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    鍋爐技術:如何避免水冷壁泄漏非停事件?

      布置在爐膛內壁面上主要用水冷卻的受熱面,稱為水冷壁。水冷壁是敷設在鍋爐爐膛四周,由多根并聯管組成的水冷包殼。主要吸收爐膛中高溫燃燒產物的輻射熱量,工質在其中做上升運動,受熱蒸發。 它是工業和電站鍋爐的主要蒸發受熱面。水冷壁的主要作用是吸收爐內輻射熱,將水加熱成飽和蒸汽;保護爐墻,簡化爐墻結構,減輕爐墻重量,使爐墻外表面溫度降低;吸收爐內熱量,把煙氣冷卻到爐膛出口所允許的溫度,減輕爐內結渣、防止爐膛出口結渣。

      (一)、簡介:

      水冷壁是鍋爐的主要受熱部分,它由數排鋼管組成,分布于鍋爐爐膛的四周。它的內部 為流動的水或蒸汽,外界接受鍋爐爐膛的火焰的熱量。

      水冷壁最初設計時,目的并不是受熱,而是為了冷卻爐膛使之不受高溫破壞。後來,由于其良好的熱交換功能,逐漸取代汽包成為鍋爐主要受熱部分。

      敷設在鍋爐爐膛內壁、由許多并聯管子組成的蒸發受熱面。水冷壁的作用是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量,在管內產生蒸汽或熱水,并降低爐墻溫度,保護爐墻。在大容量鍋爐中,爐內火焰溫度很高,熱輻射的強度很大。鍋爐中有40~50%甚至更多的熱量由水冷壁所吸收。除少數小容量鍋爐外,現代的水管鍋爐均以水冷壁作為鍋爐中最主要的蒸發受熱面。

      (二)、分類:

      光管式水冷壁:由一般的鍋爐鋼管組成。這是構造最簡單的水冷壁,管子排列越密對爐墻保護效果越好。優點是可以采用一般的無縫鋼管,更換水冷壁管比較方便,缺點是爐墻溫度仍然較高,需要采用耐火磚重型爐墻,鍋爐的鋼架要加強,爐墻的漏風較大。老式高壓鍋爐和中、小型鍋爐采用較多。管子排列越密對爐墻保護效果越好。爐墻廣泛采用輕質耐火材料和保溫材料。這些材料可以砌成爐墻,也可敷設在水冷壁上成為敷管式爐墻以便于安裝。

      膜式水冷壁:將鰭片管(或扁鋼與光管)相互焊接在一起組成的整塊管屏。膜式水冷壁是用扁鋼把鋼管連接成一個整體。它的優點是氣密性好;管屏外側僅需敷以較薄的保溫材料,爐膛高溫煙氣與爐墻不直接接觸,有利于防止結渣;管屏可在制造廠成片預制,便于工地安裝。大容量,高溫高壓鍋爐多采用膜式水冷壁它的優點是氣密性好;管屏外側僅需敷以較薄的保溫材料,爐膛高溫煙氣與爐墻不直接接觸,有利于防止結渣;管屏可在制造廠成片預制,便于工地安裝。

      銷釘式水冷壁又稱刺管式水冷壁:它是按照要求在光管表面焊上一定長度的圓鋼,利用銷釘可以牢固地在水冷壁上敷設耐火涂料,用以構成衛燃帶、液態排渣爐渣池及熔渣段,以及旋風爐的旋風筒。

      內螺紋管水冷壁:內螺紋管水冷壁是在管子內壁開出單頭或多頭螺旋形槽道的管子。內螺紋管用于直流鍋爐、亞臨界參數強制循環鍋爐用自然循環鍋爐爐膛的高熱負荷區或汽化率高的水冷壁管段。工質在內螺紋管內流動時,發生強烈擾動,使汽水混合物中的水壓向管壁,并迫使汽泡脫離壁面被水帶走,從而破壞汽膜的形成,防止出現沸騰換熱惡化,使水冷壁管壁溫度下降。

      (三)、材質:

      水冷壁材料一般用碳素鋼。鍋爐壓力在14兆帕以上時也有部分用合金鋼的。管子外徑:自然循環鍋爐一般用51~83毫米;多次強制循環鍋爐和直流鍋爐一般用22~60毫米。直流鍋爐的水冷壁不像自然循環鍋爐那樣一定是直立式的,也可以是水平圍繞或其他形式的。 參數高時,尤其在直流鍋爐中,為了在爐膛高熱負荷區防止傳熱惡化,常采用內螺紋管或在管內裝設擾流子。

