锅炉自制减温水冷凝器隐患分析与改进

冶金动力METALLURGICALPOWER2015年第10期总第188期1现状概述山东钢铁股份有限公司莱芜分公司能源动力厂锅炉为江西锅炉厂生产的JG130-3.82/450-Q型锅炉，该锅炉以高炉煤气为设计燃料，两级过热器之间采用喷水减温调整过热蒸汽温度。锅炉蒸汽温度调节用自制冷凝水或备用给水喷水减温，额定负荷下喷水量为7.8t/h，调温幅度为35益。该炉型在最顶层平台配备有自制减温水冷凝器，采用管壳式结构，利用在管内流动的锅炉给水吸热，使从锅炉汽包引入的饱和蒸汽冷凝，将冷凝液经集水管汇集后向下引入冷凝水集水箱，部分作为减温水按需送入喷水减温器，多余部分经溢流管溢流回锅炉汽包。锅炉给水可以经过阀3、冷凝器、阀4后返回给水操作台再进入省煤器管路，也可以解列炉顶冷凝器，直接从给水操作台通过阀2进入省煤器管路,见图1。在锅炉自制冷凝水冷凝器实际运行中，发生了一次水位、负荷等参数都正常情况下，锅炉主蒸汽温度参数急剧下降，导致汽轮机侧汽温亦急剧下降，被迫拉闸停机的事故。2蒸汽温度骤降原因分析如图2所示,从锅炉蒸汽温度变化趋势可以看出，自一级过热器后各过热蒸汽温度都急剧下降，可排除减温器内因素，说明问题出现在饱和蒸汽侧，为饱和蒸汽带水，而水位等参数都正常，可排除锅炉满水、汽水共腾等因素，停炉后检查锅筒内汽水分离器正常，因此怀疑是冷凝器内部存在故障。冷凝器内冷凝水由管路引入冷凝水集箱,再通过减温水调节阀调整流量后进入喷水减温器中，采用自制冷凝水减温时，流动动力来自冷凝器与减温器的压差，系统虽然复杂,但能得到品质良好的冷却喷水,且锅炉负荷变化时,冷凝器与减温器间压差也同向变化，能自动调节喷水量。在实际运行中，当全部采用冷凝器给水时，能将120t/h的锅炉给水由104益加热至153益，按平均定压比热Cp=4.2kJ/(kg益)计算，给水吸收热量Q=mCp吟t=120伊103伊4.2伊（153-104）=2.47伊107kJ/h。锅炉自制减温水冷凝器隐患分析与改进张生凯（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司能源动力厂,山东莱芜271104）【摘要】通过对锅炉主蒸汽温度骤降事故原因进行探究，分析出锅炉自制减温水冷凝器内漏可能导致的风险隐患，对冷凝器泄漏原因和运行优劣势进行了分析，提出了改进措施，为自制减温水冷凝器及锅炉系统的安全可靠运行提供了保障。【关键词】锅炉冷凝器;冷凝器泄漏;自制减温水;汽温骤降【中图分类号】TK22【文献标识码】B【文章编号】1006-6764（2015）10-0037-04AnalysisandImprovementofHiddenProblemsintheHomemadeDesuperheatingWaterCondenserofBoilerZhangShengkai(ThePowerPlantofLaiwuSteel,ShandongIronandSteelGroup,Laiwu,Shandong271104,China)[Abstract]Throughprobingthecausesoftemperatureplungeinboilermainsteam,itwassoughtoutthataninternalleakageintheHomemadedesuperheatingwatercondenseroftheboilershouldhavebeenahiddendanger.Causesoftheleakageandbothoperationad原vantagesanddisadvantagesofthecondenserwereanalyzedandimprovementmeasureswereputforward,toprovideguaranteeforthesafeandreliableoperationofhomemadedesuper原heatingwatercondenseraswellastheboilersystem.