贯流式锅炉的特点及检验分析

张维坤

(楚雄州质量技术监督综合检测中心,云南 楚雄 675000)

贯流式锅炉最早由美国应用在内燃机列车上，之后被日本引进作为工业锅炉使用而得到蓬勃发展。我国于20世纪90年代引进该型锅炉，目前已经能够自主设计并生产，且在国内使用得越来越广泛。贯流式锅炉是工业锅炉中产汽最快、结构最为紧凑的一种型式，在特定的应用场景下具有独一无二的优势，但也存在一些局限。

1 贯流式锅炉的特点

1.1 结构特点

所谓贯流式锅炉，指的就是一端给水，一端出汽，它的整个热交换过程几乎都在水管中完成，而没有传统蒸汽锅炉的汽包。正因为它的工作过程依赖密集的换热面，使得它在设计时整体结构十分紧凑，这种结构在有限空间使用时有很大的体积优势(图1)。贯流式锅炉在同等蒸发量的情况下较比传统蒸汽锅炉受热面积小得多，因此它单位受热面换热量极高。这种结构一般可增加鳍片布置，这样可以大大以增加传热面积和效果。贯流式锅炉的主要受压元件为水管和集箱，水管通常布置为内外分布的两圈或多圈，并排布紧密，因此焊缝也很密集，一般在进行焊接时要考虑减弱开孔孔桥系数以保证结构强度，同时还要注意选择焊接方法以减少焊接应力[1]。贯流式锅炉的一大短板是蒸汽含水量较高，蒸汽品质较低，因此一般可加装外置的高性能汽水分离器，用来提升蒸汽品质并保障锅炉使用寿命。

1.2 运行特点

贯流式锅炉体积小、电控原件多、自动化程度高，因此在实际使用时，司炉工的工作量远远小于传统蒸汽锅炉，每一名经培训合格上岗的司炉工可同时管理数台至数十台锅炉，使锅炉运行的人工成本大幅下降。贯流式锅炉的结构和热交换面积在出厂时已经固定，散热面积也就是恒定的，因此当提高锅炉的运行负荷时，锅炉的散热量与低负荷运行时的散热量是基本相同的，但是散热量与单位燃料或锅炉的单位蒸发量比值大大降低，所以为了减少锅炉热损耗、提高热效率，除了加强各散热面的保温外，还应当在满足安全和用汽需求的情况下尽量维持锅炉在较高负荷水平下运行[2]。贯流式锅炉与传统蒸汽锅炉不同，它没有巨大的汽水空间，从给水到蒸汽的整个换热过程都在狭窄的水管和体积较小的集箱中完成，所以换热效果明显，升温产汽过程迅速，一般 5 min 左右即可达到工作压力，因此可以提高锅炉的工作效率，缩短起炉时间。此外，因为没有巨大的汽包，贯流式锅炉的安全性相比传统蒸汽锅炉安全性更高，但值得注意的是，为了保障锅炉的热循环过程和稳定工况，就要求有一套可靠的、反应迅速的燃烧自动控制装置及给水装置。同时，要有合格的水处理设备和严格的水处理过程保证锅炉给水稳定达标，且要定期进行锅炉保养，才能保证锅炉的热效率和安全性。

1.3 能耗特点

贯流式锅炉的热效率很高，是目前常见传统燃料的工业锅炉中热效率最高的锅炉形式之一，一般可达92%以上，实际在锅炉能效测试中甚至可达99%以上，贯流式锅炉据根据节能环保要求，可在尾部加装翅片管式烟气回收冷凝装置，使锅炉排烟温度得到有效降低，约在60～80 ℃ 左右，而传统型式锅炉排烟温度往往大于 120 ℃。同时锅炉的氮氧化物(NOx)排放量也有效降低，可以下降到 30 mg/m3以下。(注：由于我国锅炉热效率计算以燃料的低位发热量为基准，而部分锅炉尾部安装节能器，回收了排烟中的部分汽化潜热，这部分热量不包含在燃料的低位发热量里，因而利用这部分热量提高了锅炉热效率，目前关于冷凝燃气锅炉排烟中蒸汽汽化潜热回收热量的测试和计算方法的研究正在进行中[3])。

表1 不同类型工业锅炉优点及能效对比

1.4 局限性

1.4.1 蒸发量有限

因贯流式锅炉的结构限制，一般蒸发量都在6t/h以内，以2t/h及以下的居多，若一味加大贯流式锅炉的蒸发量，则相较传统型式锅炉(如WNS型)优势缩小，甚至劣势尽显。因此当用汽量大时需要多台贯流式锅炉一起使用，或直接选择传统型式的蒸汽锅炉，有限的蒸发量决定了它的使用场景同样有限。

1.4.2 寿命较短且维修性差

贯流式锅炉的寿命较传统锅炉寿命更短，一般在5～10年。由于锅炉结构紧凑，维修时各锅炉部件互相干预性强，所以贯流式锅炉格外需要注重规范运行、保养维护和使用管理，一旦锅炉本体出现结构性损坏则很难维修甚至无法维修，以至于造成巨大经济损失。

