天然氣加熱方式的綜合改進與工藝優化措施

上海鍋爐廠有限公司 辛 煒

上海鍋爐廠有限公司（以下簡稱上鍋公司）隸屬于上海電氣集團，是國內外知名的大型電站鍋爐設備設計制造企業，設計制造的各類產品遍及國內28個省、市、自治區，行銷世界30多個國家。

作為國內最重要的能源裝備制造商的上鍋公司，始終將為人類社會提供優質、高效、清潔的能源解決方案作為自己的使命。不僅著力于開發以大容量、高參數、低排放的超臨界電站鍋爐，在產品的制造過程中更是積極引入先進的節能管理方式、節能技術、節能設施設備，在產值、利潤連年增長的同時實現了單位產值能耗的持續下降。

上鍋公司自2005年起開始使用天然氣代替煤氣作為車間生產加熱用能源。天然氣是較為安全的能源之一，它不含一氧化碳，比空氣輕，一旦泄漏，立即會向上擴散，不易積聚形成爆炸性氣體，具有較高的安全性。采用天然氣作為能源，可以有效減少煤和石油的用量，大大改善環境污染問題；天然氣作為一種清潔能源，能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應，從根本上改善環境質量。

1 采用天然氣加熱的優勢

1）綠色環保：天然氣是一種潔凈環保的優質能源，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質，燃燒時產生二氧化碳少于其他化石燃料，因而能從根本上改善環境質量。

2）安全可靠：天然氣無毒、易散發，比重輕于空氣，不宜積聚成爆炸性氣體，是較為安全的燃氣。

3）經濟實惠：綜合考慮燃料的熱值及燃燒效率，按照2011年9月上海牌價為準，使用天然氣作為燃料的花費為煤氣的40%，電費的56%，柴油的18%，煤炭的118%。雖然看起來天然氣花費比煤炭貴，但采用煤炭作為燃料需要考慮其運輸成本和龐大的倉儲場地，煤炭的添加、爐渣的排放均需要繁重的勞動力，且對于車間日常生產來說，煤炭也并不適用。故綜合比較起來，使用天然氣的效益反而遠高于燃煤。

天然氣輸送安全方便且成本低廉，通常管道天然氣的穩定壓力值在0.0025MPa，不受溫度影響。并且天然氣清潔干凈，能延長燃燒器具的使用壽命，降低設備維護成本。綜合以上各方面因素考慮，使用天然氣加熱的方式比較適合上海鍋爐廠車間生產的需求。

2 集箱車間天然氣加熱現狀

集箱是電站鍋爐中各級管路系統蒸汽匯集的部件，其主要結構為直徑Φ219～Φ826mm的大口徑本體管上搭接數百甚至上千個小口徑管接頭。集箱的本體由幾段大口徑管通過埋弧自動焊拼接而成。在本體拼接過程中，需要對環縫進行準確均勻的預熱。而針對某些高等級材料，如SA335-P91、P92材料，在環縫焊接完成后需要立即加熱去氫處理，且去氫處理時的加熱溫度要求控制精確，加熱均勻。

目前上鍋公司集箱車間仍然通過使用煤氣噴射（俗稱“大炮筒”）的方式進行預熱和消氫，這種加熱方式無法準確控制加熱溫度和范圍，加熱不均勻，而且燃燒效率不高，污染環境，且對能源造成很大的浪費。同時采用大炮筒加熱，加熱溫度和時間完全取決于操作工人的主觀操作，加熱質量受人為操作因素影響而變數大。

圖1、圖2顯示出集箱管子表面結碳嚴重；圖3、圖4顯示出集箱加熱溫度不均勻。

圖1 、圖2顯示著成績集箱管子表面結碳情況嚴重

圖3 、圖4顯示集箱加熱溫度不均勻

3 集箱車間加熱改進措施

在車間生產制造中，通過引入國際先進的燃燒理念和方法，對天然氣燃燒器具的更新換代。采用先進的燃燒器具，能夠極大地改進產品加熱質量。在采用先進加熱方法的同時引入自動點/關火，自動控溫等加熱參數自動控制功能，減少人為因素干擾，使產品加熱均勻可控，從而改善產品質量。同時能夠提高能源的利用效率，改善生產車間的操作環境。使上鍋公司在天然氣預熱、消氫及熱處理工藝上遠遠領先于同行業競爭對手。

