某发电公司炉膛燃烧器雨淋阀冻裂分析

方 伟

（江苏镇江发电有限公司，江苏镇江 212001）

0 引言

某发电公司采用2×630 MW的发电机组，锅炉型号为SG-1913／25.4-M951超临界压力直流炉。每台炉配有4只燃烧器，分别布置于锅炉炉膛下部四角位置。为防止意外情况发生，在每组燃烧器周围各布置了一组隔膜式雨淋阀［1］。隔膜式雨淋阀平时装在隔膜室出口，管路上有一只电磁阀，处于常闭状态，控制腔通过控制管路与供水侧导通，维持隔膜室内水压，使阀处在关闭状态。当有火情发生并被火灾报警系统探测到后，经控制柜判断确认，向电磁阀发出开启信号，电磁阀被打开，隔膜室压力下降，雨淋阀开启，水从开式喷头喷向整个保护区，执行灭火功能。在火情时，可通过遥控按钮、就地应急站、非电控远程启动装置等紧急开启雨淋阀。其结构如图1所示。

图1 雨淋阀结构

1 雨淋阀常见的冻裂现象

雨淋阀接在某发电公司高压消防水系统中，正常情况下，压力维持在1.2 MPa。由于雨淋阀上的控制、试验等管路较多且密集，其中包含多个手动阀、电磁阀。到了冬季寒冷季节，雨淋阀中的部分管路或阀门就会发生冻裂、漏水现象［2］，给在运机组的安全生产带来一定的威胁。对此现象，曾采取了一系列措施，例如：给整个雨淋阀包上岩棉保温［3］，并加上铁皮保温箱，但当环境温度低至-5℃时，仍然不能抵御寒冷，而再次发生冻裂漏水的现象，后又在每只雨淋阀的保温箱内放置了暖宝宝，但雨淋阀再次发生冻裂漏水故障。为了机组安全考虑，决定暂时关闭雨淋阀主水管道进水门，在环境温度低至-5℃时，停止雨淋阀运行。

2 雨淋阀冻裂的原因

（1）四角燃烧器雨淋阀位于锅炉房13 m高空，长期暴露于室外，四周无遮挡，寒冷的气温加上高处强大的气流，虽然在燃烧器雨淋阀上有常规保温，但也难以抵挡住外部寒冷的天气。这是由于高处的大风，能加快雨淋阀及其管道周围空气的流动，而常规保温很难做到密不透风，快速流动的冷空气就会通过保温层之间的缝隙，不断带走雨淋阀及其管道的热量，使其变得更加寒冷。

（2）雨淋阀管路主管路采用无缝钢管，控制、试验等管路采用镀锌钢管［4］。在日常运行中，雨淋阀供水管路中充满了压力为1.2 MPa、温度接近于环境温度的静态高压消防水，在没有火情的环境下，主管路、控制、试验管路中的水保持静止不流动的状态。在静水中，如果环境温度低于0℃，水温就会达到冰点（0℃），水中就会出现凝结核，慢慢的水在凝结核周围结晶形成了冰。而水的密度比冰的密度大，根据公式v＝m／ρ，由于水的密度是1 t／m3，冰的密度是0.9 t／m3，因此，同样质量下的水在结成冰以后，体积将会变大，周长也会因冰冻产生的伸长率也相应增加，这将会对雨淋阀管路产成一定的拉应力，其数值为：δ＝fy·ε1／ε2＝6 034.8 MPa，而雨淋阀管路采用的是镀锌管材质，其抗拉极限强度［5］为375～500 MPa；雨淋阀自身由灰铸铁QT450-10材料制造而成，其抗拉极限强度为450 MPa。因此，无论是雨淋阀还是其中的管路，它们的抗拉极限强度都远低于水结冰时产生的拉应力6 034.8 MPa，从而容易导致冬季雨淋阀内的水结冻后，雨淋阀及管路胀裂，发生漏水的现象。

（3）燃烧器雨淋阀外部保温材料，采用厚度为40 mm的岩棉保温板，由于岩棉保温的特性，其水汽渗透率高，湿阻因子小于1，在雨雪天气，水滴很容易渗入保温达到金属管道外层，虽然岩棉外部加装铁制保温箱，但由于雨淋阀周边所含管路较多而且集中，保温箱并不能起到很好的密封作用，雨水就会经过铝制保温箱上的缝隙，渗入保温箱内，并通过岩棉保温，到达雨淋阀及其管壁上，使雨淋阀及其管道壁温降低，直至降到0℃以下，产生冰冻。而且，由于岩棉的导热系数［6］为0.082 W／（m·K），相对较大，更容易与周围的冷空气交换热量，从而使保温内物件的温度降低，起不到很好的保温效果。

