鍋爐自制減溫水冷凝器隱患分析與改進

張生凱（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動力廠,山東萊蕪271104）

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鍋爐自制減溫水冷凝器隱患分析與改進

張生凱
（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動力廠,山東萊蕪271104）

【摘要】通過對鍋爐主蒸汽溫度驟降事故原因進行探究，分析出鍋爐自制減溫水冷凝器內漏可能導致的風險隱患，對冷凝器泄漏原因和運行優劣勢進行了分析，提出了改進措施，為自制減溫水冷凝器及鍋爐系統的安全可靠運行提供了保障。

【關鍵詞】鍋爐冷凝器;冷凝器泄漏;自制減溫水;汽溫驟降

1　現狀概述

山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動力廠鍋爐為江西鍋爐廠生產的JG130-3.82/450-Q型鍋爐，該鍋爐以高爐煤氣為設計燃料，兩級過熱器之間采用噴水減溫調整過熱蒸汽溫度。鍋爐蒸汽溫度調節用自制冷凝水或備用給水噴水減溫，額定負荷下噴水量為7.8 t/h，調溫幅度為35。

該爐型在最頂層平臺配備有自制減溫水冷凝器，采用管殼式結構，利用在管內流動的鍋爐給水吸熱，使從鍋爐汽包引入的飽和蒸汽冷凝，將冷凝液經集水管匯集后向下引入冷凝水集水箱，部分作為減溫水按需送入噴水減溫器，多余部分經溢流管溢流回鍋爐汽包。

鍋爐給水可以經過閥3、冷凝器、閥4后返回給水操作臺再進入省煤器管路，也可以解列爐頂冷凝器，直接從給水操作臺通過閥2進入省煤器管路,見圖1。

在鍋爐自制冷凝水冷凝器實際運行中，發生了一次水位、負荷等參數都正常情況下，鍋爐主蒸汽溫度參數急劇下降，導致汽輪機側汽溫亦急劇下降，被迫拉閘停機的事故。

2　蒸汽溫度驟降原因分析

如圖2所示,從鍋爐蒸汽溫度變化趨勢可以看出，自一級過熱器后各過熱蒸汽溫度都急劇下降，可排除減溫器內因素，說明問題出現在飽和蒸汽側，為飽和蒸汽帶水，而水位等參數都正常，可排除鍋爐滿水、汽水共騰等因素，停爐后檢查鍋筒內汽水分離器正常，因此懷疑是冷凝器內部存在故障。

冷凝器內冷凝水由管路引入冷凝水集箱,再通過減溫水調節閥調整流量后進入噴水減溫器中，采用自制冷凝水減溫時，流動動力來自冷凝器與減溫器的壓差，系統雖然復雜,但能得到品質良好的冷卻噴水,且鍋爐負荷變化時,冷凝器與減溫器間壓差也同向變化，能自動調節噴水量。

在實際運行中，當全部采用冷凝器給水時，能將120 t/h的鍋爐給水由104加熱至153，按平均定壓比熱Cp=4.2kJ/(kg)計算，給水吸收熱量Q=mCpt=1201034.2（153-104）=2.47107kJ/h。

根據能量守恒，冷凝放熱量應等于給水吸熱量，汽包實際運行壓力為3.9 MPa，該壓力下汽化潛熱1720.62 kJ/kg，則每小時可產生冷凝水Qm=2.471071720.62=14355 kg/h，該壓力下飽和水比容v=0.001249 m3/kg，則折合體積流量Qv=143550.0012493600=0.00498 m3/s；而實際運行時噴水量約5 t/h（折合體積流量0.00173 m3/s），所以若全部給水均通過冷凝器時，冷凝水量大于需求，0.00324 m3/s的冷凝水必然會通過冷凝水溢水管溢流進汽包，流動所需壓差由位置水頭提供。

