張維坤

(楚雄州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心,云南 楚雄 675000)

貫流式鍋爐最早由美國應(yīng)用在內(nèi)燃機列車上，之后被日本引進作為工業(yè)鍋爐使用而得到蓬勃發(fā)展。我國于20世紀(jì)90年代引進該型鍋爐，目前已經(jīng)能夠自主設(shè)計并生產(chǎn)，且在國內(nèi)使用得越來越廣泛。貫流式鍋爐是工業(yè)鍋爐中產(chǎn)汽最快、結(jié)構(gòu)最為緊湊的一種型式，在特定的應(yīng)用場景下具有獨一無二的優(yōu)勢，但也存在一些局限。

1 貫流式鍋爐的特點

1.1 結(jié)構(gòu)特點

所謂貫流式鍋爐，指的就是一端給水，一端出汽，它的整個熱交換過程幾乎都在水管中完成，而沒有傳統(tǒng)蒸汽鍋爐的汽包。正因為它的工作過程依賴密集的換熱面，使得它在設(shè)計時整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，這種結(jié)構(gòu)在有限空間使用時有很大的體積優(yōu)勢(圖1)。貫流式鍋爐在同等蒸發(fā)量的情況下較比傳統(tǒng)蒸汽鍋爐受熱面積小得多，因此它單位受熱面換熱量極高。這種結(jié)構(gòu)一般可增加鰭片布置，這樣可以大大以增加傳熱面積和效果。貫流式鍋爐的主要受壓元件為水管和集箱，水管通常布置為內(nèi)外分布的兩圈或多圈，并排布緊密，因此焊縫也很密集，一般在進行焊接時要考慮減弱開孔孔橋系數(shù)以保證結(jié)構(gòu)強度，同時還要注意選擇焊接方法以減少焊接應(yīng)力[1]。貫流式鍋爐的一大短板是蒸汽含水量較高，蒸汽品質(zhì)較低，因此一般可加裝外置的高性能汽水分離器，用來提升蒸汽品質(zhì)并保障鍋爐使用壽命。

1.2 運行特點

貫流式鍋爐體積小、電控原件多、自動化程度高，因此在實際使用時，司爐工的工作量遠遠小于傳統(tǒng)蒸汽鍋爐，每一名經(jīng)培訓(xùn)合格上崗的司爐工可同時管理數(shù)臺至數(shù)十臺鍋爐，使鍋爐運行的人工成本大幅下降。貫流式鍋爐的結(jié)構(gòu)和熱交換面積在出廠時已經(jīng)固定，散熱面積也就是恒定的，因此當(dāng)提高鍋爐的運行負荷時，鍋爐的散熱量與低負荷運行時的散熱量是基本相同的，但是散熱量與單位燃料或鍋爐的單位蒸發(fā)量比值大大降低，所以為了減少鍋爐熱損耗、提高熱效率，除了加強各散熱面的保溫外，還應(yīng)當(dāng)在滿足安全和用汽需求的情況下盡量維持鍋爐在較高負荷水平下運行[2]。貫流式鍋爐與傳統(tǒng)蒸汽鍋爐不同，它沒有巨大的汽水空間，從給水到蒸汽的整個換熱過程都在狹窄的水管和體積較小的集箱中完成，所以換熱效果明顯，升溫產(chǎn)汽過程迅速，一般 5 min 左右即可達到工作壓力，因此可以提高鍋爐的工作效率，縮短起爐時間。此外，因為沒有巨大的汽包，貫流式鍋爐的安全性相比傳統(tǒng)蒸汽鍋爐安全性更高，但值得注意的是，為了保障鍋爐的熱循環(huán)過程和穩(wěn)定工況，就要求有一套可靠的、反應(yīng)迅速的燃燒自動控制裝置及給水裝置。同時，要有合格的水處理設(shè)備和嚴(yán)格的水處理過程保證鍋爐給水穩(wěn)定達標(biāo)，且要定期進行鍋爐保養(yǎng)，才能保證鍋爐的熱效率和安全性。

