喷水减温器介绍及喷管断裂原因分析和改进

(华西能源工业股份有限公司，四川 自贡 643001)

1 喷水减温器概述

1.1 减温器的作用

减温器主要有两个作用，一是调整汽温，使锅炉送出的蒸汽温度在规定的范围内。汽轮机对蒸汽温度要求非常严格，一般要求在额定汽温±5 ℃范围内。汽温超过规定值，会使过热器、蒸汽管道、汽轮机及阀门等设备寿命减少，严重时可使上述设备损坏。汽温低于规定值，将会降低机组的经济性。汽温降低10 ℃，机组的经济性降低0.6%～0.8%。为了保持蒸汽温度在规定范围内，需对蒸汽温度进行调整。而减温器调整汽温是广泛采用的方法。

减温器的第二个作用是保护过热器、汽轮机、相应的蒸汽管道和阀门。当汽温在450 ℃以上时高温过热器、汽轮机的高压部件和管道阀门都采用合金钢材料。合金钢性能好，可用温度高但价格贵，为了降低造价，一般都让合金钢材料工作在材料允许使用温度的上限，当然要留有一定余地。只要汽温在规定范围，设备就一定是安全的。

1.2 喷水减温器介绍

喷水减温器又称混合式(或夹套式)减温器，就是将给水(或自制冷凝水)直接喷入过(或再)热蒸汽，经雾化后与蒸汽混合以达到减温的目的。因为减温水汽化成为蒸汽的一部分，对减温水质量要求很高，一般都采用凝结水或除盐水。喷水减温器的优点是：构架简单，汽温调节灵敏，大型锅炉采用较多。

喷水减温器按喷头的结构型式又分为笛形管式、旋蜗式、文丘利管式3种。近些年来，由笛形管式发展起来的多孔管式喷水减温器在世界各国的高参数、大容量电站锅炉上得到广泛应用，见图1。

1.筒身；2.套管；3.喷管；4.固定块

1.3 喷水减温器主要结构

现代锅炉喷水减温器的喷水管大都设计为孔径为φ5～φ7的多孔式喷孔结构，孔数由3～5 m/s的喷水速度决定。小孔朝向蒸汽流动方向，喷水管一般从减温器筒体垂直插入，穿过内套筒。减温器的固定结构由三部分组成：一是为防止内套筒沿减温器筒体轴线方向可能的窜动而设置了挡块；二是为防止内套筒在减温器筒体内可能的转动而设置了定位螺栓和紧固螺栓；三是设置了防止或减轻喷水管剧烈振动的定位板或固定板(呈瓦形)，因为蒸汽流经内套筒时，流速达50 m/s左右，喷水管通常会发生剧烈振动。另外，减温水从喷水管喷出时，也会使喷水管发生振动。

1.4 喷水减温器布置位置

减温器一般安装在3个位置：低温段过热器入口、高温段过热器出口、低温段和高温段过热器之间。安装在低温段，汽轮机及高低温段过热器均在其保护之下，不会过热。蒸汽在减温器内的温度，始终等于汽包压力下的饱和温度， 不但减温器的温度均匀，而且温度波动幅度很小，工作条件较好，不易损坏或泄露。安装在高温段，汽温调整快，时滞小。对满足汽轮机进汽温度要求和保护集汽集箱以后的汽轮机、管道及其管道附件的安全都非常有利。但这两种方式都有一定的缺点和条件限制。而安装在低温段和高温段过热器之间的布置方式则可以解决这些问题。既可以让高温段过热器得到保护，又能使汽温达到我们想要的温度。大容量高压和超高压锅炉常常安装两级或两级以上的减温器，以满足迅速调整汽温和保护设备的要求。有再热系统的大型锅炉，为了调整再热汽温，保护再热器和汽轮机的中压缸，在再热器的入口也装有减温器[1]。

2 锅炉喷水减温器喷管断裂检查以及原因分析[2]

本文针对某2×300 MW锅炉减温器喷管断裂事故展开分析。专业工作人员现场切割减温器喷水管，见图2，使用内窥镜对停止工作后锅炉减温器进行检查，见图3，发现过热器左侧三级喷水减温器喷管断裂，见图4，而减温器喷管断裂会对锅炉的安全运行造成威胁。根据现场提的供运行数据分析，随锅炉负荷波动三级减温间断性投入使用，投入使用后经常在短时间内将减温水流量由0.0 t/h或小流量快速提高至10-25 t/h，三级减温器喷管下端为悬空结构，流量快速变化引起喷水管振动，喷水管根部出现交变应力，在实际运行中，由于锅炉负荷变化大，运行工况复杂，在蒸汽流速高达50 m/s左右时，喷管通常会发生剧烈振动，从而使喷管中直径φ60×8的管子与管座内的弧形板之间的间隙大于图纸要求。长期反复作用导致了喷水管根部出现疲劳裂纹，从而引发喷水管根部断裂，而减温水经喷管断裂处沿壁面流至减温器外筒身内壁，冷热交替作用下还会导致外筒身局部应力集中，长期作用下，外筒身母材产生疲劳裂纹。

3 锅炉喷水减温器喷管断裂改进措施

当蒸汽流绕过喷水管时，会产生卡门涡流，使喷水管发生振动，当卡门涡流激振频率与喷水装置自身的固有频率相等时，就会发生共振，从而造成喷水管断裂。为确保喷水管不因振动而产生断裂，必须进行振动校核计算[3]。同时，优化减温器喷管结构，延长喷管使用寿命。综上所述，在后续减温器设计中，从以下两个方面改进喷水减温器。

1)对喷水减温器的喷水管振动进行校核计算，满足喷水减温器性能要求。计算中需使用斯特罗哈系数K，K值与雷诺数Re有关，Re=WDn/V(式中W为汽流速度，Dn为内套筒内径，V为蒸汽的动力粘度系数)，计算时K值可按表1取用。

表1 斯特罗哈系数

图5 改进后的喷水减温器

2)优化喷水减温器喷管结构设计，不再采用悬臂喷水管固定方式，而是采用固定喷水管的结构，见图5。在锅炉实际运行中，当流量快速变化、流速急剧增大时，喷水管根部能够承受交变应力，能够很好的保护减温器。

4 结语

本文针对于某电厂发生的喷水减温器喷水管断裂事故展开具体分析，通过原因分析提出了2个具体可行的防范锅炉喷水减温器喷水管发生断裂事故的措施。本文的相关分析具有很大的设计指导意义，不仅适用于200 MW锅炉喷水减温器喷水管设计，也可应用于更大容量锅炉的喷水减温器喷水管设计。