貫流式鍋爐的特點及檢驗分析

張維坤

(楚雄州質量技術監督綜合檢測中心,云南 楚雄 675000)

貫流式鍋爐最早由美國應用在內燃機列車上，之后被日本引進作為工業鍋爐使用而得到蓬勃發展。我國于20世紀90年代引進該型鍋爐，目前已經能夠自主設計并生產，且在國內使用得越來越廣泛。貫流式鍋爐是工業鍋爐中產汽最快、結構最為緊湊的一種型式，在特定的應用場景下具有獨一無二的優勢，但也存在一些局限。

1 貫流式鍋爐的特點

1.1 結構特點

所謂貫流式鍋爐，指的就是一端給水，一端出汽，它的整個熱交換過程幾乎都在水管中完成，而沒有傳統蒸汽鍋爐的汽包。正因為它的工作過程依賴密集的換熱面，使得它在設計時整體結構十分緊湊，這種結構在有限空間使用時有很大的體積優勢(圖1)。貫流式鍋爐在同等蒸發量的情況下較比傳統蒸汽鍋爐受熱面積小得多，因此它單位受熱面換熱量極高。這種結構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，一般在進行焊接時要考慮減弱開孔孔橋系數以保證結構強度，同時還要注意選擇焊接方法以減少焊接應力[1]。貫流式鍋爐的一大短板是蒸汽含水量較高，蒸汽品質較低，因此一般可加裝外置的高性能汽水分離器，用來提升蒸汽品質并保障鍋爐使用壽命。

1.2 運行特點

貫流式鍋爐體積小、電控原件多、自動化程度高，因此在實際使用時，司爐工的工作量遠遠小于傳統蒸汽鍋爐，每一名經培訓合格上崗的司爐工可同時管理數臺至數十臺鍋爐，使鍋爐運行的人工成本大幅下降。貫流式鍋爐的結構和熱交換面積在出廠時已經固定，散熱面積也就是恒定的，因此當提高鍋爐的運行負荷時，鍋爐的散熱量與低負荷運行時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，除了加強各散熱面的保溫外，還應當在滿足安全和用汽需求的情況下盡量維持鍋爐在較高負荷水平下運行[2]。貫流式鍋爐與傳統蒸汽鍋爐不同，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，升溫產汽過程迅速，一般 5 min 左右即可達到工作壓力，因此可以提高鍋爐的工作效率，縮短起爐時間。此外，因為沒有巨大的汽包，貫流式鍋爐的安全性相比傳統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過程和穩定工況，就要求有一套可靠的、反應迅速的燃燒自動控制裝置及給水裝置。同時，要有合格的水處理設備和嚴格的水處理過程保證鍋爐給水穩定達標，且要定期進行鍋爐保養，才能保證鍋爐的熱效率和安全性。

1.3 能耗特點

貫流式鍋爐的熱效率很高，是目前常見傳統燃料的工業鍋爐中熱效率最高的鍋爐形式之一，一般可達92%以上，實際在鍋爐能效測試中甚至可達99%以上，貫流式鍋爐據根據節能環保要求，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，而傳統型式鍋爐排煙溫度往往大于 120 ℃。同時鍋爐的氮氧化物(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算以燃料的低位發熱量為基準，而部分鍋爐尾部安裝節能器，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熱量里，因而利用這部分熱量提高了鍋爐熱效率，目前關于冷凝燃氣鍋爐排煙中蒸汽汽化潛熱回收熱量的測試和計算方法的研究正在進行中[3])。

表1 不同類型工業鍋爐優點及能效對比

1.4 局限性

1.4.1 蒸發量有限

因貫流式鍋爐的結構限制，一般蒸發量都在6t/h以內，以2t/h及以下的居多，若一味加大貫流式鍋爐的蒸發量，則相較傳統型式鍋爐(如WNS型)優勢縮小，甚至劣勢盡顯。因此當用汽量大時需要多臺貫流式鍋爐一起使用，或直接選擇傳統型式的蒸汽鍋爐，有限的蒸發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鍋爐壽命更短，一般在5～10年。由于鍋爐結構緊湊，維修時各鍋爐部件互相干預性強，所以貫流式鍋爐格外需要注重規范運行、保養維護和使用管理，一旦鍋爐本體出現結構性損壞則很難維修甚至無法維修，以至于造成巨大經濟損失。

1.4.3 水質要求很高

由于貫流鍋爐從給水到產汽的過程都在水管中完成，其循環倍率很低，只有自然循環鍋爐的百分之一左右，因此對水質要求很高，在給水硬度≤0.03 mmol/L 時，進入貫流循環鍋爐仍有結垢的可能[4]。一般需要根據給水的水源質量選擇合適的水處理設備，如自動鈉離子交換器等，必要時還可使用二級鈉離子交換器等附加設備。

