噴水減溫器介紹及噴管斷裂原因分析和改進(jìn)

(華西能源工業(yè)股份有限公司，四川 自貢 643001)

1 噴水減溫器概述

1.1 減溫器的作用

減溫器主要有兩個(gè)作用，一是調(diào)整汽溫，使鍋爐送出的蒸汽溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。汽輪機(jī)對(duì)蒸汽溫度要求非常嚴(yán)格，一般要求在額定汽溫±5 ℃范圍內(nèi)。汽溫超過(guò)規(guī)定值，會(huì)使過(guò)熱器、蒸汽管道、汽輪機(jī)及閥門(mén)等設(shè)備壽命減少，嚴(yán)重時(shí)可使上述設(shè)備損壞。汽溫低于規(guī)定值，將會(huì)降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。汽溫降低10 ℃，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性降低0.6%～0.8%。為了保持蒸汽溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，需對(duì)蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)整。而減溫器調(diào)整汽溫是廣泛采用的方法。

減溫器的第二個(gè)作用是保護(hù)過(guò)熱器、汽輪機(jī)、相應(yīng)的蒸汽管道和閥門(mén)。當(dāng)汽溫在450 ℃以上時(shí)高溫過(guò)熱器、汽輪機(jī)的高壓部件和管道閥門(mén)都采用合金鋼材料。合金鋼性能好，可用溫度高但價(jià)格貴，為了降低造價(jià)，一般都讓合金鋼材料工作在材料允許使用溫度的上限，當(dāng)然要留有一定余地。只要汽溫在規(guī)定范圍，設(shè)備就一定是安全的。

1.2 噴水減溫器介紹

噴水減溫器又稱混合式(或夾套式)減溫器，就是將給水(或自制冷凝水)直接噴入過(guò)(或再)熱蒸汽，經(jīng)霧化后與蒸汽混合以達(dá)到減溫的目的。因?yàn)闇p溫水汽化成為蒸汽的一部分，對(duì)減溫水質(zhì)量要求很高，一般都采用凝結(jié)水或除鹽水。噴水減溫器的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)架簡(jiǎn)單，汽溫調(diào)節(jié)靈敏，大型鍋爐采用較多。

噴水減溫器按噴頭的結(jié)構(gòu)型式又分為笛形管式、旋蝸式、文丘利管式3種。近些年來(lái)，由笛形管式發(fā)展起來(lái)的多孔管式噴水減溫器在世界各國(guó)的高參數(shù)、大容量電站鍋爐上得到廣泛應(yīng)用，見(jiàn)圖1。

1.筒身；2.套管；3.噴管；4.固定塊

1.3 噴水減溫器主要結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代鍋爐噴水減溫器的噴水管大都設(shè)計(jì)為孔徑為φ5～φ7的多孔式噴孔結(jié)構(gòu)，孔數(shù)由3～5 m/s的噴水速度決定。小孔朝向蒸汽流動(dòng)方向，噴水管一般從減溫器筒體垂直插入，穿過(guò)內(nèi)套筒。減溫器的固定結(jié)構(gòu)由三部分組成：一是為防止內(nèi)套筒沿減溫器筒體軸線方向可能的竄動(dòng)而設(shè)置了擋塊；二是為防止內(nèi)套筒在減溫器筒體內(nèi)可能的轉(zhuǎn)動(dòng)而設(shè)置了定位螺栓和緊固螺栓；三是設(shè)置了防止或減輕噴水管劇烈振動(dòng)的定位板或固定板(呈瓦形)，因?yàn)檎羝鹘?jīng)內(nèi)套筒時(shí)，流速達(dá)50 m/s左右，噴水管通常會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)。另外，減溫水從噴水管?chē)姵鰰r(shí)，也會(huì)使噴水管發(fā)生振動(dòng)。

1.4 噴水減溫器布置位置

減溫器一般安裝在3個(gè)位置：低溫段過(guò)熱器入口、高溫段過(guò)熱器出口、低溫段和高溫段過(guò)熱器之間。安裝在低溫段，汽輪機(jī)及高低溫段過(guò)熱器均在其保護(hù)之下，不會(huì)過(guò)熱。蒸汽在減溫器內(nèi)的溫度，始終等于汽包壓力下的飽和溫度， 不但減溫器的溫度均勻，而且溫度波動(dòng)幅度很小，工作條件較好，不易損壞或泄露。安裝在高溫段，汽溫調(diào)整快，時(shí)滯小。對(duì)滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度要求和保護(hù)集汽集箱以后的汽輪機(jī)、管道及其管道附件的安全都非常有利。但這兩種方式都有一定的缺點(diǎn)和條件限制。而安裝在低溫段和高溫段過(guò)熱器之間的布置方式則可以解決這些問(wèn)題。既可以讓高溫段過(guò)熱器得到保護(hù)，又能使汽溫達(dá)到我們想要的溫度。大容量高壓和超高壓鍋爐常常安裝兩級(jí)或兩級(jí)以上的減溫器，以滿足迅速調(diào)整汽溫和保護(hù)設(shè)備的要求。有再熱系統(tǒng)的大型鍋爐，為了調(diào)整再熱汽溫，保護(hù)再熱器和汽輪機(jī)的中壓缸，在再熱器的入口也裝有減溫器[1]。

