鍋爐自制減溫水冷凝器隱患分析與改進(jìn)

張生凱（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動(dòng)力廠,山東萊蕪271104）

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鍋爐自制減溫水冷凝器隱患分析與改進(jìn)

張生凱
（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動(dòng)力廠,山東萊蕪271104）

【摘要】通過對(duì)鍋爐主蒸汽溫度驟降事故原因進(jìn)行探究，分析出鍋爐自制減溫水冷凝器內(nèi)漏可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)隱患，對(duì)冷凝器泄漏原因和運(yùn)行優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施，為自制減溫水冷凝器及鍋爐系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供了保障。

【關(guān)鍵詞】鍋爐冷凝器;冷凝器泄漏;自制減溫水;汽溫驟降

1　現(xiàn)狀概述

山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動(dòng)力廠鍋爐為江西鍋爐廠生產(chǎn)的JG130-3.82/450-Q型鍋爐，該鍋爐以高爐煤氣為設(shè)計(jì)燃料，兩級(jí)過熱器之間采用噴水減溫調(diào)整過熱蒸汽溫度。鍋爐蒸汽溫度調(diào)節(jié)用自制冷凝水或備用給水噴水減溫，額定負(fù)荷下噴水量為7.8 t/h，調(diào)溫幅度為35。

該爐型在最頂層平臺(tái)配備有自制減溫水冷凝器，采用管殼式結(jié)構(gòu)，利用在管內(nèi)流動(dòng)的鍋爐給水吸熱，使從鍋爐汽包引入的飽和蒸汽冷凝，將冷凝液經(jīng)集水管匯集后向下引入冷凝水集水箱，部分作為減溫水按需送入噴水減溫器，多余部分經(jīng)溢流管溢流回鍋爐汽包。

鍋爐給水可以經(jīng)過閥3、冷凝器、閥4后返回給水操作臺(tái)再進(jìn)入省煤器管路，也可以解列爐頂冷凝器，直接從給水操作臺(tái)通過閥2進(jìn)入省煤器管路,見圖1。

在鍋爐自制冷凝水冷凝器實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)生了一次水位、負(fù)荷等參數(shù)都正常情況下，鍋爐主蒸汽溫度參數(shù)急劇下降，導(dǎo)致汽輪機(jī)側(cè)汽溫亦急劇下降，被迫拉閘停機(jī)的事故。

2　蒸汽溫度驟降原因分析

如圖2所示,從鍋爐蒸汽溫度變化趨勢(shì)可以看出，自一級(jí)過熱器后各過熱蒸汽溫度都急劇下降，可排除減溫器內(nèi)因素，說明問題出現(xiàn)在飽和蒸汽側(cè)，為飽和蒸汽帶水，而水位等參數(shù)都正常，可排除鍋爐滿水、汽水共騰等因素，停爐后檢查鍋筒內(nèi)汽水分離器正常，因此懷疑是冷凝器內(nèi)部存在故障。

冷凝器內(nèi)冷凝水由管路引入冷凝水集箱,再通過減溫水調(diào)節(jié)閥調(diào)整流量后進(jìn)入噴水減溫器中，采用自制冷凝水減溫時(shí)，流動(dòng)動(dòng)力來自冷凝器與減溫器的壓差，系統(tǒng)雖然復(fù)雜,但能得到品質(zhì)良好的冷卻噴水,且鍋爐負(fù)荷變化時(shí),冷凝器與減溫器間壓差也同向變化，能自動(dòng)調(diào)節(jié)噴水量。

在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)全部采用冷凝器給水時(shí)，能將120 t/h的鍋爐給水由104加熱至153，按平均定壓比熱Cp=4.2kJ/(kg)計(jì)算，給水吸收熱量Q=mCpt=1201034.2（153-104）=2.47107kJ/h。

根據(jù)能量守恒，冷凝放熱量應(yīng)等于給水吸熱量，汽包實(shí)際運(yùn)行壓力為3.9 MPa，該壓力下汽化潛熱1720.62 kJ/kg，則每小時(shí)可產(chǎn)生冷凝水Qm=2.471071720.62=14355 kg/h，該壓力下飽和水比容v=0.001249 m3/kg，則折合體積流量Qv=143550.0012493600=0.00498 m3/s；而實(shí)際運(yùn)行時(shí)噴水量約5 t/h（折合體積流量0.00173 m3/s），所以若全部給水均通過冷凝器時(shí)，冷凝水量大于需求，0.00324 m3/s的冷凝水必然會(huì)通過冷凝水溢水管溢流進(jìn)汽包，流動(dòng)所需壓差由位置水頭提供。

圖1　鍋爐自制減溫水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2　鍋爐蒸汽溫度變化趨勢(shì)圖

汽包水位在28.78 m，冷凝器冷凝水集水管標(biāo)高31.55 m，汽包與冷凝器連管最高標(biāo)高32.9 m，所以冷凝器正常運(yùn)行時(shí)可產(chǎn)生的最大壓差為2.77 m。

