锅炉传热及结焦的机理与预防措施研究

周文正 张现鹏 黄银柳 刘涛

摘  要：锅炉是化工行业生产中重要的动力来源之一。其产品的不可替代性就要求在生产中，锅炉必须保持稳定长周期运行。但锅炉故障时有发生，需要采取必要的措施来减少故障发生的几率。在这些故障中，金属腐蚀、管子失效等现象尤为突出。由于热力计算结果与实际不符，设计时选用系数不合理，炉膛、锅炉外形选用不当，过热器系统结构设计及受热面布置不合理，壁温计算方法不完善，导致材质选用不当等，这些会使火侧传热系统产生壁温超高，管束爆管等故障现象。这些现象对锅炉的安全生产造成了一定程度的隐患。

关键词：传热;结焦;预防控制

在锅炉安装、检修过程中，尽管每一步工作都有严密的规范要求，但实施起来往往很难做到万无一失。焊接质量不好，联箱中间隔板焊接不完全，联箱管座焊缝有缺陷，异种钢管的焊接，普通焊口的焊接质量，管子弯头椭圆度不达标，弯管减薄，异物堵塞，管材质量，错用钢材及安装质量这些因素的影响，必将对管束的正常使用造成一定的影响，甚至还会引发爆管现象的发生。在对锅炉水侧系统存在的问题进行了分析后，提出向锅炉水中注入EWPT水处理剂。这种水处理剂有效减缓了水侧系统的腐蚀、结垢对锅炉运行产生的不良影响。同时还提高了蒸汽品质，降低了锅炉水排污，实现了节能减排，履行了我们的社会责任和环保责任。作为动力使用的锅炉，传热系统的故障是影响锅炉安全、稳定、连续运行的一个重要的困扰因素，所以所有管理者对传热系统的故障都给予了很高的重视。

1 锅炉装置现状

在实际运行中，锅炉经常出现水冷壁管束爆裂的现象，造成锅炉的紧急停工，同时也影响了蒸汽用户的连续生产运行。在检修过程中，发现这些爆裂的管束存在两种现象，一是管束内部结垢比较严重;另一个是管束外部结垢也比较多。在实际运行中，还经常出现的问题就是省煤器和空气预热器管束的泄漏。在检修时，发现这些管束外壁结垢物比较多，甚至有时都堵塞了烟气的正常流通。这些问题的发生，对于属于特种设备的锅炉来说，有时只是一小段管束的更新，动辄需要十几万的维修费用，检修费用相对来讲非常昂贵。面对这些问题，急需解决措施，来缓解锅炉的运行状态，以达到减少故障，降低能耗，降低维修费用，保证安全稳定生产的目的。

2 设计因素对锅炉传热系统的影响

锅炉燃烧过程中均存在烟气温度、速度、气体成分、风粉浓度、粉粒度、燃尽度、灰粒度和灰浓度在烟气中的分布差异，称为烟侧热力偏差。这种烟侧的热偏差受两种因素影响：一是锅炉炉膛内燃烧所涉及系统的燃烧过程;二是由于结构上的影响，传热系统的吸热均匀性不同，不同的部位吸热量不同。不同燃烧方式有不同的炉内过程特色，不同炉型结构反映出不同吸热特性，不同燃烧方式的烟侧热力偏差表现形式不一样。如切圆旋转燃烧，具有偏差的烟气在旋转上升过程中同时绕经四周水冷壁时，其吸热偏差较小;当旋转切圆偏离中央时，则吸热偏差增大。若取用烟气旋转方向与螺旋水冷壁旋转方向相反时，可更有效地减小吸热和烟侧偏差。又如平流上升燃烧，当炉内过程组织和燃烧控制合理时，各支火焰偏差小，总火焰热力偏差和吸热偏差可达预期目标;但当负荷变化幅度较大而需停运部分燃烧器时，因各燃烧单元互补性较差而使总火焰产生较大热力偏差，有时甚至难以预料。

