組合螺紋煙管鍋爐性能與安全可靠性

李之光 傅友紅 梁耀東 徐 甫 劉 峰 王葉福 北京盛昌鍋爐公司

我國數(shù)量最多的水管鍋爐、水火管鍋爐與內(nèi)燃式火管鍋爐三種工業(yè)鍋爐系列中，“除水火管鍋爐具有中國特色外，其它不管是水管鍋爐還是內(nèi)燃式鍋爐，其基本型式與國際上流行的型式大同小異。目前仍占相當(dāng)大比例的水火管鍋爐，經(jīng)過研究改善技術(shù)進(jìn)一步完善，仍將是我國工業(yè)鍋爐的主要型式之一”[1]。

完全由國人自行開發(fā)的始創(chuàng)1965年的水火管鍋爐，經(jīng)過結(jié)構(gòu)變革、技術(shù)完善，現(xiàn)已出現(xiàn)第三代產(chǎn)品——組合螺紋煙管鍋爐。

1 組合螺紋煙管鍋爐的結(jié)構(gòu)特點

組合螺紋煙管鍋爐僅由爐膛輻射受熱面與螺紋煙管筒對流受熱面兩部分組成。它與新型水火管鍋殼鍋爐的重要區(qū)別是用多個小直徑煙管筒代替大直徑含煙管的鍋殼。螺紋煙管筒對流受熱面明顯區(qū)別于目前水管鍋爐常用的對流受熱面（排管式、蛇形管式、鰭片U形管式等)。

1.1 熱水型

29MW組合螺紋煙管熱水鍋爐（ZLL29-1.0/115/70）總圖，如圖1所示。

圖1 29MW組合螺紋煙管熱水鍋爐結(jié)構(gòu)

29MW組合螺紋煙管熱水鍋爐水動力系統(tǒng)（各種容量熱水型皆相同)，如圖2所示。供熱系統(tǒng)回水進(jìn)入各煙管筒下部，向上強(qiáng)制流動并匯集進(jìn)入鍋筒內(nèi)的進(jìn)水分配管，經(jīng)噴口與被引射的鍋水一并進(jìn)入爐膛各回路下降管以提高上升管水速。熱水由鍋筒頂部進(jìn)入供熱系統(tǒng)。

圖2 組合螺紋煙管熱水鍋爐水動力系統(tǒng)示意圖

29MW組合螺紋煙管鍋爐爐膛內(nèi)除水冷壁、前后拱管、后墻管外，還在爐膛后部設(shè)置2排稀疏水排管，使?fàn)t膛出口煙溫降至約900℃。鍋爐折算蒸發(fā)率高達(dá)49(kg/h)折算/m2。鋼耗：受壓件43.1t，結(jié)構(gòu)件16.4t，總計59.5t，與參數(shù)相同的其它爐型相比，鍋爐鋼耗最少。鍋爐高度（至鍋筒出口法蘭）明顯偏低——僅為7.865m。

爐膛空間較大，也適于燃燒生物質(zhì)與油-氣；生物質(zhì)燃燒易結(jié)渣，煙管便于清理。

高溫?zé)煿芡玻?300×10mm，高度3500mm，每個重量3.6t，共5個；低溫?zé)煿芡玻?000×10mm，高度3500mm，每個重量2.13t，共6個。

ZLL29-1.0/115/70-AⅡ型組合螺紋煙管鍋爐能效測試結(jié)果見表1。

環(huán)保測試結(jié)果：煙氣黑度(林格曼級)＜1，煙塵排放濃度49.5mg/m3，二氧化硫排放濃度32.4mg/m3。

測試結(jié)果，各項性能皆達(dá)到或優(yōu)于有關(guān)規(guī)范要求。

已設(shè)計的70MW組合螺紋煙管熱水鍋爐結(jié)構(gòu)型式與29MW組合螺紋煙管鍋爐基本相同。

高溫?zé)煿芡玻?700×10mm，高度3600mm，每個重量6.9t，共6個；低溫?zé)煿芡玻?400×10mm，高度5000mm，每個重量6.56t，共7個。

