某發(fā)電公司爐膛燃燒器雨淋閥凍裂分析

方 偉

（江蘇鎮(zhèn)江發(fā)電有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212001）

0 引言

某發(fā)電公司采用2×630 MW的發(fā)電機(jī)組，鍋爐型號為SG-1913／25.4-M951超臨界壓力直流爐。每臺爐配有4只燃燒器，分別布置于鍋爐爐膛下部四角位置。為防止意外情況發(fā)生，在每組燃燒器周圍各布置了一組隔膜式雨淋閥［1］。隔膜式雨淋閥平時裝在隔膜室出口，管路上有一只電磁閥，處于常閉狀態(tài)，控制腔通過控制管路與供水側(cè)導(dǎo)通，維持隔膜室內(nèi)水壓，使閥處在關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)有火情發(fā)生并被火災(zāi)報警系統(tǒng)探測到后，經(jīng)控制柜判斷確認(rèn)，向電磁閥發(fā)出開啟信號，電磁閥被打開，隔膜室壓力下降，雨淋閥開啟，水從開式噴頭噴向整個保護(hù)區(qū)，執(zhí)行滅火功能。在火情時，可通過遙控按鈕、就地應(yīng)急站、非電控遠(yuǎn)程啟動裝置等緊急開啟雨淋閥。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雨淋閥結(jié)構(gòu)

1 雨淋閥常見的凍裂現(xiàn)象

雨淋閥接在某發(fā)電公司高壓消防水系統(tǒng)中，正常情況下，壓力維持在1.2 MPa。由于雨淋閥上的控制、試驗等管路較多且密集，其中包含多個手動閥、電磁閥。到了冬季寒冷季節(jié)，雨淋閥中的部分管路或閥門就會發(fā)生凍裂、漏水現(xiàn)象［2］，給在運機(jī)組的安全生產(chǎn)帶來一定的威脅。對此現(xiàn)象，曾采取了一系列措施，例如：給整個雨淋閥包上巖棉保溫［3］，并加上鐵皮保溫箱，但當(dāng)環(huán)境溫度低至-5℃時，仍然不能抵御寒冷，而再次發(fā)生凍裂漏水的現(xiàn)象，后又在每只雨淋閥的保溫箱內(nèi)放置了暖寶寶，但雨淋閥再次發(fā)生凍裂漏水故障。為了機(jī)組安全考慮，決定暫時關(guān)閉雨淋閥主水管道進(jìn)水門，在環(huán)境溫度低至-5℃時，停止雨淋閥運行。

2 雨淋閥凍裂的原因

（1）四角燃燒器雨淋閥位于鍋爐房13 m高空，長期暴露于室外，四周無遮擋，寒冷的氣溫加上高處強(qiáng)大的氣流，雖然在燃燒器雨淋閥上有常規(guī)保溫，但也難以抵擋住外部寒冷的天氣。這是由于高處的大風(fēng)，能加快雨淋閥及其管道周圍空氣的流動，而常規(guī)保溫很難做到密不透風(fēng)，快速流動的冷空氣就會通過保溫層之間的縫隙，不斷帶走雨淋閥及其管道的熱量，使其變得更加寒冷。

（2）雨淋閥管路主管路采用無縫鋼管，控制、試驗等管路采用鍍鋅鋼管［4］。在日常運行中，雨淋閥供水管路中充滿了壓力為1.2 MPa、溫度接近于環(huán)境溫度的靜態(tài)高壓消防水，在沒有火情的環(huán)境下，主管路、控制、試驗管路中的水保持靜止不流動的狀態(tài)。在靜水中，如果環(huán)境溫度低于0℃，水溫就會達(dá)到冰點（0℃），水中就會出現(xiàn)凝結(jié)核，慢慢的水在凝結(jié)核周圍結(jié)晶形成了冰。而水的密度比冰的密度大，根據(jù)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，同樣質(zhì)量下的水在結(jié)成冰以后，體積將會變大，周長也會因冰凍產(chǎn)生的伸長率也相應(yīng)增加，這將會對雨淋閥管路產(chǎn)成一定的拉應(yīng)力，其數(shù)值為：δ＝fy·ε1／ε2＝6 034.8 MPa，而雨淋閥管路采用的是鍍鋅管材質(zhì)，其抗拉極限強(qiáng)度［5］為375～500 MPa；雨淋閥自身由灰鑄鐵QT450-10材料制造而成，其抗拉極限強(qiáng)度為450 MPa。因此，無論是雨淋閥還是其中的管路，它們的抗拉極限強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于水結(jié)冰時產(chǎn)生的拉應(yīng)力6 034.8 MPa，從而容易導(dǎo)致冬季雨淋閥內(nèi)的水結(jié)凍后，雨淋閥及管路脹裂，發(fā)生漏水的現(xiàn)象。

