余熱鍋爐管道設計淺析

＊李昕宇

（上海瑞鼎環(huán)境工程技術有限公司 上海 200000）

余熱鍋爐長期在高溫高壓的工況下運行，對管道的材質、布置設計要求較高。尤其是與汽包連接的蒸汽管道、上升管、下降管、給水管道、定排連排、緊急排水管道等布置，對余熱鍋爐運行至關重要。在設備運行時，時常發(fā)現(xiàn)鍋爐內氣壓不穩(wěn)定，噪音超出正常范圍、定期排污管道阻塞、安全閥壽命短、煙氣排放溫度過高等問題。這是由于設計者缺乏與現(xiàn)場實際工況相結合的經(jīng)驗，一旦開車，問題立即顯現(xiàn)，給鍋爐的正常平穩(wěn)運行帶來麻煩。因此在設計之初，必須了解現(xiàn)場情況，同時考慮工作溫度、壓力、當?shù)貧鉁氐挠绊懀A測鍋爐在運行過程中可能出現(xiàn)的問題，分析問題的根源，在設計時及時排除隱患。

鍋爐根據(jù)工作壓力和溫度不同，分為A、B、C、D四個級別[1]，如下表。

表1 鍋爐等級劃分表

廢氣焚燒余熱鍋爐的工作溫度和壓力相對較低，汽包產(chǎn)生的蒸汽管道更容易產(chǎn)生凝結水。在低溫寒冷地區(qū)，定期排污管、緊急放水管等如果不做好合理布線，很容易凝結成冰阻塞管道，影響鍋爐正常運行。當鍋爐工作溫度和工作壓力較高時，對管道的材質要求比較嚴格。尤其在鍋爐水壓試驗時，管道需要承受更高的壓力，此時需要選擇材質許用應力更高的管道，保證管道不因超壓而破裂。下面將從管道材質和管道布置兩方面闡述余熱鍋爐的設計注意事項。

1.管道材質

一般余熱鍋爐的給水管道、上升管、下降管、蒸汽管道材質通常采用碳素鋼20#，20G和合金鋼15CrMoG。具體使用材質需要根據(jù)工藝設計的溫度和壓力確定。在符合安全設計的前提下盡可能降低生產(chǎn)成本和減少施工難度。

(1)20#

牌號20碳素鋼管道，根據(jù)不同的標準規(guī)范，管子的適用壓力和溫度不同。《TSG 11-2020 鍋爐安全技術規(guī)程》中規(guī)定20管道(GB/T 8163-2018)硫磷含量不大于0.03%，使用壓力不超過1.6MPa，溫度不大于350℃。20（GB/T 3087-2008）管道中硫磷含量分別不大于0.02%和0.025%，使用壓力在5.3MPa以內，溫度不大于430℃。20#管道在余熱鍋爐中使用廣泛，操作壓力不高時，可以使用。

(2)20G

牌號20G（GB/T 5310-2017）碳素鋼管道，在《TSG 11-2020鍋爐安全技術規(guī)程》中規(guī)定其工作壓力在余熱鍋爐單元內不受限制，可以承受更高的壓力，但是設計溫度最大為430℃。因此20G管道更適合高壓，溫度不高的工況。20G管道是余熱鍋爐中使用最廣泛的，能承受高壓力，適用溫度也在大部分余熱鍋爐工作溫度范圍內。其價格較15CrMoG低廉，是目前余熱鍋爐管道使用最廣泛的材料。

(3)15CrMoG

牌號15CrMoG（GB/T 5310-2017）屬于合金鋼管道，和20G管道一樣能夠承受更高的壓力，適用溫度最高可以達到550℃，廣泛應用在中高壓管道、導氣管、過熱蒸汽管道等。15CrMoG合金鋼在溫度變化較大時容易脆裂，因此使用此合金鋼焊接時，必須進行熱處理。由于現(xiàn)場焊接工序復雜，材料價格較高，除高溫高壓等特殊情況，盡量減少15CrMoG的使用。溫度不高時可以使用20G代替。

