熱水鍋爐運(yùn)行安全性問題探討

許 巖

(山東大學(xué)基建部，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

熱水采暖在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上有很多優(yōu)點(diǎn)，一般比蒸汽采暖節(jié)約燃料30%，而且維修費(fèi)用低，安全性好，采暖質(zhì)量高。目前熱水采暖絕大部分是由熱水鍋爐提供的，這部分熱水鍋爐有相當(dāng)大的比例是由蒸汽鍋爐改造或爐型改造而成的，現(xiàn)在熱水鍋爐裝機(jī)容量達(dá)15萬臺(tái)、28萬蒸噸，約占在用工業(yè)鍋爐總量的28.5%。將蒸汽鍋爐改為熱水鍋爐的另外一個(gè)原因是當(dāng)初的汽水換熱器水平偏低，凝結(jié)水大量散失熱量使汽水換熱的熱水采暖方式?jīng)]有得到很好的應(yīng)用。

1 熱水鍋爐運(yùn)行中存在的諸多問題

熱水采暖目前主要采用熱水鍋爐，通過幾十年的使用發(fā)現(xiàn)了很多問題，例如過冷沸騰問題、受熱面結(jié)露腐蝕問題、受熱面損壞等，這些問題又導(dǎo)致了熱水鍋爐頻繁修理，年修理費(fèi)用是蒸汽鍋爐的10倍以上等諸多問題。所以說，熱水采暖相比蒸汽采暖有很大的優(yōu)越性，但是蒸汽鍋爐相對(duì)于熱水鍋爐卻有很多優(yōu)越性。隨著換熱器技術(shù)的發(fā)展，特別是強(qiáng)制湍流換熱器技術(shù)的出現(xiàn)，使蒸汽鍋爐與熱水采暖得到了有效的銜接。

近年來，熱水鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)了很多問題，如：裂紋、腐蝕、泄露等等，于是有些業(yè)內(nèi)人士對(duì)熱水鍋爐的真實(shí)安全性產(chǎn)生了懷疑。筆者認(rèn)為，在正常的運(yùn)行狀態(tài)下鍋爐部件不產(chǎn)生損壞才能夠認(rèn)為鍋爐是安全的，不能夠以是否產(chǎn)生爆炸作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，在正常工作狀態(tài)下任何鍋爐都是安全的，只不過從安全性上講蒸汽鍋爐相對(duì)于熱水鍋爐更安全。

雖然出現(xiàn)了這些問題，對(duì)熱水鍋爐起決定作用的《熱水鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》卻只對(duì)鍋爐的額定工作壓力進(jìn)行了限制，沒有對(duì)上述問題進(jìn)行解決，問題依然存在，浪費(fèi)依然嚴(yán)重。具體分析如下。

1.1 過冷沸騰

1.1.1問題的重要性

雖然熱水鍋爐運(yùn)行時(shí)鍋爐水不產(chǎn)生相變即不汽化，但是在鍋爐的較強(qiáng)受熱面上同樣發(fā)生著相變即過冷沸騰，雖然這種汽化對(duì)整個(gè)鍋爐來講是不會(huì)產(chǎn)生爆炸，即通常人們認(rèn)為的不存在安全問題。

安全問題包括很多方面，作為過冷沸騰問題筆者認(rèn)為是一個(gè)很重要的問題。過去有很多同仁對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了討論，共識(shí)是過冷沸騰會(huì)引起受熱面?zhèn)鳠釔夯?、產(chǎn)生水垢、受熱面燒壞等一系列問題。所以，過冷沸騰應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是除鍋爐爆炸以外最重要的安全問題。

1.1.2過冷沸騰的形成

過冷沸騰又稱表面沸騰。受熱面的溫度尚未達(dá)到飽和溫度時(shí)一般是不會(huì)產(chǎn)生汽化的，但是如果受熱面的熱強(qiáng)度過高即溫度過高，超過水的飽和溫度時(shí)，在局部貼近受熱面壁層的水達(dá)到和超過飽和溫度，在受熱面上形成氣泡，這種沸騰狀態(tài)稱為過冷沸騰。

熱水鍋爐內(nèi)的工質(zhì)溫度都比飽和溫度低，所以水是處于過冷狀態(tài)，存在一定的欠焓值，在正常的熱負(fù)荷和質(zhì)量流速等狀態(tài)下，受熱面不會(huì)產(chǎn)生過冷沸騰。但是如果熱負(fù)荷和質(zhì)量流速設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)過冷沸騰[1]。

