某發(fā)電公司爐膛燃燒器雨淋閥凍裂分析

方 偉

（江蘇鎮(zhèn)江發(fā)電有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212001）

0 引言

某發(fā)電公司采用2×630 MW的發(fā)電機(jī)組，鍋爐型號(hào)為SG-1913／25.4-M951超臨界壓力直流爐。每臺(tái)爐配有4只燃燒器，分別布置于鍋爐爐膛下部四角位置。為防止意外情況發(fā)生，在每組燃燒器周?chē)鞑贾昧艘唤M隔膜式雨淋閥［1］。隔膜式雨淋閥平時(shí)裝在隔膜室出口，管路上有一只電磁閥，處于常閉狀態(tài)，控制腔通過(guò)控制管路與供水側(cè)導(dǎo)通，維持隔膜室內(nèi)水壓，使閥處在關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)有火情發(fā)生并被火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)探測(cè)到后，經(jīng)控制柜判斷確認(rèn)，向電磁閥發(fā)出開(kāi)啟信號(hào)，電磁閥被打開(kāi)，隔膜室壓力下降，雨淋閥開(kāi)啟，水從開(kāi)式噴頭噴向整個(gè)保護(hù)區(qū)，執(zhí)行滅火功能。在火情時(shí)，可通過(guò)遙控按鈕、就地應(yīng)急站、非電控遠(yuǎn)程啟動(dòng)裝置等緊急開(kāi)啟雨淋閥。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雨淋閥結(jié)構(gòu)

1 雨淋閥常見(jiàn)的凍裂現(xiàn)象

雨淋閥接在某發(fā)電公司高壓消防水系統(tǒng)中，正常情況下，壓力維持在1.2 MPa。由于雨淋閥上的控制、試驗(yàn)等管路較多且密集，其中包含多個(gè)手動(dòng)閥、電磁閥。到了冬季寒冷季節(jié)，雨淋閥中的部分管路或閥門(mén)就會(huì)發(fā)生凍裂、漏水現(xiàn)象［2］，給在運(yùn)機(jī)組的安全生產(chǎn)帶來(lái)一定的威脅。對(duì)此現(xiàn)象，曾采取了一系列措施，例如：給整個(gè)雨淋閥包上巖棉保溫［3］，并加上鐵皮保溫箱，但當(dāng)環(huán)境溫度低至-5℃時(shí)，仍然不能抵御寒冷，而再次發(fā)生凍裂漏水的現(xiàn)象，后又在每只雨淋閥的保溫箱內(nèi)放置了暖寶寶，但雨淋閥再次發(fā)生凍裂漏水故障。為了機(jī)組安全考慮，決定暫時(shí)關(guān)閉雨淋閥主水管道進(jìn)水門(mén)，在環(huán)境溫度低至-5℃時(shí)，停止雨淋閥運(yùn)行。

2 雨淋閥凍裂的原因

（1）四角燃燒器雨淋閥位于鍋爐房13 m高空，長(zhǎng)期暴露于室外，四周無(wú)遮擋，寒冷的氣溫加上高處強(qiáng)大的氣流，雖然在燃燒器雨淋閥上有常規(guī)保溫，但也難以抵擋住外部寒冷的天氣。這是由于高處的大風(fēng)，能加快雨淋閥及其管道周?chē)諝獾牧鲃?dòng)，而常規(guī)保溫很難做到密不透風(fēng)，快速流動(dòng)的冷空氣就會(huì)通過(guò)保溫層之間的縫隙，不斷帶走雨淋閥及其管道的熱量，使其變得更加寒冷。

（2）雨淋閥管路主管路采用無(wú)縫鋼管，控制、試驗(yàn)等管路采用鍍鋅鋼管［4］。在日常運(yùn)行中，雨淋閥供水管路中充滿(mǎn)了壓力為1.2 MPa、溫度接近于環(huán)境溫度的靜態(tài)高壓消防水，在沒(méi)有火情的環(huán)境下，主管路、控制、試驗(yàn)管路中的水保持靜止不流動(dòng)的狀態(tài)。在靜水中，如果環(huán)境溫度低于0℃，水溫就會(huì)達(dá)到冰點(diǎn)（0℃），水中就會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)核，慢慢的水在凝結(jié)核周?chē)Y(jié)晶形成了冰。而水的密度比冰的密度大，根據(jù)公式v＝m／ρ，由于水的密度是1 t／m3，冰的密度是0.9 t／m3，因此，同樣質(zhì)量下的水在結(jié)成冰以后，體積將會(huì)變大，周長(zhǎng)也會(huì)因冰凍產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率也相應(yīng)增加，這將會(huì)對(duì)雨淋閥管路產(chǎn)成一定的拉應(yīng)力，其數(shù)值為：δ＝fy·ε1／ε2＝6 034.8 MPa，而雨淋閥管路采用的是鍍鋅管材質(zhì)，其抗拉極限強(qiáng)度［5］為375～500 MPa；雨淋閥自身由灰鑄鐵QT450-10材料制造而成，其抗拉極限強(qiáng)度為450 MPa。因此，無(wú)論是雨淋閥還是其中的管路，它們的抗拉極限強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力6 034.8 MPa，從而容易導(dǎo)致冬季雨淋閥內(nèi)的水結(jié)凍后，雨淋閥及管路脹裂，發(fā)生漏水的現(xiàn)象。