表1 ZLL29-1.0/115/70- AⅡ組合螺紋煙管鍋爐能效測試結(jié)果

受壓件115.0t，結(jié)構(gòu)件38.0t，總計153.0t，與參數(shù)相同的其它爐型相比，本型鍋爐鋼耗最少。

鍋爐高度（至鍋筒出口法蘭）明顯偏低——僅約11m，鍋爐長度比同容量一般水管鍋爐略短；鍋爐寬度與各種同容量鍋爐大致相同。

1.2 蒸汽型

已投運的10t/h組合螺紋煙管蒸汽鍋爐,如圖3所示。

圖3 10t/h蒸汽型組合螺紋煙管鍋爐結(jié)構(gòu)

10t/h組合螺紋煙管蒸汽鍋爐的鍋內(nèi)設(shè)備，如圖4所示，各種容量組合螺紋煙管蒸汽鍋爐皆采用這種簡易高效汽水分離設(shè)備。

圖4 簡易高效汽水分離設(shè)備示意圖

結(jié)構(gòu)特點：

1）蒸發(fā)筒汽水混合物引出管進(jìn)入鍋筒后封頭水位以下，向前延伸至鍋筒前部，變?yōu)樗露嗫坠堋ｅ仩t水冷壁前部與蒸發(fā)筒的產(chǎn)氣量之和約占鍋爐總蒸發(fā)量的80%，蒸汽在向后水平運動中進(jìn)行有效重力分離，試驗證實可獲得濕度頗低的蒸汽[2、3]。

2）省煤器筒出口的 水引入鍋筒后部水下，利用給水的欠熱使水位有效降低[2]，增加汽空間高度；也減少外部管路長度。

3）蒸汽由水位最低的鍋筒后部經(jīng)蒸汽引出罩引出。

2 組合螺紋煙管鍋爐的性能特點

這種新開發(fā)的工業(yè)鍋爐具有以下兩大突出優(yōu)點與其它一些性能特點。

2.1 兩大突出優(yōu)點

● 2.1.1 鋼材消耗明顯下降

由于采用高效傳熱螺紋煙管、自身支撐結(jié)構(gòu)等措施，并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，受熱面分配合理、水流程合理，鋼耗顯著下降。

鋼水比是鍋爐的重要性能指標(biāo)，一些代表性鍋爐的鋼耗與鋼水比見表2。

● 2.1.2 制造、運輸、安裝明顯簡便

鍋爐對流受熱面由較小直徑較短螺紋煙管筒組成，結(jié)構(gòu)簡單，易于組合集成，單件最大重量顯著減小，制造、運輸、安裝明顯優(yōu)于新型水火管鍋殼鍋爐，更優(yōu)于其它爐型。

2.2 其它性能特點

● 2.2.1 容量與壓力不受限制

采用較小直徑組合螺紋煙管筒，鍋爐容量與壓力參數(shù)可明顯增大與提高。

● 2.2.2 大容量鍋爐高度明顯低于其它爐型

已設(shè)計的58MW組合螺紋煙管鍋爐的高度僅10m（至鍋筒出口法蘭)，比同容量新型水火管鍋殼鍋爐約低2m，而大容量新型水火管鍋殼鍋爐與同容量其它型鍋爐相比，是明顯偏低的。

