熱水鍋爐運行安全性問題探討

許 巖

(山東大學基建部，山東 濟南 250100)

0 引言

熱水采暖在技術(shù)上、經(jīng)濟上有很多優(yōu)點，一般比蒸汽采暖節(jié)約燃料30%，而且維修費用低，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)在熱水鍋爐裝機容量達15萬臺、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原因是當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，這些問題又導致了熱水鍋爐頻繁修理，年修理費用是蒸汽鍋爐的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)人士對熱水鍋爐的真實安全性產(chǎn)生了懷疑。筆者認為，在正常的運行狀態(tài)下鍋爐部件不產(chǎn)生損壞才能夠認為鍋爐是安全的，不能夠以是否產(chǎn)生爆炸作為衡量標準。事實上，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于熱水鍋爐更安全。

雖然出現(xiàn)了這些問題，對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》卻只對鍋爐的額定工作壓力進行了限制，沒有對上述問題進行解決，問題依然存在，浪費依然嚴重。具體分析如下。

1.1 過冷沸騰

1.1.1問題的重要性

雖然熱水鍋爐運行時鍋爐水不產(chǎn)生相變即不汽化，但是在鍋爐的較強受熱面上同樣發(fā)生著相變即過冷沸騰，雖然這種汽化對整個鍋爐來講是不會產(chǎn)生爆炸，即通常人們認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為是一個很重要的問題。過去有很多同仁對這個問題進行了討論，共識是過冷沸騰會引起受熱面?zhèn)鳠釔夯a(chǎn)生水垢、受熱面燒壞等一系列問題。所以，過冷沸騰應(yīng)當被認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到飽和溫度時一般是不會產(chǎn)生汽化的，但是如果受熱面的熱強度過高即溫度過高，超過水的飽和溫度時，在局部貼近受熱面壁層的水達到和超過飽和溫度，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，在正常的熱負荷和質(zhì)量流速等狀態(tài)下，受熱面不會產(chǎn)生過冷沸騰。但是如果熱負荷和質(zhì)量流速設(shè)計不當時會出現(xiàn)過冷沸騰[1]。

1.1.3形成過冷沸騰的另一個重要條件——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)的流動阻力和定壓值，相對于這個壓力值要往往低于額定參數(shù)。

這個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也決定著過冷沸騰問題。

1.1.4計算實例

將φ51×3鍋爐水冷壁管作為案例，鍋爐管熱負荷強度約為60 000 kcal/m2，現(xiàn)計算各類管內(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)使用下式計算：

1.1.5理論分析

表1 計算結(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流式循環(huán)，那么管內(nèi)(上升管)水流速度不容易達到0.2 m/s(相當多鍋爐的上升管內(nèi)水流速度大多小于0.1 m/s)，這時如果要求不產(chǎn)生表面沸騰，則水壓應(yīng)達到0.44 MPa，而表壓應(yīng)達到0.4 MPa，假設(shè)使用前蘇聯(lián)標準0.6 m/s的上升管內(nèi)水流速度的強行循環(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)計壓力。額定出/進水溫度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)定可以看出這兩個規(guī)定過于機械，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，其運行壽命的長短會對供熱經(jīng)濟性有極大的影響，這些鍋爐都存在程度不同的酸性腐蝕問題。根據(jù)統(tǒng)計，熱水鍋爐大部分的修理周期1年～4年，修理費用基本在鍋爐價值的1/4～1/2，浪費十分嚴重。

1.2.2酸性腐蝕形成的條件

首先煙氣當中要是包含SO3以及SO2氣體，隨后在受熱面上就會有水膜的產(chǎn)生即結(jié)露。在鍋爐燃煤當中包含硫，在煤的燃燒過程當中就產(chǎn)生了SO3以及SO2氣體，SO3以及SO2氣體溶解到水膜中就會產(chǎn)生硫酸和亞硫酸，該酸將會對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溫度和水蒸汽露點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，水蒸汽的露點溫度約在35 ℃～65 ℃之間(燃煤中的含水量越高，水蒸汽的露點溫度也就越高)。酸蒸汽的露點溫度大于水蒸汽的露點溫度，而且隨酸蒸汽壓力的上升而劇烈上升。對于使用含硫量多的燃煤，其煙氣的酸露點溫度較多都在100 ℃以上。因而，如果鍋爐金屬內(nèi)壁溫度在酸露點溫度之下，將會產(chǎn)生較強的低溫腐蝕[1]。

