基于物理和物理设计的水管锅炉安全

基于物理和物理设计的水管锅炉安全
蒸汽用于为过程加热、灭菌和许多其他对工业设施越来越重要的应用提供热量。能源部列举了蒸汽在工艺加热中普及的几个原因，包括与其他热源相比，毒性更低，效率更高，成本更低。这些优势以及可靠的性能适用于两种类型的蒸汽锅炉设计：火管和水管。

从机械设计的角度来看，这两个系统之间的主要区别在于：

火管锅炉在容器中通过一系列管子内的燃烧气体，这些管子被水包围，以产生蒸汽。
水管锅炉将水排入一系列管内，这些管子被燃烧气体包围，以传递能量以产生蒸汽。
水管锅炉有多种形状和尺寸。它们可以比具有等效输出的火管锅炉更大或更小，具体取决于比较的设计。

模块化、一次性锅炉设计
一种类型的水管锅炉 - 模块化，一次性设计 - 具有紧凑的配置。水流经管子，并在管内一次通过从液体变为蒸汽。相比之下，一些传统的水管锅炉包括部分充满水的上部汽包和相对复杂的管和给水再循环系统。

由于一次性设计的热质量减少，蒸汽发生反应时间比传统的水管设计短，比传统的火管设计少得多。可以安装和配置多个一次性锅炉，以协同工作，以提供优化空间和燃料使用的锅炉系统。

模块化、一次性水管设计的一个优点是，即使从冷启动（按需蒸汽）也能快速产生全蒸汽。按需蒸汽可以通过近乎实时地将实际负载需求与锅炉输出相匹配来改善蒸汽发生操作。虽然传统锅炉通常在不使用时处于待机或闲置模式，但按需水管锅炉不需要这种操作技术。然而，保持更大的传统锅炉准备就绪可能会增加数小时的运行时间并增加燃料成本，同时需要人员的关注。

模块化的一次性锅炉在尺寸上也与传统锅炉有很大不同。一些一次性水管锅炉可以安装在标准门口。传统锅炉将占用更多的地面空间，并且可能更难以运输和安装。

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对于一次性水管锅炉，如果一个水管爆裂，整个压力容器中的压力就会慢慢流失。大水体闪蒸成蒸汽的趋势被最小化。

消除炉边爆炸
在安全性方面，人们普遍认为目前所有的工业蒸汽锅炉都是安全的。灾难性爆炸极为罕见。

同时，许多行业专家一致认为，水管锅炉的内在风险低于火管锅炉。这是基于在较小的含水量中储存的势能减少，以及由于物理设计和日常问题。在他的书《锅炉操作员的工作簿》（Boiler Operator's Workbook）中，作者R. Dean Wilson写道：

为什么水管锅炉的爆炸通常比火管锅炉的灾难性小？

在水管锅炉中，大体积的水被分配到许多小管中，桶中的水量相对较小。如果一个水管爆裂，整个压力容器中的压力会慢慢流出，并且大水体闪蒸成蒸汽的趋势最小化。通常只有一个水管爆裂。这可能会蒸汽切割少量附近的水管。

在火管锅炉中，外壳突然出现裂缝，或烟道末端松动，导致整个水体承受突然而实质性的压力下降。由此产生的大量闪蒸蒸汽会导致巨大力量的爆炸。

模块化的一次性水管锅炉将低含水量设计与有效的锅炉几何形状相结合，几乎消除了灾难性的容器故障。在发生故障的情况下，压力容器设计允许将水边故障包含在锅炉内。此外，锅炉的设计具有许多保护措施，除了主要船舶安全和行业标准功能外，还可确保安全运行。其中包括备用高压切断、水管过热切断和烟气过热切断。预防性控制包括基于管温的结垢监测;监测空气温度和给水泵状态;和火焰传感器自检。全自动操作包括自动排污、自动底部排污和自动水关闭阀。

