熱水鍋爐低壓運(yùn)行事故的分析

熱水鍋爐低壓運(yùn)行事故的分析前言目前在北京市郊區(qū)的一些生活小區(qū)的集中供熱鍋爐房仍然運(yùn)行著許多自然循環(huán)的熱水鍋爐，結(jié)構(gòu)形式有單鍋筒縱置式、雙鍋筒縱置式、和雙鍋筒橫置式幾種，燃燒設(shè)備多為鏈條爐排，制定煤種大多為各類煙煤。出力一般在0.7-7.0MW之間，但經(jīng)運(yùn)行過幾個(gè)采暖期后鍋爐受熱面管發(fā)生不同程度的變形、脹粗、甚至穿透性裂痕，嚴(yán)重者可導(dǎo)致爆管等水循環(huán)事故，影響了鍋爐的安全運(yùn)行和正常供暖。為此,筆者通過典型檢驗(yàn)事例從鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行條件等方面入手，著重分析熱水鍋爐水循環(huán)事故的原因，提出改善措施。一、事故發(fā)生在××年2月5日北京某集團(tuán)總公司下屬單位一小區(qū)供暖鍋爐房的一臺(tái)SZL2.8-1.0/95/70-AIII熱水鍋爐在運(yùn)行中突然發(fā)生爆管。鍋爐被迫停止運(yùn)行，給小區(qū)供熱造成很大影響。二、現(xiàn)場(chǎng)勘查狀況筆者對(duì)事故鍋爐進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)爆管發(fā)生在爐膛水冷壁，其狀況是：(見圖1)〔一〕爐膛水冷壁頂棚管發(fā)生不同程度下塌變形，嚴(yán)重處的變形量達(dá)100-130mm,管子局部脹粗，其中有一根破裂〔部位Ⅰ〕。爐膛右側(cè)位于爐膛燃燒主燃區(qū)有3根水冷壁管的直段外凸變形，變形量40mm，變形管段局部脹粗，有許多處穿透性裂痕〔部位Ⅱ〕。〔二〕在進(jìn)一步對(duì)鍋爐水冷壁割管檢查發(fā)現(xiàn)：1.水冷壁頂棚管結(jié)垢嚴(yán)重，管內(nèi)壁結(jié)垢3-4mm。2.右側(cè)水冷壁管直段結(jié)垢2-3mm。管外壁金屬呈暗紅色。3.經(jīng)過內(nèi)部檢驗(yàn)，其余受熱面管內(nèi)壁結(jié)垢不超過0.5mm。三、事故分析〔一〕鍋爐概況：鍋爐出廠編號(hào)：22-3100鍋爐主體材質(zhì)：鍋筒：20g管子：20水處理形式：鈉離子交換器事故發(fā)生：鍋爐投運(yùn)后的第4個(gè)供暖期〔二〕管壁結(jié)垢直接導(dǎo)致了水冷壁管的過熱損壞1．鍋爐受熱面金屬的溫度總是高于其中工質(zhì)的溫度。當(dāng)管壁受熱面較清潔時(shí)候，由于熱量被水汲取而得到充分的冷卻，受熱面金屬的強(qiáng)度在安全工作的范圍內(nèi)。但是，如果受熱面結(jié)了水垢，金屬的狀況就會(huì)發(fā)生向不安全的變化。關(guān)于碳酸鹽水垢來說，它的熱阻是一般鋼的幾十倍。受熱面水垢的存在阻止了金屬熱量的釋放。直接引起管內(nèi)壁熱儲(chǔ)量增加，導(dǎo)致管壁溫度增高。當(dāng)管壁結(jié)1mm的水垢時(shí)，管壁溫度將生高100℃以上，而管壁溫度升高導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度下降。