（3）燃燒器雨淋閥外部保溫材料，采用厚度為40 mm的巖棉保溫板，由于巖棉保溫的特性，其水汽滲透率高，濕阻因子小于1，在雨雪天氣，水滴很容易滲入保溫達(dá)到金屬管道外層，雖然巖棉外部加裝鐵制保溫箱，但由于雨淋閥周邊所含管路較多而且集中，保溫箱并不能起到很好的密封作用，雨水就會(huì)經(jīng)過(guò)鋁制保溫箱上的縫隙，滲入保溫箱內(nèi)，并通過(guò)巖棉保溫，到達(dá)雨淋閥及其管壁上，使雨淋閥及其管道壁溫降低，直至降到0℃以下，產(chǎn)生冰凍。而且，由于巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)［6］為0.082 W／（m·K），相對(duì)較大，更容易與周?chē)睦淇諝饨粨Q熱量，從而使保溫內(nèi)物件的溫度降低，起不到很好的保溫效果。

（4）在安裝巖棉保溫板時(shí)，由于裁剪時(shí)未按規(guī)范裁剪，出現(xiàn)了不規(guī)則圖形或與要求尺寸不符的現(xiàn)象；搭接時(shí)沒(méi)有交錯(cuò)搭接，而是拼接而成，接口處形成了冷熱橋，導(dǎo)致部分管路未包好，直接裸露在外，影響保溫效果；最后在用鍍鋅鐵絲綁扎時(shí)，綁扎部位不均勻，跨度過(guò)大、過(guò)松等問(wèn)題，致使巖棉保溫與雨淋閥及金屬管道外壁之間不能很好地貼合；加上運(yùn)行過(guò)程中，由于外界風(fēng)的吹動(dòng)、管道振動(dòng)、機(jī)械磨損等因素，保溫層會(huì)出現(xiàn)不同程度的松動(dòng)現(xiàn)象，使保溫層與管壁間形成縫隙，從而使保溫效果降低。

3 防止雨淋閥凍裂的措施

（1）讓雨淋閥中靜止不動(dòng)的水流動(dòng)起來(lái)。一旦水流動(dòng)起來(lái)，水分子就不能在凝結(jié)核周?chē)行蚓奂瑥亩灰啄Y(jié)成冰。但是，由于雨淋閥的工作特征，如果水流動(dòng)起來(lái)，就會(huì)形成壓差，有了壓差，雨淋閥內(nèi)部的平衡就會(huì)被打破，使雨淋閥在未發(fā)生火情的時(shí)候動(dòng)作，從而影響機(jī)組安全運(yùn)行。因此，這一方法不可行。

（2）關(guān)閉雨淋閥主管路進(jìn)水門(mén)，讓雨淋閥內(nèi)部無(wú)水供應(yīng)。雨淋閥內(nèi)部無(wú)水，自然也就不會(huì)結(jié)凍，不會(huì)結(jié)凍也就不會(huì)被凍裂漏水。但是，如果雨淋閥無(wú)水供應(yīng)，雨淋閥就形同虛設(shè)，失去了應(yīng)有的保護(hù)作用。在爐膛燃燒器遇到突發(fā)情況，有火情危險(xiǎn)時(shí)，就不能自行動(dòng)作滅火，易造成設(shè)備、人員的傷亡事故。這一措施，只有在雨淋閥因?yàn)楣收掀炔坏靡研枰顺鲞\(yùn)行時(shí)才可以使用，在正常運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡量避免。因此該方法不可行。