已設(shè)計的70MW組合螺紋煙管鍋爐的鍋爐高度僅11m（至鍋筒出口法蘭)。

已設(shè)計的116MW組合螺紋煙管鍋爐的高度僅12m（至鍋筒出口法蘭)，甚至比29MW單橫鍋筒水管鍋爐還低2.5m。

大容量組合螺紋煙管鍋爐高度明顯偏低，給鍋爐房建筑投資帶來相當(dāng)大的效益。

● 2.2.3 安全可靠性充分保證

1）此型鍋爐的煙管筒直徑明顯小于鍋殼，煙管筒又立置，則高溫管板易于可靠絕熱，一般不存在高溫管板開裂問題。

表2 各種鍋爐的鋼耗與鋼水比對比

2）因螺紋煙管筒直徑較小且為立式布置，下部積垢區(qū)域較小，有利于排污。螺紋煙管筒的下部煙溫不超過350℃，即使下管板內(nèi)壁積存污物，管板也不可能產(chǎn)生裂紋。

3）此鍋爐采用回水引射技術(shù)，不僅保證了正常運行時的安全水速，也具有停電自身保護(hù)功能。

● 2.2.4 磨損、積灰的可能性減小

1）爐膛空間較大，煙氣中灰塵重力沉降效果顯著，從而減小煙管磨損的可能性。

2）煙管雙回程使各回程的煙氣出入溫度差值不很大，煙氣速度的差值也不很大，有利于防止入口磨損與出口積灰。

● 2.2.5 鍋爐熱效率有所提高

螺紋煙管筒的漏風(fēng)量小于水管鍋爐尾部受熱面，排煙熱損失減小；螺紋煙管筒的筒外壁溫較低，散熱損失下降，則鍋爐熱效率有一定提高。

● 2.2.6 鍋爐原始排塵濃度有所降低

鍋爐除爐拱上部大空間重力沉降灰塵以外，又增加組合煙管筒下部煙氣180°轉(zhuǎn)彎慣性離心分離灰塵，運行表明，效果顯著，鍋爐原始排塵濃度明顯降低。

● 2.2.7 因螺紋煙管筒數(shù)量較多而帶來的缺點

1）因煙管筒焊縫總長度增加，探傷工作量增大；

2）排污閥門與排污管路增多。

3 螺紋煙管筒及其安全可靠性

螺紋煙管筒如圖5所示，是組合螺紋煙管鍋爐的獨特結(jié)構(gòu)，可利用新型水火管鍋殼鍋爐三十年來所積累的螺紋煙管實踐經(jīng)驗并做必要的理論與計算分析來充分發(fā)揮其熱力特性優(yōu)點，并確保其安全可靠運行。

圖5 螺紋煙管筒示意圖

3.1 高溫管板入口管端可靠性

組合螺紋煙管鍋爐高溫?zé)煿芡踩肟跓煖夭怀^950℃。而臥式內(nèi)燃鍋爐高溫管板入口煙溫（回?zé)熓覝囟龋﹪鴥?nèi)外一般為1000～1100℃或更高，盡管管板外壁未鋪設(shè)耐火隔熱層，當(dāng)管端結(jié)構(gòu)滿足鍋爐強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，而且鍋水水質(zhì)也滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求時，管板長期運行安全可靠。但是，由于我國目前一些工廠的工藝與質(zhì)檢欠佳，對于高溫?zé)煿芡驳娜肟诠芏耍坏貌徊扇∫韵卵a(bǔ)充防范措施（設(shè)第二道防線)。

實踐證實，高溫管板外壁鋪設(shè)耐火隔熱層是保護(hù)管板頗為有效的措施。高溫?zé)煿芡驳纳喜繛樗焦馨澹芤卒佋O(shè)耐火隔熱層。計算分析表明，隔熱層厚度30～50mm已足夠，并利用1～2mm厚，100～150mm長的1000℃耐熱鋼套管或耐熱陶瓷套管，由隔熱層入口插入煙管內(nèi)壁，用以保護(hù)煙管入口段，也使隔熱層各孔的邊緣不可能脫落。

3.2 立式煙管筒上部形成氣（汽）墊的可能性

熱水型：按相似原理建立的煙管筒模型試驗[5、6]表明：煙管筒上水時，無論上水速度快慢，筒內(nèi)空氣皆能由上部的出水管順利排出；試驗還表明，水中含有小氣泡時，皆能隨水排出，因而，不可能在管板之下形成氣墊。