（4）在安装岩棉保温板时，由于裁剪时未按规范裁剪，出现了不规则图形或与要求尺寸不符的现象；搭接时没有交错搭接，而是拼接而成，接口处形成了冷热桥，导致部分管路未包好，直接裸露在外，影响保温效果；最后在用镀锌铁丝绑扎时，绑扎部位不均匀，跨度过大、过松等问题，致使岩棉保温与雨淋阀及金属管道外壁之间不能很好地贴合；加上运行过程中，由于外界风的吹动、管道振动、机械磨损等因素，保温层会出现不同程度的松动现象，使保温层与管壁间形成缝隙，从而使保温效果降低。

3 防止雨淋阀冻裂的措施

（1）让雨淋阀中静止不动的水流动起来。一旦水流动起来，水分子就不能在凝结核周围有序聚集，从而不易凝结成冰。但是，由于雨淋阀的工作特征，如果水流动起来，就会形成压差，有了压差，雨淋阀内部的平衡就会被打破，使雨淋阀在未发生火情的时候动作，从而影响机组安全运行。因此，这一方法不可行。

（2）关闭雨淋阀主管路进水门，让雨淋阀内部无水供应。雨淋阀内部无水，自然也就不会结冻，不会结冻也就不会被冻裂漏水。但是，如果雨淋阀无水供应，雨淋阀就形同虚设，失去了应有的保护作用。在炉膛燃烧器遇到突发情况，有火情危险时，就不能自行动作灭火，易造成设备、人员的伤亡事故。这一措施，只有在雨淋阀因为故障迫不得已需要退出运行时才可以使用，在正常运行过程中应当尽量避免。因此该方法不可行。

（3）使用电伴热、蒸汽伴热。寒冷天气里，在雨淋阀外部加装一套电气或蒸汽装置对其进行加热，让雨淋阀及其管道内的水温能够保持在0℃以上，从而破坏水结冰的条件。但是，由于锅炉房燃烧器4个角共有8个雨淋阀，相邻雨淋阀之间相距约20 m，这就需要铺设较长的电缆及管路，而且还需要准备专门的电源和汽源，不仅增加了施工成本，而且雨淋阀管路复杂，存在漏电、漏汽的安全风险。这一方法虽可行，但施工较为复杂，成本较高。

（4）选用一种保温效果较好的保温材料［7］，使雨淋阀管道中的水温，在寒冷天气中始终高于0℃。根据现场雨淋阀的位置、管路走向、结构布置、实际使用情况、工作特性等，对有关保温材料进行了分析，其保温特性如表1所示。

表1 保温材料特性表

可以看出，橡塑绝热保温［8］，隔热性能要好于岩棉与硅酸铝，略逊于聚氨酯预制保温材料。但聚氨酯预制保温材料适用温度在50～160℃，而某发电公司高压消防水日常温度在5～40℃范围内，不适合使用聚氨酯预制保温。因此，从保温效果上来看，橡塑绝热保温材料较为适合做某发电公司雨淋阀保温材料。目前，市场上出现了一种新型的保温材料，即在橡塑保温的基础上，在其外部又增加了一层铝箔层，其湿阻因子为1.1×104，不仅能进一步提高材料的隔热效果，而且使其具有防火防水功能。背面自带的自粘功能，又让它能够无缝紧贴管道外壁，无需另外使用胶粘。并且，此种材料价格低廉，易于施工。综合来看，比较适合作为雨淋阀防冻的材料。

通过对以上方案的分析比较，最终选用第4种方案，即带铝箔橡塑保温自粘材料，作为雨淋阀防冻保温材料。接下来就开始着手采购，并组织人员进行实施。由于施工较为简便，于是一次性对＃5、＃6炉现场共8只燃烧器雨淋阀及其管路实施了此方案的防冻处理工作，共2人用时2天，材料费用共120元。施工完成投入使用后未发生一例由于天气寒冷造成雨淋阀管路冻裂的现象。期间，还经历了冬季-8℃的寒冷气温的严竣考验，各雨淋阀无一处出现冻裂漏水现象。至此，通过对雨淋阀漏水现象的分析与判断，采用了较为合理的处理方案，使其在投入更低的施工费用，更加简单、快捷的工艺方法的前提下，彻底解决了某发电公司一到冬天燃烧器雨淋阀就出现冻裂漏水的事件。

4 结束语

某发电公司的燃烧器雨淋阀一到冬季，气温低于零下时，就容易被冻裂漏水。本文经过对环境、材质、冻裂机理的分析，得出了由于传统岩棉保温的局限性，使得水管及管内介质温度随着环境温度降低而降低。并且在保温施工及生产过程中，因保温松动，使之与管壁间产生环向间隙，进一步降低了保温效果，直到最终结冰，冻裂水管。在综合比较了几个方案后，最终选用了价格低廉、施工简便、保温好的材料作为雨淋阀的防冻措施。实践证明，在采取此措施后，雨淋阀收到了良好的效果。在经历冬季严寒天气（-8℃）时，燃烧器雨淋阀仍正常工作，未发生一起被冻裂漏水现象。