1.3 能耗特點

貫流式鍋爐的熱效率很高，是目前常見傳統(tǒng)燃料的工業(yè)鍋爐中熱效率最高的鍋爐形式之一，一般可達92%以上，實際在鍋爐能效測試中甚至可達99%以上，貫流式鍋爐據(jù)根據(jù)節(jié)能環(huán)保要求，可在尾部加裝翅片管式煙氣回收冷凝裝置，使鍋爐排煙溫度得到有效降低，約在60～80 ℃ 左右，而傳統(tǒng)型式鍋爐排煙溫度往往大于 120 ℃。同時鍋爐的氮氧化物(NOx)排放量也有效降低，可以下降到 30 mg/m3以下。(注：由于我國鍋爐熱效率計算以燃料的低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)，而部分鍋爐尾部安裝節(jié)能器，回收了排煙中的部分汽化潛熱，這部分熱量不包含在燃料的低位發(fā)熱量里，因而利用這部分熱量提高了鍋爐熱效率，目前關(guān)于冷凝燃氣鍋爐排煙中蒸汽汽化潛熱回收熱量的測試和計算方法的研究正在進行中[3])。

表1 不同類型工業(yè)鍋爐優(yōu)點及能效對比

1.4 局限性

1.4.1 蒸發(fā)量有限

因貫流式鍋爐的結(jié)構(gòu)限制，一般蒸發(fā)量都在6t/h以內(nèi)，以2t/h及以下的居多，若一味加大貫流式鍋爐的蒸發(fā)量，則相較傳統(tǒng)型式鍋爐(如WNS型)優(yōu)勢縮小，甚至劣勢盡顯。因此當(dāng)用汽量大時需要多臺貫流式鍋爐一起使用，或直接選擇傳統(tǒng)型式的蒸汽鍋爐，有限的蒸發(fā)量決定了它的使用場景同樣有限。

1.4.2 壽命較短且維修性差

貫流式鍋爐的壽命較傳統(tǒng)鍋爐壽命更短，一般在5～10年。由于鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，維修時各鍋爐部件互相干預(yù)性強，所以貫流式鍋爐格外需要注重規(guī)范運行、保養(yǎng)維護和使用管理，一旦鍋爐本體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞則很難維修甚至無法維修，以至于造成巨大經(jīng)濟損失。

1.4.3 水質(zhì)要求很高

由于貫流鍋爐從給水到產(chǎn)汽的過程都在水管中完成，其循環(huán)倍率很低，只有自然循環(huán)鍋爐的百分之一左右，因此對水質(zhì)要求很高，在給水硬度≤0.03 mmol/L 時，進入貫流循環(huán)鍋爐仍有結(jié)垢的可能[4]。一般需要根據(jù)給水的水源質(zhì)量選擇合適的水處理設(shè)備，如自動鈉離子交換器等，必要時還可使用二級鈉離子交換器等附加設(shè)備。

2 貫流式鍋爐檢驗過程

2.1 外部檢驗

貫流式鍋爐的外部檢驗每年需要進行一次，檢驗時應(yīng)保證在使用單位的配合下且不能危及鍋爐的安全運行。一般通過現(xiàn)場檢查設(shè)備和查閱運行記錄等方式了解鍋爐本體及附屬設(shè)備的運行情況，并通過控制端模擬運行工況來確認安全附件以及超溫、超壓、高低水位等聯(lián)鎖與保護的運轉(zhuǎn)情況是否正常，同時通過現(xiàn)場查驗的方式查看鍋爐使用登記證、司爐工證、使用管理制度和記錄、水(介)質(zhì)處理等其他外部檢驗的相關(guān)項目。

2.2 內(nèi)部檢驗

貫流鍋爐的內(nèi)部檢驗一般2年進行一次。由于貫流式鍋爐的特殊結(jié)構(gòu)，檢驗人員一般無法進入鍋爐內(nèi)部進行檢驗，此時可以根據(jù)現(xiàn)場情況使用內(nèi)窺鏡等設(shè)備通過手孔觀察水管和集箱等受壓元件及其內(nèi)部裝置的外觀質(zhì)量、腐蝕、磨損、裂紋、變形、結(jié)垢、膨脹等，同時觀察主要承載、支吊、固定件的外觀質(zhì)量、受力情況、變形情況以及鍋爐的膨脹情況。此外，還需要檢驗鍋爐保溫、密封結(jié)構(gòu)以及耐火層的外觀質(zhì)量等。內(nèi)部檢驗也可根據(jù)檢驗人員對鍋爐的狀況判斷結(jié)合水(耐)壓實驗進行[5]。