3.1 集箱環縫預熱/消氫裝置概述

集箱環縫預熱/消氫裝置專用于對集箱本體環縫焊前預熱，焊后消氫，能夠對集箱環縫進行均勻加熱，并能實現自動點火、測溫和控溫功能。

3.2 主要技術參數

1）工件參數

管子直徑：219～914mm

管子厚度：20～90mm

加熱寬度：≤200mm

材質：碳鋼、合金鋼

2）集箱環縫預熱/消氫裝置參數

適用氣源：天然氣

輸入電壓：36V

氣壓范圍：0.8～1.2kPa

功率：0.5kW

排放標準：＜800ppm

整機重量：200kg

流量：9m3/h

3.3 集箱環縫預熱/消氫裝置技術特點

1）該設備采用先進的金屬纖維天然氣燃燒技術，能夠使天然氣實現均勻完全燃燒，燃燒熱效率高且無污染，被加熱管件表面無結碳現象。

2）采用金屬纖維板結構，輻射對流加熱，不產生明火，安全環保。

3）加熱裝置結構設計合理，使用及調節方便，能夠覆蓋并滿足絕大部分規格集箱本體的加熱要求。

4）集集箱預熱與消氫的功能于一體，升溫迅速且能夠在一定溫度范圍內進行保溫，具備溫度測量功能。

5）能夠實現自動點火和自動關火，并能通過控制箱設定在工件達到一定溫度并經過一定時間后實現自動關火。

6）使用細煤氣管。結構輕便緊湊，便于車間操作。

3.4 來集箱環縫預熱/消氫裝置結構簡介

集箱預熱/消氫裝置主要由小車、加熱裝置、鼓風機和控制箱組成?？刂葡浒惭b于小車把手上，并具有測溫和溫度顯示功能?？刂葡浼煽刂葡到y，能夠根據工件溫度實現關火和自動調節燃氣流量控溫的功能。

加熱裝置由加熱板和支架構成，支架能夠實現寬度可調、角度可調、高度可調，以適應不同尺寸的工件。加熱板采用薄板金屬絲網結構，加熱板面積經過計算其熱效率能夠滿足本技術協議中規定的工件加熱要求。加熱裝置采用上下兩瓣、底部一片的五式結構，上下部同時加熱，以覆蓋整圈集箱環縫，能夠使集箱本體在不轉動的情況下完成預熱和消氫。

集箱預熱/消氫裝置結構及內部組件見圖5、圖6；集箱預熱/消氫裝置點火狀態及操作面板見圖7、圖8。

圖5 、圖6集箱預熱/消氫裝置結構及內部組件

圖7 、圖8集箱預熱/消氫裝置點火狀態及操作面板

3.5 集箱環縫預熱/消氫裝置使用情況

1）調試產品參數：3000-34/821548-D1-01（起動分離器異徑管拼接環縫）。

規格：Ф610×80

材質：SA335-P91

2）設備使用情況（ 見圖9、圖10）。

圖9 、圖10集箱預熱/消氫裝置工作狀態及停機后溫度數據

3）產品環縫預熱/消氫前，初始溫度140℃。設備設定溫度350℃，在此溫度下設定保溫2h。

4）設備從開始加熱至進入保溫狀態，所需時間為90min。

5)設備停止工作后，被加熱管件表面各點實測溫度為344℃～371℃。被加熱管件拼接環縫加熱區域偏移100mm位置（設備紅外線檢測點位置），使用手工測溫器實測溫度為310℃～330℃。

3.6 集箱環縫預熱/消氫裝置使用效果（見表1）

表1 集箱環縫預熱/消氫裝置試驗數據

1）集箱/管道/分離器拼接環縫使用該裝置進行預熱/消氫操作之后，環縫加熱溫度、時間實現了精確可控。拼接環縫焊后/熱處理后，經無損探傷檢查環縫合格率均為100%。

2）表中數據顯示，使用集箱環縫預熱/消氫裝置對管件環縫進行預熱/消氫操作，所消耗的天然氣（與大炮筒相比較），在相同的加熱時間、相同的氣壓（天然氣）情況下，該裝置的燃氣消耗量約為大炮筒的55%～60%，具有很好的經濟效益。

