、水密度差越小，则要求有较高的回路高度。对于供热锅炉，压力不高，如压力P

2. 上升管的布置

为了避免产生自由水面和蒸汽带入下降管，上升管或来自水冷壁上集箱的汽水引出管，都应尽可能地在锅筒水空间接入，且需注意与下降管入口保持必要距离，或装设隔板加以有效的隔离。如果上升管和上集箱汽水引出管在锅筒蒸汽空间引入，也应尽量压低此管段最高点与水位间的距离。

上升管和上集箱汽水引出管不宜有过多或急剧转弯的弯头。汽水引出管可采用内径为80~150mm的管子，其截面积，供热锅炉一般控制在上升管截面积的35%左右，使之阻力不致过大。

循环回路中的各上升管，一般都不宜有水平布置的管段；上升管受热段的倾斜部分，其倾角不宜小于15°。

上升管采用的管径，一般需要根据水质、水循环的可靠性、管子强度及金属耗量等多种因素来选择。管径小，可以增大上升管单位流通截面蒸发量，即管内含汽率增高，使循环回

路的运动压头提高，对水循环有利。当然，管径过小也是不合理的，不仅阻力增大，对水质要求也将提高。根据不同压力和容量的锅炉，水冷壁管径有一定的推荐值，供热锅炉常用管径有φ51⨯2.5 mm，φ63.5⨯3mm和φ70⨯3 mm等几种。

对于热水锅炉，自然循环流动压头小，除上述要求，水冷壁宜采用垂直上升结构，循环回路应尽量采用简单回路；水冷壁与对流受热面不宜共用一个下集箱，以防热负荷相差过大，造成水循环故障；上升管内径应不小于44mm。当锅炉采用上集箱结构时，为减少引出管阻力，管径应尽量取大一些，长度尽量短，弯头数应少；上集箱的连接管与上升管截面比应大于0.8。

3. 下降管的布置

减少下降管阻力，是良好水循环的重要保证因素之一。为此，下降管应采用较大管径，同时在结构上要特别注重它的合理布置。

下降管的形状要力求简单，不设中间集箱，不用不同管径的管段串接，也不允许有水平管段和锐角弯头。每一独立回路的下降管数目要少，但又不宜少于两根，以防配水不均和偶然堵塞的事故。

下降管应尽可能由上锅筒的底部引出；下降管入口与锅筒最低水位间要保持有足够高度，一般不低于下降管径的4倍。下降管口与上升管或汽水引出管之间应保持有一定距离，或用隔板隔开，以防蒸汽被下降管吸入。

图6-5下降管与下集箱的连接

1-上升管；2-排污管；3-下降管

下降管与上升管的下集箱连接时，应与上升管之间有一接近90°的交角，且二者的轴线应不相重合（图6-5），以使上升管供水比较均匀。同样，下集箱的排污管也不应与任何一根上升管在同一轴线上，否则排污时，正对排污管孔的上升管会发生缺水现象而烧损。在结构上也有在排污管孔上方设置一隔板的措施。

下降管不宜受热，一般多置于炉外；但应包扎绝热材料，以减少散热损失，同时不使回路的加热水区段增长过多。

下降管管径一般选用80~140mm，其截面积，一般不应小于上升管截面积的25%~30%。

对于自然循环的热水锅炉，不宜采用集中下降管，以免水力偏差引起水量分配不均。下降管与上升管截面比fxj/fss，根据循环高度的不同可由表6-1选取。

热水锅炉下降管与上升管的截面比 表6-1

4. 供热锅炉对流管束的水循环分析

图6-6所示为SHL10-1.3/350型锅炉的对流管束简图，现以此为例，来分析供热锅炉对流管束水循环的组织。

供热锅炉的对流管束部分，同一回路的并联上升管的吸热不均匀性一般都比较大。如图6-6中的第一管束，因处于炉膛出口，受热最强，第二管束次之，第三管束受热最弱。因此，在对流管束的水循环回路中，第一、第二管束基本上是上升管，第三管束是下降管。但在同一管束中，各排管子的吸热强度也存在着差异。第二管束的后几排及第三管束的前几排的循环工况是变化的。如在高负荷运行时，炉子出口烟气温度较高，第二、第三管束所受的热负荷就大，第三管束的前几排管子可能会变成上升管。反之，在低负荷时，第二管束的后几排管子会变成下降管，甚至个别管子会出现循环停滞。因此，布置循环回路时，要注意循环工况有变化的管子应与上锅筒的水空间相接，并尽可能接近锅筒底部，以免倒流时带进蒸汽；同时，将这几排管子尽可能布置于烟温不高区域，尤其是管子的上部宜置于烟气流程的末尾，以免在产生短时间的循环停滞时烧损管子，并尽量减少这几排管子的弯头，以减少流动阻力。

