热电厂输送中压蒸汽加热定型机及保温层计算

汪琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑

（上海热油炉设计开发中心  上海  200042）

摘  要：讨论了热电厂使用的循环流化床锅炉结构型式，分析了热电厂输送的中压中温蒸汽经过温度压力控制装置产生饱和蒸汽加热定型机，研究了蒸汽管道保温材料和蒸汽管道保温层厚度计算方法以及施工注意事项。

关键词：热电厂；循环流化床锅炉；中压中温蒸汽；蒸汽管道保温；热定型机

1．前言

织物在织成布面后会进行定型处理，因为织物经过热定型后，物理性质和化学性质均较稳定，例如：缩水、幅宽、经纬密度等不易变化，布面也较为平整；但因为热定型温度较高，故应注意定型前后颜色的变化，特别是一些敏感色，如灰色、军绿色、浅卡其等，所以一般要注意定型的颜色。另外，热定型可以控制布面的幅宽、经纬密度、缩水率等，因此，热定型对温度、车速都有严格要求。

涤纶梭织面料的定型温度是170～200℃，速度为20～28M/分钟。涤纶定型温度一般变化不大，但大红染料升华牢度不好，做完后机箱会留下染料，不能即刻做浅色，只能做黑色，也可用废布多过几次机，才能做浅色。涤纶拉架布缩水率很大，如果客户要求弹性好、缩水率小、手感好，必须胚布预定型定死，特别留意黑白。红白花，由于染料升华牢度不好，成品定型必须低温，如果高温则会严重沾污产品。

锦纶梭织面料的定型温度是160～180℃，速度为20～25M/分钟。锦纶定型温度高低对颜色变化很大，特别是紫色、粉兰等，所以要留意定型后与定型前的颜色是否相同。锦纶面料的厚薄缩水率也大小不同。锦纶面料定型时很容易勾纱，如果定型过程中出现一条到头的勾纱，要立刻停机，检查机头面尾、风箱、滚筒，并采用砂纸打磨或者垫布。

2．循环流化床锅炉结构型式

热电厂使用的循环流化床锅炉是将燃料在流化状态下进行燃烧，一般粗粒子在燃烧室下部燃烧，较细的粒子在燃烧室上部燃烧。被吹出燃烧室的细粒子经分离器收集下来之后，通过还料器送回燃烧室实现循环燃烧。燃烧室内的燃烧温度为880℃，流化床温度控制在850～900℃之间，属于低温燃烧，有利于控制NOX的生成，而加入石灰石可以实现炉内脱硫；并且采用分级燃烧方式，一次风量为55%，二次风量为45%，床层压差控制在6～12kPa；一次风是通过了布风装置送入燃烧室，二次风从燃烧室下部的锥体部分、分成三层送入燃烧室。

煤是从炉前煤斗，经过给煤机送至返料管的给煤口；石灰石是以气力输送方式，从返料管的给石灰石口送入。因此，煤和石灰石是从返料管上加入，与返料混合后进入燃烧室，从而有利于循环流化床锅炉的燃烧和脱硫[1]。

循环流化床锅炉结构是由水冷风室、燃烧室、高温旋风分离器、返料器、尾部烟道等组成。燃烧室包覆面积全部布置膜式水冷壁，水冷风室和布风板采用膜式水冷壁结构，与燃烧室膜式水冷壁互相构成一体，钟罩式风帽布置在肋片上。燃烧室内布置有附加受热面：前后双面膜式水冷壁、第2级屏式过热器、屏式热端再热器。

两个高温旋风分离器是偏心高效型，且采用绝热式结构，分离器的进气管向下倾斜一定角度；分离器中心排气管是倒锥形结构，并且在排气管的进口处有一个帽沿；分离器中心排气管偏心布置，使排气管中心与气流旋转中心合一，从而可提高分离效率。每个分离器下有一个流化密封型的返料器，每个返料器有2根返料管，返料经过返料管流入燃烧室内循环燃烧，返料阀门为非机械型自平衡式[2]。

