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蒸汽锅炉表面式减温器的安全运行研究
信息来源:广西特种设备监督检验院 钟永明 发布日期:2007-07-16 浏览次数:7859

引言
      维持锅炉过热蒸汽温度在一定的允许范围,是保证锅炉机组安全、经济运行的需要。蒸汽温度出现正偏差,即超温,会使过热器管壁超温,从而加速材料蠕变、材质劣化,缩短使用寿命,甚至出现低周疲劳或短时过热爆管。据计算,过热器管如在超温10~20℃下长期运行,其使用寿命将缩短一半以上。蒸汽温度出现负偏差,一方面使蒸汽热焓下降,电厂的循环效率降低;另一方面由于进人汽轮机的蒸汽温度偏低,使末级叶片上湿度增加,汽轮机效下降,严重时甚至影响叶片的安全。因此,世界各国对汽锅炉出口蒸汽温度的允许偏差均有明确规定。根据不同的锅炉设计参数,我国对出口蒸汽温度规定的允许偏差在+10~-20℃范围以内。而要维持出口蒸汽温度的稳定,就需要在运行过程中对其进行控制和调节。
1 表面式减温器安全运行简析
      一般说来,蒸汽温度的调节方式可分为两大类,即烟气侧调节和蒸汽侧调节。前者主要是通过改变通过过热器的烟气温度和流量来实现,精度较差;后者则是通过减温器的冷却水直接或间接地冷却蒸汽来实现,具有较高的精度。冷却水直接冷却蒸汽的,称喷水减温器;冷却水间接冷却蒸汽的,称表面式减温器。
      表面式减温器是一种管式换热器,对冷却水水质的要求不如喷水减温器严格,主要有U型管减温器、套管减温器和螺旋管减温器三种。目前在中低压锅炉上使用较多的是U形管减温器(如图1)和螺旋管减温器(如图2)。虽然表面式减温器在我国的使用已有40多年的历史,其设计可以说已达到比较完善的程度,如对外壳的保护和对端部效应、汽塞、脉动等问题的处理,都已有相应的措施。但在锅炉定期检验中,我们却经常发现减温器有壳体破裂、冷却水管破裂、磨损、堵塞等现象。发生此类现象既有运行管理方面的原因,也有设计制造和安装方面的原因。为了保证减温器和锅炉机组的安全运行,必须注意如下二个方面的问题:
1.1设计制造和安装方面
1.1.1对减温器外壳和蒸汽引出管口的保护
      减温器在运行过程中,由于冷却水管的壁面温度一般来说低于过热蒸汽压力下的饱和温度,蒸汽会在冷却水管外部冷凝,冷凝水滴到减温器的壳体或蒸汽引出管管口,会使壳体或蒸汽引出管管口内壁因陡然冷却而受拉应力作用并最终造成热疲劳破裂。因此,为了避免减温器壳体和蒸汽引出管管口受到冷凝水的突然冷却,在减温器的下半部应设有保护衬板和保
护套管,如3所示。鉴于在检验中多次发现因减温器内芯漏水而造成减温器壳体上半部热疲劳破裂的问题,建议对减温器上半部也设保护衬板。
1.1.2 U型管减温器端部效应的预防
      U型管减温器冷却水进口端由于没有蒸汽引入管,形成一段较长的蒸汽死角,而在该区段冷却水的温度又最低,极易在该区段的U型管外壁形成大量的冷凝水,造成引出管中蒸汽温度严重的不均匀(即端部效应),即使在过热蒸汽出口温度不超过额定参数的前提下,个别过热器管也可能超温,从而危及过热器的安全运行。为此,该区段的冷却水管应以钢板包覆,以减少冷凝水的形成。





1.1.3 螺旋管减温器中螺旋管磨损的预防
      螺旋管减温器内芯由进出口小联箱和多个螺旋管组成,由于在运行过程中存在因冷却水汽化而发生振动的可能性,如减温器内芯某一部位与减温器壳体或衬板间距太小,就有可能由于振动而磨损穿孔,使冷却水直接进人过热蒸汽。一方面造成蒸汽温度不均匀,另一方面容易造成过热器管由于结水垢传热系数降低而使汽温达不到要求,还会造成过热器管由于结垢管壁超温而缩短使用寿命。实际检验中发现,出现得比较多的是螺旋管因与减温器壳体或保护材板摩擦而磨损穿孔。因此,在设计、制造、安装过程中,必须保证减温器内芯特别是螺旋管与壳体或保护衬板间有足够的间距。