[Keywords]boilercondenser;leakageofcondenser;homemadedesuperheatingwater;steamtemperatureplunge37冶金动力METALLURGICALPOWER2015年第10期总第188期图2锅炉蒸汽温度变化趋势图图1锅炉自制减温水系统简图根据能量守恒，冷凝放热量应等于给水吸热量，汽包实际运行压力为3.9MPa，该压力下汽化潜热1720.62kJ/kg，则每小时可产生冷凝水Qm=2.47伊107衣1720.62=14355kg/h，该压力下饱和水比容v=0.001249m3/kg，则折合体积流量Qv=14355伊0.001249衣3600=0.00498m3/s；而实际运行时喷水量约5t/h（折合体积流量0.00173m3/s），所以若全部给水均通过冷凝器时，冷凝水量大于需求，0.00324m3/s的冷凝水必然会通过冷凝水溢水管溢流进汽包，流动所需压差由位置水头提供。汽包水位在28.78m，冷凝器冷凝水集水管标高31.55m，汽包与冷凝器连管最高标高32.9m，所38冶金动力METALLURGICALPOWER2015年第10期总第188期以冷凝器正常运行时可产生的最大压差为2.77m。冷凝水下水管规格为渍108伊4.5，为两路长各为30m的管路并联，每路含8个R/d=1的直角弯头；冷凝水溢水管规格为渍57伊3.5，为两路长各30m的管路并联，每路含5个R/d=1的直角弯头；所有管路均采用钢管，当量糙粒高度K=0.046mm。下面计算流动过程阻力：冷凝水下水管流速V下=4伊Qv仔d12伊2=4伊0.00498仔伊0.0992伊2=0.3235m/s，雷诺数Re下=V下d下淄=0.3235伊0.0991.332伊10-7=240439，处于紊流过渡区，利用阿里特苏里公式计算沿程阻力系数姿下=0.11(Kd+68Re下)0.25=0.11伊(0.046伊10-30.099+68240439)0.25=0.0182；局部阻力系数为移灼=0.246伊8+1=2.968；则此时冷凝水下水管阻力损失h下=hf下+移hm下=(姿1下d下+移灼)V下22g=0.0453m同理计算冷凝水溢水管阻力损失h溢=0.5150m；溢流系统合计压力损失为0.56m。综上，正常运行时系统可提供的最大水头2.77m远大于理论计算溢流所需水头，故实际正常运行不会出现冷却水溢流不及问题，且即便出现溢流不及问题，部分冷凝换热管束将被水淹没，失去凝结换热性能，起到自平衡作用，不会出现冷凝器内满水问题。通过上述分析可以判断，出现问题并非设计问题，而是内部有外来水源，即冷凝器内给水管束出现泄漏，导致溢流不及，进而出现冷凝器内满水，通过上部汽包至冷凝器的进汽管道反向进入汽包饱和蒸汽出口，导致蒸汽带水，进而出现主蒸汽温度骤降现象。当冷凝器内给水管束泄漏向汽空间漏水时，可以假定水来不及发生换热，而为汽包压力3.9MPa下的温度为104益的水（实际温度应高于该温度，水量应大于漏水量），并假定减温水量仍为5t/h，冷凝器内满水时整个下水、溢流管路可用压头极限值为32.9-28.78=4.12m，利用伯努利方程，通过流动过程阻力计算可以求得，理论上多余部分可通过溢流管进入汽包而不导致冷凝器满水的最大极限流量为0.01042m3/s，即折合从给水管束漏入冷凝器汽空间内的水量为35.9t/h时，超过此流量就会导致冷凝器满水，进而导致水逆向流入汽包上部饱和蒸汽出口部位。这种现象在什么情况下可能发生呢?冷凝器内给水管束规格为渍57伊3.5，管束内压力为4.6MPa，冷凝器汽空间内压力为3.9MPa，压差为0.8MPa，折合该状态下作用水头为H=P酌=0.8伊106957伊9.8=85.25m，假定一根管束爆漏，按管嘴出流进行计算，则泄漏量为Q=滋A2gH姨=0.82伊仔伊0.01624伊2伊9.8伊85.25姨=0.0067m3/h，通过以上分析，则当管束有两根出现爆漏时，必然会因水溢流不及而导致冷凝器内满水，进而导致主蒸汽温度骤降事故的发生。