蒸汽型：多種模型試驗觀察表明，低壓鍋爐汽水混合物的向上沖力與擾動性頗大。只要引出管不伸出管板內(nèi)壁，煙管各處產(chǎn)生的汽水混合物必然沖向煙管筒上部并由引出管排出，不存在汽水分離條件，不可能形成汽(氣)墊。

3.3 各煙管筒流量分配問題

熱水型高溫?zé)煿芡才c低溫?zé)煿芡矁膳胖g的流量分配應(yīng)與吸熱量相匹配，以保證兩排的出口水溫偏差不大；每排煙管筒之間的流量分配亦應(yīng)盡量均勻，以使每排中各煙管筒之間的出水溫度偏差也不大。所有組合螺紋煙管筒的水溫偏差不宜超過10℃。

3.4 高溫?zé)煿芡簿植糠序v與過冷沸騰問題

煙管筒內(nèi)壁與煙管束外圈之間存在“邊緣通路”（見圖5），如其中旁通的水量（基本不加熱）過多，則煙管束的流量必然過小，上部可能產(chǎn)生沸騰。另外，煙管入口區(qū)段因其中煙速較高，對流換熱較強(qiáng)，且有一定輻射換熱，即使總體未沸騰，如水流速過低也可能產(chǎn)生壁面過冷沸騰現(xiàn)象。相似規(guī)律的模型試驗表明，克服短路及提高水速的有效措施是，在煙管筒邊緣通路設(shè)置隔板，迫使大部分水流進(jìn)入煙管束上部并使水流橫向沖刷煙管束，上述問題即得以解決。

3.5 低溫?zé)煿芡?省煤器)不設(shè)置再循環(huán)管問題

碳鋼受壓件壁溫的許用值各國有關(guān)規(guī)程皆規(guī)定約為500℃，因為超過500～550℃有可能氧化起皮、蠕變變形。

不同鍋爐省煤器在尾部煙道的位置不同。如省煤器在額定負(fù)荷條件下的煙溫不超過500℃，鍋爐啟動點火時的煙溫會低于500℃。即使省煤器介質(zhì)于點火時全部燒干，其壁溫也不會超過500℃，不可能燒壞。因此，低溫?zé)煿芡玻ㄊ∶浩鳎o需設(shè)置再循環(huán)管。

3.6 煙管外壁結(jié)垢問題

任何鍋爐的補(bǔ)充水皆應(yīng)按相關(guān)規(guī)程要求進(jìn)行水處理（過濾、除硬度、除氧等)，以防結(jié)垢、氧化、腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

因不除硬度引起水冷壁爆管、管板開裂等事故在我國至今未能完全杜絕。為防止煙管筒的煙管外壁結(jié)垢，與其它鍋爐受熱件一樣，也要求保證水質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并對其進(jìn)行經(jīng)常性檢查。

鍋殼鍋爐煙管束的內(nèi)部無法觀察與接觸到，當(dāng)煙管為錯排布置時尤其如是。一般是通過人孔進(jìn)入鍋殼內(nèi)部，觀察管板附近煙管束的外圈煙管狀態(tài)，由于其內(nèi)部情況與此基本相同，則煙管束的內(nèi)部情況也就間接得知。 組合螺紋煙管鍋爐的煙管筒不可能設(shè)置人孔，僅設(shè)置檢查、清洗孔（見圖5)，同樣可觀察到煙管束的外圈煙管狀態(tài)。螺紋煙管筒不是鍋殼，不必滿足鍋殼鍋爐對鍋殼內(nèi)徑大于1000mm應(yīng)設(shè)置人孔的要求。

3.7 煙管外壁氧化腐蝕問題

低溫?zé)煿芡玻ㄊ∶浩鳎榱⑹讲贾茫缃o水不除氧，受熱析出的極少量氣泡會隨水一并流向引出管，因而實踐表明煙管氧化現(xiàn)象一般不易發(fā)生。當(dāng)然，有關(guān)規(guī)程對大容量鍋爐除氧的要求，應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行。