（3）燃燒器雨淋閥外部保溫材料，采用厚度為40 mm的巖棉保溫板，由于巖棉保溫的特性，其水汽滲透率高，濕阻因子小于1，在雨雪天氣，水滴很容易滲入保溫達(dá)到金屬管道外層，雖然巖棉外部加裝鐵制保溫箱，但由于雨淋閥周邊所含管路較多而且集中，保溫箱并不能起到很好的密封作用，雨水就會經(jīng)過鋁制保溫箱上的縫隙，滲入保溫箱內(nèi)，并通過巖棉保溫，到達(dá)雨淋閥及其管壁上，使雨淋閥及其管道壁溫降低，直至降到0℃以下，產(chǎn)生冰凍。而且，由于巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)［6］為0.082 W／（m·K），相對較大，更容易與周圍的冷空氣交換熱量，從而使保溫內(nèi)物件的溫度降低，起不到很好的保溫效果。

（4）在安裝巖棉保溫板時，由于裁剪時未按規(guī)范裁剪，出現(xiàn)了不規(guī)則圖形或與要求尺寸不符的現(xiàn)象；搭接時沒有交錯搭接，而是拼接而成，接口處形成了冷熱橋，導(dǎo)致部分管路未包好，直接裸露在外，影響保溫效果；最后在用鍍鋅鐵絲綁扎時，綁扎部位不均勻，跨度過大、過松等問題，致使巖棉保溫與雨淋閥及金屬管道外壁之間不能很好地貼合；加上運行過程中，由于外界風(fēng)的吹動、管道振動、機(jī)械磨損等因素，保溫層會出現(xiàn)不同程度的松動現(xiàn)象，使保溫層與管壁間形成縫隙，從而使保溫效果降低。

3 防止雨淋閥凍裂的措施

（1）讓雨淋閥中靜止不動的水流動起來。一旦水流動起來，水分子就不能在凝結(jié)核周圍有序聚集，從而不易凝結(jié)成冰。但是，由于雨淋閥的工作特征，如果水流動起來，就會形成壓差，有了壓差，雨淋閥內(nèi)部的平衡就會被打破，使雨淋閥在未發(fā)生火情的時候動作，從而影響機(jī)組安全運行。因此，這一方法不可行。

（2）關(guān)閉雨淋閥主管路進(jìn)水門，讓雨淋閥內(nèi)部無水供應(yīng)。雨淋閥內(nèi)部無水，自然也就不會結(jié)凍，不會結(jié)凍也就不會被凍裂漏水。但是，如果雨淋閥無水供應(yīng)，雨淋閥就形同虛設(shè)，失去了應(yīng)有的保護(hù)作用。在爐膛燃燒器遇到突發(fā)情況，有火情危險時，就不能自行動作滅火，易造成設(shè)備、人員的傷亡事故。這一措施，只有在雨淋閥因為故障迫不得已需要退出運行時才可以使用，在正常運行過程中應(yīng)當(dāng)盡量避免。因此該方法不可行。

