工业锅炉的水循环过程及其对安全运行的影响

工业锅炉的水循环过程及其对安全运行的影响摘要：对工业锅炉的水循环概念、过程及自然水循环原理进行了简要介绍。论述了常见的工业锅炉水循环故障的现象、发生的原因及对安全运行的影响。最后就一个锅炉水循环事故案例进行原因分析，提出处理措施。

关键字：工业锅炉；水循环；故障

一、前言

根据太原理工大学节能技术研究所历年来工业锅炉的测试数据统计, 大约80%的工业热水锅炉在使用到第二、三个供热期时便开始发生不同程度的水冷壁结垢、变形、爆管等水循环故障, 损坏的部位和特征具有明显的规律性。工业热水锅炉的水循环故障严重影响着它的安全运行和正常供热,同时还会造成很大的经济损失。

二、水循环的概念及过程

锅炉水循环指水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面中的循环流动，分为自然循环和强制循环两种。依靠水和汽水混合物的密度差维持的循环是自然循环；依靠回路中水泵的压头维持的循环是强制循环。正常的水循环可以保证锅炉蒸发受热面及时可靠的冷却，是锅炉安全运行的基本条件之一。

自然水循环过程：锅筒内的水经下降管束到下集箱，在受热面被炉膛内的高温烟气加热，汽水混合物经上升管束再回到锅筒内，产生的饱和蒸汽从引出管经过热器被高温烟气的再次加热形成过热蒸汽，输出备用；锅筒内的水经下降管束再次到下集箱，进行再次循环。

高温烟气：炉膛内产生的高温烟气初次加热上升管束的水后经凝渣管束，到过热器加热产生的饱和蒸汽至过热蒸汽，再到省煤器加热给水，加热后的给水进入锅筒参加水循环；烟气继续被利用，到空气预热器加热即将进入炉膛的空气，最后烟气经出口排出。

三、自然水循环的原理

在锅筒和集箱之间，受热管通常是水冷壁管(上升管)；不受热的管子叫下降管。上升管中一部分水因受热汽化，则管内汽水混合物的密度要比下降管中水的密度小。这样就在上升管与下降管中因密度差而产生了一个压差。这个压差推动上升管中的汽水混合物向上运动，下降管中的水向下运动。由于锅水在上升管中

不断受热，下降管中水与上升管中汽水混合物的密度差一直存在，所以运动也就持续不停，形成了循环。

因密度差产生的压差叫运动压头，导致流体在循环回路中的流动，用以克服回路中的流动阻力，运动压头与上升管束和下降管束中的阻力相平衡。

三、常见的水循环故障及对安全运行的影响

(1)停滞

循环回路中个别上升管内水及汽、水混合物流速极低，入口只有少量水进入，管内只有汽泡缓慢上升，此时进入上升管的水量等于上升管产生的蒸汽量，循环倍率K＝1，这种现象叫做停滞。

由于结构原因造成锅炉局部受热面管子供水部足，或者在同一个水循环回路大的上升管群中，如果各水管之间受热情况相差太大，就会使受热弱的管内水流缓慢，循环动力不足，由于受其他管子对循环水的争夺影响，使管内的汽水停止流动，造成过热爆管事故。

(2)倒流

倒流也产生在并联上升管系统内受热弱的上升管中。在这样的上升管内，工质由上升流动变成了下降流动，故称为倒流。倒流产生的条件是：上升管受热弱，其运动压头小于下降管阻力；上升管连接于锅筒的水空间，如果上升管连接于锅筒的蒸汽空间，则不会发生倒流；水沿该上升管下降流动的流阻小于原下降管流阻。

循环倒流是由于在受热最强的上升管中，工质流速很大。往往产生抽吸作用，使受热最弱的上升管中的工质朝着与正常循环回路相反的方向流动。一般倒流没有危害，只有当蒸汽向上的速度与倒流水速相近时，才会使汽包集聚、增大，形成汽塞。汽塞处的管壁可能造成管子过热或疲劳损坏。

(3)汽水分层

当上升管水平布置或与水平面夹角过小时，如果管中工质流速过低，就会出现汽水分层现象，即蒸汽在管子上部流动，水在管子下部流动，汽水两相间有时会出现明显的分界面。管子的上部就会因得不到足够的冷却而烧坏。因此，上升管不能水平布置，必须与水平线起码有10°~15°的倾斜角。

（4）过冷沸腾

根据传热学原理, 在热水锅炉受热面管的横截面上,水温分布不同,管内壁面处水温较管中心水温高。因此,当管内平均水温尚未达到饱和温度t bh,而管内壁面温度t b却超过了饱和温度,且两者温差达到临界值时, 在管内壁面上水开始汽化, 生成气泡,发生过冷沸腾。过冷沸腾发生时, 管内壁面汽化处水中无机盐类蒸浓后可结生水垢。随着水垢逐渐变厚,管内径逐渐变小,管内壁粗糙度变大, 流阻逐渐增大,进入管内的水流量越来越少,汽化、结垢愈加严重。垢层的持续增厚,加之管内壁面上出现的气泡不能被及时排走而停滞在管壁表面形成汽膜, 使受热面管的传热热阻不断增大, 造成传热恶化, 管内、外壁面温差急剧增大, 最终造成管外壁面超温, 出现过热变形,甚至过烧爆管,从而造成热水锅炉水循环故障。

四、事故案例分析

在太原北机务段(以下简称北机)改扩建工程中安装的Q X W 3 6 0 一1 0 / 1 1 5 / 7 0-AⅢ型热水锅炉投入运行4 0 d 后,锅炉水冷壁管发生爆管，就爆管原因分析与处理简述如下。

1 基本情况

(l ) 锅炉概况

Q X W 3 6 0-10 / 1 1 5 / 7 0-AⅢ型热水锅炉为往复炉排，额定4.2MW ,锅炉最大工作压力0.7MPa ,出水温度9 5 ℃,回水温度7 0 ℃,2 类烟煤，循环水量G =83.6 t / h,排烟温度1 8 0 ℃,炉排有效面积7.46 m2 ,炉膛容积1 6.9m2 ,辐射受热面积25.57 m2 ,对流受热面积1 9 0 m2 ,设计效率为76.54 % 。

(2 ) 锅炉运行工况

出水温度66℃,回水温度58 ℃,工作压力0.3MPa。

(3 ) 爆管位置

爆管位于左侧水冷壁管，由上集箱前端开始,第十根水冷壁管上，距下集箱10 8 0m m 处,正常管间距62 mm,爆管后管间距为42 mm ,爆管管径φ5 1mm,管壁厚度3 mm。

2 爆管原因分析

(1 ) 锅内水循环管架式热水锅炉是借助于循环水泵的压头,使锅炉水强迫流动,并将锅炉水直接加热。若有短路,则整个回路的温度水平提高。随着回路短路份额的提高,回路的水温极大地增加,极易引起锅炉水循环故障。在锅炉爆管后的