下面計(jì)算流動(dòng)過程阻力：

同理計(jì)算冷凝水溢水管阻力損失h溢=0.5150 m；溢流系統(tǒng)合計(jì)壓力損失為0.56 m。

綜上，正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)可提供的最大水頭2.77 m遠(yuǎn)大于理論計(jì)算溢流所需水頭，故實(shí)際正常運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)冷卻水溢流不及問題，且即便出現(xiàn)溢流不及問題，部分冷凝換熱管束將被水淹沒，失去凝結(jié)換熱性能，起到自平衡作用，不會(huì)出現(xiàn)冷凝器內(nèi)滿水問題。

通過上述分析可以判斷，出現(xiàn)問題并非設(shè)計(jì)問題，而是內(nèi)部有外來水源，即冷凝器內(nèi)給水管束出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致溢流不及，進(jìn)而出現(xiàn)冷凝器內(nèi)滿水，通過上部汽包至冷凝器的進(jìn)汽管道反向進(jìn)入汽包飽和蒸汽出口，導(dǎo)致蒸汽帶水，進(jìn)而出現(xiàn)主蒸汽溫度驟降現(xiàn)象。

當(dāng)冷凝器內(nèi)給水管束泄漏向汽空間漏水時(shí)，可以假定水來不及發(fā)生換熱，而為汽包壓力3.9 MPa下的溫度為104的水（實(shí)際溫度應(yīng)高于該溫度，水量應(yīng)大于漏水量），并假定減溫水量仍為5 t/h，冷凝器內(nèi)滿水時(shí)整個(gè)下水、溢流管路可用壓頭極限值為32.9-28.78=4.12 m，利用伯努利方程，通過流動(dòng)過程阻力計(jì)算可以求得，理論上多余部分可通過溢流管進(jìn)入汽包而不導(dǎo)致冷凝器滿水的最大極限流量為0.01042 m3/s，即折合從給水管束漏入冷凝器汽空間內(nèi)的水量為35.9 t/h時(shí)，超過此流量就會(huì)導(dǎo)致冷凝器滿水，進(jìn)而導(dǎo)致水逆向流入汽包上部飽和蒸汽出口部位。

通過對(duì)冷凝器拆體檢查，確認(rèn)內(nèi)部管束多組出現(xiàn)泄漏，與理論計(jì)算相符，是導(dǎo)致事故的根本原因。

3　自制減溫水冷凝器泄漏原因分析

3.1交變熱應(yīng)力

通過解體檢查可以看出，泄漏點(diǎn)出現(xiàn)在管程進(jìn)口處，此處冷熱流體溫差最大，由于冷、熱流體溫度不同，使殼體和管壁的溫度互有差異。這種差異使殼體和管子的熱膨脹不同，溫差導(dǎo)致管板兩側(cè)和換熱管之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力。管子與管板焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有排列緊密的小圓形單道焊縫，管板較厚，如果焊接工藝不當(dāng)，就易造成焊縫根部夾渣、熔合不良、裂紋、氣孔等焊接缺陷，且在焊縫兩側(cè)形成熱影響區(qū)，是焊接接頭的薄弱部位，容易產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力。當(dāng)兩側(cè)溫差應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，金屬便會(huì)產(chǎn)生塑性變形和蠕變。因鍋爐負(fù)荷受煤氣燃料供應(yīng)量影響，反復(fù)變化,鍋爐給水量不斷波動(dòng)，導(dǎo)致熱應(yīng)力反復(fù)變化，使設(shè)備產(chǎn)生熱疲勞。在運(yùn)行過程中焊接缺陷受到交變熱應(yīng)力的影響便會(huì)擴(kuò)展,使泄漏通道擴(kuò)大，導(dǎo)致泄漏。

3.2管束振動(dòng)

蒸汽介質(zhì)垂直于管束橫向流動(dòng)是誘發(fā)振動(dòng)的主要根源,具有一定彈性的管束在殼側(cè)蒸汽流體擾動(dòng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)與換熱器管子的固有頻率有關(guān),當(dāng)激振力的頻率與管束固有頻率或其倍數(shù)相吻合時(shí)，將引起管束共振，使振幅大幅增加；振動(dòng)將引起管板與管子之間的熔敷金屬中存在的氣孔和其他缺陷擴(kuò)大或擴(kuò)展,發(fā)展到一定程度時(shí)這些缺陷就會(huì)被擊穿或?qū)е缕陂_裂；而振動(dòng)的管子在支撐隔板的管孔中與隔板金屬發(fā)生摩擦，使管壁變薄，最后也會(huì)導(dǎo)致破裂。而固有頻率與管束的結(jié)構(gòu)、尺寸有關(guān),因此換熱器本身的設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致管束振動(dòng)的原因。

3.3投運(yùn)不當(dāng)