从旋风分离器内出来的烟气进入尾部烟道，且在尾部烟道内从上到下依次布置了受热面：第3级过热器、第1级过热器、冷端再热器、省煤器、空气预热器。尾部烟道上部采用膜式壁包墙过热器、下部采用护板结构。在第1级与第2级过热器之间、第2级与第3级过热器之间，分别布置了第1个和第2个喷水减温器，用来调节过热蒸汽温度。在冷端再热器与热端再热器之间布置了一个喷水减温器，用来调节再热蒸汽温度；另外在冷端再热器入口处布置了事故喷水减温器。省煤器是由两个蛇形管组构成，布置在尾部烟道内。管式空气预热器采用卧式布置在尾部烟道的下部。

循环流化床锅炉点火采取床下油枪预燃筒点火和床上油枪点火相结合方式，床下2个油枪点火的热烟气发生器布置在风室前的风道内，床上4个油枪点火的启动燃烧器布置在布风板位置以上3米处，从而可达到床下和床上联合点火方式。

循环流化床锅炉设置了2台风水联合冷却的流化床冷渣器，布置在锅炉房零米层，处在燃烧室下面两侧。水冷为主，风冷为铺。每一台冷渣器是由3个室组成，第1个室是选择性的冷渣室；第2个室与第3个室内安装有蛇形水冷管束，采取的是风水联合冷却室。

3．热电厂输送的中压中温蒸汽加热定型机

蒸汽是印染企业生产中经常使用的热源介质，能够满足印染生产工艺中所需要的加热、换热等重要功能。蒸汽供热系统包括蒸汽的产生、传输、使用、回收凝结水、凝结水的梯级再利用等方面。热电厂输送的中压中温蒸汽，需要采用中压蒸汽管道输送给印染厂的热定型机使用，而由蒸汽主管道引出的蒸汽支管要从蒸汽主管的上部引出，并在蒸汽管道安装时，为了在热定型机的开车和运行时排出凝结水，要在蒸汽管道的最低点设置蒸汽疏水器。选择疏水器的能力是要在几分钟左右的时间内排出开车时所产生的凝结水。

热电厂输送的中压中温蒸汽的热量包括三个部分：过热度热量、饱和相变热量、冷凝水的热量。其中过热度热量占总热量的10%左右，饱和相变热量占总热量的70%左右，冷凝水热量占总热量的20%左右，因此中压中温蒸汽大部分是相变热量，也称为潜热。根据蒸汽输送的特性，热电厂提供的过热蒸汽温度超过热定型机的定型温度，因此就需要对热电厂输送的中压中温蒸汽进行减温和减压，将过热蒸汽中的显热转化为潜热，进而降低过热蒸汽的压力和温度，使过热蒸汽转化为符合热定型工艺要求的饱和蒸汽[3]。

采用过热蒸汽加热定型机的缺点是：温度非常高，远高于定型温度；传热系数低，过热蒸汽传热属于气体传热，使用显热来传递热能；过热蒸汽放热系数远远低于饱和蒸汽，需要较大的传热面积，过热蒸汽会在换热表面上产生温度梯度；过热蒸汽的压力很高，因此需要更高压力等级的压力设备，所以需要较高的设备初期投入资金。

利用饱和蒸汽加热定型机的优点是：传热系数高，可以利用饱和蒸汽凝结释放潜热（蒸发焓）快速、均匀的加热；通过控制蒸汽压力就可以控制蒸汽温度，因此可以迅速的确定和控制热定型温度，从而可以达到提高产品质量和生产效率；要求传热面积相对较小，所以能够有效地减少初期的设备投入费用。

综上所述，由于过热蒸汽的传热效率不如饱和蒸汽，因此，任何使用过热蒸汽的换热面积都必须大于在相同压力下工作的饱和蒸汽传热面积，以传递相同的热量给定型机烘箱。所以，热电厂输送的中压中温蒸汽经过温度压力控制装置相变为饱和蒸汽加热定型机的优势是：降低蒸汽使用成本，提高蒸汽使用效率，提高热定型机烘箱内换热器的热效率，延长蒸汽散热器的使用寿命，延长管道和阀门的使用寿命，延长控制阀的维修周期[4]。

中压中温蒸汽经过温度压力控制装置系统的特点是：升温快、流量省、蒸汽热量利用率高，并且适应各种面料的定型工艺，进入的蒸汽可以低压蒸汽与中压蒸汽自由切换，回用可以选择回水与回汽，印染企业可以根据具体的热定型工况进行自由选择节能模式与高温模式，从而在保证面料的定型工艺情况下最大限度地减少了蒸汽流量。