圖1　鍋爐自制減溫水系統簡圖

圖2　鍋爐蒸汽溫度變化趨勢圖

汽包水位在28.78 m，冷凝器冷凝水集水管標高31.55 m，汽包與冷凝器連管最高標高32.9 m，所以冷凝器正常運行時可產生的最大壓差為2.77 m。

下面計算流動過程阻力：

同理計算冷凝水溢水管阻力損失h溢=0.5150 m；溢流系統合計壓力損失為0.56 m。

綜上，正常運行時系統可提供的最大水頭2.77 m遠大于理論計算溢流所需水頭，故實際正常運行不會出現冷卻水溢流不及問題，且即便出現溢流不及問題，部分冷凝換熱管束將被水淹沒，失去凝結換熱性能，起到自平衡作用，不會出現冷凝器內滿水問題。

通過上述分析可以判斷，出現問題并非設計問題，而是內部有外來水源，即冷凝器內給水管束出現泄漏，導致溢流不及，進而出現冷凝器內滿水，通過上部汽包至冷凝器的進汽管道反向進入汽包飽和蒸汽出口，導致蒸汽帶水，進而出現主蒸汽溫度驟降現象。

當冷凝器內給水管束泄漏向汽空間漏水時，可以假定水來不及發生換熱，而為汽包壓力3.9 MPa下的溫度為104的水（實際溫度應高于該溫度，水量應大于漏水量），并假定減溫水量仍為5 t/h，冷凝器內滿水時整個下水、溢流管路可用壓頭極限值為32.9-28.78=4.12 m，利用伯努利方程，通過流動過程阻力計算可以求得，理論上多余部分可通過溢流管進入汽包而不導致冷凝器滿水的最大極限流量為0.01042 m3/s，即折合從給水管束漏入冷凝器汽空間內的水量為35.9 t/h時，超過此流量就會導致冷凝器滿水，進而導致水逆向流入汽包上部飽和蒸汽出口部位。

通過對冷凝器拆體檢查，確認內部管束多組出現泄漏，與理論計算相符，是導致事故的根本原因。

3　自制減溫水冷凝器泄漏原因分析

3.1交變熱應力

通過解體檢查可以看出，泄漏點出現在管程進口處，此處冷熱流體溫差最大，由于冷、熱流體溫度不同，使殼體和管壁的溫度互有差異。這種差異使殼體和管子的熱膨脹不同，溫差導致管板兩側和換熱管之間產生溫差應力。管子與管板焊接結構的特點是具有排列緊密的小圓形單道焊縫，管板較厚，如果焊接工藝不當，就易造成焊縫根部夾渣、熔合不良、裂紋、氣孔等焊接缺陷，且在焊縫兩側形成熱影響區，是焊接接頭的薄弱部位，容易產生殘余變形和殘余應力。當兩側溫差應力達到一定數值時，金屬便會產生塑性變形和蠕變。因鍋爐負荷受煤氣燃料供應量影響，反復變化,鍋爐給水量不斷波動，導致熱應力反復變化，使設備產生熱疲勞。在運行過程中焊接缺陷受到交變熱應力的影響便會擴展,使泄漏通道擴大，導致泄漏。

3.2管束振動

蒸汽介質垂直于管束橫向流動是誘發振動的主要根源,具有一定彈性的管束在殼側蒸汽流體擾動力的作用下會產生振動，振動與換熱器管子的固有頻率有關,當激振力的頻率與管束固有頻率或其倍數相吻合時，將引起管束共振，使振幅大幅增加；振動將引起管板與管子之間的熔敷金屬中存在的氣孔和其他缺陷擴大或擴展,發展到一定程度時這些缺陷就會被擊穿或導致疲勞開裂；而振動的管子在支撐隔板的管孔中與隔板金屬發生摩擦，使管壁變薄，最后也會導致破裂。而固有頻率與管束的結構、尺寸有關,因此換熱器本身的設計缺陷是導致管束振動的原因。

