有机热载体锅炉膨胀管功能及设计要求

有机热载体锅炉膨胀管功能及设计要求

郑渊蔚 程正米

台州市特种设备检验检测研究院   318000

摘要：有机热载体锅炉属于新型换热设备，可以将燃料中的化学能或者电能转化为热能，通过锅炉的循环功能对外供热。若要保障有机热载体锅炉的稳定运行，就需要对膨胀管功能进行有效设计和完善，确保供热稳定性。

关键词：有机热载体锅炉；膨胀管；设计

有机热载体锅炉由于其输出工质具有高温低压的特性而被广泛应用于工业生产加热领域。由于有机热载体介质物性复杂，TSGG0001-2012《锅炉安全技术监察规程》（以下简称《锅规》）对有机热载体锅炉提出了一些新的要求，根据笔者的理解，现对有机热载体锅炉设计计算若干问题与读者共同讨论，期望对有机热载体锅炉膨胀管设计和功能完善有所帮助。

1膨胀管的基本功能

众所周知，有机热载体锅炉中的膨胀管具有下列一些功能：

1.1膨胀通道

有机热载体锅炉开始运行以后，导热油从常温被加热到工作温度时，其液体的体积将增加许多。由于液体不可压缩的特性，如果导热油受热时不能自由膨胀，锅炉及管道系统将受到导热油因膨胀而产生的巨大内压力的威胁，直至损坏锅炉及系统设备，造成安全事故。所以，有机热载体锅炉系统中都需配置膨胀油槽，在导热油受热膨胀时，通过膨胀管而涌向膨胀油槽以泄压，维持锅炉系统正常运行。

1.2补油通道

有机热载体锅炉缺油工作时，将会烧坏锅炉受热面金属材料，并使导热油结焦，影响正常运行并危及安全。因此，膨胀油槽必须通过膨胀管及时地向锅炉及系统管道补充导热油，以保证锅炉系统安全运行。

1.3排气通道

有机热载体锅炉升温过程中，导热油中含有的各种低沸点物质陆续以气体形式和导热油分高，水分也以水蒸气形式与导热油分离，冷却水渗漏进运行中的有机热载体锅炉系统时，也迅速以水蒸气形式与导热油分离。由于膨胀管连接点都在有机热载体锅炉主循环管路中压力最低区域，所以油气（汽）分离时，产生的大量气泡都从膨胀管中上升到膨胀油槽中逸出以泄压，如果气体不能排出，有机热载体锅炉及系统管道工作压力就会大大超过其允许值，而且会妨碍设备正常运行，造成故障。

1.4冷油置换通道

当有机热载体锅炉在运转中遇上突然停电时，停止流动的导热油在炉瞳和燃煤余热作用下将继续升温，可能造成过热而裂解析碳，并导致结焦。为防止导热油的过热而变质，和保护锅炉受热面不致烧损，一般办法是关闭锅炉进出油管路上阀门，将膨胀油槽中冷油通过膨胀管或冷油置换管流入锅炉，置换其中热油以及时降低炉温，而热油则缓缓放入冷油储槽。

1.5定压管道

为维持有机热载体锅炉及循环系统低压运行、并对离心式循环油泵因为缺乏干吸能力而需在吸入端灌注压头，通过膨胀管将循环油泵吸入管路与膨胀油槽旁路相通，利用高位膨胀油槽与循环油泵位差造成的液体静压力，达到定压作用。

1.6灌液通道

锅炉及系统管道中装载的导热油，一般是经过注油泵向膨胀槽注油，通过膨胀管自流进锅炉及系统管道。因此讲膨胀管是灌液通道[1]。

2膨胀管的设计要求

由于膨胀管具有上述六大功能，因此，对其结构设计必然提出一些起码要求。

2.1膨胀管流筒公称直径

对于不同热容量的有机热载体锅炉，其安全膨胀管的流通公称直径应有所不同。根据设计经验和实际使用表明，按下表规定选用一般是可行的。国内外有关技术标准也有类似的推荐值。但是实际上，许多部门都采用比表中所列略大一档的公称直径。

2.2膨胀管的材料

导热油是一种渗透性比较强的有机液体，其价格也较高，导热油在高温工作时如果从管道中泄漏出来而活到人体，易发生重伤事故。膨胀管在运行过程中要承受温度升降剧变而产生的热应力，和排气（汽）泄压过程中产生的较高热强度。因此，膨胀管的材料以采用20钢无缝管为较合理。

