主动温差激励状态下有机热载体锅炉的结垢检测技术研究

姚国平 余焕伟 郑小腾

(绍兴市特种设备检测院 绍兴 312071)

主动温差激励状态下有机热载体锅炉的结垢检测技术研究

姚国平 余焕伟 郑小腾

(绍兴市特种设备检测院 绍兴 312071)

以导热油为介质的有机热载体锅炉因其运行温度高，使用不当易发生有机热载体裂解和性能劣化、受热面结垢、过热，且较难通过宏观检验发现，常导致锅炉失效和火灾。本文提出了一种主动温差激励的方法，研究了温差激励下受热面结垢区域的外壁温度变化，并结合检验实例探索了一种有机热载体锅炉结垢检验新方法。

有机热载体锅炉 结垢 过热 主动温差激励

有机热载体锅炉俗称导热油锅炉，以导热油为循环介质供热的热能设备，具有高温（320℃以上）低压（0.3MPa~0.5MPa）的优点，是一种安全、高效、节能的供热设备。但是，由于有机热载体锅炉需要以导热油为介质，在炉内高温燃气或火焰的环境中被加热，使用不当易发生有机热载体裂解和性能劣化、受热面结垢、过热[1，2]，从而引发严重后果。现有的有机热载体锅炉外检很难检查出锅炉受热面管的过热，而有机热载体锅炉一般为强制循环，烟道布置密排的蛇形对流受热面管，所发生超温过热现象即使在停炉状态也难以通过内检检查发现，因此，很有必要开发一种新的有机热载体锅炉结垢（过热）检验方法。

红外热波检测技术是建立在电磁辐射和热传导理论基础上的一门无损检测技术，主要是根据被探测物体的温度场来确定缺陷的存在和形状[3]。该技术在国外已被广泛应用于航空、航天、电力、石油管道等领域，对被检对象的裂纹、疲劳、腐蚀和焊接状况进行检测等，具有非接触、精度高、图像直观、检测范围广等优点[4-7]。本文将红外热波无损检测技术引入有机热载体锅炉检测领域，采用主动温差激励的方法使受热面管结垢区域外壁温度分布发生改变，再通过红外热成像仪对外壁温度进行对比检测，找到温度分布异常的结垢区域；采用有限差分的方法建立管壁结垢时的导热油流动传热分析模型，对导热油锅炉受热面管的过热结垢进行模拟及反演预测，为有机热载体锅炉的红外热波检测提供理论指导。

1 红外热波无损检测实例

锅炉型号YJW-12000(1000)J，介质为联苯-联苯醚，燃料为水煤浆；锅炉本体为强制液相循环，出口配闪蒸罐，工艺系统为气相介质循环。该炉型有双对流管束（下称蛇形管）在尾部左右对称布置，每组蛇形管在炉顶布置4个检查孔、侧墙和后墙各置1个检查孔；检测对象为一组介质同向流动的并列蛇形管。选取尾部左侧蛇形管组作为检查对象，外观检查对流管部位检查孔的布置及孔内外周边情况，该炉型有双对流管束在尾部左右对称布置，每组对流管束在炉顶布置4个检查孔、侧墙和后墙各布置1个检查孔。对检查孔进行编号，分别为顶左1~顶左4、侧左1、后左1，顶右1~顶右4、侧右1、后右1。

根据便于对流管束最大温差比较，同时尽可能体现对比作用的原则，本次检验中选取同一管子的上、下部位的顶左1、侧左1检查孔和相近管子的上、下部位的顶左4、后左1检测孔，位置示意图如图1所示。

图1 检测孔位置示意图

2 红外热波无损检测结果分析

由于检测对象已经停炉一段时间，整体炉温较低，因此本次试验采用“升温激励法”：导热油温度从常温升至40℃，40℃恒温，升至60℃，60℃恒温，升至80℃， 80℃恒温。按上下或前后两处作为对比组，利用红外热成像仪测量并记录前述四个孔内管子的温度变化情况，选取反映存在温差异常的检测记录片断，见表1。

表1 蛇形管不同测温点的典型红外测温温度值(℃)

表1中上下测点指同一蛇形管片的上下段，检测序号指测点按时间顺序编号（间隔时间为10s~15s），从红外测温数据可以看出：1)同一蛇形管中，上管段温度高于下管段温度；2)同一时刻，炉后、炉侧蛇形管的上部区域温度相近；3)同一时刻，侧面蛇形管的下部区域温度较低。4）测试期间除炉后下部管段因位置原因在测试中难以测得即时时刻的温度最高值，导致偏差较大外，其它各管段的温度测量值标准差都不超过0.4℃。

导热油在蛇形管内是从上部流向下部，炉后和炉侧蛇形管的上部区域对应着蛇形管的入口初始段，两处的检测温度相近，其检测结果平均值分别为78.5℃和78.8℃，这与导热油从集箱分流到各支蛇形管的实际相符。炉后和炉侧蛇形管的下部区域的温度理论上也应一致，但红外检测结果表明其温度平均值分别为74.5℃和71.1℃，二者存在较大的温度差异，进一步试验排除了由于炉门开关等因素的影响，认为此处温度异常与该部位管段内外导热性能相关，是受管壁过热结垢引起的。对怀疑结垢的左侧蛇形管温差最大部位进行复膜金相检测，如图2所示，图2中金相组织为铁素体+少量碳化物，其中黑色的碳化物组织主要富集在晶粒的交界面，表明碳原子已向晶界扩散或从铁的固溶物中析出，这说明此处已发生长期过热，定义为疑似结垢过热区。

