热水锅炉低压运行事故的分析

热水锅炉低压运行事故的分析热水锅炉低压运行事故的分析 前前 言言 目前在北京市郊区的一些生活小区的集中供热锅炉房仍然 运行着许多自然循环的热水锅炉 结构形式有单锅筒纵置式 双锅筒纵置式 和双锅筒横置式几种 燃烧设备多为链条炉排 设计煤种大多为各类烟煤 出力一般在 0 7 7 0mw 之间 但经 运行过几个采暖期后锅炉受热面管发生不同程度的变形 胀粗 甚至穿透性裂纹 严重者可导致爆管等水循环事故 影响了锅 炉的安全运行和正常供暖 为此 笔者通过典型检验事例从锅炉 的结构特点 运行条件等方面入手 着重分析热水锅炉水循环 事故的原因 提出改进措施 一 事故发生一 事故发生 在 年 2 月 5 日北京某集团总公司下属单位一小区供暖锅 炉房的一台 szl2 8 1 0 95 70 aiii 热水锅炉在运行中突然发生爆 管 锅炉被迫停止运行 给小区供热造成很大影响 二 现场勘查情况二 现场勘查情况 笔者对事故锅炉进行外观检查 发现爆管发生在炉膛水冷 壁 其情况是 见图 1 一 炉膛水冷壁顶棚管发生不同程度下塌变形 严重处 的变形量达 100 130mm 管子局部胀粗 其中有一根破裂 部位 炉膛右侧位于炉膛燃烧主燃区有 3 根水冷壁管的直段外 凸变形 变形量 40mm 变形管段局部胀粗 有许多处穿透性 裂纹 部位 二 在进一步对锅炉水冷壁割管检查发现 1 水冷壁顶棚管结垢严重 管内壁结垢 3 4mm 2 右侧水冷壁管直段结垢 2 3mm 管外壁金属呈暗红色 3 经过内部检验 其余受热面管内壁结垢不超过 0 5mm 三 事故分析三 事故分析 一 锅炉概况 锅炉型号 szl2 8 1 0 95 70 aiii 锅炉出厂编号 22 3100 出厂日期 1995 8 锅炉主体材质 锅筒 20g 管子 20 投用日期 1996 12 工作压力 0 3mpa 水处理形式 钠离子交换器 事故发生 锅炉投运后的第 4 个供暖期 二 管壁结垢直接导致了水冷壁管的过热损坏 1 锅炉受热面金属的温度总是高于其中工质的温度 当管 壁受热面较清洁时候 由于热量被水吸收而得到充分的冷却 受热面金属的强度在安全工作的范围内 但是 如果受热面结 了水垢 金属的状况就会发生向不安全的变化 对于碳酸盐水 垢来说 它的热阻是一般钢的几十倍 受热面水垢的存在阻止 了金属热量的释放 直接引起管内壁热储量增加 导致管壁温 度增高 当管壁结 1mm 的水垢时 管壁温度将生高 100 以上 而管壁温度升高导致钢材的强度下降 而从现场水冷壁的颜色 判断 损坏管处的壁温确实曾经超过 500 以上 所以结垢使管 壁超温过热 强度下降 最终导致破裂 2 水垢和钢材的热膨胀系数不同 这又导致垢层局部开裂 或脱落 这使较低温度的热水与温度相当高的管壁相接触 引 起管壁温度的巨大变化 并使管内壁受到冷热应变 产生巨大 的应力 以致使管子发生很多裂纹 3 管壁温度升高 管子就会发生伸长 因而造成顶棚管和 水冷壁管的凸出变形 三 低压运行下 过冷沸腾是导致水冷壁管结垢的主要 原因 1 本炉为上锅筒进水和出水 属于自然循环的热水锅炉 自然循环的热水锅炉是靠上升管和下降管水温不同而造成的重 度差形成水循环动力 水循环安全可靠的必要条件是各回路和 各回路的热偏差管都处于稳定的循环状态 而在热水锅炉的上 升管中 当局部热负荷较大或工作压力较低时 在管内可能产 生过冷沸腾 因为在压力低的情况下 水的饱和温度也降低 在发生过冷沸腾时 如果靠近管壁的过热水层厚度不大 则在 受热面形成的气泡可能直接与欠热水接触 此时的气泡根部是 蒸发过程 在气泡超过过热水层是蒸汽冷凝过程 气泡的蒸发 和冷凝严重时可引起水击 从而导致锅炉部件的损坏 热水锅 炉进行锅外化学处理的补水硬度为 0 6 毫克当量 升 比蒸汽锅 炉大 20 倍 管内的过冷沸腾将直接导致在汽化点附近结垢加剧 因此对于热水锅炉来说过冷沸腾是很危险的 而且热水锅炉不 象蒸汽锅炉那样 受热面的水是汽化蒸发状态 热水锅炉的受 热面管子内不允许发生汽化 并且管内的水温也不能过高 所 以受热面管子不发生超温 汽化 或过冷沸腾是保证热水锅炉 自然循环安全性的主要目的 本台锅炉右侧水冷壁管水循环流量小 无引射管接入下降 管 在受热面管的横截面上 水温分布是不同的 管壁处较 