1.1.3形成過冷沸騰的另一個(gè)重要條件——工作壓力

熱水鍋爐的工作壓力不取決于它的額定參數(shù)，而是取決于熱力系統(tǒng)的流動(dòng)阻力和定壓值，相對(duì)于這個(gè)壓力值要往往低于額定參數(shù)。

這個(gè)工作壓力問題往往被很多人忽視，它決定著飽和溫度的問題同時(shí)也決定著過冷沸騰問題。

1.1.4計(jì)算實(shí)例

將φ51×3鍋爐水冷壁管作為案例，鍋爐管熱負(fù)荷強(qiáng)度約為60 000 kcal/m2，現(xiàn)計(jì)算各類管內(nèi)流速下的內(nèi)部換熱系數(shù)、管壁與水的溫差和管道內(nèi)壁溫度及該溫度下水的飽和溫度。內(nèi)部換熱系數(shù)使用下式計(jì)算：

1.1.5理論分析

表1 計(jì)算結(jié)果

從表1可得出，管道內(nèi)壁溫和其中的水流速度關(guān)聯(lián)較大。熱水鍋爐若采用單純自然對(duì)流式循環(huán)，那么管內(nèi)(上升管)水流速度不容易達(dá)到0.2 m/s(相當(dāng)多鍋爐的上升管內(nèi)水流速度大多小于0.1 m/s)，這時(shí)如果要求不產(chǎn)生表面沸騰，則水壓應(yīng)達(dá)到0.44 MPa，而表壓應(yīng)達(dá)到0.4 MPa，假設(shè)使用前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)0.6 m/s的上升管內(nèi)水流速度的強(qiáng)行循環(huán)，那么水壓有0.1 MPa就能避免過冷沸騰。

1.1.6法規(guī)分析

《熱水鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第127條規(guī)定“鋼制熱水鍋爐的出口壓力不應(yīng)低于額定出口熱水溫度加20 ℃相應(yīng)的飽和壓力”額定壓力為設(shè)計(jì)壓力。額定出/進(jìn)水溫度95/70的鍋爐規(guī)定其額定壓力為0.4 MPa(小于0.7 MW)和0.7 MPa(大于0.7 MW)。

從條文的規(guī)定可以看出這兩個(gè)規(guī)定過于機(jī)械，單純從額定出口壓力上規(guī)定鍋爐的工作壓力或額定工作壓力是錯(cuò)誤的。

1.2 受熱面結(jié)露腐蝕

1.2.1問題的提出

熱水鍋爐特別是供暖熱水鍋爐是供暖循環(huán)的心臟，其運(yùn)行壽命的長短會(huì)對(duì)供熱經(jīng)濟(jì)性有極大的影響，這些鍋爐都存在程度不同的酸性腐蝕問題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱水鍋爐大部分的修理周期1年～4年，修理費(fèi)用基本在鍋爐價(jià)值的1/4～1/2，浪費(fèi)十分嚴(yán)重。

1.2.2酸性腐蝕形成的條件

首先煙氣當(dāng)中要是包含SO3以及SO2氣體，隨后在受熱面上就會(huì)有水膜的產(chǎn)生即結(jié)露。在鍋爐燃煤當(dāng)中包含硫，在煤的燃燒過程當(dāng)中就產(chǎn)生了SO3以及SO2氣體，SO3以及SO2氣體溶解到水膜中就會(huì)產(chǎn)生硫酸和亞硫酸，該酸將會(huì)對(duì)金屬造成酸性腐蝕作用。

1.2.3酸性腐蝕條件的形成

低溫腐蝕的發(fā)生主要原因是煙氣中SO3的產(chǎn)生，而且與煙氣之中的煙氣露點(diǎn)溫度和水蒸汽露點(diǎn)溫度高低有著緊密關(guān)系。SO3的產(chǎn)生率在本層燃鍋爐的生成率在0.016～0.029之間，水蒸汽的露點(diǎn)溫度約在35 ℃～65 ℃之間(燃煤中的含水量越高，水蒸汽的露點(diǎn)溫度也就越高)。酸蒸汽的露點(diǎn)溫度大于水蒸汽的露點(diǎn)溫度，而且隨酸蒸汽壓力的上升而劇烈上升。對(duì)于使用含硫量多的燃煤，其煙氣的酸露點(diǎn)溫度較多都在100 ℃以上。因而，如果鍋爐金屬內(nèi)壁溫度在酸露點(diǎn)溫度之下，將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的低溫腐蝕[1]。