1.1.4 锅炉热力计算应考虑减温器最小冷却水量对出口蒸汽温度的影响
      为了保证减温器的安全,在运行过程中需要保持最小的冷却水流量。但是,在锅炉设计计算中,一般在计算额定出口汽温时,没有考虑最小冷却水量的减温作用,即按设计工况,减温器不须投用。这就可能造成在正常运行条件下,保持最小冷却水流量却造成汽温达不到要求,不保持最小冷却水流量又无法保证减温器安全的矛盾。因此,在进行锅炉热力计算时,应考虑减温器最小冷却水量对出口蒸汽温度的影响,以使锅炉在正常工况下,减温器保持最小冷却水流量,保证过热蒸汽出口温度能符合要求。
1.2 运行管理方面
1.2.1 减温器容量
      减温器容量是根据过热器系统热力计算所需的减温量,并考虑一定的裕度确定的。一般以所需减温量的.15~1.5倍来计算减温器的容量,与热交换面积、传热系数和蒸汽与冷却水的平均温压Δt有关。对于具体的一台锅炉,减温器热交换面积是确定的,平均温压Δt也变化不大,运行过程中主要通过调节冷却水流量来改变减温器的减温量。应该注意的是,当冷却水量达到一定值后,即使再加大流量,减温量也不再提高,说明减温器已达到最大容量。因此,每台减温器的减温能力是有限的,当实际需要的减温量大大超过减温器的容量时,过热蒸汽出口温度就无法控制在允许范围内,从而造成过热器管由于超温而爆破。如超负荷运行,煤粉炉、燃油炉燃烧中心偏高等,都会造成上述现象的发生。



1.2.2 给水水质
      表面式减温器对冷却水水质的要求不是很高,这是表面式减温器相对于喷水减温器的一大优点。但如果水质太差,就会造成减温器管堵塞,这种情况特别是在南方雨季最易出现。由于部分企业锅炉给水没有预处理或预处理效果不理想,给水中含有大量的泥沙,这不但加快离子交换剂的失效速度,使锅炉受热面结拥,而且会堵塞减温器螺旋管,使减温器减温能力降低。而减眼回路中一般无流量计,这种故障无法从减温水流量中直接看出,只能依据其他情况进行具体分析,如减温器回路中截止阀、冷却水调节阀是否已完全打开或有堵塞现象等。如广西某糖厂一台35t/h锅炉,使用未到一星期发现过热蒸汽严重超温,减温水阀全开也无法使汽温降低。后经检查发现,由于没有预处理摊,锅炉给水中含有相泥沙,减温器大部分螺旋管已在短短几天内被堵塞,使减温器减温能力大大降低。
1.2.3 冷却水流量
      过热蒸汽无论是否需要减温,都要先经过减温器再到出口集箱,为了使减温器得到足够的冷却,运行中需要始终保持一定的冷却水流量,而这一流量应以冷却水不出现汽化为原则。在实际运行中,司炉工通常在不需要减温时,把冷却水全部关死,当需要减温时再打开冷却水,造成冷却水管疲劳破裂、振动。这是因为在不需要减温时,减温器的冷却水管壁温和过热蒸汽相近,一旦需要减温打开冷却水时,减温器进口小联箱和人口处螺旋管受到冷却水的突然冷却,会产生较大的内外壁温差,此温差会导致较大的温差应力,受此应力的往复循环作用,减温器进口小联箱或人口处螺旋管就会发生疲劳破坏。且管内壁面受的是拉伸应力,外壁面受的是压缩应力,裂纹是由内向外扩展的,不裂穿很难发现。对于额定工作压力为3.8MPa的中压锅炉,减温器由于上述原因会产生200℃左右的内外壁温差,热应力高达480MPa,已远远超过低碳钢的屈服限,在此应力作用下,材料会发生低周疲劳破坏,所以在运行过程中,减温器一定要保持最低冷却水流量,以防止冷却水管热疲劳或因冷却水汽化而振动。
1.2.4 定期检查和裂纹处理
      减温器是一种受压部件,工作环境恶劣,容易出现故障。因此,必须定期对减温器进行检查,减温器的定期检查(健议每年一次),手段主要是抽芯外观检查和对冷却水管部分进行水压试验,主要检查内芯是否有热疲劳裂纹、磨损,保护材板、套管是否完整等,发现没有保护衬板和保护套管的,应及时补设。对减温器壳体的水压试验,则可和锅炉本体同时进行。对于检查发现的热疲劳裂纹,无论是减温器壳体还是冷却水管,均应挖补或更换,不可补焊。
2 结论
      综上所述,要确保表面式减温器的安全运行,应注意一下几个方面:
(1)为了避免减温器壳体和蒸汽引出管管口受到冷凝水的突然冷却,在减温器的下半部应设有保护衬板和保护套管。鉴于在检验中多次发现因减温器内芯漏水而造成减温器壳体上半部热疲劳破裂的问题,建议对减温器上半部也设保护衬板。
(2)U型管减温器冷却水进口端应以钢板包覆,以减少冷凝水的形成,防止发生端部效应。
(3)在设计、制造、安装过程中,必须保证减温器内芯特别是螺旋管与壳体或保护衬板间有足够的间距,以防止震动造成内芯与壳体间磨损泄漏。
(4)减温水应经预处理,以防止堵塞,使减温器减温能力降低甚至失效。
(5)锅炉热力计算应考虑减温器最小冷却水量对出口蒸汽温度的影响。
(6)减温器的减温量应考虑1.15~1.5倍的裕度。
(7)必须定期对减温器进行检查(建议每年一次)。

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