锅炉炉膛耐火砖剥落的温度场与红外检测

周国强，杨 立，刘莉莉，夏 舸

（海军工程大学，湖北 武汉 430033）

0 引言

锅炉目前被广泛使用在动力、造纸、冶金和化工等领域，锅炉炉膛工作在高温、超高压、受烟气腐蚀及冲蚀的恶劣的环境中，极易产生高温腐蚀和磨损，致使耐火砖剥落，严重影响其保温效果，导致事故发生[1]。例如，2004年杭州钢铁集团公司的转炉作业区发生的重大炉壁穿透事故，大量高温钢水泄漏，造成重大的经济损失[2]。

随着科技的进步和社会的发展，工业生产中对设备安全性和可靠性的要求也在不断提高，同时，由于生产事故的频发及其造成的损失愈加严重，对于设备状态的准确检测和诊断就变得愈加紧迫和重要[3]。

红外检测越来越体现出了其独特的优势：非接触、效率高、大面积扫描、无有害射线和使用方便等。红外热像检测已经用于管道检测的各个方面：如管道漏泄及保温层的检测[4]，高温压力管道内壁缺陷的检测[5]，管道内壁水泥衬里局部脱落的检测[6]等。本文将基于锅炉炉膛耐火砖剥落的缺陷进行数值计算，获得锅炉炉膛外表面的温度场及“热像特征”，为炉膛耐火砖壁红外研究提供依据。

1 求解红外特征的数理模型

1.1 物理模型

本文研究对象为锅炉炉墙，某锅炉炉墙结构示意图见图1，相关物性参数见表1。

1.2 数学模型[6]

本文选取长Lx、宽Ly、厚Lz为1000 mm×1000 mm×100 mm的炉墙为研究对象，设定炉墙故障的起始位置坐标为Ldx=500 mm，Ldy=500 mm，Ldz=0 mm，耐火砖破损尺寸为dLx、dLy、dLz（对应：长、宽、厚）.

描述炉墙三维稳态导热微分方程为：

图1 某锅炉炉膛结构示意图

表1 某锅炉炉膛物性参数

其中，α1、α2分别为炉膛内和周围环境的对流换热系数，tf1、tf2分别为炉膛内和周围环境气体温度。

环境空气的对流换热系数的计算[8]:

其中， υ为风速，当风速 υ=0时，α2=11.63。

炉膛的稳态导热微分方程采用有限体积法对模型进行数值计算，采用三维网格系统来离散求解域，节点P有6个相邻节点，分别位于东、西、南、北、上、下，e、w、s、n、t、b分别代表控制容积的东侧、西侧、北侧、上侧和下侧边界表面。

按节点场变量值整理相关方程式，可得

2 实例模拟计算及分析

2.1 炉膛正常工作时的温度场

当炉膛耐火砖壁完好时，输入参数：Ldx=0.5，Ldy=0.5；dLx=0.0，dLy=0.0，dLz=0.0。

经计算得到图2、图3、图4、图5。

图2 外表面温度分布图

图3 沿X方向的外表面温度分布图

图4 沿Ldy=0.5时炉墙剖面温度分布图

图5 沿Z方向的温度分布图

由图2和图3分析可知，炉墙正常工作时，其外表面温度分布均匀，平均温度为62.7℃。

由图4和图5分析可知，在厚度方向上，温度近似呈线性递减变化，其中耐火砖两侧温差达1500℃左右，而石棉板与钢板两侧温差小于100℃，说明耐火砖层在保证炉膛保温效果方面起到主要作用。

2.2 炉膛耐火砖剥落时的温度场

耐火砖剥落时，根据耐火砖剥落的深度，设计当某一块耐火砖剥落深度分别为10 mm、25 mm、34 mm、50 mm、68 mm、75 mm、100 mm七种情况。其中，深度为100 mm时，耐火砖整块剥落。

以耐火砖剥落深度等于34 mm时为例，经计算得到图6～9。

图6 外表面温度分布图

图7 沿X方向的外表面温度分布图

图8 沿Ldy=0.5时炉墙剖面温度分布图

图9 沿Z方向的温度分布图

由图6和图7分析可知，炉墙耐火砖剥落，剥落深度为34 mm时，故障处外表面出现明显热斑，最高温度达73.7℃，较无故障处明显升高，温差达11℃。

由图8和图9分析可知，在厚度方向上，故障处剥落空间的温度与炉内温度几乎相等，温度达到1600℃，从剥落深度为34 mm往外，温度近似呈线性递减变化，其中耐火砖两侧温差达1500℃左右，说明故障处损坏的耐火砖层在保证炉膛保温效果方面仍能起到一定作用。

3 计算结果分析

本文分别计算了六种剥落情况的结果，分析故障处外表面温度与剥落深度的关系，见图10；记录剥落深度、故障处外表面最高温度、正常工作处外表面温度，见表2。

图10 故障处外表面温度与剥落深度的关系

表2 故障处剥落程度与温差的关系图

由表2和图10分析可知，耐火砖剥落时，故障处外表面温度随剥落深度的增加而增加，其外表面最高温度与正常工作时外表面温度的温差随故障深度的增加近似呈指数增长，温差最大可达213.7℃。

炉膛正常工作时，炉膛外表面温度分布均匀，平均温度为62.7℃，在厚度方向上，温度近似呈线性递减变化，其中耐火砖两侧温差达1500℃左右，而石棉板与钢板两侧温差小于100℃，说明耐火砖层在保证炉膛保温效果方面起到主要作用。

耐火砖剥落时，故障处外表面温度随剥落深度的增加而增加，其外表面最高温度与正常工作时外表面温度的温差随故障深度的增加近似呈指数增长，温差最大可达213.7℃。剥落深度在10 mm以上，表面最大温差达到0.5℃，高于热像仪的最新小分辨温差0.2℃，红外成像仪就可以感应出外表温度的变化，因而此缺陷就可以很容易地在红外热像图中反映出来。

4 结论

本文通过有限体积法求解导热微分方程，研究了存在缺陷时锅炉炉膛外壁面的温度分布规律，经数值计算可知，耐火砖层在保证炉膛保温效果方面起到主要作用，且故障处外表面温度随剥落深度的增加而增加，其外表面最高温度与正常工作时外表面温度的温差随故障深度的增加近似呈指数增长。

［1］陈衡，侯敬善.电力设备故障红外诊断［M］.北京：中国电力出版社，1999.

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