2.管道布置

(1)給水管道

余熱鍋爐在廢氣處理的最后環(huán)節(jié)是將高溫廢氣降溫。經(jīng)過降溫的煙氣通過煙囪最終排入到大氣中。省煤器工作原理是通過增大與廢氣的接觸面，給水將溫度帶走，從而達到降溫的目的。鍋爐給水流過省煤器后溫度升高，再進入汽包，此時給水與汽包壁溫差減小，降低了溫度變化對汽包應力的影響[2]。

余熱鍋爐在啟動初期，給水通常是不連續(xù)的，會夾雜部分氣體，積聚在省煤器內部。當停止給水時，省煤器內的給水停止流動，高溫煙氣通過省煤器，給水無法將熱量帶出，導致盤管內給水溫度急劇上升，產(chǎn)生大量蒸汽聚集在省煤器頂部[3]。因此，要保證水處于循環(huán)流通狀態(tài)。在省煤器給水入口和汽包之間設置再循環(huán)管，形成自然循環(huán)回路。在省煤器頂部要設置放空，便于排出多余蒸汽。

省煤器內管要避免化學腐蝕，因此必須在省煤器的給水管道靠近入口處增加水質采樣口，隨時監(jiān)測水質情況。

(2)上升管、下降管

鍋爐的上升管是鍋爐蒸發(fā)的核心，鍋爐工作中，下鍋筒內部高溫煙氣使爐水大量蒸發(fā)，通過管道進入汽包。汽包內冷凝水流到下鍋筒，補充蒸發(fā)的蒸汽，從而可以實現(xiàn)蒸汽和冷凝水的循環(huán)流動[4]。因此下降管的布置應避免接觸熱源，讓冷凝水可以順利流下來。上升管道一般布置時采用畏彎改變管道走向，畏彎半徑為4～6倍管徑。上升管的管道溫度較高，保溫厚度較厚，在布置時，應充分考慮管道間距問題。

圖1 上升管模型圖

圖2 蒸汽管道模型圖

(3)蒸汽管道

蒸汽分為飽和蒸汽和過熱蒸汽。飽和蒸汽的壓力為0.1013MPa，溫度為100℃，達到飽和狀態(tài)的蒸汽。飽和蒸汽管道中含水量非常大，溫度稍微降低立即產(chǎn)生大量冷凝水。過熱蒸汽是在飽和蒸汽的基礎上，壓力增加到0.7MPa以上，加熱到200℃以上的蒸汽，其含水量少，不易產(chǎn)生凝結水。余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一般為過熱蒸汽，過熱蒸汽通過主蒸汽管道和支管道傳輸至各用汽點。

①主蒸汽管道

過熱蒸汽的含水量低，當管道內溫度略微降低時，不會像飽和蒸汽一樣產(chǎn)生大量凝結水。但是在余熱鍋爐剛開車時，蒸汽管道溫度比較低，初期產(chǎn)生的蒸汽一般用作暖管，此時會產(chǎn)生一定量的冷凝水，所以在過熱蒸汽主管的最低點需要設置導淋管，排出冷凝水。當過熱蒸汽管道內產(chǎn)生水錘現(xiàn)象時，如不能及時排出，過熱蒸汽攜帶冷凝水沖擊管道內壁和閥門。在持續(xù)的沖刷下，使管道壁厚變薄，閥門壽命降低，同時產(chǎn)生巨大的嘶嘶聲。為了防止水錘的影響，可以考慮在適當位置增加導淋。

汽包蒸汽管口與蒸汽管道采用焊接連接。汽包頂部管口的豎向位移及水平位移較大，為了減小應力對管道的影響，不能與彎頭直接連接，要留一定的直管段吸收部分應力，并在最高點設置放空閥。蒸汽管道在布置時應避免產(chǎn)生袋型，如無法避免，低點必須設置導淋，高點必須設置放空，并防止雨水侵入放空管[5]。

②蒸汽支管的設計

蒸汽泄壓支管從主蒸汽管道最高點引出，靠近主管處設置切斷閥，切斷閥應該設置在水平管道上。蒸汽支管設計要步步高，并且處處高于主蒸汽管。蒸汽泄壓支管一般引至消音器，消音器的安裝位置應遠離人員經(jīng)常通行的較高位置。支管不能從蒸汽管道的“Π”形補償器上接出[6]。蒸汽主管會產(chǎn)生熱膨脹，蒸汽支管接出點要選在蒸汽主管位移量較小的地點。

