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”的實施，推動了燃氣鍋爐的應用。燃氣鍋爐一般多采用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構，消除了煙氣泄漏，降低了熱損失，提高了鍋爐熱效率，保證了結構的穩(wěn)定性。具有結構緊湊、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(設計使用壽命為30a)、適應負荷波動能力強等特點，可實現(xiàn)計算機編程控制運行及故障保護功能。

國內(nèi)對蒸發(fā)量在75t／h以上的大功率燃氣蒸汽鍋爐的開發(fā)經(jīng)驗稍顯不足，開發(fā)工作大多是建立在借鑒引進的歐美小型燃氣蒸汽鍋爐的基礎之上。由我國自主設計的大功率燃氣蒸汽鍋爐在運行使用過程中多有振動、爆管等問題出現(xiàn)。本文對某蒸發(fā)量為160t／h的燃氣蒸汽鍋爐水冷壁爆管原因及處理方法進行探討。

2事故概況

某熱電廠燃氣鍋爐房配置1臺蒸發(fā)量為160t／h的燃氣蒸汽鍋爐(D型)，配置2臺燃燒器，在運行期間，多次出現(xiàn)爆管事故。水冷壁爆管現(xiàn)場見圖1。

爆管位于爐膛兩側水冷壁，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焦現(xiàn)象，見圖2。對爆管位置水冷壁管子解剖發(fā)現(xiàn)，管子內(nèi)部幾乎無結垢現(xiàn)象。

3運行情況調(diào)查

燃氣鍋爐結構參數(shù)為：爐膛長度(進深)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，采用強制通風、微正壓燃燒。水處理采用爐外化學處理(鈉離子交換器)，經(jīng)取樣化驗，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。運行過程中振動情況良好，額定負荷下，每臺燃燒器耗氣量約6400m3／h。

4鍋爐爆管原因分析

一般情況下，燃油燃氣鍋爐出現(xiàn)爆管的主要原因為：

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；水動力失衡；煙氣不流暢，有渦流導致振動產(chǎn)生斷管。

②管內(nèi)結垢：供水水質(zhì)差，硬度高，管內(nèi)結垢嚴重。

③缺水干燒：當給水系統(tǒng)局部發(fā)生故障或者鍋爐房內(nèi)數(shù)臺鍋爐存在給水分配不當時，容易造成爐內(nèi)水循環(huán)失衡，局部缺水或者水動力下降，導致干燒而爆管。

④燃燒器：燃燒器燃燒狀況不佳，有嚴重振動。或者是燃燒火焰形狀與爐膛不匹配，火焰沖刷水冷壁面，造成部分水冷壁面溫度過高，導致爆管。

該鍋爐的各項材質(zhì)檢測結果均符合標準，管內(nèi)也沒有明顯結垢現(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。在布置兩臺旋流式燃燒器時，為了使單臺燃燒器的火焰能自由擴展，形成必要的回流區(qū)，并不使火焰相互干擾，應保持兩臺旋流式燃燒器之間有一定距離。為了避免火焰撞擊側墻或爐底，應保持燃燒器與側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，燃燒器中心線與側墻的距離(3.0～3.5)d，d表示喉口直徑。

這兩臺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臺燃燒器中心線距離2500mm，符合上述要求。喉口中心到側墻距離1700mm，遠小于燃燒器中心線與側墻距離*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，沖刷側墻水冷壁，使得局部溫度過高。導致水冷壁表面結焦，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，強度下降。當爐溫降低或者停爐時，管壁溫度降低，管壁的結碳以及氧化層脫落，管壁逐漸變薄、變形，*終因強度不足導致局部爆破漏水。

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水冷壁?？刹扇〉拇胧┌ǎ?*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**種措施的可行性及效果進行分析。

燃燒器原喇叭形喉口的擴散角約45°，喇叭形喉口使空氣向外擴散流動，進而使得火焰擴散。特別是當相鄰兩臺燃燒器的喇叭形喉口內(nèi)空氣的旋流方向相反時，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為：直筒形喉口容易制造，而且造價較低。*重要的是，直筒形喉口可縮小火焰直徑，防止兩臺燃燒器之間氣流的強烈碰撞，從而解決火焰沖刷兩側水冷壁的問題。

改造方案：為每臺燃燒器加裝一個直筒形不銹鋼喉口，并將空缺部分進行封堵，改造后的直筒形喉口結構見圖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)校核計算，射流邊界的**穿透深度hmax=228 mm，小于燃氣噴嘴到喉口的距離(300mm)，未觸碰到燃燒器喉口，滿足設計要求。

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水冷壁，火焰直徑、長度合適，與爐膛匹配度好。改造后運行滿一年，未再出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，燃燒器工作平穩(wěn)。