图6-6 对流管束的布置

1-第一管束；2-第二管束；3-第三管束

第三节 汽水分离装置

从锅炉水的汽化过程及水循环中可以清楚地知道，各蒸发受热面产生的蒸汽是以汽水混合物的形态连续汇集于锅筒的。要引出蒸汽，尚需要有一个使蒸汽和水彼此分离的过程，锅筒中的蒸汽空间及汽水分离装置就是为此目的而设置的。

汽水分离装置的任务，就是使饱和蒸汽中带的水有效地分离出来，提高蒸汽干度，以保证锅炉运行的可靠和满足用户的需要。

一、汽水分离装置的设计原则

汽水分离装置的设计，根据对蒸汽带水原因及其影响因素的分析，应考虑以下一些原则：

（1）应尽可能避免锅筒蒸发面和汽空间的局部负荷增高，使蒸汽均匀地穿出水面和引出。

（2）应能有效地削弱进入锅筒的汽水混合物的动能，缓和它对水面的冲击。

（3）使汽水混合物具有急转多折的流动路线，以充分利用离心和惯性的分离作用。此外，并应注意及时把分离下来的水导走，以免再次被蒸汽携带。

（4）创造大量的水膜表面积，以粘附更多的水滴，等等。

同时，在设计汽水分离装置时，也应考虑水循环工况的良好，使它的阻力不能过大，并应注意到便于制造、安装和检修。

二、汽水分离装置

汽水分离装置型式很多，按其分离的原理可分自然分离和机械分离两类。自然分离是利用汽水的密度差，在重力作用下使水、汽得以分离；机械分离则是依靠惯性力、离心力和附着力等使水从蒸汽中分离出来。按其工作过程，汽水分离装置又可分粗分离（一次分离）和细分离（二次分离）两种，在实际应用中也常有将它们分别组合使用的，以便获得更好的分离效果。

目前，供热锅炉常用的汽水分离装置有水下孔板、挡板、匀汽孔板、集汽管、蜗壳式分离器、波纹板及钢丝网分离器等多种。

1. 水下孔板

蒸汽锅炉的上升管或汽水引出管，一般都尽可能地引接于锅筒的水空间。为使蒸发面上各处的蒸汽发生量分配得均匀一些，常采用在水面以下装设开有许多孔的孔板（图6-8）。

图6-8 水下孔板

水下孔板的阻力越大，越易在孔板下形成稳定的汽垫，有效地削弱了汽水混合物的动能。这样，蒸汽就可比较均匀地通过孔板，锅筒中水面也较平稳，从而减少了飞溅的水滴细沫。但蒸汽穿孔的流速也不宜过大，否则阻力太大，形成过厚的汽垫容易引起下降管带汽。 水下孔板除能均匀分布蒸汽外，还可以减小水位的胀高，使蒸汽空间的高度较少受到影响。

水下孔板通常用3~4mm的钢板制成，其上均布孔径为8~10mm的小孔。孔径过小易于堵塞，过大则会造成汽流分布不匀。在供热锅炉中，通过孔板的蒸汽流速可按工作压力的不同，在3.5~8.5m/s之间选取；压力低的锅炉取用较高值。

水下孔板一般应水平装置于锅筒最低水位下80mm处，以保证在最低水位时仍能起到均匀蒸发面负荷的作用。水下孔板的长度不宜小于2/3的锅筒直段长度，应尽量使引入水空间的蒸汽全部通过水下孔板。同时，孔板与筒壁之间应留有150~200mm的间隙，以便给水能畅快地流下。为防止蒸汽短路，在孔板边缘加装高为100~150mm的水封栏板。而给水则均匀地在孔板上面送入，既有利于破沫又保证了对蒸汽的冲洗作用。

2. 挡板

当汽水混合物被引入锅筒汽空间时，在汽水引入管的管口可装设挡板（图6-9），以形成水膜和削减汽水流的动能；蒸汽在流经挡板间隙时因急剧转弯，又可从气流中分离出部分水滴，起着汽水的粗分离作用。

图6-9 挡板

汽水混合物的引入速度不宜过大，否则易把水膜冲碎成细小水滴，于分离不利。为减慢抵达挡板时流速，挡板与管口之间应保持有不小于两倍引入管管径的距离。两挡板间应有合适的空隙截面，以使此处蒸汽速度保持在1.5~4.5m/s之间。此外，挡板与汽水流动方向的夹角α应小于45°，以平稳地消除动能；否则会使气流冲破水膜而形成水滴飞溅。

3. 匀汽孔板

匀汽孔板与水下孔板工作原理基本相似，是借小孔节流作用使锅筒汽空间各处负荷均匀。通常孔板均匀开孔（图6-10），孔径可取8~10mm，孔间间距不宜大于50mm。蒸汽穿孔流速为13~27m/s，工作压力高时，流速可取低值。

图6-10 匀汽孔板

为了增加锅筒汽空间分离效果，孔板尽量装得高些，以增加蒸汽空间的有效分离高度；但要注意孔板顶上空间的纵向蒸汽流速ω1不宜过大，一般控制在低于穿孔流速ωk的一半。即ω1