2 貫流式鍋爐檢驗過程

2.1 外部檢驗

貫流式鍋爐的外部檢驗每年需要進行一次，檢驗時應保證在使用單位的配合下且不能危及鍋爐的安全運行。一般通過現場檢查設備和查閱運行記錄等方式了解鍋爐本體及附屬設備的運行情況，并通過控制端模擬運行工況來確認安全附件以及超溫、超壓、高低水位等聯鎖與保護的運轉情況是否正常，同時通過現場查驗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)質處理等其他外部檢驗的相關項目。

2.2 內部檢驗

貫流鍋爐的內部檢驗一般2年進行一次。由于貫流式鍋爐的特殊結構，檢驗人員一般無法進入鍋爐內部進行檢驗，此時可以根據現場情況使用內窺鏡等設備通過手孔觀察水管和集箱等受壓元件及其內部裝置的外觀質量、腐蝕、磨損、裂紋、變形、結垢、膨脹等，同時觀察主要承載、支吊、固定件的外觀質量、受力情況、變形情況以及鍋爐的膨脹情況。此外，還需要檢驗鍋爐保溫、密封結構以及耐火層的外觀質量等。內部檢驗也可根據檢驗人員對鍋爐的狀況判斷結合水(耐)壓實驗進行[5]。

2.3 常見缺陷

2.3.1 裂紋

貫流鍋爐工作時，受力主要集中在水管和集箱部分，而集箱內會產生循環壓力。其中，最大應力一般出現在集箱焊接結合部。在循環壓力的作用下，集箱焊接結合部位容易出現疲勞裂紋，因而在生產制造環節需要格外注意該部位的焊接質量。此外，鍋爐過熱和過燒也是產生裂紋的重要原因之一，當鍋爐水循環通道不通暢時，導致水冷壁管受熱不均，部分水管發生過熱或過燒，可能產生過熱裂紋。

2.3.2 結垢

鍋爐結垢問題十分常見，幾乎可在任何型式的鍋爐上出現。該問題與鍋爐水處理過程息息相關，因此給水的品質很大程度上影響鍋爐的使用品質，這種因果關系在貫流式鍋爐上更為突出。鍋爐水質堿度低、硬度高，則鍋爐內表面易結水垢，此時應使用手工清理、煮爐等相應手段進行除垢，方能保證鍋爐正常運行。鍋爐結垢對鍋爐的熱效率、燃料經濟性、運行安全性都有一定程度的影響。若鍋爐結垢量較大，鍋爐的運行效率將大大降低，燃料消耗量大大提升，結垢嚴重時，甚至出現鍋爐本體變形、爆管等風險。

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。氧腐蝕屬于電化學腐蝕的一種，水中電位差會形成于雜質與純鐵之間，形成腐蝕電池。用方程式可表示為：

其中生成的二價鐵離子還會繼續發生如下反應：

最終形成腐蝕和鐵銹。除氧腐蝕外的其他腐蝕雖然發生幾率相對較小，但也要注意預防，大部分都與鍋爐水質相關，因此保障好鍋爐水質是減少鍋爐腐蝕的最有效手段。除了水質影響之外，鍋爐運行工況不佳和停爐保養不當同樣會對鍋爐造成腐蝕。所以除了要做好水處理保證鍋爐水品質的同時，鍋爐的管理、維護與保養也不能忽視。

2.3.4 變形

貫流式鍋爐的變形一般由高溫高壓環境導致，當鍋爐的運行工況惡劣或沒有得到規范的維護保養時，就有可能出現變形的情況，尤其是水管和集箱變形最為常見。當水管和集箱中結垢、淤堵或其他原因導致汽水流通不暢甚至堵死時，水管會出現過熱或過燒的情況，從而發生變形。當鍋爐工況良好正常使用時，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性能。但過熱或過燒嚴重后，珠光體中的碳化物會發生球化，導致珠光體減少，球化體增多，甚至還會出現魏氏體(圖3)，此時材料出現過熱劣化，材料性能受到明顯影響，給鍋爐運行造成安全隱患，應及時進行處理，去除危險因素方可繼續使用。

圖2 正常狀態下亞共析鋼金相組織

圖3 魏氏體金相組織

3 結語

綜上所述，貫流式鍋爐是一種出色且先進的鍋爐型式，因其體積小、結構緊湊、易于管理、安全性高等優點，使其在未來有著獨特的市場優勢和發展前景，但它的一些局限性也需要在實際應用場景中解決和考慮。雖然，其危險性較傳統鍋爐低，但在使用過程中的安全問題依然不容小視。使用方在鍋爐運行過程中一定要嚴格遵守鍋爐使用的各類相關規定，并在下次檢驗日期前一個月向具有相應資質的特種設備檢驗機構提出申請，并配合檢驗機構按時進行鍋爐檢驗，才能保證鍋爐的安全與節能運行。