（3）使用電伴熱、蒸汽伴熱。寒冷天氣里，在雨淋閥外部加裝一套電氣或蒸汽裝置對(duì)其進(jìn)行加熱，讓雨淋閥及其管道內(nèi)的水溫能夠保持在0℃以上，從而破壞水結(jié)冰的條件。但是，由于鍋爐房燃燒器4個(gè)角共有8個(gè)雨淋閥，相鄰雨淋閥之間相距約20 m，這就需要鋪設(shè)較長(zhǎng)的電纜及管路，而且還需要準(zhǔn)備專(zhuān)門(mén)的電源和汽源，不僅增加了施工成本，而且雨淋閥管路復(fù)雜，存在漏電、漏汽的安全風(fēng)險(xiǎn)。這一方法雖可行，但施工較為復(fù)雜，成本較高。

（4）選用一種保溫效果較好的保溫材料［7］，使雨淋閥管道中的水溫，在寒冷天氣中始終高于0℃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)雨淋閥的位置、管路走向、結(jié)構(gòu)布置、實(shí)際使用情況、工作特性等，對(duì)有關(guān)保溫材料進(jìn)行了分析，其保溫特性如表1所示。

表1 保溫材料特性表

可以看出，橡塑絕熱保溫［8］，隔熱性能要好于巖棉與硅酸鋁，略遜于聚氨酯預(yù)制保溫材料。但聚氨酯預(yù)制保溫材料適用溫度在50～160℃，而某發(fā)電公司高壓消防水日常溫度在5～40℃范圍內(nèi)，不適合使用聚氨酯預(yù)制保溫。因此，從保溫效果上來(lái)看，橡塑絕熱保溫材料較為適合做某發(fā)電公司雨淋閥保溫材料。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種新型的保溫材料，即在橡塑保溫的基礎(chǔ)上，在其外部又增加了一層鋁箔層，其濕阻因子為1.1×104，不僅能進(jìn)一步提高材料的隔熱效果，而且使其具有防火防水功能。背面自帶的自粘功能，又讓它能夠無(wú)縫緊貼管道外壁，無(wú)需另外使用膠粘。并且，此種材料價(jià)格低廉，易于施工。綜合來(lái)看，比較適合作為雨淋閥防凍的材料。

通過(guò)對(duì)以上方案的分析比較，最終選用第4種方案，即帶鋁箔橡塑保溫自粘材料，作為雨淋閥防凍保溫材料。接下來(lái)就開(kāi)始著手采購(gòu)，并組織人員進(jìn)行實(shí)施。由于施工較為簡(jiǎn)便，于是一次性對(duì)＃5、＃6爐現(xiàn)場(chǎng)共8只燃燒器雨淋閥及其管路實(shí)施了此方案的防凍處理工作，共2人用時(shí)2天，材料費(fèi)用共120元。施工完成投入使用后未發(fā)生一例由于天氣寒冷造成雨淋閥管路凍裂的現(xiàn)象。期間，還經(jīng)歷了冬季-8℃的寒冷氣溫的嚴(yán)竣考驗(yàn)，各雨淋閥無(wú)一處出現(xiàn)凍裂漏水現(xiàn)象。至此，通過(guò)對(duì)雨淋閥漏水現(xiàn)象的分析與判斷，采用了較為合理的處理方案，使其在投入更低的施工費(fèi)用，更加簡(jiǎn)單、快捷的工藝方法的前提下，徹底解決了某發(fā)電公司一到冬天燃燒器雨淋閥就出現(xiàn)凍裂漏水的事件。

4 結(jié)束語(yǔ)

某發(fā)電公司的燃燒器雨淋閥一到冬季，氣溫低于零下時(shí)，就容易被凍裂漏水。本文經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)境、材質(zhì)、凍裂機(jī)理的分析，得出了由于傳統(tǒng)巖棉保溫的局限性，使得水管及管內(nèi)介質(zhì)溫度隨著環(huán)境溫度降低而降低。并且在保溫施工及生產(chǎn)過(guò)程中，因保溫松動(dòng)，使之與管壁間產(chǎn)生環(huán)向間隙，進(jìn)一步降低了保溫效果，直到最終結(jié)冰，凍裂水管。在綜合比較了幾個(gè)方案后，最終選用了價(jià)格低廉、施工簡(jiǎn)便、保溫好的材料作為雨淋閥的防凍措施。實(shí)踐證明，在采取此措施后，雨淋閥收到了良好的效果。在經(jīng)歷冬季嚴(yán)寒天氣（-8℃）時(shí)，燃燒器雨淋閥仍正常工作，未發(fā)生一起被凍裂漏水現(xiàn)象。