1.2.4本例鍋爐狀態(tài)分析

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

本例鍋爐型號為DZL14-1.0/95/70，是李之光教授主持設(shè)計的翼型煙道煙水管鍋爐，它屬于半強制循環(huán)熱水鍋爐，根據(jù)設(shè)計有50%的回水進入鍋爐下降管后與引射的鍋水混合進入集箱和水冷壁管。根據(jù)熱力計算，水冷壁內(nèi)循環(huán)水吸收總熱量的50%，設(shè)計溫升25 ℃，實際溫升在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)計算是45 ℃～65 ℃。因鍋爐設(shè)計流量是高溫鍋爐的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所示是壁溫對腐蝕速度的影響實驗數(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，低于酸蒸汽的露點溫度，在水冷壁管上會產(chǎn)生亞硫酸、硫酸和鹽酸的混合溶液，對金屬管壁產(chǎn)生較強的腐蝕。

1.2.6腐蝕機理的理論分析

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和它們的導熱系數(shù)λj及λg等有關(guān)。如受熱面的熱負荷越大、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行時就發(fā)現(xiàn)管壁結(jié)灰基本可以視為無垢運行。

2)金屬壁溫的計算。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度計算上tb=tbh+60[1]，計算出來的tb=95+60=155 ℃，很明顯壁溫與事實不符。

水冷壁管的外壁溫度計算公式為：

(1)

其中，q為最大熱負荷，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)水的放熱非常強烈(放熱系數(shù)一般在5 000 W/(m·℃)以上)，因而此項熱阻完全可以忽略[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twb影響不大。由式(2)得出，最大熱負荷、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，例如平均溫度取50 ℃、外壁溫度不小于100 ℃，則最大熱負荷大于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，低負荷運行twb同樣小于酸露點溫度。而當水冷壁內(nèi)介質(zhì)平均溫度低于69 ℃時，水冷壁的壁溫低于酸露點溫度，管外壁也會產(chǎn)生酸性腐蝕。

1.3 受熱面損壞

受熱面受損導致的鍋爐損壞占比重相當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標準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)生化學腐蝕和電化學腐蝕，長達6個～8個月的停爐受熱面煙側(cè)的酸性腐蝕等只有熱水鍋爐才會出現(xiàn)的受熱面損壞故障，這些故障導致鍋爐受熱面在1年～4年的時間里產(chǎn)生損壞，只有極少數(shù)的鍋爐修理期才能夠達到10年。而蒸汽鍋爐則不然，它的修理費用是熱水鍋爐的1/10。

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

2 熱水鍋爐存在問題的對策

循環(huán)流速是影響過冷沸騰的重要條件，不管是任何設(shè)計壓力的鍋爐，循環(huán)水流速不能低于0.2 m/s。在設(shè)計流速不小于0.2 m/s的工作狀態(tài)下，對應(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)計時，要審查循環(huán)流速問題，同時將其列為一個主要內(nèi)容。

在鍋爐設(shè)計時，必須計算出最低工作壓力并在實際使用時予以執(zhí)行。當管內(nèi)工作介質(zhì)溫度在低于70 ℃運行時，鍋爐雖然達到最大負荷，壁溫都會小于酸露點溫度，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，負荷的大小對管壁溫度的影響不大。可以采用低硫煤降低酸露點的溫度，工質(zhì)溫度可根據(jù)實際情況比70 ℃適當降低。當出現(xiàn)熱網(wǎng)熱水溫度低于設(shè)計溫度時，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。如果在一定場合非要選用或設(shè)計熱水鍋爐，應(yīng)當選用強制循環(huán)的熱水鍋爐如角管式鍋爐，其他情況下應(yīng)當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行安全性方面存在諸多問題，在其設(shè)計、生產(chǎn)、應(yīng)用等各階段都應(yīng)該準確判斷可能出現(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，保證鍋爐運行安全，盡可能延長使用壽命，提高投資效益。