張維坤

(楚雄州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心,云南 楚雄 675000)

貫流式鍋爐最早由美國應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)列車上，之后被日本引進(jìn)作為工業(yè)鍋爐使用而得到蓬勃發(fā)展。我國于20世紀(jì)90年代引進(jìn)該型鍋爐，目前已經(jīng)能夠自主設(shè)計(jì)并生產(chǎn)，且在國內(nèi)使用得越來越廣泛。貫流式鍋爐是工業(yè)鍋爐中產(chǎn)汽最快、結(jié)構(gòu)最為緊湊的一種型式，在特定的應(yīng)用場景下具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢，但也存在一些局限。

1 貫流式鍋爐的特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

所謂貫流式鍋爐，指的就是一端給水，一端出汽，它的整個(gè)熱交換過程幾乎都在水管中完成，而沒有傳統(tǒng)蒸汽鍋爐的汽包。正因?yàn)樗墓ぷ鬟^程依賴密集的換熱面，使得它在設(shè)計(jì)時(shí)整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，這種結(jié)構(gòu)在有限空間使用時(shí)有很大的體積優(yōu)勢(圖1)。貫流式鍋爐在同等蒸發(fā)量的情況下較比傳統(tǒng)蒸汽鍋爐受熱面積小得多，因此它單位受熱面換熱量極高。這種結(jié)構(gòu)一般可增加鰭片布置，這樣可以大大以增加傳熱面積和效果。貫流式鍋爐的主要受壓元件為水管和集箱，水管通常布置為內(nèi)外分布的兩圈或多圈，并排布緊密，因此焊縫也很密集，一般在進(jìn)行焊接時(shí)要考慮減弱開孔孔橋系數(shù)以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)還要注意選擇焊接方法以減少焊接應(yīng)力[1]。貫流式鍋爐的一大短板是蒸汽含水量較高，蒸汽品質(zhì)較低，因此一般可加裝外置的高性能汽水分離器，用來提升蒸汽品質(zhì)并保障鍋爐使用壽命。

1.2 運(yùn)行特點(diǎn)

貫流式鍋爐體積小、電控原件多、自動(dòng)化程度高，因此在實(shí)際使用時(shí)，司爐工的工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)蒸汽鍋爐，每一名經(jīng)培訓(xùn)合格上崗的司爐工可同時(shí)管理數(shù)臺(tái)至數(shù)十臺(tái)鍋爐，使鍋爐運(yùn)行的人工成本大幅下降。貫流式鍋爐的結(jié)構(gòu)和熱交換面積在出廠時(shí)已經(jīng)固定，散熱面積也就是恒定的，因此當(dāng)提高鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，鍋爐的散熱量與低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的散熱量是基本相同的，但是散熱量與單位燃料或鍋爐的單位蒸發(fā)量比值大大降低，所以為了減少鍋爐熱損耗、提高熱效率，除了加強(qiáng)各散熱面的保溫外，還應(yīng)當(dāng)在滿足安全和用汽需求的情況下盡量維持鍋爐在較高負(fù)荷水平下運(yùn)行[2]。貫流式鍋爐與傳統(tǒng)蒸汽鍋爐不同，它沒有巨大的汽水空間，從給水到蒸汽的整個(gè)換熱過程都在狹窄的水管和體積較小的集箱中完成，所以換熱效果明顯，升溫產(chǎn)汽過程迅速，一般 5 min 左右即可達(dá)到工作壓力，因此可以提高鍋爐的工作效率，縮短起爐時(shí)間。此外，因?yàn)闆]有巨大的汽包，貫流式鍋爐的安全性相比傳統(tǒng)蒸汽鍋爐安全性更高，但值得注意的是，為了保障鍋爐的熱循環(huán)過程和穩(wěn)定工況，就要求有一套可靠的、反應(yīng)迅速的燃燒自動(dòng)控制裝置及給水裝置。同時(shí)，要有合格的水處理設(shè)備和嚴(yán)格的水處理過程保證鍋爐給水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，且要定期進(jìn)行鍋爐保養(yǎng)，才能保證鍋爐的熱效率和安全性。

1.3 能耗特點(diǎn)