2.1 热力计算结果的影响

热力计算中，由于设计经验及实际工作经验的缺乏，导致在计算炉膛传热计算时，所采用的传热系数并不能准确的反应出此台锅炉的实际传热效果。理论上的计算结果必将和实际的结果出现偏差。这样就造成水冷壁、过热器等受热面的面积布置不能很好的满足于传热的需求，造成介质温度偏离设计点，或者造成受热面的超温。

2.2 炉膛、锅炉外形选型上的影响

动力锅炉始建于上世纪七十年代末，在设计制造时，并没有充分的理论和实际的相互结合的经验。这对锅炉的选型，锅炉的内部结构的安排都没有标准可参考。这样就使设计出的炉膛不能适应渐次改变的运行条件。锅炉炉膛结构上的不合理，就会使水冷壁管束局部超温，造成爆管。炉膛的高度也影响了水冷壁和过热器管束内蒸汽温度，炉膛偏高，会使蒸汽温度偏低。相反，炉膛高度偏低则又可能引起超温。

2.3 过热器结构和受热面布置的影响

锅炉受热面热管布置形式大致有三种：垂直上升管、水平管和斜管。受热面管束中的工质有单相体，也有两相体。如省煤器或下降管束中就只有流动的水，在过热器或再热器中流动的是蒸汽，流动的都是单相体。而在蒸发器的受热面管束内，流动的则是蒸汽与水的混合物，是两相体。对于单相体，它的流动形式主要分为层流和紊流两种。在多种因素的影响下，汽水混合物在管束内的流动形式比较复杂。由于不同的流动形式具有不同的动力特性和传热特性，因而就需要对锅炉传热系统内介质在管束内的流动形式进行仔细的分析，而这种分析对管束的失效分析也有十分重要的意义。

2.4 壁温计算方法不完善的影响

锅炉过热器是由许多并联在进口集箱和出口集箱上的热管组成的，形成并联管组。当多管并联工作时，各管的工作条件可能不同，如果并联管组内的水动力学工况不佳，使其中一管工作不安全，则整个受热面管组的工作可靠性就不能保证。并联管组能可靠工作的重要保证为力求使各并联管均在设计工作条件下工作。但这是不可能完成的任务，因为每条管束因为自身的因素以及外界因素的影响，都会使管束内水力特性各不相同。

2.5 异物堵塞的影响

锅炉在长期运行中，会有腐蚀下来的物质，堵塞在管路内，特别是容易淤积沉降在管路下部的水平段或弯头的部位。由于无法进行有效的清理，就容易造成过热而引发爆管事故的发生。在制造或检维修过程中，也会有焊渣或其它杂物遗留在管束内不能清洗干净，这样也会使管束由于过热而爆管。

2.6 管材质量问题的影响

在锅炉运行中，水冷壁管束内部是高温热水，而外部是燃烧器产生的高温;过热器管束内则是高温蒸汽，而外部则是高温烟气。这两种管束内外壁温度相差较大。而锅炉传热管束的受热面大都处在高温应力的作用之下，高温蠕变对管束的影响很大，这就对管束的材质提出了较高的要求。但实际上，由于我国锅炉用管束在制作工艺上并不完善和十分的先进，管束本身还是存有很多的缺陷。这些缺陷严重的影响了管束钢材的机械性能和热加工性能。这些缺陷有时会对部件产生较大的破坏，有时甚至引起管束的爆管现象发生。

2.7安装质量问题的影响

大型锅炉中，锅炉传热系统中受热管受热面积一般比较大，分布面广，在整个传热系统中属于复杂的部分。在安装这些受热管束时，要保证满足工艺要求，而且还要保证管束安装的合理性，避免产生烟气通道，造成热量的不完全交换和传递，降低锅炉的热效率。

3 结论

综合上述分析，设计因素对锅炉管束的影响占有很大的比例。但这种影响，对于已经投入使用运行的锅炉来说，已经无法避免。而要对其改善，难度也是相当的大。这就要求锅炉管理者要加强锅炉管理，要重视操作管理，重视对锅炉的定期检测和该进式修理，努力将可能造成的锅炉管束失效现象减少到最小的范围。

参考文献

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