2 鍋爐噴水減溫器噴管斷裂檢查以及原因分析[2]

本文針對(duì)某2×300 MW鍋爐減溫器噴管斷裂事故展開(kāi)分析。專(zhuān)業(yè)工作人員現(xiàn)場(chǎng)切割減溫器噴水管，見(jiàn)圖2，使用內(nèi)窺鏡對(duì)停止工作后鍋爐減溫器進(jìn)行檢查，見(jiàn)圖3，發(fā)現(xiàn)過(guò)熱器左側(cè)三級(jí)噴水減溫器噴管斷裂，見(jiàn)圖4，而減溫器噴管斷裂會(huì)對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行造成威脅。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提的供運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，隨鍋爐負(fù)荷波動(dòng)三級(jí)減溫間斷性投入使用，投入使用后經(jīng)常在短時(shí)間內(nèi)將減溫水流量由0.0 t/h或小流量快速提高至10-25 t/h，三級(jí)減溫器噴管下端為懸空結(jié)構(gòu)，流量快速變化引起噴水管振動(dòng)，噴水管根部出現(xiàn)交變應(yīng)力，在實(shí)際運(yùn)行中，由于鍋爐負(fù)荷變化大，運(yùn)行工況復(fù)雜，在蒸汽流速高達(dá)50 m/s左右時(shí)，噴管通常會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，從而使噴管中直徑φ60×8的管子與管座內(nèi)的弧形板之間的間隙大于圖紙要求。長(zhǎng)期反復(fù)作用導(dǎo)致了噴水管根部出現(xiàn)疲勞裂紋，從而引發(fā)噴水管根部斷裂，而減溫水經(jīng)噴管斷裂處沿壁面流至減溫器外筒身內(nèi)壁，冷熱交替作用下還會(huì)導(dǎo)致外筒身局部應(yīng)力集中，長(zhǎng)期作用下，外筒身母材產(chǎn)生疲勞裂紋。

3 鍋爐噴水減溫器噴管斷裂改進(jìn)措施

當(dāng)蒸汽流繞過(guò)噴水管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生卡門(mén)渦流，使噴水管發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)卡門(mén)渦流激振頻率與噴水裝置自身的固有頻率相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，從而造成噴水管斷裂。為確保噴水管不因振動(dòng)而產(chǎn)生斷裂，必須進(jìn)行振動(dòng)校核計(jì)算[3]。同時(shí)，優(yōu)化減溫器噴管結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)噴管使用壽命。綜上所述，在后續(xù)減溫器設(shè)計(jì)中，從以下兩個(gè)方面改進(jìn)噴水減溫器。

1)對(duì)噴水減溫器的噴水管振動(dòng)進(jìn)行校核計(jì)算，滿足噴水減溫器性能要求。計(jì)算中需使用斯特羅哈系數(shù)K，K值與雷諾數(shù)Re有關(guān)，Re=WDn/V(式中W為汽流速度，Dn為內(nèi)套筒內(nèi)徑，V為蒸汽的動(dòng)力粘度系數(shù))，計(jì)算時(shí)K值可按表1取用。

表1 斯特羅哈系數(shù)

圖5 改進(jìn)后的噴水減溫器

2)優(yōu)化噴水減溫器噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不再采用懸臂噴水管固定方式，而是采用固定噴水管的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)流量快速變化、流速急劇增大時(shí)，噴水管根部能夠承受交變應(yīng)力，能夠很好的保護(hù)減溫器。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)于某電廠發(fā)生的噴水減溫器噴水管斷裂事故展開(kāi)具體分析，通過(guò)原因分析提出了2個(gè)具體可行的防范鍋爐噴水減溫器噴水管發(fā)生斷裂事故的措施。本文的相關(guān)分析具有很大的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義，不僅適用于200 MW鍋爐噴水減溫器噴水管設(shè)計(jì)，也可應(yīng)用于更大容量鍋爐的噴水減溫器噴水管設(shè)計(jì)。