3）集箱環縫預熱/消氫裝置具有很高的熱效率，使用本裝置之后，被加熱管件表面均無結碳現象。

4 膜式車間管排預熱的現狀

拼排預熱采用簡易工裝，直接點燃天然氣進行預熱，預熱時可以通過閥門調節氣體流量來調節火焰大小，從而來控制預熱溫度。目前的預熱方式有如下缺點：

1）燃燒方式比較原始，燃燒效率不高；

2）燃燒不充分，導致管子表面經常結碳；

3）加熱區域不可調節，導致經常工件寬度遠小于加熱區域，造成能源浪費；

4）沒有溫度顯示和反饋信息；

5）工作環境比較惡劣。

圖11為管排使用煤氣爐加熱情況，管子表面結碳現象嚴重，而且預熱溫度不能滿足要求。

圖11 管排使用煤氣爐加熱情況

5 膜式車間管排預熱改進措施

通過開發一種新型的天然氣加熱裝置，來提升膜式管排焊前預熱質量，提高預熱的自動控制程度，減少人為因素干擾，同時提高能源利用效率并改善操作環境。

5.1 管排預熱裝置概述

管排預熱裝置專用于膜式水冷壁拼排焊前預熱，能夠對集箱環縫進行均勻加熱，并能實現自動點火、測溫和控溫功能。

5.2 主要技術參數

1）工件參數

使用設備：1.6m拼排焊機焊前預熱（現在采用45092-1219的工裝進行加熱）；

管子規格：Φ22mm～Φ89mm；壁厚：3.5mm～13mm；

管子材料：碳鋼、合金鋼；

管子行駛速度：0.9m/min～1.3m/min；

管排寬度：≤1600mm；

2）管排預熱裝置參數

預熱溫度：環境溫度-8℃狀況下管子上表面溫度在預熱結束1min后即行駛1.3m后不小于250℃；

預熱裝置采用下部加熱，上部加保溫裝置，加熱面需有保護裝置；

預熱裝置加熱面距管子底面約50mm、距地面約800mm。

5.3 管排預熱裝置技術特點

1）燃燒介質：管道天然氣及煤氣，壓力為實測車間最小壓力。

2）預熱裝置要求可以整體拆卸、組裝、清理。3）燃燒時不允許管子表面結碳。

4）預熱裝置整體受熱面寬度1600mm，長度（沿管子行進方向）約為1000mm，該裝置設計有3個回路，各回路可以單獨加熱，也可以自由組合預熱。

5）預熱裝置需包含上部保溫裝置，在持續燃燒下外表面溫度不超過環境溫度20℃；上蓋做成對稱打開裝置，便于其它操作；前后方底部開口高度150mm，寬度可調；前方需設置隔熱裝置，最大限度保證熱量不從前方輻射而出；保溫裝置內氣氛溫度不應超過790℃。

6）預熱裝置需2臺一組進行集中控制和分別管理設置。

7）控制系統包括點火（采用電子點火）、熄火、溫度測量（燃燒溫度、保溫罩氣氛溫度、焊前工件溫度測量）、溫度調整、溫度超限報警。

8）預熱裝置需2臺一組進行集中控制和分別管理設置。

9）預熱裝置控制系統需有簡單的存儲功能，可以存儲歷史數據從而可以調用歷史數據。

10）控制系統需開放開發權限及輸出權限，便于程序修正和數據導出。

5.4 管排預熱裝置使用情況（見表2）

1）管子規格：Φ76*9，材料：T91；行進速度：0.9～1.3m/min；測量位置：結束預熱后300mm左右管子上表面。

2） 管 子 規 格 ：Φ38*6， 材 料 ：12Cr1MoVG；行進速度：1.5/min；測量位置：結束預熱后300mm左右管子上表面。

3）管排預熱裝置具有很高的熱效率，使用本裝置之后，被加熱管件表面均無結碳現象。

4）表中數據顯示，在相同的加熱

時間、相同的氣壓（天然氣）情況下，管排預熱裝置對燃氣的消耗量約為煤氣爐的三分之二，具有較高的經濟效益。

6 總結

集箱環縫預熱/消氫裝置可以對集箱環縫進行全方位均勻加熱，加之設備機架配有液壓升降機構，適用于多種規格的產品，具有很高的通用性和實用性。與此同時，設備精密的溫控裝置，首次實現了對集箱管材表面定時加熱、精確控溫。多次試驗數據顯示，集箱環縫焊后/熱處理后無損探傷檢驗合格率達到了100%，表明了新技術的應用切實有效地提升了環縫質量，并實現了集箱環縫預熱、消氫高效、可控。

表2 管排預熱裝置試驗數據

膜式車間管排預熱裝置的使用顯著提高了天燃氣燃燒效率，當前的水冷壁拼排沒有了燃燒后的表面結碳，外形美觀，溫度控制自動化，再加上人性化的防護措施，即保證產品質量的同時，也讓生產車間工作環境得到了很大改善。

上鍋公司2011年實際用氣量218萬m3，按單價3.89元/m3計算，總費用848萬元.按燃燒效率提高50%；燃氣消耗量減少30%進行計算，每年節約天然氣費用可達幾百萬元。上鍋公司將先進的“金屬纖維燃燒技術”帶進了生產制造，標志著上鍋公司在綠色生產、清潔生產上邁出了一大步，為提高產品質量提供了有力的保障。上鍋公司也將更積極致力于將“自動化、智能化，高質量、高效率”的理念落實到實際技術開發工作中。