管中心处水温高 因此在某段管的横截面上 当平均水温尚未 达到饱和温度 tbh 而管内壁温度 tb 却超过了饱和温度 两者 之差达到一定值时 在管内壁开始生成气泡 发生汽化 当气 泡与欠热水接触时冷凝消失 发生过冷沸腾现象 过冷沸腾的 产生直接导致管内壁汽水处的盐类蒸浓结垢 垢层的持续增厚 使热阻不断加大 管子的导热性能下降 最终造成管壁超温 出现过热变形 以至发生爆管 2 锅炉水冷壁管过冷沸腾校核计算 锅炉运行时避免发生过冷沸腾的条件 tb ts tgr 5 式中 tb 管内壁面温度 由传热方程知 tb t q a ts 工作压力下水的饱和温度 tgr 发生过冷沸腾时管壁过热度 tgr 0 35 q0 3 p0 15 q 管内壁传热热流密度 kcal m2h t 流体 欠热水 水温度 a 管内壁水对流换热系数 a 7 13 0 0449t wr0 8 dn0 2 wr 管内流体质量流速 kg m2s dn 管内径 m 2 锅炉在设计压力下运行时的过冷沸腾校核计算 锅炉设计压力 p 1 0mpa 炉膛高温区管内壁传热热流密度 q q 9 49 104kcal m2h 由锅炉热力计算查得 dn 管子内径 0 045m 受热面管截面积 f 0 2m2 饱和水温度 ts 183 2 查表 循环水量 g 96000kg h a 发生过冷沸腾管壁过热度计算 tgr 0 35 q0 3 p0 15 0 35 949000 3 100 15 7 7 b 管内流体质量流速计算 wr g 3600f 96000 3600 0 2 133 3kg m2s c 管内壁水对流换热系数计算 a a 7 13 0 0449t wr0 8 dn0 2 7 13 0 0449 81 3 133 30 8 0 0450 2 1005 8 d 管内壁温度计算 tb t q a 83 1 94900 1012 9 177 5 tb ts tgr 5 185 9 经核算锅炉在设计压力下不会发生过冷沸腾 管壁是安全 的 3 锅炉在实际工况下过冷沸腾校核计算 本台锅炉的实际工作压力为 0 3mpa 压力为 0 3mpa 水的 饱和温度 ts 142 9 查表 同理计算管壁过热度 tgr 0 35 q0 3 p0 15 0 35 949000 3 30 15 9 24 所以 tbts tgr 5 147 14 锅炉在工作压力下会发生过冷沸腾 管壁不安全 由上述过冷沸腾校核计算结果不难看出锅炉在工作压力过 低 与设计压力相比 的条件下容易产生过冷沸腾事故 四 发生过冷沸腾的一些影响因素 1 实际工作压力的影响 工作压力低 相应的饱和温度也 低 同理 管内最小质量流速 wrmin 增大 发生过冷沸腾的危 险性也加大 2 过冷沸腾的发生位置 按照计算公式 在一定工作压力 下 wrmin 与管内壁传热热流密度 q 和管内流体平均水温 t 成 正比 所以热水锅炉在热流密度最大和管内水温最高处的 wrmin 最大 最容易发生过冷沸腾 在事例中变形 爆管部位 都处于热流密度最大处 这些部位发生了过冷沸腾 3 燃用煤种的影响 本炉使用大同混煤 与设计煤种相比 耗煤量减少 为正常运行 增大鼓风量 炉膛总产热量增加 炉膛温度升高 同时增大总烟气量 烟气流速加快 传热热流 密度提高 管内流体温度随之升高 按经验公式 管内最小质 量流速 wrmin 增大 发生过冷沸腾的危险性也加大 综上所述 锅炉在低压运行时容易发生过冷沸腾 它是受 热面管变形 过热 爆管等水循环事故的根本原因 过冷沸腾 容易发生在锅炉管热流密度最大及水温最高处 避免发生过冷 沸腾的根本办法是将发生过冷沸腾部位的受热面管的质量流速 提高到一定值 四 改进措施四 改进措施 一 为了提高热水锅炉循环回路的质量流速 可考虑在 锅筒进水管加引射管 将回水直接引入下降管 本台锅炉的进 水管就没有引射管 或者是通过在下降管入口加装喷射器 所谓喷射器是利用进入锅筒的给水压力与锅筒内水压之间的压 力差 以较高的速度流出 引射压力较低的锅水 增加进入下 降管的水流量 达到提高循环水速的目的 二 使用单位确实搞好水质监督工作 严格执行 gb1576 2001 工业锅炉水质 三 在允许的条件下提高锅炉的运行工作压力 五 启五 启 示示 目前在一些设计 使用单位存在一些