而從現(xiàn)場(chǎng)水冷壁的顏色判斷，損壞管處的壁溫確實(shí)曾經(jīng)超過500℃以上。所以結(jié)垢使管壁超溫過熱，強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致破裂。2.水垢和鋼材的熱膨脹系數(shù)不同，這又導(dǎo)致垢層局部開裂或脫落，這使較低溫度的熱水與溫度相當(dāng)高的管壁相接觸，引起管壁溫度的龐大變化，并使管內(nèi)壁受到冷熱應(yīng)變，產(chǎn)生龐大的應(yīng)力。以致使管子發(fā)生很多裂痕。3.管壁溫度升高，管子就會(huì)發(fā)生伸長，因而造成頂棚管和水冷壁管的凸出變形?！踩车蛪哼\(yùn)行下，過冷沸騰是導(dǎo)致水冷壁管結(jié)垢的主要原因1.本爐為上鍋筒進(jìn)水和出水，屬于自然循環(huán)的熱水鍋爐。自然循環(huán)的熱水鍋爐是靠上升管和下降管水溫不同而造成的重度差形成水循環(huán)動(dòng)力。水循環(huán)安全可靠的必要條件是各回路和各回路的熱偏差管都處于穩(wěn)定的循環(huán)狀態(tài)。而在熱水鍋爐的上升管中，當(dāng)局部熱負(fù)荷較大或工作壓力較低時(shí)，在管內(nèi)可能產(chǎn)生過冷沸騰。因?yàn)樵趬毫Φ偷臓顩r下，水的飽和溫度也降低。在發(fā)生過冷沸騰時(shí)，如果靠近管壁的過熱水層厚度不大，則在受熱面形成的氣泡可能直接與欠熱水接觸，此時(shí)的氣泡根部是蒸發(fā)過程。在氣泡超過過熱水層是蒸汽冷凝過程。氣泡的蒸發(fā)和冷凝嚴(yán)重時(shí)可引起水擊，從而導(dǎo)致鍋爐部件的損壞。熱水鍋爐進(jìn)行鍋外化學(xué)處理的補(bǔ)水硬度為0.6毫克當(dāng)量/升，比蒸汽鍋爐大20倍。管內(nèi)的過冷沸騰將直接導(dǎo)致在汽化點(diǎn)四周結(jié)垢加劇。因此關(guān)于熱水鍋爐來說過冷沸騰是很危險(xiǎn)的。而且熱水鍋爐不象蒸汽鍋爐那樣，受熱面的水是汽化蒸發(fā)狀態(tài)，熱水鍋爐的受熱面管子內(nèi)不同意發(fā)生汽化，并且管內(nèi)的水溫也不能過高。所以受熱面管子不發(fā)生超溫、汽化、或過冷沸騰是保證熱水鍋爐自然循環(huán)安全性的主要目的。本臺(tái)鍋爐右側(cè)水冷壁管水循環(huán)流量小〔無引射管接入下降管〕。在受熱面管的橫截面上，水溫分布是不同的，管壁處較管中心處水溫高，因此在某段管的橫截面上，當(dāng)平均水溫尚未達(dá)到飽和溫度tbh，而管內(nèi)壁溫度tb卻超過了飽和溫度。兩者之差達(dá)到一定值時(shí)，在管內(nèi)壁開始生成氣泡，發(fā)生汽化，當(dāng)氣泡與欠熱水接觸時(shí)冷凝消失，發(fā)生過冷沸騰現(xiàn)象。過冷沸騰的產(chǎn)生直接導(dǎo)致管內(nèi)壁汽水處的鹽類蒸濃結(jié)垢，垢層的繼續(xù)增厚使熱阻不斷加大，管子的導(dǎo)熱性能下降，最終造成管壁超溫，出現(xiàn)過熱變形，以至發(fā)生爆管。2.鍋爐水冷壁管過冷沸騰校核計(jì)算：⑴鍋爐運(yùn)行時(shí)避免發(fā)生過冷沸騰的條件：tb＜ts＋△tgr－5式中：tb管內(nèi)壁面溫度℃，由傳熱方程知tb=t+q/a