1.2.4本例鍋爐狀態(tài)分析

本例鍋爐產(chǎn)生酸性腐蝕的焦點(diǎn)是鍋爐水冷壁管內(nèi)壁溫度是否足夠低并達(dá)到酸蒸汽結(jié)露的條件。

本例鍋爐型號(hào)為DZL14-1.0/95/70，是李之光教授主持設(shè)計(jì)的翼型煙道煙水管鍋爐，它屬于半強(qiáng)制循環(huán)熱水鍋爐，根據(jù)設(shè)計(jì)有50%的回水進(jìn)入鍋爐下降管后與引射的鍋水混合進(jìn)入集箱和水冷壁管。根據(jù)熱力計(jì)算，水冷壁內(nèi)循環(huán)水吸收總熱量的50%，設(shè)計(jì)溫升25 ℃，實(shí)際溫升在15 ℃～20 ℃之間，所以水冷壁管內(nèi)的平均壁溫是回水溫度溫升的1/2。根據(jù)引言所述，水冷壁管內(nèi)循環(huán)水平均溫度經(jīng)計(jì)算是45 ℃～65 ℃。因鍋爐設(shè)計(jì)流量是高溫鍋爐的1倍，在鍋爐水冷壁管的截面面積沒有變化的情況下，循環(huán)水流速是前者的1倍，因此水冷壁的水冷度要比原設(shè)計(jì)大。

1.2.5本例鍋爐酸性腐蝕宏觀分析

如圖1所示是壁溫對(duì)腐蝕速度的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。根據(jù)上述分析能得出，如果鍋爐水冷壁的循環(huán)水溫度較低，低于酸蒸汽的露點(diǎn)溫度，在水冷壁管上會(huì)產(chǎn)生亞硫酸、硫酸和鹽酸的混合溶液，對(duì)金屬管壁產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕。

1.2.6腐蝕機(jī)理的理論分析

鍋爐水冷壁溫度低是造成本例腐蝕的主要原因，因而計(jì)算水冷壁的金屬壁溫極為重要。

1)金屬壁溫的確定方法。鍋爐爐膛受熱面金屬管壁的壁溫經(jīng)常比其中的工作介質(zhì)溫度高，它們之間的溫差與受熱面的熱負(fù)荷q、管壁與工作介質(zhì)間的放熱系數(shù)α2、金屬管壁及水垢層的厚度δj及δg和它們的導(dǎo)熱系數(shù)λj及λg等有關(guān)。如受熱面的熱負(fù)荷越大、由管壁至工質(zhì)的放熱系數(shù)越小、管壁及水垢層的厚度越大及它們的導(dǎo)熱系數(shù)越小，則金屬管壁與公制之間的溫差越大[2]。

本例鍋爐在鍋爐新運(yùn)行時(shí)就發(fā)現(xiàn)管壁結(jié)灰基本可以視為無垢運(yùn)行。

2)金屬壁溫的計(jì)算。一般情況下，鍋爐水冷壁金屬壁溫是選定的，本例鍋爐的金屬壁溫在強(qiáng)度計(jì)算上tb=tbh+60[1]，計(jì)算出來的tb=95+60=155 ℃，很明顯壁溫與事實(shí)不符。

水冷壁管的外壁溫度計(jì)算公式為：

(1)

其中，q為最大熱負(fù)荷，kW/m2；t為工作介質(zhì)溫度，℃；Δt為溫度偏差，℃，本例中取0 ℃；μ為均流系數(shù)，本例中取0.9；β為管子外徑與內(nèi)徑的比，本例為57/50=1.14；δj為金屬壁厚，本例取3.5 mm；λj為鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，本例為44.2 W/(m·℃)；α2為管壁與工作介質(zhì)間的放熱系數(shù)，W/(m·℃)。

α2為內(nèi)壁與工作介質(zhì)間的放熱系數(shù)，工作介質(zhì)水的放熱非常強(qiáng)烈(放熱系數(shù)一般在5 000 W/(m·℃)以上)，因而此項(xiàng)熱阻完全可以忽略[3]。則由式(1)得:

代入數(shù)據(jù)可得:

twb=t+0.074q

(2)

本例中q取煙煤固態(tài)排渣最大熱負(fù)荷400 kW/m2，t取上述數(shù)值50 ℃，那么twb=50+0.074×400=79.6 ℃，很顯然其低于煙氣酸露點(diǎn)的溫度。

1.2.7產(chǎn)生酸性腐蝕的原因

管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流速對(duì)twb影響不大。由式(2)得出，最大熱負(fù)荷、管內(nèi)工作介質(zhì)溫度是影響管外壁溫度的主要因素，假設(shè)管內(nèi)工作介質(zhì)溫度固定時(shí)，例如平均溫度取50 ℃、外壁溫度不小于100 ℃，則最大熱負(fù)荷大于675 kW/m2，這是層燃鍋爐不可能出現(xiàn)的；此外能得出，如管內(nèi)工作介質(zhì)溫度小于一定溫度值時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行twb同樣小于酸露點(diǎn)溫度。而當(dāng)水冷壁內(nèi)介質(zhì)平均溫度低于69 ℃時(shí)，水冷壁的壁溫低于酸露點(diǎn)溫度，管外壁也會(huì)產(chǎn)生酸性腐蝕。