用不均匀开孔的孔板。显然，远离蒸汽引出管的部位应多开孔，靠近引出管的部位少开孔。

4. 集汽管

在小型锅炉中，蒸汽引出管有时只有一根，为了均匀汽流又简化结构，可采用集汽管（包

括缝隙式集汽管和抽汽孔管），以分离汽水。

图6-11 集汽管

图6-11所示为一缝隙式集汽管。它沿锅筒长度方向装置在汽空间的顶部，两端封闭，在集汽管的中间引出蒸汽。管侧开缝，缝宽沿管内汽流方向逐渐减小，以保证均匀集汽。缝隙中蒸汽流速一般在11~25m/s之间。

抽汽孔管与缝隙式集汽管一样，装于汽空间顶部，长度不宜小于锅筒长度的2/3，所开的小孔孔径一般取8~12mm。

集汽管可以单独使用，也可与蜗壳式汽水分离器配合使用。单独使用时，应在集汽管的最低处开1~2个孔径为5mm的小孔，或装设疏水管，以不断排除分离下来的水。蒸汽引出管最好接在集汽管中间位置，正对引出管的入口处不应开缝或开孔，以使抽汽均匀。

5. 蜗壳式分离器

为进一步提高汽水分离的效果，可在集汽管上加装蜗壳。饱和湿蒸汽切向进入蜗壳，靠离心力作用将汽、水分开，起到细分离的作用。此外，由于分离器内部还装有集汽管，所以还能起到沿锅筒长度方向均匀蒸汽空间负荷的作用。分离出来的水，流经装置底部的疏水管导入锅水中（图6-12）。

图6-12 蜗壳式分离器

需要注意的是，由于蒸汽流经分离装置时发生节流而使压力下降∆P，也即存在有阻力损失。因此，集汽管内的蒸汽压力必然低于锅筒中压力，这就使得疏水管中的水位高于锅筒水位。如此，在使用此型汽水分离器时，其蒸汽进口速度不宜过大，否则会因阻力损失∆P过大而导致疏水管中的水位上升至蜗壳内，疏水管反而变成了吸水管，造成蒸汽大量带水，这是不允许的。所以必须严格控制安装高度和满足使用条件，以限制疏水管内的水位，确保安全。

6. 波形板分离器

对于装有蒸汽过热器或对蒸汽品质要求较高的锅炉，可采用如图6-13所示的波形板汽水分离器。

图6-3 波形板分离器

（a）水平式波形板分离器；（b）竖立式波形分离器

波形板分离器由多块波形板相间排列组成，有水平式和竖立式两种。饱和蒸汽在波形板组成的曲折通道中通过时，水滴受惯心力的作用被甩到波形板上，靠重力下流而达到汽水分离的目的。

波形板用0.8~1.2mm的钢板压成，边框用2~3mm的钢板制作，每组波形板大小以能通过锅筒上的人孔为限。波形板的线型要圆滑畅顺，相邻两块波形板的间距为10mm。水平式布置时，其长度要求超过锅筒直段长度的2/3；竖立式布置时，应尽可能使蒸汽在汽空间的行程长些。波形板组件应矮而长，以增加蒸汽空间的高度。

立式波形板的底部应加装疏水管，且应延伸到锅筒最低水位线以下。

波形板应与匀汽孔板配合使用，蒸汽先经波形板再经过匀汽孔板。为获得较好分离效果，波形板的上沿与匀汽孔板之间应保持一定距离，一般取30~40mm。

7. 钢丝网分离器

这是由一层或数层钢丝网和拉网钢板间隔排列而成的一种分离器（图6-14）。这种分离器与气流的接触面积很大，汽流中水滴易于吸附在钢丝网上，以达到汽水分离的目的。通过钢丝网分离器的空截面速度可取1~1.5m/s左右。分离器的疏水管如图中2所示。这种分离器结构简单，阻力较小。在无除氧设备的小型锅炉上，钢丝网宜用不锈钢丝制成，否则腐蚀较快，氧化物又易堵住网孔。

图6-14钢丝网分离器

1-钢丝网组件；2-疏水管

此外，也有利用许多小瓷环来替代钢丝网的，同样是利用大量接触面积的附着作用，以达到汽水分离的目的。

长期以来，供热锅炉锅内装置的设计无统一的计算方法和数据，情况比较混乱。随着供热锅炉的需求量日益增多，集中供热和热电联产也逐渐得到发展，对供热锅炉的蒸汽品质提出了一定的要求，为此我国统一制定了供热锅炉锅内装置设计导则。导则中，对不同类型锅炉生产的饱和蒸汽质量标准作了明确规定。

根据运行实践和一些测试数据，若采用水下孔板加匀汽孔板或水下孔板加蜗壳式分离

器，饱和蒸汽湿度为0.5%~1%，可满足装有蒸汽过热器锅炉的标准要求。对于无过热器的水管锅炉，如采用水下孔板加集汽管，其湿度一般不大于1.5%~2%；锅壳式锅炉常用集汽管作为汽水分离器装置，蒸汽湿度一般不大于5%~6%。