2.3 常見缺陷

2.3.1 裂紋

貫流鍋爐工作時，受力主要集中在水管和集箱部分，而集箱內(nèi)會產(chǎn)生循環(huán)壓力。其中，最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在集箱焊接結(jié)合部。在循環(huán)壓力的作用下，集箱焊接結(jié)合部位容易出現(xiàn)疲勞裂紋，因而在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)需要格外注意該部位的焊接質(zhì)量。此外，鍋爐過熱和過燒也是產(chǎn)生裂紋的重要原因之一，當(dāng)鍋爐水循環(huán)通道不通暢時，導(dǎo)致水冷壁管受熱不均，部分水管發(fā)生過熱或過燒，可能產(chǎn)生過熱裂紋。

2.3.2 結(jié)垢

鍋爐結(jié)垢問題十分常見，幾乎可在任何型式的鍋爐上出現(xiàn)。該問題與鍋爐水處理過程息息相關(guān)，因此給水的品質(zhì)很大程度上影響鍋爐的使用品質(zhì)，這種因果關(guān)系在貫流式鍋爐上更為突出。鍋爐水質(zhì)堿度低、硬度高，則鍋爐內(nèi)表面易結(jié)水垢，此時應(yīng)使用手工清理、煮爐等相應(yīng)手段進行除垢，方能保證鍋爐正常運行。鍋爐結(jié)垢對鍋爐的熱效率、燃料經(jīng)濟性、運行安全性都有一定程度的影響。若鍋爐結(jié)垢量較大，鍋爐的運行效率將大大降低，燃料消耗量大大提升，結(jié)垢嚴(yán)重時，甚至出現(xiàn)鍋爐本體變形、爆管等風(fēng)險。

2.3.3 腐蝕

貫流式鍋爐的腐蝕也有多種形式，如氧腐蝕、酸腐蝕、堿腐蝕、垢下腐蝕等，一般以氧腐蝕最為常見。氧腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕的一種，水中電位差會形成于雜質(zhì)與純鐵之間，形成腐蝕電池。用方程式可表示為：

其中生成的二價鐵離子還會繼續(xù)發(fā)生如下反應(yīng)：

最終形成腐蝕和鐵銹。除氧腐蝕外的其他腐蝕雖然發(fā)生幾率相對較小，但也要注意預(yù)防，大部分都與鍋爐水質(zhì)相關(guān)，因此保障好鍋爐水質(zhì)是減少鍋爐腐蝕的最有效手段。除了水質(zhì)影響之外，鍋爐運行工況不佳和停爐保養(yǎng)不當(dāng)同樣會對鍋爐造成腐蝕。所以除了要做好水處理保證鍋爐水品質(zhì)的同時，鍋爐的管理、維護與保養(yǎng)也不能忽視。

2.3.4 變形

貫流式鍋爐的變形一般由高溫高壓環(huán)境導(dǎo)致，當(dāng)鍋爐的運行工況惡劣或沒有得到規(guī)范的維護保養(yǎng)時，就有可能出現(xiàn)變形的情況，尤其是水管和集箱變形最為常見。當(dāng)水管和集箱中結(jié)垢、淤堵或其他原因?qū)е缕魍ú粫成踔炼滤罆r，水管會出現(xiàn)過熱或過燒的情況，從而發(fā)生變形。當(dāng)鍋爐工況良好正常使用時，普通的鍋爐用亞共析鋼，組織一般為鐵素體(圖2中白色)和珠光體(圖2中黑色)，擁有良好的綜合力學(xué)性能。但過熱或過燒嚴(yán)重后，珠光體中的碳化物會發(fā)生球化，導(dǎo)致珠光體減少，球化體增多，甚至還會出現(xiàn)魏氏體(圖3)，此時材料出現(xiàn)過熱劣化，材料性能受到明顯影響，給鍋爐運行造成安全隱患，應(yīng)及時進行處理，去除危險因素方可繼續(xù)使用。

圖2 正常狀態(tài)下亞共析鋼金相組織

圖3 魏氏體金相組織

3 結(jié)語

綜上所述，貫流式鍋爐是一種出色且先進的鍋爐型式，因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于管理、安全性高等優(yōu)點，使其在未來有著獨特的市場優(yōu)勢和發(fā)展前景，但它的一些局限性也需要在實際應(yīng)用場景中解決和考慮。雖然，其危險性較傳統(tǒng)鍋爐低，但在使用過程中的安全問題依然不容小視。使用方在鍋爐運行過程中一定要嚴(yán)格遵守鍋爐使用的各類相關(guān)規(guī)定，并在下次檢驗日期前一個月向具有相應(yīng)資質(zhì)的特種設(shè)備檢驗機構(gòu)提出申請，并配合檢驗機構(gòu)按時進行鍋爐檢驗，才能保證鍋爐的安全與節(jié)能運行。