1概述

隨著西氣東輸?shù)裙こ躺钊肱c完成，以及北京、烏魯木齊、大慶等城市和地區(qū)供熱熱源“煤改氣”的實(shí)施，推動(dòng)了燃?xì)忮仩t的應(yīng)用。燃?xì)忮仩t一般多采用D型、0型、A型、p型[1-2]，這4種爐型基本按爐膛橫截面的形狀劃分。其中，D型、0型、A型鍋爐屬于中小容量的臥式鍋爐，耵型鍋爐屬于大型立式鍋爐。這4種爐型均采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，消除了煙氣泄漏，降低了熱損失，提高了鍋爐熱效率，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝期短、熱效率高、噪聲低、能耗小、污染物排放低、使用壽命長(zhǎng)(設(shè)計(jì)使用壽命為30a)、適應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程控制運(yùn)行及故障保護(hù)功能。

國(guó)內(nèi)對(duì)蒸發(fā)量在75t／h以上的大功率燃?xì)庹羝仩t的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)稍顯不足，開發(fā)工作大多是建立在借鑒引進(jìn)的歐美小型燃?xì)庹羝仩t的基礎(chǔ)之上。由我國(guó)自主設(shè)計(jì)的大功率燃?xì)庹羝仩t在運(yùn)行使用過程中多有振動(dòng)、爆管等問題出現(xiàn)。本文對(duì)某蒸發(fā)量為160t／h的燃?xì)庹羝仩t水冷壁爆管原因及處理方法進(jìn)行探討。

2事故概況

某熱電廠燃?xì)忮仩t房配置1臺(tái)蒸發(fā)量為160t／h的燃?xì)庹羝仩t(D型)，配置2臺(tái)燃燒器，在運(yùn)行期間，多次出現(xiàn)爆管事故。水冷壁爆管現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

爆管位于爐膛兩側(cè)水冷壁，距鍋爐前墻2.5～3.0m，爆管高度基本為爐膛中心高度。爆管周圍水冷壁有結(jié)焦現(xiàn)象，見圖2。對(duì)爆管位置水冷壁管子解剖發(fā)現(xiàn)，管子內(nèi)部幾乎無結(jié)垢現(xiàn)象。

3運(yùn)行情況調(diào)查

燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)參數(shù)為：爐膛長(zhǎng)度(進(jìn)深)為9.7m，爐膛寬度為6.0m，爐膛平均高度為4.62m。爐膛容積約為268m3，采用強(qiáng)制通風(fēng)、微正壓燃燒。水處理采用爐外化學(xué)處理(鈉離子交換器)，經(jīng)取樣化驗(yàn)，軟化水硬度(硬度以軟化水中鈣、鎂離子的總濃度衡量)0.8mmol／L，pH值為7.4，屬于正常范圍，符合GB 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的要求。燃燒器為旋流式燃燒器(見圖3)，兩臺(tái)旋流燃燒器安裝位置見圖4，旋流燃燒器安裝高度基本為爐膛中心高度。運(yùn)行過程中振動(dòng)情況良好，額定負(fù)荷下，每臺(tái)燃燒器耗氣量約6400m3／h。

4鍋爐爆管原因分析

一般情況下，燃油燃?xì)忮仩t出現(xiàn)爆管的主要原因?yàn)椋?/p>

①鍋爐本身質(zhì)量問題：如水冷壁管子材質(zhì)以及管壁厚度問題；水動(dòng)力失衡；煙氣不流暢，有渦流導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生斷管。

②管內(nèi)結(jié)垢：供水水質(zhì)差，硬度高，管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重。

③缺水干燒：當(dāng)給水系統(tǒng)局部發(fā)生故障或者鍋爐房?jī)?nèi)數(shù)臺(tái)鍋爐存在給水分配不當(dāng)時(shí)，容易造成爐內(nèi)水循環(huán)失衡，局部缺水或者水動(dòng)力下降，導(dǎo)致干燒而爆管。