通过对冷凝器拆体检查，确认内部管束多组出现泄漏，与理论计算相符，是导致事故的根本原因。3自制减温水冷凝器泄漏原因分析3.1交变热应力通过解体检查可以看出，泄漏点出现在管程进口处，此处冷热流体温差最大，由于冷、热流体温度不同，使壳体和管壁的温度互有差异。这种差异使壳体和管子的热膨胀不同，温差导致管板两侧和换热管之间产生温差应力。管子与管板焊接结构的特点是具有排列紧密的小圆形单道焊缝，管板较厚，如果焊接工艺不当，就易造成焊缝根部夹渣、熔合不良、裂纹、气孔等焊接缺陷，且在焊缝两侧形成热影响区，是焊接接头的薄弱部位，容易产生残余变形和残余应力。当两侧温差应力达到一定数值时，金属便会产生塑性变形和蠕变。因锅炉负荷受煤气燃料供应量影响，反复变化,锅炉给水量不断波动，导致热应力反复变化，使设备产生热疲劳。在运行过程中焊接缺陷受到交变热应力的影响便会扩展,使泄漏通道扩大，导致泄漏。3.2管束振动蒸汽介质垂直于管束横向流动是诱发振动的主要根源,具有一定弹性的管束在壳侧蒸汽流体扰动力的作用下会产生振动，振动与换热器管子的固有频率有关,当激振力的频率与管束固有频率或其倍数相吻合时，将引起管束共振，使振幅大幅增加；振动将引起管板与管子之间的熔敷金属中存在的气孔和其他缺陷扩大或扩展,发展到一定程度时这些缺陷就会被击穿或导致疲劳开裂；而振动的管子在支撑隔板的管孔中与隔板金属发生摩擦，使管壁变薄，最后也会导致破裂。而固有频率与管束的结构、尺寸有关,因此换热器本身的设计缺陷是导致管束振动39冶金动力METALLURGICALPOWER2015年第10期总第188期的原因。3.3投运不当在锅炉点火启动时，若直接使用冷凝器上水，冷凝器内易出现水冲击。在锅炉点火升压期间，给水流量很小，冷凝器内水流量低且各管路流量不均，部分给水受热汽化生成汽泡，当汽泡破裂时，周围液体高速进入汽泡原有空间，在局部形成巨大的冲击力，产生声响和振动，足以对管束表面焊缝产生破坏。4冷凝器运行优劣势分析4.1优势分析4.1.1采用冷凝减温水时，减温水为饱和蒸汽凝结水、品质高，减温水与过热蒸汽温差低，且减温水流量具有自平衡能力。4.1.2在锅炉低负荷运行时，通过自身利用部分饱和蒸汽，可以提高排烟温度，减少低温腐蚀。4.2劣势分析4.2.1冷凝器运行时，冷凝器工作环境较恶劣，易出现给水管束泄漏，导致重大事故发生。4.2.2当锅炉高负荷运行时，会导致排烟温度偏高，导致锅炉效率降低。5改进措施为确保锅炉设备安全稳定运行，特采取以下改进措施：5.1与设计单位联系，适当缩短折流板间距，防止产生诱导振动，但折流板间距过小会使换热管刚性过大，变形协调能力低，产生温差应力，故应在保证不发生振动的前提下选择较大的间距。5.2在锅炉启动时，将两台锅炉给水系统联通，保持启动炉冷凝器管束内水保持流动，防止停滞导致汽化、水击现象。5.3正常运行时，保持负荷平稳，防止连续波动造成交变热应力。5.4若冷凝器内给水管束发生泄漏，易造成类似于锅炉满水的重大事故，为能及时发现冷凝器内管束泄漏，可以利用连通器原理在冷凝器上安装水位测点并添加报警，以便根据水位情况及时作出判断与处理。5.5当前锅炉给水SiO2、Na+等各项品质指标已优于GB/T12145标准中蒸汽标准，因此解列自制减温水冷凝器，减温水使用锅炉给水完全能够满足蒸汽品质要求，在锅炉正常运行时完全可以退出冷凝器运行。6结论通过分析及冷凝器解体检查，确认自制减温水冷凝器内给水管路泄漏是锅炉蒸汽温度骤降的原因。当冷凝换热器内给水管束有两根及以上发生泄漏时，就会因溢流不及而导致冷凝器满水事故的发生，为防止事故发生，可以在冷凝器上加装水位计并添设水位报警，及时发现泄漏情况。投运冷凝器，会提升排烟温度，降低锅炉效率；但在锅炉低负荷运行时可以减少低温腐蚀。而当前锅炉给水的SiO2、Na+等各项品质完全能够满足作为减温水使用，在锅炉正常运行时完全可以退出冷凝器运行，可