2.3膨胀管的安装结构

为使膨胀管的排气（汽）阻力尽量小，膨胀管应尽量陡峭安装，不得有水平式或气袋式管段。

2.4膨胀管的保温

为维持膨胀油槽中油温低于80℃运行，减少系统中高温导热油通过膨胀管而向膨胀油槽传导热量，膨胀管不得保温，利用膨胀管外表面自然散热降温，使系统中导热油能长期高温运行而无被氧化变质之赏。

2.5膨胀管的畅通性

为了使膨胀管的六大功能得以充分发挥而无故障，要求膨胀管能时刻保持高度的畅通。膨胀管中间一般不宜安装阀门，也不应有缩颈结构。

3膨胀管的安装位置

根据循环油泵与有机热载体锅炉相对位置不同而形成不同的循环系统，膨胀管与锅炉系统连接部位有两种方案：

3.1与油气分离器相连接

循环油泵设置在锅炉进口前面，是盘管式和管架式导热油锅炉通常的循环方式，称之为循环油泵注入式液相强制循环有机热载体锅炉系统。在这种系统中，有一个专门的油气（汽）分离装置，安装在系统回油末端即循环油泵吸入端前面。油气（汽）分离器通过膨胀管与膨胀油槽相连接[2]。

3.2与有机热载体锅炉本体相连接

循环油泵设置在锅炉出油口处，是锅壳式有机热载体锅炉循环方式的通常做法，称之为循环油泵抽吸式液相强制循环有机热载体锅炉系统。在这种系统中，衍炉本体上部即能扮演油气（汽）分离器角色，不需另设专门的油气（汽）分离装置。膨油槽通过膨胀管与锅炉顶部相连通。

4有机热载体流速计算

有机热载体炉系统的阻力、循环泵的选型、受热面的流通面积、有机热载体的黏度决定受热面有机热载体的流速。有机热载体介质的最小流速是影响有机热载体锅炉最高液膜温度的重要因素之一。影响最高液膜温度的介质流速可以通过以下步骤确定：（1）根据锅炉额定功率、进出口油温、有机热载体比热，确定循环计算流量。通过循环计算流量和系统阻力，确定循环泵的选型，要求工作循环泵的铭牌流量、扬程应高于循环计算流量和系统阻力。（2）根据循环计算流量、锅炉受热面结构特性、炉内部件进出口各并联支路沿程流动阻力相等原则，确定各支路流速。（3）由锅炉受热面各个支路的最小流速，根据《锅炉安全技术监察规程释义》，计算最高液膜温度。最小限制流速一般通过以下步骤确定：（1）根据有机热载体的最高允许液膜温度和锅炉出口油温，确定炉管边界层内有机热载体的温升△thtf。（2）根据热力计算数据和锅炉结构特性，计算辐射受热面最大热流密度g。（3）由炉管边界层内有机热载体的温升△￡辐射受热面最大热流密度q一、受热面管规格尺寸计算管内对流放热系数。（4）由管内对流放热系数计算雷诺数，最后确定最小限制流速[3]。

5膨胀槽容积的计算

膨胀槽由于其调节容积不足，常出现运行时低液位报警、溢流、喷油等事故。《锅规》11．4．7规定“膨胀槽的调节容积不小于系统中有机热载体从环境温度升至最高工作温度时因受热膨胀而增加容积的1．3倍”。出现膨胀槽调节容积不足主要有以下几个原因：（1）在原始设计时系统的油容量小于实际系统的油容量。（2）未考虑由于系统残留和热载体自身带有的水蒸气与空气所“胀起的容积”。系统初次投入运行时，温升过程中从热载体中排出气体而引起有机热载体体积“胀起”。由于很难确定气体的排出量，其引起的“胀起”容积也很难确定，只能按经验数值选取。根据运行经验，其数值可根据系统热载体热量的大小在0．5—1．0m的范围内选取。在没有资料的情况下建议选取膨胀槽的调节容积不小于系统中有机热载体从0oC升至最高工作温度时因受热膨胀而增加容积的1．3倍。

结束语：

综上所述，对有机热载体锅炉的膨胀管进行有效分析和功能设计，并对有机热载体流量以及膨胀槽容积进行有效计算，能够实现电能和化学能的有效转换，为有机热载体锅炉供热提供全面支持，确保有机热载体锅炉运行的稳定性和安全性。

参考文献：

[1]崔满仪.液相有机热载体锅炉的安装监督与自动化检验技术[J].制造业自动化,2021,43(2):139-142.

[2]李强.劣质有机热载体对锅炉传热系统的影响[J].特种设备安全技术,2020(5):11-13.

[3]贾明生,王威,司滕滕.有机热载体锅炉中膨胀槽超温现象分析及设计方法改进[J].工业锅炉,2023(4):7-11,20.