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在安全性方面，人们普遍认为目前所有的工业蒸汽锅炉都是安全的。灾难性爆炸极为罕见。在火管锅炉中，外壳突然出现裂缝或烟道末端松动，导致整个水体承受突然而实质性的压力下降。由此产生的大量闪蒸蒸汽会导致巨大力量的爆炸。


低含水量设计可最大限度地提高安全性
随着工业化的到来，安全法规也随之而来，以保护人员和附近建筑物中人员的生命和福祉。1880年ASME的成立就是一个例子，作为对越来越多的蒸汽锅炉爆炸的回应。

需要蒸汽锅炉保护有几个原因。请记住，一磅水所占的体积与一磅蒸汽的体积截然不同 - 水和蒸汽之间的比例约为1：1600。也就是说，一磅蒸汽占用一磅水体积的1，600倍。这是一个很大的区别。

饱和蒸汽含有显热和潜热。添加到液态水中的热量首先提高其温度。一旦达到特定的沸腾温度，就需要额外的热量来产生蒸汽的相变。

显热负责将液体温度提高到沸腾温度，这与压力有关。（稍后将对此进行详细介绍。汽化的潜热是造成从液体到气体的相变的原因。（将这种热量视为水吸收的隐藏热量可能会有所帮助。这种潜热是对显热的补充。

最后，了解压力和温度对水的物理状态的影响也很重要。例如，当你把水作为课堂科学实验的一部分时，你是在大气条件下煮沸水。虽然大气条件随海拔高度而变化，但这种变化对我们的讨论并不重要。然而，值得注意的是，丹佛（高海拔）的水往往在略低于洛杉矶（低海拔）的温度下沸腾。

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同样，当压力增加到大气压以上时，沸腾甚至发生在高于212°F（100°C）的温度下。事实上，水沸腾的温度与施加在水上的压力之间存在直接的相关性。我们将这种现象称为饱和条件。例如，在仅15 psig或大约2个大气压下，水在达到约250°F（121°C）之前不会沸腾。

值得注意的是，这也与压力相反 - 这使我们进入了闪蒸的主题。如果在250°F和15 psig的饱和条件下加压水突然出现压降至0 psig或大气压，则存在的显性能量将导致部分水立即闪蒸成蒸汽。想象一下，如果你愿意，一整加仑的水瞬间闪蒸成蒸汽，突然试图占据相当于1，600加仑水的体积。

关于闪蒸蒸汽，另一件需要了解的重要事情是，随着大气条件压差的增加，瞬间闪蒸到蒸汽的加压水体积的比例增加。例如，为了通过将压力从15 psig降低到0 psig来闪除整个加仑的250°F加压水，需要有25加仑存在。这是因为该压降产生的闪蒸汽百分比约为4%。如果存在对应于60 psig的饱和条件，则该百分比将跃升至约10%。在相当于250 psig的饱和条件下，闪蒸汽的百分比约为可用加压水体积的20%。

为了从某种角度来看，请考虑一个小型的200马力苏格兰 - 海洋型消防管锅炉，能够运行高达150 psig，在运行期间含有略多于1，000加仑的水。这大约是270万BTU以显热形式储存的能量。现在，想象一下压力容器破裂：在一瞬间，160加仑（1000的水的16%）突然试图占据1600倍的体积，相当于256，000加仑的水。这大约是奥林匹克规模游泳池体积的40%。

换句话说，如果160加仑占据大约21英尺3的体积，然后当相同的体积闪烁成蒸汽时，它将试图占据34，000英尺3.最有可能的是，这比锅炉房内的体积要大得多。这是一股相当爆炸性的力量。