      水冷壁的作用

      水冷壁最初設計時,目的并不是受熱,而是為了冷卻爐膛使之不受高溫破壞。后來,由于其良好的熱交換功能,逐漸取代汽包成為鍋爐主要受熱部分。

      因此,水冷壁的作用主要是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量,在管內產生蒸汽或熱水,并降低爐墻溫度,保護爐墻。在大容量鍋爐中,爐內火焰溫度很高,熱輻射的強度很大。鍋爐中有40~50%甚至更多的熱量由水冷壁所吸收。除少數小容量鍋爐外,現代的水管鍋爐均以水冷壁作為鍋爐中最主要的蒸發受熱面。

      水冷壁熱應力

      熱應力:通俗地講是物體受熱不均勻而存在著溫度差,導致各處膨脹或收縮變形不一致,從而形成相互約束,使其不能完全自由脹縮而產生的應力。

      正常運行下水冷壁熱應力

      鍋爐正常運行時,水冷壁管外壁受到高溫火焰的熱輻射,而內壁則被汽水混合物冷卻。內壁汽水混合物的溫度是汽包壓力下的飽和溫度。雖然水冷壁管厚通常不大于6mm,管壁熱阻不大,但由于管外壁受到高溫火焰的強烈熱輻射,熱負荷很高,特別是靠近火焰中心的水冷壁管,熱負荷更高,因此水冷壁管內外壁溫差可達60~80度。

      這里說明一點:如果水冷壁內壁結垢,管內的汽水混合物與管壁之間有一層垢,由于垢的導熱系數小于管壁,汽水混合物不能直接冷卻管壁,使得管外壁溫度明顯升高,管的內壁也隨之升高,管內外壁溫差非但不增加反而因不能被汽水混合物冷卻而使溫差降低。

      外壁溫度高企圖膨脹,內壁溫度低必然阻止外壁膨脹,外壁承受壓縮應力,而內壁承受拉伸應力,這樣就在水冷壁管產生了熱應力。這種分析思路可以延伸解釋工作中遇到的其他產生熱應力的問題。

      水冷壁管內外壁溫差和壁厚成正比,壁厚越大,熱應力越大。所以,水冷壁管壁不宜超過6mm。當壓力更高時,水冷壁需要更高的強度,則不采用增加壁厚的方法而是采用強度更高的材料制造水冷壁管。如:工作壓力10Mpa以下,水冷壁采用20鋼;當壓力超過15Mpa時,水冷壁采用15MnV或15CrMo等低合金鋼。

      高溫腐蝕

      高溫腐蝕的原因:

      造成水冷壁高溫腐蝕的因素,除煤質本身特性外,主要是壁面溫度、近壁區煙氣組分和煙氣流場。

      燃煤鍋爐水冷壁高溫腐蝕是典型的硫化物腐蝕,是煤粉在特定條件下燃燒形成的H2S和自由態[S]與壁溫400~500℃的水冷壁發生反應造成的。煙氣中H2S和自由態[S]的含量取決于煙氣中氧量。若煤粉在富氧條件下燃燒,煤中S元素轉化為SO2,對水冷壁基本沒有腐蝕作用。若煤粉在貧氧條件下燃燒,煤中S元素轉化為SO2的同時,生成部分H2S和自由態[S]。一般而言,H2S和自由態[S]的生成量隨著煙氣中氧含量的降低而升高。

      水冷壁高溫腐蝕的主要因素包含以下幾個方面:

      1、燃料含硫量

      2、水冷壁壁溫

      3、水冷壁近壁區氧量

      4、爐內空氣動力場

      預防辦法:

      (1)控制燃料中含硫量。

      (2)控制水冷壁近壁區氧量。

      (3)控制水冷壁的壁溫。

      設計選型與改造:

      造成水冷壁高溫腐蝕的因素,主要是壁面溫度、近壁區煙氣組分和煙氣流場。

      在水冷壁與燃燒器的設計選型上,就應該對水冷壁均應進行傳熱惡化驗算,從啟動流量所對應的負荷到滿負荷水動力工況應穩定;燃燒器形式和布置方式應與燃煤特征相適應,并考慮煤質在允許變化范圍內的適應性,一、二次風應有較大的剛度,假想切圓不宜太大,宜采用水平濃淡“風包粉”燃燒方式,或設計側二次風,改善水冷壁壁面附近煙氣氣氛,使其不出現還原性氣氛、火焰不貼壁、不刷墻、防止結渣。

      重點是改造問題:

      1)低氮燃燒器改造前,應經進行詳盡的摸底試驗,充分了解制粉系統、送引風系統等關鍵輔機運行現狀,合理設計燃燒器關鍵參數。

      2)應考慮分級送風對主燃區氧量的影響,結合水冷壁壁面氣氛分布情況和脫硝系統能力,選取合理的燃盡風風率和NOx排放濃度值。

      3)低氮燃燒器的布置、設計應通過?;囼灤_定,盡可能采用對稱燃燒。

      4)依據改造煤質特性對鍋爐爐膛容積熱負荷、爐膛斷面熱負荷、燃燒區熱負荷進行校核計算,以防出現熱負荷集中導致水冷壁溫度局部超溫的情況。

      5)增加水冷壁壁面氛圍(O2、CO和H2S)測點,建議安裝在線監測系統,測點布置方式見附件A。改造前后對水冷壁壁面氛圍(O2、CO和H2S濃度)進行摸底測試,改造后應將壁面煙氣氛圍作為調試指標,近壁區氧量不應低于1.5%。

