沈莉

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 前言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)帶過(guò)熱器的工業(yè)鍋爐需求也越來(lái)越多。過(guò)熱器的作用是將飽和蒸汽加熱到一定的溫度，以滿足生產(chǎn)工藝的需要，一般溫度不高于400℃。天津某用戶于2003年5月安裝的一臺(tái)SZL15-1.25/250-AⅡ鍋爐，使用近5個(gè)月時(shí)間，過(guò)熱器管子發(fā)生爆管。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，過(guò)熱器蛇形管底部有一φ6mm的孔，因生產(chǎn)急需，堵管、水壓后繼續(xù)運(yùn)行。使用一周后又出現(xiàn)過(guò)熱器爆管，現(xiàn)場(chǎng)搶修后又繼續(xù)運(yùn)行，再次發(fā)生爆管，在一個(gè)月時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生三次過(guò)熱器爆管事故。從爆管處看，有過(guò)燒現(xiàn)象，分層、析碳；剖開(kāi)檢查，管壁有少量鹽垢。

2 原因分析

2.1 設(shè)計(jì)與布置

過(guò)熱器受熱面布置在煙氣溫度較高的地方，一般布置在700～900℃的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到既有足夠的傳熱溫壓，又保證碳鋼管在允許的溫度范圍內(nèi)工作，一般不使用合金鋼。其傳熱方式有對(duì)流、半輻射和輻射三種，工業(yè)鍋爐采用的過(guò)熱器通常為對(duì)流，特別是SZL系列組裝鍋爐由于爐膛空間小，設(shè)計(jì)時(shí)都采用對(duì)流過(guò)熱器。過(guò)熱器布置方式有垂直和水平兩種。垂直布置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吊掛方便，結(jié)灰少，應(yīng)用廣泛；缺點(diǎn)是停爐后管內(nèi)積存的凝結(jié)水難以排除，長(zhǎng)期停爐后引起管子的腐蝕。在升爐時(shí)由于管內(nèi)積水，在工質(zhì)流量不大時(shí)，易形成氣塞使管子過(guò)燒。該鍋爐過(guò)熱器采用15CrMoG材料，布置在爐膛出口處，采用垂直吊掛方式。熱力計(jì)算結(jié)果：過(guò)熱器入口煙溫1080℃，出口煙溫986℃。這樣的溫度區(qū)域相對(duì)較高，運(yùn)行時(shí)的壁溫也高，靠近爐膛處還受到火焰的輻射。

2.2 水質(zhì)的影響

水質(zhì)對(duì)過(guò)熱器運(yùn)行有直接影響，GB1576水質(zhì)要求鍋爐內(nèi)水的堿度也需嚴(yán)格控制，堿度過(guò)高容易引起汽水共沸而帶水嚴(yán)重，堿度高即鍋水中鹽濃度高，汽帶出的水中的鹽量也會(huì)增加，造成過(guò)熱器積鹽加快。定期的反洗是必要的，過(guò)熱器中積鹽現(xiàn)象是不能避免的，我們只能控制它的速度所以時(shí)間長(zhǎng)了必須進(jìn)行反洗，去除鹽垢，保證過(guò)熱器的安全運(yùn)行。

2.3 運(yùn)行中的影響因素。

2.3.1 鍋爐負(fù)荷。對(duì)流過(guò)熱器，隨著負(fù)荷的增加，過(guò)熱器蒸汽溫度升高。由于負(fù)荷增加，燃料消耗量增大，燃燒后產(chǎn)生的煙氣量隨之增加，導(dǎo)致煙氣流速加大，傳熱系數(shù)增高；同時(shí)由于燃料消耗量增加，使煙氣溫度升高，因此對(duì)流過(guò)熱器的吸熱量的增加值超過(guò)了由于負(fù)荷增加工質(zhì)吸熱量的增加值(（Qgr/D）增大，使tgr升高)。SZL型組裝過(guò)熱蒸汽鍋爐運(yùn)行一定要保持一定的壓力，壓力低蒸汽容積膨脹，蒸汽速度增加，增大了蒸汽帶水能力。

2.3.2 給水溫度。給水溫度降低時(shí)，使鍋爐的總吸熱量增加，其燃料消耗量必須相應(yīng)的增加，造成對(duì)流過(guò)熱器入口煙氣溫度升高和流量的增加，導(dǎo)致對(duì)流過(guò)熱器吸熱量增加，使蒸汽溫度升高。一般情況下，給水溫度變化不大，對(duì)蒸汽溫度變化影響較小。