工藝用汽支管道的連接應該從主蒸汽管道的上方取蒸汽，這樣可以得到最干燥的蒸汽。不能因接管方便而從底部引出支管，同時也不能從主管側面或最低點處引出支管，此處取出蒸汽含水量較高，并且雜質較多。支管閥門應盡可能的靠近主管道，減少分支管道內的冷凝水。

(4)連排、定排、緊急放水管道

定期排污的作用是間斷排出鍋爐底部的水渣和軟質沉淀物，保持鍋爐內的水質清潔。一般在下降管的底部引出。連續(xù)排污口在汽包正常水位的液面以下約200mm處。由于鍋爐內的水在不間斷的蒸發(fā)，爐水內鹽濃度在頁面處不斷增加，不利于鍋爐的正常運行。在余熱鍋爐運行過程中通過連排管排出高濃度鹽水，同時不斷向汽包內加藥，降低爐內鹽濃度。緊急放水管道的作用是當汽包內水位超過了安全水位，需要及時排出過量水，使汽包內水量維持在安全水位，因此必須要保持緊急放水管道通暢。

圖3 定期排污管模型圖

圖4 安全閥出口管道模型圖

鍋爐定期排污管、連續(xù)排污管和緊急放水管與鍋爐連接處采用雙閘閥，便于閥門檢修更換。根部閥門要盡量靠近汽包，同時做好保溫措施。尤其是在氣溫比較低的地區(qū)，定排和緊急放水閥前管道過長，容易結冰堵塞管道，需要將管道內冰融化后才能正常工作。

緊急排放管道的排水需求量可參考資料如文獻[7]分析。定期排污管道排出的爐水雜質含量高，容易阻塞管道，在最低點要增加排污口，以便及時排出沉積雜質。連排管道增加水質檢測口，便于監(jiān)測鍋爐內水質（如pH值、氯離子濃度等）情況。

(5)汽包上安全閥

安全閥設計參數(shù)根據(jù)GB/T 12241-2021《安全閥一般要求》相關規(guī)定計算即可。本文主要討論安全閥的出口管道。汽包上部安全閥出口管道要引到安全地點，防止燙傷人員。在雨水天氣要采取防雨措施，防止雨水進入管道內，長時間腐蝕安全閥閥門。一般根據(jù)實際情況采用45°或90°彎頭，避免管道口朝向正上方。并在彎頭出口處接一段短管，下部切45°坡口。

安全閥出口要保持潔凈干燥。安全閥出口管道底部焊接一個DN15的導淋管道。當產(chǎn)生冷凝水時可以沿著細管順利排出，但是排水管上不得安裝閥門。氣溫較低，容易結冰地區(qū)，可以焊接DN20管道，防止導淋管內部結冰。管道頂部需要做防雨水措施，可以使用彎頭和直管方式，防止雨水侵入。直管段下方可以開45°坡口，方便冷凝水流出。

3.結論

余熱鍋爐在高溫高壓環(huán)境運行，每根與之相連的管道都至關重要。選擇合適的管道材料是設計的第一步，根據(jù)設計溫度和壓力合理選擇管道材料是設計的前提。鍋爐給水管道布置是余熱鍋爐正常運行的基本保障，必須保證給水可以循環(huán)流通。過熱蒸汽管道合理設置導淋管，支管取汽盡量潔凈。高溫下的蒸汽管道極易發(fā)生位移，合理布置管道，必要時增加管道補償器。連排管道和定排管道避免積液，尤其是定排管道在鍋爐最低點排出鍋爐內污水，在設計時，更容易產(chǎn)生“袋型”，需要增加導淋，避免雜質堆積堵塞管道。緊急放水管道和安全閥出口管道的合理設計更是鍋爐發(fā)生緊急情況時，最重要的保護屏障。設計工作者要充分結合現(xiàn)場情況，合理布置管道，在保障安全的前提下，做到整齊美觀。促使國內余熱鍋爐技術更加先進。