ts工作壓力下水的飽和溫度℃

△tgr發(fā)生過冷沸騰時(shí)管壁過熱度℃

△×

q：管內(nèi)壁傳熱熱流密度Kcal/m2h

t：流體〔欠熱水〕水溫度℃

a：管內(nèi)壁水對(duì)流換熱系數(shù)a=(7.13+0.0449t)×〔wr0.8/dn0.2〕

wr：管內(nèi)流體質(zhì)量流速kg/m2s

dn：管內(nèi)徑m〔2〕鍋爐在制定壓力下運(yùn)行時(shí)的過冷沸騰校核計(jì)算：爐膛高溫區(qū)管內(nèi)壁傳熱熱流密度q：×104Kcal/m2h〔由鍋爐熱力計(jì)算查得〕℃〔查表〕循環(huán)水量G：96000kg/ha.發(fā)生過冷沸騰管壁過熱度計(jì)算：△××℃

b.管內(nèi)流體質(zhì)量流速計(jì)算；wr=G/3600f

=96000/3600×

a=(7.13+0.0449t)×〔wr0.8/dn0.2〕

×81.3)×〔133.30.8/0.0450.2〕

tb=t+q/a

℃tb＜ts＋△℃經(jīng)核算鍋爐在制定壓力下不會(huì)發(fā)生過冷沸騰，管壁是安全的。(3)鍋爐在實(shí)際工況下過冷沸騰校核計(jì)算：℃〔查表〕。同理計(jì)算管壁過熱度△×

×℃所以：tbts＋△℃鍋爐在工作壓力下會(huì)發(fā)生過冷沸騰，管壁不安全。由上述過冷沸騰校核計(jì)算結(jié)果不難看出鍋爐在工作壓力過低〔與制定壓力相比〕的條件下容易產(chǎn)生過冷沸騰事故。〔四〕發(fā)生過冷沸騰的一些影響因素：1．實(shí)際工作壓力的影響，工作壓力低，相應(yīng)的飽和溫度也低。同理，管內(nèi)最小質(zhì)量流速wrmin增大。發(fā)生過冷沸騰的危險(xiǎn)性也加大。2.過冷沸騰的發(fā)生位置，按照計(jì)算公式，在一定工作壓力下，wrmin與管內(nèi)壁傳熱熱流密度q和管內(nèi)流體平均水溫t成正比。所以熱水鍋爐在熱流密度最大和管內(nèi)水溫最高處的wrmin最大，最容易發(fā)生過冷沸騰。在事例中變形、爆管部位都處于熱流密度最大處，這些部位發(fā)生了過冷沸騰。3．燃用煤種的影響，本爐使用大同混煤，與制定煤種相比耗煤量減少。為正常運(yùn)行，增大鼓風(fēng)量，爐膛總產(chǎn)熱量增加，爐膛溫度升高，同時(shí)增大總煙氣量。煙氣流速加快，傳熱熱流密度提升，管內(nèi)流體溫度隨之升高，按經(jīng)驗(yàn)公式，管內(nèi)最小質(zhì)量流速wrmin增大，發(fā)生過冷沸騰的危險(xiǎn)性也加大。綜上所述，鍋爐在低壓運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生過冷沸騰，它是受熱面管變形、過熱、爆管等水循環(huán)事故的根本原因。過冷沸騰容易發(fā)生在鍋爐管熱流密度最大及水溫最高處。避免發(fā)生過冷沸騰的根本辦法是將發(fā)生過冷沸騰部位的受熱面管的質(zhì)量流速提升到一定值。四、改善措施〔一〕為了提升熱水鍋爐循環(huán)回路的質(zhì)量流速，可合計(jì)在鍋筒進(jìn)水管加引射管，將回水直接引入下降管〔本臺(tái)鍋爐的進(jìn)水管就沒有引射管〕?；蛘呤峭ㄟ^在下降管入口加裝噴射器，所謂噴射器是利用進(jìn)入鍋筒的給水壓力與鍋筒內(nèi)水壓之間的壓力差。以較高的速度流出，引射壓力較低的鍋水，增加進(jìn)入下降管的水流量，達(dá)到提升循環(huán)水速的目的。〔二〕使用單位確實(shí)搞好水質(zhì)監(jiān)督工作。嚴(yán)格執(zhí)行GB1576-2001《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》?！踩吃谕獾臈l件下提升鍋爐的運(yùn)行工作壓力。五、啟示目前在一些制定、使用單位存在一些熟悉誤區(qū),認(rèn)為在選用鍋