2.3.3 爐膛出口空氣過(guò)量系數(shù)。爐膛出口空氣過(guò)量系數(shù)的變化對(duì)過(guò)熱器溫度有顯著影響?？諝膺^(guò)量系數(shù)增大，爐內(nèi)溫度水平降低，輻射吸熱量減少，煙氣量增加，煙氣速度增大，使對(duì)流過(guò)熱器的吸熱量增加，蒸汽溫度升高。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，空氣過(guò)量系數(shù)增加10%，過(guò)熱蒸汽溫度將升高10～20℃。但必須注意的是，雖然過(guò)量空氣系數(shù)的大小可以改變蒸汽溫度的變化，但不能作為調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度的手段。因?yàn)樵黾舆^(guò)量空氣將使鍋爐排煙損失加大，減少過(guò)量空氣系數(shù)，會(huì)使燃燒不完全，因此是不合理的。

2.3.4 燃料的變化。燃料中主要是煤中的水分和灰分的變化，引起蒸汽溫度的變化。水分與灰分的增加，使煙氣體積增加，使過(guò)熱器的煙氣速度加大，對(duì)流傳熱量增加，引起對(duì)流過(guò)熱器蒸汽溫度升高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般水分增加1%，對(duì)流過(guò)熱器溫度約增加1℃；灰分的影響比較復(fù)雜，如灰分增加，使燃料著火推遲，受熱面污染加重等，影響對(duì)流傳熱。

2.3.5 爐膛出口煙氣溫度。爐膛出口煙氣溫度直接影響過(guò)熱蒸汽溫度。這種情況影響因素較多，如爐膛結(jié)渣、火焰中心移動(dòng)、爐膛上部或過(guò)熱器區(qū)發(fā)生局部再燃，以及受熱面本身積灰、結(jié)渣等都會(huì)引起過(guò)熱蒸汽溫度發(fā)生波動(dòng)。

3 設(shè)計(jì)探討

3.1 與SHL型雙鍋筒橫置式散裝鍋爐過(guò)熱器對(duì)比。散裝結(jié)構(gòu)，鍋筒可以橫向布置，且鍋筒直徑可以做大。橫向布置可以使蒸汽沿鍋筒縱向均勻分布，汽水分離均勻；蒸汽空間較大，減小飽和蒸汽帶水，提高蒸汽品質(zhì)；橫向布置的過(guò)熱器管受熱比較均勻，蒸汽流量很均勻，可使過(guò)熱器壁溫下降，進(jìn)入過(guò)熱器的飽和蒸汽含水率很低，過(guò)熱器積鹽、積垢很少，過(guò)熱器故障率極低。

3.2 組裝鍋爐過(guò)熱器的結(jié)構(gòu)特性。在組裝工業(yè)鍋爐過(guò)熱器設(shè)計(jì)中，蒸汽流速一般根據(jù)管子的冷卻條件和流動(dòng)阻力不致過(guò)大為原則來(lái)選取。通常過(guò)熱器總阻力不超過(guò)額定工作壓力的10%。工業(yè)鍋爐壓力較低，蒸汽密度小，可以選用較高的流速來(lái)降低管壁溫度。一般蒸汽流速取用25～35m/s，煙氣流速根據(jù)管子不受磨損和不易積灰來(lái)選擇，一般取8～14m/s。在鍋爐過(guò)熱器布置中，蒸汽流速和煙氣流速都需要保證。過(guò)熱器管的布置可以采用單排并聯(lián)，多排并聯(lián)，或單排內(nèi)管子分為幾個(gè)回程來(lái)保證蒸汽流通截面積和煙氣流通截面積。過(guò)熱器管一般采用φ32～φ45的無(wú)縫鋼管制成，為減輕灰渣粘連，同時(shí)考慮支吊的方便，較多采用順列布置。