4．蒸汽管道保温材料及保温层厚度计算方法

蒸汽管道保温是为了防止热量损失，这样蒸汽才不会在沿管道的流动时有太多的饱和水析出；当然还有安全问题，即限定保温层外表面温度不要太高，从而防止操作人员被高温烫伤；而蒸汽管道保温层设计计算是根据不同的要求和限制条件，采用不同的计算方法。第一种是为了减少蒸汽管道散热损失、并且要获得最佳的经济效果，可以采用最佳的经济合理保温层厚度计算方法；第二种是为了限定蒸汽管道保温层外表面散热的热流量，可以采用保温层外表面最大允许热损失量的计算方法；第三种是为了限定蒸汽管道保温层外表面温度不能太高，从而保证操作人员的安全问题，可以采用保温层外表面温度的计算方法[5]。

4.1 蒸汽管道保温材料

热电厂的中压中温蒸汽通过蒸汽管道输送给印染企业作为热定型机的热源，为了减少蒸汽管道在蒸汽输送过程中无效的散热损失，必须对蒸汽管道进行保温，从而达到节约蒸汽费用、降低热量损耗的效果。蒸汽管道常用的保温材料是纤维状保温材料，具有容重很轻、导热系数很小、不易燃烧等特点，常用的纤维状保温材料有超细玻璃棉、硅酸盐纤维等。

超细玻璃棉是一种纤维直径特别细的玻璃纤维，对皮肤无刺激感，超细玻璃棉不仅具有良好的保温绝热作用，而且还有较好的隔音效果。硅酸盐纤维是一种耐高温的纤维状保温材料，其使用温度可以达到1000～1100℃，硅酸盐纤维通常制作成保温毡、保温棉、保温板、保温毯子等。蒸汽管道常用的保温管壳制品有硅酸铝管壳制品、轻质超细玻璃棉管壳制品、岩棉管壳制品、微孔硅酸钙管壳制品。

硅酸铝是以硬质黏土熟料为原料，经过电阻炉或电弧炉熔融、喷吹成纤维工艺生产制成。硅酸铝管壳制品的优点是耐高温、热稳定性好、化学稳定性好、热传导率较小；缺点是抗压抗折力较差、防水性能差、造价高。

玻璃棉是以玻璃球为原料，经过高温熔制、拉丝等工艺生产制成，是一种无机质纤维。轻质超细玻璃棉管壳制品的优点是成型好、体积密度小、热导率小、机械强度高；缺点是不耐水、不耐挤压、最高使用温度是400℃。

岩棉是用优质玄武岩、白云石等岩石或者炉渣作为主要原料，在炉内熔融制成纤维状的材料。岩棉管壳制品的优点是热导率小、弹性好、不易燃烧、价格低、可承受温度小于600℃；缺点是吸水率大、水分容易聚集在岩棉内，长期使用后会增加保温层的重量，从而导致保温层脱落需要进行返修，另外岩棉可能导致操作人员生癌症。

硅酸钙是用硅藻土、硅砂等硅酸类原料与石灰石、石棉纤维或者玻璃丝纤维为主要原料，经过高压釜处理制造而成的晶体硅酸钙，通过结晶时硅酸钙的自硬凝固作用，便可得到在强度、耐水性能方面都很好的保温材料。微孔硅酸钙管壳制品的优点是抗压强度大、使用寿命长、耐酸碱、不易腐蚀、不易变形、防水性能好、使用温度可达到650℃；缺点是密度较大、导致蒸汽管道的跨距缩短，保温层后期维护和维修难度较大，工程安装较为繁琐。

4.2 蒸汽管道保温层厚度计算方法

在计算保温层厚度时，如果增大保温层厚度，蒸汽管道的散热量就会减少，但是施工费用就要增加，施工费不仅是保温材料费，还包括保温层安装费、外防护层安装费、脚手架等费用。所以，需要综合考虑最佳的与经济合理的蒸汽管道保温层厚度。