1.3 受熱面損壞

受熱面受損導(dǎo)致的鍋爐損壞占比重相當(dāng)大的是常壓鍋爐和自然循環(huán)熱水鍋爐，這些鍋爐除了存在過冷沸騰、酸性腐蝕外，還有因水質(zhì)要求偏低(在GB 1576標(biāo)準(zhǔn)中要求給水硬度不大于0.6 mmol/L)造成的鍋爐局部結(jié)垢使鍋爐受熱面過熱燒壞，循環(huán)水含氧量高和堿度偏低使鍋爐受壓部件水側(cè)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，長達(dá)6個(gè)～8個(gè)月的停爐受熱面煙側(cè)的酸性腐蝕等只有熱水鍋爐才會(huì)出現(xiàn)的受熱面損壞故障，這些故障導(dǎo)致鍋爐受熱面在1年～4年的時(shí)間里產(chǎn)生損壞，只有極少數(shù)的鍋爐修理期才能夠達(dá)到10年。而蒸汽鍋爐則不然，它的修理費(fèi)用是熱水鍋爐的1/10。

為了使熱水鍋爐循環(huán)水的pH值達(dá)到10以上，在循環(huán)水里需要加入大量的NaOH，Na3PO4等化學(xué)藥品，循環(huán)水泄漏的不說，到停止供暖時(shí)排入下水道就對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的污染。

2 熱水鍋爐存在問題的對(duì)策

循環(huán)流速是影響過冷沸騰的重要條件，不管是任何設(shè)計(jì)壓力的鍋爐，循環(huán)水流速不能低于0.2 m/s。在設(shè)計(jì)流速不小于0.2 m/s的工作狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)的工作壓力不能小于0.6 MPa。鍋爐的工作壓力不能夠由循環(huán)系統(tǒng)決定，應(yīng)該由上述流速和最低壓力而定。不能夠簡(jiǎn)單的采用升高壓力的方法解決過冷沸騰問題。在每種鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，要審查循環(huán)流速問題，同時(shí)將其列為一個(gè)主要內(nèi)容。

在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，必須計(jì)算出最低工作壓力并在實(shí)際使用時(shí)予以執(zhí)行。當(dāng)管內(nèi)工作介質(zhì)溫度在低于70 ℃運(yùn)行時(shí)，鍋爐雖然達(dá)到最大負(fù)荷，壁溫都會(huì)小于酸露點(diǎn)溫度，形成酸性腐蝕。工作介質(zhì)溫度是決定能否產(chǎn)生酸性腐蝕的重要因素。不管管內(nèi)工質(zhì)溫度如何，負(fù)荷的大小對(duì)管壁溫度的影響不大?？梢圆捎玫土蛎航档退崧饵c(diǎn)的溫度，工質(zhì)溫度可根據(jù)實(shí)際情況比70 ℃適當(dāng)降低。當(dāng)出現(xiàn)熱網(wǎng)熱水溫度低于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，鍋爐不能和熱網(wǎng)熱水相連；如果出現(xiàn)相連也要采取混水、換熱等手段提高鍋內(nèi)工質(zhì)溫度。

現(xiàn)在幾乎所有的熱水鍋爐普遍都是將鍋爐中的循環(huán)水系統(tǒng)直接與熱網(wǎng)相連，鍋爐的進(jìn)出水溫度取決于天氣情況，而不是取決于工質(zhì)溫度。所以必須采取措施加以解決。如果在一定場(chǎng)合非要選用或設(shè)計(jì)熱水鍋爐，應(yīng)當(dāng)選用強(qiáng)制循環(huán)的熱水鍋爐如角管式鍋爐，其他情況下應(yīng)當(dāng)選用蒸汽鍋爐加換熱器的方法解決。

3 結(jié)語

根據(jù)上述敘述和分析，常壓熱水鍋爐和承壓熱水鍋爐在運(yùn)行安全性方面存在諸多問題，在其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用等各階段都應(yīng)該準(zhǔn)確判斷可能出現(xiàn)的問題、分析問題產(chǎn)生的原因、找到合理的解決辦法予以規(guī)避，保證鍋爐運(yùn)行安全，盡可能延長使用壽命，提高投資效益。