      6) 增加燃盡風風量測點,確保二次風總風量和燃盡風風量測量結果準確,主控畫面增加二次風率點,以便運行人員調節風量。

      7)對于前后墻對沖旋流燃燒鍋爐,燃燒器應設置壁溫測點,以防燃燒器燒損,影響爐內燃燒組織造成熱偏差。

      8)對于四角切圓燃燒鍋爐,可適當地將一次風噴口偏轉一定角度,使其形成一個與原假想切圓旋轉方向相反的、直徑較小的假想切圓,改造后應進行冷態動力場試驗。

      對于第五條,第七條,燒鍋爐的絕對支持!氛圍測點建議選取臭稀式測量,因為光學式會受鍋爐膨脹問題影響,測不準,白花錢。

      而第七條,可以根據溫度場測量,了解熱輻射分布,并通過二次風的優化調整,及時糾正偏差。

      鍋爐水冷壁主要作用:

      強化傳熱,減少鍋爐受熱面面積,節省金屬消耗量;

      保護爐墻,減少融渣和高溫對爐墻的破壞作用,裝設水冷壁后,爐墻的內壁溫度大大降低,因此爐墻的厚度可以減小,重量減輕;

      對于敷在水冷壁管子上的爐墻,即敷管爐墻,水冷壁也起了懸吊作用;主要受熱面,火焰對水冷壁的輻射傳熱已成為鍋爐傳熱的重要方式。水冷壁一般是上部固定,下部自由膨脹。水冷壁的上集箱固定在支架上,下集箱則由水冷壁懸吊著。水冷壁管自身吊拉件限制其水平移動,以免引起結構變形,但要保證水冷壁能上下滑動。

      水冷壁穿過爐墻的部分要留出膨脹間隙,為了防止漏風,間隙內填充石棉繩。對于敷管爐墻,爐墻貼附在膜式水冷壁管外面形成一個整體,穿墻部分可不留間隙。

      水冷壁的腐蝕主要是高溫腐蝕,只需要在水冷壁涂刷ZS-811高溫防腐涂料就可以,如果還想提高鍋爐的熱利用率,可以在涂刷一層ZS-1061高溫輻射節能涂料。

      鍋爐水冷壁泄漏、爆管現象、原因及處理

      現象

      1:汽包水位降低,嚴重時汽包水位急劇下降,給水流量不正常的大于蒸汽流量

      2:爐膛負壓瞬時偏正且不穩定

      3:爐管泄漏檢測裝置報警

      4:從檢查孔、門、爐墻等不嚴密處可能向外噴煙氣和水蒸汽,并有明顯泄漏聲

      5:主蒸汽流量、主蒸汽壓力下降

      6:泄漏后各段煙氣溫度下降,排煙溫度降低

      7:鍋爐燃燒不穩火焰發暗,嚴重時引起鍋爐滅火

      8:引風機投自動時,靜葉開度不正常增大,電流增加

      原因

      1:給水、爐水質量不合格,使管內壁腐蝕或結垢超溫

      2:爐水泵工作失常、造成爐水循環不良

      3:燃燒調整不當,火焰偏斜,造成水冷壁管被煤粉沖刷磨損

      4:節流圈安裝不當,管內有異物造成水循環不良

      5:管壁長期超溫運行

      6:吹灰器內漏或未正常退出,蒸汽吹破爐管

      7:管材質量不合格,焊接質量不良

      8:水冷壁結焦

      9:大塊焦砸壞水冷壁管

      10:鍋爐長期超壓運行

      11:鍋爐啟動升溫、升壓過快

      12:管材老化失效

      13:鍋爐嚴重減水處理不當,繼續上水使管子急劇冷卻或鍋爐嚴重減水使管子過熱爆破

      14:水冷壁膨脹受阻

      處理

      1:當水冷壁管泄漏不嚴重能維持汽包正常水位時,可適當降低參數運行,降負荷運行,密切監視泄漏部位的發展趨勢,做好事故預想,匯報值長,請示盡快停爐

      2:當水冷壁管爆破不能維持正常水位時,立即停爐。停爐后繼續加強上水,水位不能回升時停止上水,省煤器再循環門不應開啟

      3:水冷壁管爆破嚴重減水時,應進行下列處理

      (1):立即停爐,維持引風機運行,排除爐內蒸汽

      (2):停爐后繼續上水,維持汽包水位

      (3):若無法維持水位,應停止爐水循環泵及給水泵運行

      (4):停爐后,電除塵應立即停電.

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