3.8 煙管內(nèi)壁積灰與結(jié)渣問題

鍋爐調(diào)試期間，可能遇到很低負(fù)荷，鍋爐也有可能在低于一半負(fù)荷下運行，此時由于煙管筒后部煙速較低（小于5～6m），會逐漸積灰。燃燒生物質(zhì)時，也可能于高溫?zé)煿芡驳臒煔馊肟谔幗Y(jié)渣。在上述情況下，可利用正對煙管筒上部的檢查孔與進(jìn)入煙管筒下部的煙氣轉(zhuǎn)向室進(jìn)行清理。如不清除積灰，額定負(fù)荷下的排煙溫度可能會明顯升高。

3.9 煙管入口磨損問題

高溫?zé)煿芡驳臒煔馊肟谔師熕佥^高，當(dāng)灰的硬度偏高，又經(jīng)常在滿負(fù)荷條件下運行時，煙管入口處有可能磨損。可更換有磨損跡象的耐熱鋼套管；如采用耐熱陶瓷套管，不可能明顯磨損。

3.10 煙管內(nèi)壁露點腐蝕問題

任何一種受熱面的壁溫皆趨向于放熱系數(shù)較大的介質(zhì)溫度。由于鍋水放熱系數(shù)要比煙氣放熱系數(shù)大數(shù)十倍，則壁溫頗接近水溫，計算表明：壁溫僅高出水溫幾度。

大量新型水火管鍋殼鍋爐運行近三十年，大部分熱水鍋爐的額定出水/回水溫度為95/70℃，而實際運行各偏低10～20℃，則鍋殼中煙管束下部運行水溫也較低，不超過50～60℃，煙管壁溫也基本如此。但一般皆未發(fā)現(xiàn)煙管尾部低溫?zé)煔饴饵c腐蝕問題。

以上情況與我國鍋爐用燃料的含硫量偏低有關(guān)——目前，由于環(huán)保的限制，煙煤一般皆為低硫煤（大部分含硫量Sar約為0.5%～1.5%)，天然氣、生物質(zhì)的含硫量更是低得多。煙管壁溫為50～60℃，壁面無疑已具備結(jié)露條件，但煙氣溫度在150℃以上，且有一定速度的煙氣沖刷壁面，也不會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

組合螺紋煙管熱水鍋爐，回水一般直接進(jìn)入高溫?zé)煿芡才c低溫?zé)煿芡驳南虏浚厮疁囟嚷缘陀阱仛ゅ仩t鍋殼底部水溫（約低10℃)；組合螺紋煙管蒸汽鍋爐，低溫螺紋煙管筒為省煤器，給水進(jìn)入底部，如給水溫度較低時，煙管壁溫也較低。但水溫低的上述部位的煙溫較高（約350℃)。因此，無必要采取專門措施防止產(chǎn)生煙氣露點腐蝕。

1 王善武.中國工業(yè)鍋爐節(jié)能減排面臨的挑戰(zhàn)與對策建議.第三屆中國工業(yè)鍋爐節(jié)能減排國際論壇會議資料,2013

2 李之光,等.工業(yè)鍋爐現(xiàn)代設(shè)計與開發(fā).北京:中國質(zhì)檢出版社、中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011

3 李志宏,劉復(fù)田,李之光等.新型水火管蒸汽鍋爐汽水分離特點與效果.工業(yè)鍋爐,2010,(6):25 ~27

4 李之光.鍋爐強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(增訂版).北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008

5 李之光.相似理論與模化(理論及實用).北京:國防工業(yè)出版社,1982

6 梁耀東、李之光,等.組合螺紋煙管鍋爐煙管筒水動力模型試驗總結(jié),北京盛昌鍋爐公司,2012