3.3 汽水分離裝置。由于工業(yè)鍋爐運(yùn)行條件差，而且SZL型雙鍋筒縱置式鍋爐，沿鍋筒縱向蒸發(fā)率相差很大，前高后低，前部水冷壁管蒸汽量大且從單排的水冷壁管中集中沖入鍋筒，后部對(duì)流管束蒸汽量小且從整個(gè)下鍋筒均勻進(jìn)入上鍋筒。鍋水中鹽份很大，蒸汽把鍋水帶入過(guò)熱器后，水分進(jìn)一步蒸發(fā)變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，而鹽份將會(huì)積累在過(guò)熱器內(nèi)壁上。時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)越積越厚，增加了管內(nèi)壁熱阻，將使過(guò)熱器壁溫上升，造成過(guò)熱器超溫，氧化，蠕變直至爆管。所以SZL型過(guò)熱器鍋爐防止爆管，減少蒸汽帶水率是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。改善汽水品質(zhì)首先從改進(jìn)汽水分離裝置著手，過(guò)熱蒸汽鍋爐內(nèi)部裝置采用組合裝置，下部由蒸汽擋板，水下孔板組成。蒸汽由蒸汽擋板引到水下孔板以下，經(jīng)水下孔板節(jié)流后，從孔板的小孔中均勻進(jìn)入鍋筒蒸汽空間。由于SZL型鍋爐，鍋爐內(nèi)蒸發(fā)量的不均勻性，水下孔板開(kāi)孔需根據(jù)蒸汽負(fù)荷不同而開(kāi)孔數(shù)量及密度也不同。蒸汽向上時(shí)經(jīng)過(guò)給水層，使蒸汽中帶水含鹽濃度下降。蒸汽進(jìn)入鍋筒汽空間后經(jīng)過(guò)一段距離進(jìn)入波形板分離器，波形板分離器后邊也布置一塊均汽孔板，使經(jīng)過(guò)每片波形板縫隙的汽量相近，使汽水分離效果達(dá)到最佳。上鍋筒蒸汽引出采用多路引出，使沿鍋筒縱向出汽均勻，避免由于局部蒸汽流速偏高而增加蒸汽帶水量。另一個(gè)改善蒸汽品質(zhì)的方式就是加大蒸汽出口到水面的高度。汽空間高度大于500mm時(shí)，蒸汽帶水量已經(jīng)很小。為增加汽空間高度，一般采用加大鍋筒直徑、增高蒸汽出口、降低正常水位。鍋筒直徑加大后如果正常水位與鍋筒中心線位置不變，汽空間高度的增加將等于鍋筒半徑R的增加量，這樣的增加量顯然不理想。我們對(duì)對(duì)流管束進(jìn)行了重新排列。一般情況下鍋筒上管排的縱向減弱系數(shù)總是最小值，橫向減弱系數(shù)比縱向大很多，但是橫向節(jié)距由于要保證一定的焊縫凈間距，避免焊縫熱影響區(qū)重合，也已不能再減小。管口間凈間距需大于20mm，φ900鍋筒取相鄰管角度9°，管口凈間距19.7mm。而鍋筒加大后如采用φ1000、φ1100鍋筒，保證管口間凈間距需大于20mm，相鄰管間角度分別只需8.2°、7.4°。如果橫向管排數(shù)量不變，從鍋筒上引出的最高一根水冷壁管與水平線的角度將增大，鍋爐正常水位也可相應(yīng)下降，一般水位可下降100～150mm，這樣可以最大限度的增大了汽空間高度，改善了蒸汽品質(zhì)。

4 改進(jìn)措施

綜合以上幾方面考慮，對(duì)SZL15-1.25/250-AⅡ鍋爐過(guò)熱器設(shè)計(jì)與布置作如下改進(jìn)：將過(guò)熱器布置在燃燼室出口與對(duì)流管第一管束入口間，此區(qū)域進(jìn)口煙溫為900～980℃，熱力計(jì)算結(jié)果如下：過(guò)熱器入口溫度976℃，出口溫度885℃。受熱方式為對(duì)流受熱，一方面使過(guò)熱器管壁溫度不致于過(guò)高，少用合金鋼材料，另一方面能使過(guò)熱器出口汽溫波動(dòng)較平穩(wěn)，運(yùn)行比較安全。運(yùn)行時(shí)注意表面連續(xù)排污和鍋水的堿度，堿度過(guò)高容易引起汽水共沸而帶水嚴(yán)重，汽帶水的鹽量也會(huì)增加，造成過(guò)熱器積鹽加快。連續(xù)排污除去汽水層的泡沫和較高的鹽份，還有定期反洗也是必要的，過(guò)熱器中積鹽現(xiàn)象是不能避免的，我們能控制它形成的速度，時(shí)間長(zhǎng)了必須進(jìn)行反洗，去除鹽垢，保證過(guò)熱器的安全運(yùn)行。