因此，正如你所看到的，当水在远高于大气压的压力下处于饱和条件下时，存在固有的危险。危险程度与两个因素直接相关：

● 饱和水的体积存在。
● 该体积在大气压以上加压。
然而，实际上，这些因素中只有一个 - 水量 - 可以在不完全否定高压蒸汽价值的情况下得到解决。

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模块化蒸汽锅炉在锅炉房中占用的空间更少。


蒸汽锅炉中的水量
减少蒸汽锅炉中的水量带来了一些重大挑战。这些限制可用于突出低含水量，模块化，一次性水管蒸汽锅炉设计的一些差异。

蒸汽锅炉中的水量有两个用途。首先，也是最明显的是，如果不煮沸现有的水，就无法产生蒸汽。因此，压力容器中必须有足够的水，以便在所需的温度和压力下产生所需的蒸汽容量。

其次，同样重要的是，产生火焰和热燃烧气体的锅炉炉侧非常热。燃烧器的火焰温度通常超过 2，000°F （1093°C）。压力容器由普通碳钢制成的材料（通常是普通碳钢）在甚至不到一半的温度下无法保持结构完整性。因此，锅炉的含水量也用于冷却压力容器。

为了成功设计低含水量锅炉，必须设计一种锅炉，该锅炉可以包含产生给定容量蒸汽所需的最少水量，同时仍然具有足够的冷却能力来保持容器的完整性。

模块化的一次性水管锅炉的设计也以最大安全性为主要目标。虽然最初的设计取得了进步，但模块化的一次性水管锅炉可以从冷启动快速产生蒸汽，并且设计为安全。

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虽然传统锅炉通常在不使用时处于待机或闲置模式，但按需水管锅炉不需要这种操作技术。


一些一次性锅炉设计的安全性如何？
让我们回到一个200马力锅炉的例子，在150 psig饱和蒸汽条件下运行。

虽然前面讨论的火管含有超过1，000加仑的水，但相同输出的低含水量按需锅炉最多可保持75加仑的水。换句话说，按需锅炉容纳的容量不到火管体积的7.5%。此外，直接火焰撞击传热管和将冷给水送入热锅炉 - 在讨论传统锅炉类型时，两个危险的操作“禁忌” - 对于一次性锅炉来说并不重要。相反，它们在正常操作期间是设计使然。

考虑一个经常被引用的最坏情况：所有控制和安全措施都失败了，水位下降到低水截止值（LWCO）以下，而燃烧器仍在燃烧。没有足够的水来冷却管子，并且发生破裂。在这些条件下，使用一次通过的低含水量锅炉，闪蒸成蒸汽的水量可以包含在锅炉的炉膛容积内，并安全地排出废气烟囱。最坏的情况可以在没有爆炸和生命损失的情况下处理。

日常安全问题以及停机时间问题也减少了模块化，一次性水管锅炉。简单的数学表明，如果你有一个或两个大型火管锅炉而不是几个模块化锅炉，当其中一个火管锅炉宕机或需要维护时，停机时间和生产损失可能成为一个主要问题。

消防管维护也可能导致更高的安全问题。虽然锅炉行业普遍认为，由于物理学的原因，模块化的一次性水管锅炉的内在风险低于火管锅炉，但由于物理设计，它们也提供了几个优点。

一个区域是门。在传统消防管锅炉的日常维护期间，必须打开和关闭门。火管门安装在吊臂上，正面是厚钢，背面是耐火材料，重达数千磅。通常，需要千斤顶来排列门，以便可以使用冲击扳手将螺栓拧入。模块化的一次性水管锅炉没有门。

火管锅炉还需要持续的维护程序来更换管道和耐火材料，这增加了受伤的可能性。

模块化水管锅炉还具有其他安全性和效率优势。使用重型螺纹塞代替手孔可降低蒸汽泄漏和随后严重烧伤的可能性。模块化锅炉的清洁、开放环境有助于提供清晰的仪表和可触及的水检查，同时需要简化的测试方法。此外，由于模块化水管锅炉可以在5分钟内提供全蒸汽，因此操作员可以在不使用时关闭锅炉，以提高效率和整体安全性。

简而言之，模块化、一次性水管锅炉技术反映了工业蒸汽发电的安全性和效率进步。