2023年《安全管理论文》之燃气蒸汽锅炉水冷壁爆管原因分析与处理.docx

燃气蒸汽锅炉水冷壁爆管原因分析与处理   摘　要：针对某燃气蒸汽锅炉经常出现水冷壁爆管事故，分析爆管原因，探讨了处理方法。 关键词：燃气蒸汽锅炉；  水冷壁；　爆管；  旋流式燃烧器Reason Analysis and Treatment of Water-cooling Wall Tube Burst in Gas-fired Steam BoilerAbsract：Because the accident of water-cooling wall tube burst in a gas-·fired steam boiler often happens，the reason of tube burst is analyzed，and the treatment method is discussed．Keywords：gas-fired steam boiler；water-cooling wall；tube burst；turbulent tmrner 1　概述随着西气东输等工程深入与完成，以及北京、乌鲁木齐、大庆等城市和地区供热热源“煤改气〞的实施，推动了燃气锅炉的应用。燃气锅炉一般多采用D型、0型、A型、p型[1-2]，这4种炉型根本按炉膛横截面的形状划分。其中，D型、0型、A型锅炉属于中小容量的卧式锅炉，耵型锅炉属于大型立式锅炉。这4种炉型均采用膜式水冷壁结构，消除了烟气泄漏，降低了热损失，提高了锅炉热效率，保证了结构的稳定性。具有结构紧凑、安装期短、热效率高、噪声低、能耗小、污染物排放低、使用寿命长(设计使用寿命为30a)、适应负荷波动能力强等特点，可实现计算机编程控制运行及故障保护功能。国内对蒸发量在75t／h以上的大功率燃气蒸汽锅炉的开发经验稍显缺乏，开发工作大多是建立在借鉴引进的欧美小型燃气蒸汽锅炉的根底之上。由我国自主设计的大功率燃气蒸汽锅炉在运行使用过程中多有振动、爆管等问题出现。本文对某蒸发量为160t／h的燃气蒸汽锅炉水冷壁爆管原因及处理方法进行探讨。2　事故概况某热电厂燃气锅炉房配置1台蒸发量为160t／h的燃气蒸汽锅炉(D型)，配置2台燃烧器，在运行期间，屡次出现爆管事故。水冷壁爆管现场见图1。 爆管位于炉膛两侧水冷壁，距锅炉前墙2.5～3.0m，爆管高度根本为炉膛中心高度。爆管周围水冷壁有结焦现象，见图2。对爆管位置水冷壁管子解剖发现，管子内部几乎无结垢现象。 3　运行情况调查燃气锅炉结构参数为：炉膛长度(进深)为9.7m，炉膛宽度为6.0m，炉膛平均高度为4.62m。炉膛容积约为268m3，采用强制通风、微正压燃烧。水处理采用炉外化学处理(钠离子交换器)，经取样化验，软化水硬度(硬度以软化水中钙、镁离子的总浓度衡量)0.8mmol／L，pH值为7.4，属于正常范围，符合GB 1576—2023工业锅炉水质的要求。燃烧器为旋流式燃烧器(见图3)，两台旋流燃烧器安装位置见图4，旋流燃烧器安装高度根本为炉膛中心高度。运行过程中振动情况良好，额定负荷下，每台燃烧器耗气量约6400m3／h。   4　锅炉爆管原因分析一般情况下，燃油燃气锅炉出现爆管的主要原因为：①锅炉本身质量问题：如水冷壁管子材质以及管壁厚度问题；水动力失衡；烟气不流畅，有涡流导致振动产生断管。②管内结垢：供水水质差，硬度高，管内结垢严重。③缺水干烧：当给水系统局部发生故障或者锅炉房内数台锅炉存在给水分配不当时，容易造成炉内水循环失衡，局部缺水或者水动力下降，导致干烧而爆管。④燃烧器：燃烧器燃烧状况不佳，有严重振动。或者是燃烧火焰形状与炉膛不匹配，火焰冲刷水冷壁面，造成局部水冷壁面温度过高，导致爆管。该锅炉的各项材质检测结果均符合标准，管内也没有明显结垢现象，也不存在缺水干烧的问题。因此，最大可能是燃烧器存在问题。在布置两台旋流式燃烧器时，为了使单台燃烧器的火焰能自由扩展，形成必要的回流区，并不使火焰相互干扰，应保持两台旋流式燃烧器之间有一定距离。为了防止火焰撞击侧墙或炉底，应保持燃烧器与侧墙以及炉底之间有一定距离。这些距离最小值范围为：相邻燃烧器中心距(2.5～3.0)d，燃烧器中心线与侧墙的距离(3.0～3.5)d，d表示喉口直径。这两台旋流式燃烧器采用前墙水平布置，安装位置见图4，喉口直径d为866mm。2台燃烧器中心线距离2500mm，符合上述要求。喉口中心到侧墙距离1700mm，远小于燃烧器中心线与侧墙距离最小限值。燃烧器厂家提供的数据，火焰直径为3500mm，即火焰半径为1750mm，大于喉口中心到侧墙的距离。综上所述，旋流式燃烧器产生的火焰半径过大，冲刷侧墙水冷壁，使得局部温度过高。导致水冷壁外表结焦，传热性能下降，管子局部温度升高，金相组织发生变化，造成材质劣化，强度下降。当炉温降低或者停炉时，管壁温度降低，管壁的结碳以及氧化层脱落，管壁逐渐变薄、变形，最终因强度缺乏导致局部爆破漏水。5　解决方法由以上分析可知，要解决锅炉爆管问题，就要防止火焰冲刷两侧水冷壁。可采取的措施包括：第一种措施：加大炉膛宽度，重新布置燃烧器水平位置；第二种措施：缩小燃烧器火焰直径。第一种措施的工程量大，因此考虑采取第二种措施，下面我们对第二种措施的可行性及效果进行分析。燃烧器原喇叭形喉口的扩散角约45°，喇叭形喉口使空气向外扩散流动，进而使得火焰扩散。特别是当相邻两台燃烧器的喇叭形喉口内空气的旋流方向相反时，气流流出喉口后更容易发生碰撞，使火焰更容易冲刷两侧水冷壁。因此，考虑将喇叭形喉口改造成直筒形喉口。直筒形喉口优于喇叭形喉口的原因为：直筒形喉口容易制造，而且造价较低。最重要的是，直筒形喉口可缩小火焰直径，防止两台燃烧器之间气流的强烈碰撞，从而解决火焰冲刷两侧水冷壁的问题。改造方案：为每台燃烧器加装一个直筒形不锈钢喉口，并将空缺局部进行封堵，改造后的直筒形喉口结构见图5，图中数值单位为mm。将原来的喇叭形喉口改造成直筒形喉口，并保持前墙厚度不变，使得气流能够相对收缩，从而缩小火焰直径。图5中hmax为射流边界的最大穿透深度[3]，经校核计算，射流边界的最大穿透深度hmax=228 mm，小于燃气喷嘴到喉口的距离(300mm)，未触碰到燃烧器喉口，满足设计要求。 经CFD仿真，得到改造后的火焰形态，见图6。由图6可知，火焰未冲刷炉膛两侧水冷壁，火焰直径、长度适宜，与炉膛匹配度好。改造后运行满一年，未再出现爆管现象，燃烧器工作平稳。 参考文献：[1]林宗虎，徐通模．实用锅炉手册[M]．北京：化学工业出版社，2022：35-37．[2]赵钦新．燃油燃气锅炉[M]．西安：西安交通大学出版社，2022：311-317．[3]秦裕琨．燃油燃气锅炉实用技术[M]．北京：中国电力出版社，2022：158-161．