在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，若直接使用冷凝器上水，冷凝器內(nèi)易出現(xiàn)水沖擊。在鍋爐點(diǎn)火升壓期間，給水流量很小，冷凝器內(nèi)水流量低且各管路流量不均，部分給水受熱汽化生成汽泡，當(dāng)汽泡破裂時(shí)，周圍液體高速進(jìn)入汽泡原有空間，在局部形成巨大的沖擊力，產(chǎn)生聲響和振動(dòng)，足以對(duì)管束表面焊縫產(chǎn)生破壞。

4　冷凝器運(yùn)行優(yōu)劣勢(shì)分析

4.1優(yōu)勢(shì)分析

4.1.1采用冷凝減溫水時(shí)，減溫水為飽和蒸汽凝結(jié)水、品質(zhì)高，減溫水與過熱蒸汽溫差低，且減溫水流量具有自平衡能力。

4.1.2在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過自身利用部分飽和蒸汽，可以提高排煙溫度，減少低溫腐蝕。

4.2劣勢(shì)分析

4.2.1冷凝器運(yùn)行時(shí)，冷凝器工作環(huán)境較惡劣，易出現(xiàn)給水管束泄漏，導(dǎo)致重大事故發(fā)生。

4.2.2當(dāng)鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致排煙溫度偏高，導(dǎo)致鍋爐效率降低。

5　改進(jìn)措施

為確保鍋爐設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，特采取以下改進(jìn)措施：

5.1與設(shè)計(jì)單位聯(lián)系，適當(dāng)縮短折流板間距，防止產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng)，但折流板間距過小會(huì)使換熱管剛性過大，變形協(xié)調(diào)能力低，產(chǎn)生溫差應(yīng)力，故應(yīng)在保證不發(fā)生振動(dòng)的前提下選擇較大的間距。

5.2在鍋爐啟動(dòng)時(shí)，將兩臺(tái)鍋爐給水系統(tǒng)聯(lián)通，保持啟動(dòng)爐冷凝器管束內(nèi)水保持流動(dòng)，防止停滯導(dǎo)致汽化、水擊現(xiàn)象。

5.3正常運(yùn)行時(shí)，保持負(fù)荷平穩(wěn)，防止連續(xù)波動(dòng)造成交變熱應(yīng)力。

5.4若冷凝器內(nèi)給水管束發(fā)生泄漏，易造成類似于鍋爐滿水的重大事故，為能及時(shí)發(fā)現(xiàn)冷凝器內(nèi)管束泄漏，可以利用連通器原理在冷凝器上安裝水位測(cè)點(diǎn)并添加報(bào)警，以便根據(jù)水位情況及時(shí)作出判斷與處理。

5.5當(dāng)前鍋爐給水SiO2、Na+等各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)已優(yōu)于GB/T 12145標(biāo)準(zhǔn)中蒸汽標(biāo)準(zhǔn)，因此解列自制減溫水冷凝器，減溫水使用鍋爐給水完全能夠滿足蒸汽品質(zhì)要求，在鍋爐正常運(yùn)行時(shí)完全可以退出冷凝器運(yùn)行。

6　結(jié)論

通過分析及冷凝器解體檢查，確認(rèn)自制減溫水冷凝器內(nèi)給水管路泄漏是鍋爐蒸汽溫度驟降的原因。當(dāng)冷凝換熱器內(nèi)給水管束有兩根及以上發(fā)生泄漏時(shí)，就會(huì)因溢流不及而導(dǎo)致冷凝器滿水事故的發(fā)生，為防止事故發(fā)生，可以在冷凝器上加裝水位計(jì)并添設(shè)水位報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏情況。

投運(yùn)冷凝器，會(huì)提升排煙溫度，降低鍋爐效率；但在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可以減少低溫腐蝕。

而當(dāng)前鍋爐給水的SiO2、Na+等各項(xiàng)品質(zhì)完全能夠滿足作為減溫水使用，在鍋爐正常運(yùn)行時(shí)完全可以退出冷凝器運(yùn)行，可以完全杜絕因冷凝器內(nèi)給水管束發(fā)生泄漏而導(dǎo)致蒸汽帶水事故的發(fā)生。

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Analysis and Improvement of Hidden Problems in the Homemade Desuperheating Water Condenser of Boiler

Zhang Shengkai
(The Power Plant of Laiwu Steel, Shandong Iron and Steel Group, Laiwu, Shandong 271104, China)

[Abstract]Through probing the causes of temperature plunge in boiler main steam, it was sought out that an internal leakage in the Homemade desuperheating water condenser of the boiler should have been a hidden danger. Causes of the leakage and both operation ad-vantages and disadvantages of the condenser were analyzed and improvement measures were put forward, to provide guarantee for the safe and reliable operation of homemade desuper-heating water condenser as well as the boiler system.

[Keywords]boiler condenser; leakage of condenser; homemade desuperheating water; steam temperature plunge

作者簡(jiǎn)介：張生凱（1984-），男，工程師，山東省沂源縣人，2005年畢業(yè)于青島大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)從事熱動(dòng)專業(yè)技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-06-04

【中圖分類號(hào)】TK22

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1006-6764（2015）10-0037-04