图2 左侧蛇形管温差最大部位的复膜金相组织

3 导热油锅炉受热面管结垢后壁温模拟

3.1 导热油及受热面管温度场模拟

当采用红外热波法检测有机热载体锅炉是否存在管壁结垢时，需要利用导热油对受热面管进行温度激励，如果管路系统温度较高，可以采用低温导热油，反之采用高温导热油。取导热油流体及管壁的径向步长Δr=4mm，流动步长Δx=10mm，利用编写的有限差分计算程序对高温导热油流过250m钢制盘管时的温度场进行模拟计算，主要参数如下：盘管壁厚3mm，内径为30mm，导热系数λg=60w/(m·℃)，密度ρg=7850kg/m3，比热容Cg=460J/kg·℃；导热油为联苯-联苯醚，导热系数λf=0.098w/(m·℃)，密度ρf=990kg/m3，比热容Cf=1901J/kg·℃，流速v=0.04m/s，导热油的入口温度T0=20℃，管壁温度初值T1=200℃。计算结果如图3所示，可以看出，随着导热油流动，热量不断从管壁传向中心流体，由于热传导系数的差异，管壁温度在径向方向基本趋于一致，而导热油温度在径向方向有较大差别。

图3 导热油流体及受热面管的温度分布图

当导热油管壁有油垢存在时，由于油垢的热阻作用，在导热油的温差激励下此处管壁温度表现出明显差异。图4模拟的是250m长导热油管0.6~0.7倍管段处存在1mm厚油垢层时的温度分布情况，可以看出此处管壁的温度要明显高于其临近管壁，呈现出“热岛”现象。如果能通过红外热成像仪检测到这种管壁外侧温度差异，也可以反过来判断管壁内侧是否有油垢存在。

图4 存在油垢时的导热油及受热面管的温度分布图

3.2 现场检测实例的温度场模拟

利用开发的有限差分计算程序对从集箱开始30m管段内的导热油流体及受热面管的温度分布进行数值模拟，从导热油流体中心到炉管壁外侧的温度径向分布如图5所示，在管长2.5m~3.5m处对应着蛇形管上部区域的外管壁模拟温度在79.0℃~78.0℃，这与实际检测温度基本相符；在管长6.0m~7.0m处对应着蛇形管下部区域的外管壁模拟温度在75.5℃~74.0℃，这与炉后蛇形管下部区域的壁温测量值基本相符，但明显高于炉侧蛇形管下部区域的壁温测量值。

图5 导热油流体及蛇形管的温度分布图

图6显示的是当6.0m~7.5m管段处有2.5mm厚的环形油垢时的温度径向分布模拟图，由于油垢的热阻和吸热作用，此处的管壁温度要比附近温度要低，大约为69.5℃~67.0℃。图7显示的是不同油垢厚度时的管壁外侧温度曲线图，其中0.5mm厚油垢对应的管壁外侧温度是74.0℃~69.5℃，1.0mm厚油垢对应72.0~68.5℃，1.5mm厚油垢对应71.0℃~68.0℃，2.5mm厚油垢对应69.5℃~67.0℃。对比炉侧蛇形管下部区域的壁温测量平均值71.1℃，根据模拟计算结果可以初步推断此处蛇形炉管可能存在一定厚度的油垢。

图6 存在油垢时的导热油及蛇形管的温度分布图

图7 存在不同厚度油垢时的蛇形管管壁外侧温度曲线

有机热载体锅炉受热面管结垢时，其导热特性会急剧下降，采集其升温或降温过程中的红外热波图像，对这些数据进行分析并结合模拟计算结果，可实现在不排空导热油的情况下对锅炉结垢过热区的检测，这对于受热面管内油垢的存在和厚度的快速检测都有实际意义。但是，红外热波具有光波的特性，容易受被检对象的位置、几何形状、温度、导热性能等因素影响，其检测结果往往需要进行对比试验才能确定。

4 结束语

本文的研究结果表明，利用油垢热阻较大的特性，对有机热载体炉受热面管段进行主动温差激励后，可以在不排空导热油的状态下通过红外热波无损检测的方法快速评判其结垢情况，从而为查找过热区域和锅炉清洗决策提供依据，但对于结垢的定位和定量检测，还需进行大量的检测应用和对比分析，并建立相应的检测标准。

[1] 姚国平.有机热载体锅炉受热面过热检验与分析[J].中国特种设备安全，2010，26(9)：30-32.

[2] 姚国平.有机热载体锅炉安全操作技术（浙江省特种设备作业人员培训教材之二）[M].浙江：浙江省质量技术监督局，2009：38-52.

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[4] 张建合，郭广平.国内外飞速发展的热像无损检测技术[J].无损探伤，2005，29(1)：1-4.

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[8] 周英，胡三木，姚国平，等.有机热载体锅炉及系统清洗导则[S].浙江：浙江省地方标准，2015.

[浙江省质监科技计划项目：20130280]

Research on the Scaling Inspection Technology of Organic Heat Transfer Material Boiler under Active Temperature Difference Excitation

Yao Guoping Yu Huanwei ZhengXiaoteng
(Shaoxing Special Equipment Testing Institute Shaoxing 312071)

Heat transfer oil as a medium of the organic heat transfer material boiler serves at a high operating temperature, and the undeserved application of which would lead to failure and fire disaster of the boiler due to organic heat carrier pyrolysis and deterioration, heat exchangers scaling and overheating, which are difficult to find through macroscopic examination. In this paper, a new method of active temperature difference excitation is proposed, and the temperature distribution of the outer wall of the heating surface tube is studied under an active temperature difference excitation, then a new scaling test method of organic heat carrier boiler is explored with a test case.

Organic heat transfer material heater Scaling Overheating Active excitation of temperature difference

X924.2

B

1673－257X(2015)10-0015-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.003

姚国平（1967～)，男，本科，副教授，高级工程师，主要从事锅炉检验工作。

2015-05-12 ）