3.3投運不當

在鍋爐點火啟動時，若直接使用冷凝器上水，冷凝器內易出現水沖擊。在鍋爐點火升壓期間，給水流量很小，冷凝器內水流量低且各管路流量不均，部分給水受熱汽化生成汽泡，當汽泡破裂時，周圍液體高速進入汽泡原有空間，在局部形成巨大的沖擊力，產生聲響和振動，足以對管束表面焊縫產生破壞。

4　冷凝器運行優劣勢分析

4.1優勢分析

4.1.1采用冷凝減溫水時，減溫水為飽和蒸汽凝結水、品質高，減溫水與過熱蒸汽溫差低，且減溫水流量具有自平衡能力。

4.1.2在鍋爐低負荷運行時，通過自身利用部分飽和蒸汽，可以提高排煙溫度，減少低溫腐蝕。

4.2劣勢分析

4.2.1冷凝器運行時，冷凝器工作環境較惡劣，易出現給水管束泄漏，導致重大事故發生。

4.2.2當鍋爐高負荷運行時，會導致排煙溫度偏高，導致鍋爐效率降低。

5　改進措施

為確保鍋爐設備安全穩定運行，特采取以下改進措施：

5.1與設計單位聯系，適當縮短折流板間距，防止產生誘導振動，但折流板間距過小會使換熱管剛性過大，變形協調能力低，產生溫差應力，故應在保證不發生振動的前提下選擇較大的間距。

5.2在鍋爐啟動時，將兩臺鍋爐給水系統聯通，保持啟動爐冷凝器管束內水保持流動，防止停滯導致汽化、水擊現象。

5.3正常運行時，保持負荷平穩，防止連續波動造成交變熱應力。

5.4若冷凝器內給水管束發生泄漏，易造成類似于鍋爐滿水的重大事故，為能及時發現冷凝器內管束泄漏，可以利用連通器原理在冷凝器上安裝水位測點并添加報警，以便根據水位情況及時作出判斷與處理。

5.5當前鍋爐給水SiO2、Na+等各項品質指標已優于GB/T 12145標準中蒸汽標準，因此解列自制減溫水冷凝器，減溫水使用鍋爐給水完全能夠滿足蒸汽品質要求，在鍋爐正常運行時完全可以退出冷凝器運行。

6　結論

通過分析及冷凝器解體檢查，確認自制減溫水冷凝器內給水管路泄漏是鍋爐蒸汽溫度驟降的原因。當冷凝換熱器內給水管束有兩根及以上發生泄漏時，就會因溢流不及而導致冷凝器滿水事故的發生，為防止事故發生，可以在冷凝器上加裝水位計并添設水位報警，及時發現泄漏情況。

投運冷凝器，會提升排煙溫度，降低鍋爐效率；但在鍋爐低負荷運行時可以減少低溫腐蝕。

而當前鍋爐給水的SiO2、Na+等各項品質完全能夠滿足作為減溫水使用，在鍋爐正常運行時完全可以退出冷凝器運行，可以完全杜絕因冷凝器內給水管束發生泄漏而導致蒸汽帶水事故的發生。

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Analysis and Improvement of Hidden Problems in the Homemade Desuperheating Water Condenser of Boiler

Zhang Shengkai
(The Power Plant of Laiwu Steel, Shandong Iron and Steel Group, Laiwu, Shandong 271104, China)

[Abstract]Through probing the causes of temperature plunge in boiler main steam, it was sought out that an internal leakage in the Homemade desuperheating water condenser of the boiler should have been a hidden danger. Causes of the leakage and both operation ad-vantages and disadvantages of the condenser were analyzed and improvement measures were put forward, to provide guarantee for the safe and reliable operation of homemade desuper-heating water condenser as well as the boiler system.

[Keywords]boiler condenser; leakage of condenser; homemade desuperheating water; steam temperature plunge

作者簡介：張生凱（1984-），男，工程師，山東省沂源縣人，2005年畢業于青島大學熱能與動力工程專業，現從事熱動專業技術管理工作。

收稿日期：2015-06-04

【中圖分類號】TK22

【文獻標識碼】B

【文章編號】1006-6764（2015）10-0037-04