（3）使用電伴熱、蒸汽伴熱。寒冷天氣里，在雨淋閥外部加裝一套電氣或蒸汽裝置對其進(jìn)行加熱，讓雨淋閥及其管道內(nèi)的水溫能夠保持在0℃以上，從而破壞水結(jié)冰的條件。但是，由于鍋爐房燃燒器4個角共有8個雨淋閥，相鄰雨淋閥之間相距約20 m，這就需要鋪設(shè)較長的電纜及管路，而且還需要準(zhǔn)備專門的電源和汽源，不僅增加了施工成本，而且雨淋閥管路復(fù)雜，存在漏電、漏汽的安全風(fēng)險。這一方法雖可行，但施工較為復(fù)雜，成本較高。

（4）選用一種保溫效果較好的保溫材料［7］，使雨淋閥管道中的水溫，在寒冷天氣中始終高于0℃。根據(jù)現(xiàn)場雨淋閥的位置、管路走向、結(jié)構(gòu)布置、實際使用情況、工作特性等，對有關(guān)保溫材料進(jìn)行了分析，其保溫特性如表1所示。

表1 保溫材料特性表

可以看出，橡塑絕熱保溫［8］，隔熱性能要好于巖棉與硅酸鋁，略遜于聚氨酯預(yù)制保溫材料。但聚氨酯預(yù)制保溫材料適用溫度在50～160℃，而某發(fā)電公司高壓消防水日常溫度在5～40℃范圍內(nèi)，不適合使用聚氨酯預(yù)制保溫。因此，從保溫效果上來看，橡塑絕熱保溫材料較為適合做某發(fā)電公司雨淋閥保溫材料。目前，市場上出現(xiàn)了一種新型的保溫材料，即在橡塑保溫的基礎(chǔ)上，在其外部又增加了一層鋁箔層，其濕阻因子為1.1×104，不僅能進(jìn)一步提高材料的隔熱效果，而且使其具有防火防水功能。背面自帶的自粘功能，又讓它能夠無縫緊貼管道外壁，無需另外使用膠粘。并且，此種材料價格低廉，易于施工。綜合來看，比較適合作為雨淋閥防凍的材料。

通過對以上方案的分析比較，最終選用第4種方案，即帶鋁箔橡塑保溫自粘材料，作為雨淋閥防凍保溫材料。接下來就開始著手采購，并組織人員進(jìn)行實施。由于施工較為簡便，于是一次性對＃5、＃6爐現(xiàn)場共8只燃燒器雨淋閥及其管路實施了此方案的防凍處理工作，共2人用時2天，材料費用共120元。施工完成投入使用后未發(fā)生一例由于天氣寒冷造成雨淋閥管路凍裂的現(xiàn)象。期間，還經(jīng)歷了冬季-8℃的寒冷氣溫的嚴(yán)竣考驗，各雨淋閥無一處出現(xiàn)凍裂漏水現(xiàn)象。至此，通過對雨淋閥漏水現(xiàn)象的分析與判斷，采用了較為合理的處理方案，使其在投入更低的施工費用，更加簡單、快捷的工藝方法的前提下，徹底解決了某發(fā)電公司一到冬天燃燒器雨淋閥就出現(xiàn)凍裂漏水的事件。

4 結(jié)束語

某發(fā)電公司的燃燒器雨淋閥一到冬季，氣溫低于零下時，就容易被凍裂漏水。本文經(jīng)過對環(huán)境、材質(zhì)、凍裂機(jī)理的分析，得出了由于傳統(tǒng)巖棉保溫的局限性，使得水管及管內(nèi)介質(zhì)溫度隨著環(huán)境溫度降低而降低。并且在保溫施工及生產(chǎn)過程中，因保溫松動，使之與管壁間產(chǎn)生環(huán)向間隙，進(jìn)一步降低了保溫效果，直到最終結(jié)冰，凍裂水管。在綜合比較了幾個方案后，最終選用了價格低廉、施工簡便、保溫好的材料作為雨淋閥的防凍措施。實踐證明，在采取此措施后，雨淋閥收到了良好的效果。在經(jīng)歷冬季嚴(yán)寒天氣（-8℃）時，燃燒器雨淋閥仍正常工作，未發(fā)生一起被凍裂漏水現(xiàn)象。