蒸汽管道保温层厚度计算公式如下：

      （1）

保温层厚度        （2）

式中：D1——保温层外径，m；

D0 ——蒸汽管道外径（保温层内径），m；

——保温层厚度，m；

——保温层在平均温度下的导热系数，W/（m•K）；

T0——蒸汽管道的外表面温度（管道内介质温度），℃；

Tr——环境温度，℃；

Tm——保温层内表面与外表面的平均温度，℃；

      （3）

——表面传热系数，W/（m2•K）；

w ——年平均风速，m/s；

       （4）

A ——保温材料的施工价格，元/m3；

B ——热量价格，元/GJ；

H ——年使用时间，h；

S ——绝热保温投资年分摊率，%；

n ——年利率（复利息），%；

m ——折旧年限（计息年数），年。                                                       

        （5）

蒸汽管道保温后的散热量Q按下式（6）计算：

      （6）

式中：Q——蒸汽管道保温时的散热量，W/m2；

保温层的外表面温度TS按下式（7）计算：

      （7）

式中：TS——保温层的外表面温度，℃。

单位长度保温费用F按下式（8）计算：

      （8）

式中：F——单位长度保温费用，元/m；

C——保温材料价格，元/m3。

4.3 蒸汽管道保温层施工注意事项

当保温层厚度超过100mm时，应该分为两层或多层，并且需要逐层进行施工。

瓦块式保温制品的拼缝宽度不得大于5mm，缝隙用石棉灰胶泥填满，并且需要砌筑严密，瓦块内应涂抹3～5mm厚度的石棉灰胶泥层，且施工时应保证错缝。当采用两层以上的保温制品时，同层保温制品应该错缝安装，里层与外层应该压缝安装，其搭接长度不应小于50mm，每一瓦块式保温层应采用两道镀锌钢丝或箍带捆扎紧，不能采用螺旋捆扎方法。

管道端部或左、右盲板的部位应该敷设保温层。

5．结语

织物热定型通常是将织物保持一定的尺寸，在一定的温度、湿度条件下，加热一定时间后，进行冷却的过程。温度是影响热定型质量最主要的因素之一，因为织物经过热定型后，原来存在的皱痕被消除的程度，表面平整性的提高，织物的尺寸热稳定性等，都与定型温度的高低有着密切的关系。

定型温度要根据织物的弹性缩水率、厚薄而定，如果温度过高，则强力下降、弹性降低，织物有变色的可能；但定型温度过低，织物易卷边、幅宽不稳定、缩水率大。做柔软整理时，烘干温度控制在布面干为宜，烘干温度不宜过高，否则会影响织物的手感。

定型车速的快慢，主要取决于定型区的长短与定型温度，车速太快定型没有效果，染整定型过程中细皱纹不易解决；但车速太慢尤其在高温条件下，织物泛黄、弹性下降。

定型时上料的轧辊压力决定布面所带料液的多少，对布面手感、颜色等有着重要的影响。超喂的大小直接影响织物的纬向密度，从而影响织物的缩水性能，同时为兼顾织物生产时张力要适当防止轧皱及纬斜。

定型的超喂，在确定织物的门幅之后，选择合适的超喂量与张力，它影响到织物的克重、弹性、布面整理皱纹的产生，如果织物张力小、超喂大，布面不平整，很难消除织物在染色过程中生产的细皱纹；但织物张力大、超喂量小，会导致热定型时卷边。定型拉幅的幅宽决定织物定型后的幅宽，使定型后的织物幅宽达到工艺要求，使织物经过预缩后幅宽达到客户的要求。

参考文献：

[1]汪琦,张慧芬,俞红啸等.循环流化床导热油炉的循环系统研究[J]. 工业炉,2018,40(3):24-28.

[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等.循环流化床导热油炉设计参数的分析与计算[J].工业炉,2018,40(2):50-54.

[3]汪琦,张慧芬,俞红啸等.清洁能源供热技术在印染定型机中的应用研究[J].染整技术,2019,41(5):40-43.

[4]汪琦,张慧芬,俞红啸等.热定型机采用天然气或中压蒸汽供热方式研究[A]. 2021第十三届广东纺织助剂行业协会年会论文集[C],广东佛山,2021年9月:108-114,

[5]汪琦,张慧芬,俞红啸等.热载体加热炉结构与节能减排措施的研究[J].上海节能,2020,No.10(第10期):1135-1140.

作者简介：

汪琦，硕士，高级工程师，长期从事于热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、焚烧炉、联苯炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

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