④燃燒器：燃燒器燃燒狀況不佳，有嚴(yán)重振動(dòng)?；蛘呤侨紵鹧嫘螤钆c爐膛不匹配，火焰沖刷水冷壁面，造成部分水冷壁面溫度過高，導(dǎo)致爆管。

該鍋爐的各項(xiàng)材質(zhì)檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)，管內(nèi)也沒有明顯結(jié)垢現(xiàn)象，也不存在缺水干燒的問題。因此，**可能是燃燒器存在問題。在布置兩臺(tái)旋流式燃燒器時(shí)，為了使單臺(tái)燃燒器的火焰能自由擴(kuò)展，形成必要的回流區(qū)，并不使火焰相互干擾，應(yīng)保持兩臺(tái)旋流式燃燒器之間有一定距離。為了避免火焰撞擊側(cè)墻或爐底，應(yīng)保持燃燒器與側(cè)墻以及爐底之間有一定距離。這些距離*小值范圍為：相鄰燃燒器中心距(2.5～3.0)d，燃燒器中心線與側(cè)墻的距離(3.0～3.5)d，d表示喉口直徑。

這兩臺(tái)旋流式燃燒器采用前墻水平布置，安裝位置見圖4，喉口直徑d為866mm。2臺(tái)燃燒器中心線距離2500mm，符合上述要求。喉口中心到側(cè)墻距離1700mm，遠(yuǎn)小于燃燒器中心線與側(cè)墻距離*小限值。燃燒器廠家提供的數(shù)據(jù)，火焰直徑為3500mm，即火焰半徑為1750mm，大于喉口中心到側(cè)墻的距離。

綜上所述，旋流式燃燒器產(chǎn)生的火焰半徑過大，沖刷側(cè)墻水冷壁，使得局部溫度過高。導(dǎo)致水冷壁表面結(jié)焦，傳熱性能下降，管子局部溫度升高，金相組織發(fā)生變化，造成材質(zhì)劣化，強(qiáng)度下降。當(dāng)爐溫降低或者停爐時(shí)，管壁溫度降低，管壁的結(jié)碳以及氧化層脫落，管壁逐漸變薄、變形，*終因強(qiáng)度不足導(dǎo)致局部爆破漏水。

5解決方法

由以上分析可知，要解決鍋爐爆管問題，就要避免火焰沖刷兩側(cè)水冷壁。可采取的措施包括：**種措施：加大爐膛寬度，重新布置燃燒器水平位置；**種措施：縮小燃燒器火焰直徑。**種措施的工程量大，因此考慮采取**種措施，下面我們對(duì)**種措施的可行性及效果進(jìn)行分析。

燃燒器原喇叭形喉口的擴(kuò)散角約45°，喇叭形喉口使空氣向外擴(kuò)散流動(dòng)，進(jìn)而使得火焰擴(kuò)散。特別是當(dāng)相鄰兩臺(tái)燃燒器的喇叭形喉口內(nèi)空氣的旋流方向相反時(shí)，氣流流出喉口后更容易發(fā)生碰撞，使火焰更容易沖刷兩側(cè)水冷壁。

因此，考慮將喇叭形喉口改造成直筒形喉口。直筒形喉口優(yōu)于喇叭形喉口的原因?yàn)椋褐蓖残魏砜谌菀字圃?，而且造價(jià)較低。*重要的是，直筒形喉口可縮小火焰直徑，防止兩臺(tái)燃燒器之間氣流的強(qiáng)烈碰撞，從而解決火焰沖刷兩側(cè)水冷壁的問題。

改造方案：為每臺(tái)燃燒器加裝一個(gè)直筒形不銹鋼喉口，并將空缺部分進(jìn)行封堵，改造后的直筒形喉口結(jié)構(gòu)見圖5，圖中數(shù)值單位為mm。將原來的喇叭形喉口改造成直筒形喉口，并保持前墻厚度不變，使得氣流能夠相對(duì)收縮，從而縮小火焰直徑。圖5中hmax為射流邊界的**穿透深度[3]，經(jīng)校核計(jì)算，射流邊界的**穿透深度hmax=228 mm，小于燃?xì)鈬娮斓胶砜诘木嚯x(300mm)，未觸碰到燃燒器喉口，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)CFD仿真，擁有改造后的火焰形態(tài)，見圖6。由圖6可知，火焰未沖刷爐膛兩側(cè)水冷壁，火焰直徑、長(zhǎng)度合適，與爐膛匹配度好。改造后運(yùn)行滿一年，未再出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，燃燒器工作平穩(wěn)。