1.4.3 水质要求很高

由于贯流锅炉从给水到产汽的过程都在水管中完成，其循环倍率很低，只有自然循环锅炉的百分之一左右，因此对水质要求很高，在给水硬度≤0.03 mmol/L 时，进入贯流循环锅炉仍有结垢的可能[4]。一般需要根据给水的水源质量选择合适的水处理设备，如自动钠离子交换器等，必要时还可使用二级钠离子交换器等附加设备。

2 贯流式锅炉检验过程

2.1 外部检验

贯流式锅炉的外部检验每年需要进行一次，检验时应保证在使用单位的配合下且不能危及锅炉的安全运行。一般通过现场检查设备和查阅运行记录等方式了解锅炉本体及附属设备的运行情况，并通过控制端模拟运行工况来确认安全附件以及超温、超压、高低水位等联锁与保护的运转情况是否正常，同时通过现场查验的方式查看锅炉使用登记证、司炉工证、使用管理制度和记录、水(介)质处理等其他外部检验的相关项目。

2.2 内部检验

贯流锅炉的内部检验一般2年进行一次。由于贯流式锅炉的特殊结构，检验人员一般无法进入锅炉内部进行检验，此时可以根据现场情况使用内窥镜等设备通过手孔观察水管和集箱等受压元件及其内部装置的外观质量、腐蚀、磨损、裂纹、变形、结垢、膨胀等，同时观察主要承载、支吊、固定件的外观质量、受力情况、变形情况以及锅炉的膨胀情况。此外，还需要检验锅炉保温、密封结构以及耐火层的外观质量等。内部检验也可根据检验人员对锅炉的状况判断结合水(耐)压实验进行[5]。

2.3 常见缺陷

2.3.1 裂纹

贯流锅炉工作时，受力主要集中在水管和集箱部分，而集箱内会产生循环压力。其中，最大应力一般出现在集箱焊接结合部。在循环压力的作用下，集箱焊接结合部位容易出现疲劳裂纹，因而在生产制造环节需要格外注意该部位的焊接质量。此外，锅炉过热和过烧也是产生裂纹的重要原因之一，当锅炉水循环通道不通畅时，导致水冷壁管受热不均，部分水管发生过热或过烧，可能产生过热裂纹。

2.3.2 结垢

锅炉结垢问题十分常见，几乎可在任何型式的锅炉上出现。该问题与锅炉水处理过程息息相关，因此给水的品质很大程度上影响锅炉的使用品质，这种因果关系在贯流式锅炉上更为突出。锅炉水质碱度低、硬度高，则锅炉内表面易结水垢，此时应使用手工清理、煮炉等相应手段进行除垢，方能保证锅炉正常运行。锅炉结垢对锅炉的热效率、燃料经济性、运行安全性都有一定程度的影响。若锅炉结垢量较大，锅炉的运行效率将大大降低，燃料消耗量大大提升，结垢严重时，甚至出现锅炉本体变形、爆管等风险。

2.3.3 腐蚀

贯流式锅炉的腐蚀也有多种形式，如氧腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀、垢下腐蚀等，一般以氧腐蚀最为常见。氧腐蚀属于电化学腐蚀的一种，水中电位差会形成于杂质与纯铁之间，形成腐蚀电池。用方程式可表示为：

其中生成的二价铁离子还会继续发生如下反应：

最终形成腐蚀和铁锈。除氧腐蚀外的其他腐蚀虽然发生几率相对较小，但也要注意预防，大部分都与锅炉水质相关，因此保障好锅炉水质是减少锅炉腐蚀的最有效手段。除了水质影响之外，锅炉运行工况不佳和停炉保养不当同样会对锅炉造成腐蚀。所以除了要做好水处理保证锅炉水品质的同时，锅炉的管理、维护与保养也不能忽视。

2.3.4 变形

贯流式锅炉的变形一般由高温高压环境导致，当锅炉的运行工况恶劣或没有得到规范的维护保养时，就有可能出现变形的情况，尤其是水管和集箱变形最为常见。当水管和集箱中结垢、淤堵或其他原因导致汽水流通不畅甚至堵死时，水管会出现过热或过烧的情况，从而发生变形。当锅炉工况良好正常使用时，普通的锅炉用亚共析钢，组织一般为铁素体(图2中白色)和珠光体(图2中黑色)，拥有良好的综合力学性能。但过热或过烧严重后，珠光体中的碳化物会发生球化，导致珠光体减少，球化体增多，甚至还会出现魏氏体(图3)，此时材料出现过热劣化，材料性能受到明显影响，给锅炉运行造成安全隐患，应及时进行处理，去除危险因素方可继续使用。

图2 正常状态下亚共析钢金相组织

图3 魏氏体金相组织

3 结语

综上所述，贯流式锅炉是一种出色且先进的锅炉型式，因其体积小、结构紧凑、易于管理、安全性高等优点，使其在未来有着独特的市场优势和发展前景，但它的一些局限性也需要在实际应用场景中解决和考虑。虽然，其危险性较传统锅炉低，但在使用过程中的安全问题依然不容小视。使用方在锅炉运行过程中一定要严格遵守锅炉使用的各类相关规定，并在下次检验日期前一个月向具有相应资质的特种设备检验机构提出申请，并配合检验机构按时进行锅炉检验，才能保证锅炉的安全与节能运行。