貫流式鍋爐的熱效率很高，是目前常見傳統(tǒng)燃料的工業(yè)鍋爐中熱效率最高的鍋爐形式之一，一般可達(dá)92%以上，實(shí)際在鍋爐能效測試中甚至可達(dá)99%以上，貫流式鍋爐據(jù)根據(jù)節(jié)能環(huán)保要求，可在尾部加裝翅片管式煙氣回收冷凝裝置，使鍋爐排煙溫度得到有效降低，約在60～80 ℃ 左右，而傳統(tǒng)型式鍋爐排煙溫度往往大于 120 ℃。同時(shí)鍋爐的氮氧化物(NOx)排放量也有效降低，可以下降到 30 mg/m3以下。(注：由于我國鍋爐熱效率計(jì)算以燃料的低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)，而部分鍋爐尾部安裝節(jié)能器，回收了排煙中的部分汽化潛熱，這部分熱量不包含在燃料的低位發(fā)熱量里，因而利用這部分熱量提高了鍋爐熱效率，目前關(guān)于冷凝燃?xì)忮仩t排煙中蒸汽汽化潛熱回收熱量的測試和計(jì)算方法的研究正在進(jìn)行中[3])。

表1 不同類型工業(yè)鍋爐優(yōu)點(diǎn)及能效對(duì)比

1.4 局限性

1.4.1 蒸發(fā)量有限

因貫流式鍋爐的結(jié)構(gòu)限制，一般蒸發(fā)量都在6t/h以內(nèi)，以2t/h及以下的居多，若一味加大貫流式鍋爐的蒸發(fā)量，則相較傳統(tǒng)型式鍋爐(如WNS型)優(yōu)勢縮小，甚至劣勢盡顯。因此當(dāng)用汽量大時(shí)需要多臺(tái)貫流式鍋爐一起使用，或直接選擇傳統(tǒng)型式的蒸汽鍋爐，有限的蒸發(fā)量決定了它的使用場景同樣有限。

1.4.2 壽命較短且維修性差

貫流式鍋爐的壽命較傳統(tǒng)鍋爐壽命更短，一般在5～10年。由于鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，維修時(shí)各鍋爐部件互相干預(yù)性強(qiáng)，所以貫流式鍋爐格外需要注重規(guī)范運(yùn)行、保養(yǎng)維護(hù)和使用管理，一旦鍋爐本體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞則很難維修甚至無法維修，以至于造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

1.4.3 水質(zhì)要求很高

由于貫流鍋爐從給水到產(chǎn)汽的過程都在水管中完成，其循環(huán)倍率很低，只有自然循環(huán)鍋爐的百分之一左右，因此對(duì)水質(zhì)要求很高，在給水硬度≤0.03 mmol/L 時(shí)，進(jìn)入貫流循環(huán)鍋爐仍有結(jié)垢的可能[4]。一般需要根據(jù)給水的水源質(zhì)量選擇合適的水處理設(shè)備，如自動(dòng)鈉離子交換器等，必要時(shí)還可使用二級(jí)鈉離子交換器等附加設(shè)備。

2 貫流式鍋爐檢驗(yàn)過程

2.1 外部檢驗(yàn)

貫流式鍋爐的外部檢驗(yàn)每年需要進(jìn)行一次，檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證在使用單位的配合下且不能危及鍋爐的安全運(yùn)行。一般通過現(xiàn)場檢查設(shè)備和查閱運(yùn)行記錄等方式了解鍋爐本體及附屬設(shè)備的運(yùn)行情況，并通過控制端模擬運(yùn)行工況來確認(rèn)安全附件以及超溫、超壓、高低水位等聯(lián)鎖與保護(hù)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況是否正常，同時(shí)通過現(xiàn)場查驗(yàn)的方式查看鍋爐使用登記證、司爐工證、使用管理制度和記錄、水(介)質(zhì)處理等其他外部檢驗(yàn)的相關(guān)項(xiàng)目。

2.2 內(nèi)部檢驗(yàn)

貫流鍋爐的內(nèi)部檢驗(yàn)一般2年進(jìn)行一次。由于貫流式鍋爐的特殊結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)人員一般無法進(jìn)入鍋爐內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)，此時(shí)可以根據(jù)現(xiàn)場情況使用內(nèi)窺鏡等設(shè)備通過手孔觀察水管和集箱等受壓元件及其內(nèi)部裝置的外觀質(zhì)量、腐蝕、磨損、裂紋、變形、結(jié)垢、膨脹等，同時(shí)觀察主要承載、支吊、固定件的外觀質(zhì)量、受力情況、變形情況以及鍋爐的膨脹情況。此外，還需要檢驗(yàn)鍋爐保溫、密封結(jié)構(gòu)以及耐火層的外觀質(zhì)量等。內(nèi)部檢驗(yàn)也可根據(jù)檢驗(yàn)人員對(duì)鍋爐的狀況判斷結(jié)合水(耐)壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行[5]。

2.3 常見缺陷

2.3.1 裂紋

貫流鍋爐工作時(shí)，受力主要集中在水管和集箱部分，而集箱內(nèi)會(huì)產(chǎn)生循環(huán)壓力。其中，最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在集箱焊接結(jié)合部。在循環(huán)壓力的作用下，集箱焊接結(jié)合部位容易出現(xiàn)疲勞裂紋，因而在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)需要格外注意該部位的焊接質(zhì)量。此外，鍋爐過熱和過燒也是產(chǎn)生裂紋的重要原因之一，當(dāng)鍋爐水循環(huán)通道不通暢時(shí)，導(dǎo)致水冷壁管受熱不均，部分水管發(fā)生過熱或過燒，可能產(chǎn)生過熱裂紋。

2.3.2 結(jié)垢

鍋爐結(jié)垢問題十分常見，幾乎可在任何型式的鍋爐上出現(xiàn)。該問題與鍋爐水處理過程息息相關(guān)，因此給水的品質(zhì)很大程度上影響鍋爐的使用品質(zhì)，這種因果關(guān)系在貫流式鍋爐上更為突出。鍋爐水質(zhì)堿度低、硬度高，則鍋爐內(nèi)表面易結(jié)水垢，此時(shí)應(yīng)使用手工清理、煮爐等相應(yīng)手段進(jìn)行除垢，方能保證鍋爐正常運(yùn)行。鍋爐結(jié)垢對(duì)鍋爐的熱效率、燃料經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行安全性都有一定程度的影響。若鍋爐結(jié)垢量較大，鍋爐的運(yùn)行效率將大大降低，燃料消耗量大大提升，結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)，甚至出現(xiàn)鍋爐本體變形、爆管等風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 腐蝕

貫流式鍋爐的腐蝕也有多種形式，如氧腐蝕、酸腐蝕、堿腐蝕、垢下腐蝕等，一般以氧腐蝕最為常見。氧腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕的一種，水中電位差會(huì)形成于雜質(zhì)與純鐵之間，形成腐蝕電池。用方程式可表示為：

其中生成的二價(jià)鐵離子還會(huì)繼續(xù)發(fā)生如下反應(yīng)：

最終形成腐蝕和鐵銹。除氧腐蝕外的其他腐蝕雖然發(fā)生幾率相對(duì)較小，但也要注意預(yù)防，大部分都與鍋爐水質(zhì)相關(guān)，因此保障好鍋爐水質(zhì)是減少鍋爐腐蝕的最有效手段。除了水質(zhì)影響之外，鍋爐運(yùn)行工況不佳和停爐保養(yǎng)不當(dāng)同樣會(huì)對(duì)鍋爐造成腐蝕。所以除了要做好水處理保證鍋爐水品質(zhì)的同時(shí)，鍋爐的管理、維護(hù)與保養(yǎng)也不能忽視。

2.3.4 變形

貫流式鍋爐的變形一般由高溫高壓環(huán)境導(dǎo)致，當(dāng)鍋爐的運(yùn)行工況惡劣或沒有得到規(guī)范的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，就有可能出現(xiàn)變形的情況，尤其是水管和集箱變形最為常見。當(dāng)水管和集箱中結(jié)垢、淤堵或其他原因?qū)е缕魍ú粫成踔炼滤罆r(shí)，水管會(huì)出現(xiàn)過熱或過燒的情況，從而發(fā)生變形。當(dāng)鍋爐工況良好正常使用時(shí)，普通的鍋爐用亞共析鋼，組織一般為鐵素體(圖2中白色)和珠光體(圖2中黑色)，擁有良好的綜合力學(xué)性能。但過熱或過燒嚴(yán)重后，珠光體中的碳化物會(huì)發(fā)生球化，導(dǎo)致珠光體減少，球化體增多，甚至還會(huì)出現(xiàn)魏氏體(圖3)，此時(shí)材料出現(xiàn)過熱劣化，材料性能受到明顯影響，給鍋爐運(yùn)行造成安全隱患，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，去除危險(xiǎn)因素方可繼續(xù)使用。

圖2 正常狀態(tài)下亞共析鋼金相組織

圖3 魏氏體金相組織

3 結(jié)語

綜上所述，貫流式鍋爐是一種出色且先進(jìn)的鍋爐型式，因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于管理、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，使其在未來有著獨(dú)特的市場優(yōu)勢和發(fā)展前景，但它的一些局限性也需要在實(shí)際應(yīng)用場景中解決和考慮。雖然，其危險(xiǎn)性較傳統(tǒng)鍋爐低，但在使用過程中的安全問題依然不容小視。使用方在鍋爐運(yùn)行過程中一定要嚴(yán)格遵守鍋爐使用的各類相關(guān)規(guī)定，并在下次檢驗(yàn)日期前一個(gè)月向具有相應(yīng)資質(zhì)的特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng)，并配合檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)按時(shí)進(jìn)行鍋爐檢驗(yàn)，才能保證鍋爐的安全與節(jié)能運(yùn)行。