卧式内燃煤粉锅炉预燃室的鼓包变形分析

张 勇 刘 恒（山东省特种设备检验研究院泰安分院 泰安 271000）

卧式内燃煤粉锅炉预燃室的鼓包变形分析

张 勇 刘 恒
（山东省特种设备检验研究院泰安分院 泰安 271000）

针对一起卧式内燃煤粉锅炉的预燃室顶部鼓包变形的案例，本文从预燃室钢板材质和锅炉运行状况进行了综合分析，并采用Fluent软件对预燃室内煤粉的燃烧工况进行了数值模拟。结果表明：造成鼓包变形的原因是燃烧器燃料喷管弯曲变形，燃烧器火焰偏离预燃室轴向方向，预燃室局部长期超温运行，钢板过热，材料劣化，导致材料的室温强度、高温强度、持久强度及硬度大幅下降，在外压作用下，钢板屈服变形，形成鼓包。

煤粉锅炉 预燃室 数值模拟 超温 鼓包变形

煤是我国基础能源，相当长时间内，工业锅炉仍将以燃煤为主。在当前节能环保要求越来越严格的大环境下，煤粉锅炉由于具有热效率高和排放达标的特点，受到不少用户好评。但同时也应该看到，煤粉锅炉在设计、使用等方面还存在一些不够完善的地方，比如：燃烧器的设计、燃烧器与锅炉的匹配、煤粉细度的选取以及运行中各种参数的设定等等，这些都可能影响锅炉的安全运行，甚至会成为严重的安全隐患。某企业一台型号为WNS4-1．0-AⅡ的卧式内燃煤粉锅炉，该锅炉为异型预燃室内置三回程锅壳式煤粉火管锅炉，采用旋流燃烧器。内检时，检验人员发现锅炉前部预燃室出现严重鼓包变形。具体变形位置如图1所示。

图1　预燃室顶部鼓包处

1　缺陷的检验情况

1）预燃室顶部距锅壳前管板800mm处鼓包变形，面积350×300mm，鼓包高度100mm。鼓包向火侧呈现严重高温氧化现象，见图2。

图2　预燃室顶部鼓包

2）利用MX-3型测厚仪对鼓包顶部及鼓包边缘正常位置各取3点进行测厚，数据见表1。查阅出厂资料，锥形炉胆设计壁厚为12mm，可见鼓包顶部壁厚减薄严重。

表1　测厚数据

3）锅炉水侧未见明显水垢。

4）燃烧器喷管前端400mm范围内呈现弯曲变形，弯曲角度约20°。

2　鼓包的原因分析

2.1材质分析

●2.1.1化学成分分析

在鼓包处钢板心部进行取样分析，其化学成分见表2，可见锥形炉胆鼓包处钢板化学成分符合GB 713—2008《锅炉和压力容器用钢板》中Q245R(20g)的要求。

表2　鼓包处化学成分分析

●2.1.2硬度检测

沿预燃室轴向在鼓包顶部处及其边缘正常位置进行硬度检测，每处测5点，具体数据见表3。可见，鼓包顶部处较边缘正常位置硬度降低46HB，硬度降低30%，可见鼓包顶部处钢板存在较严重的材质劣化现象。

表3　硬度测量值

●2.1.3金相分析

在鼓包边缘正常位置及鼓包顶部处进行取样分析，金相组织见图3、图4。

图3　鼓包边缘正常位置

图4　鼓包顶部处

由图3可见，边缘正常位置组织为片状珠光体+铁素体，未发生珠光体球化现象。由于钢板供货状态为热轧状态，所以其带状珠光体组织清晰可见。鼓包顶部处组织为：粒状珠光体+铁素体，珠光体出现较严重的球化现象，铁素体基体上可看到细小的碳化物颗粒。参照DL/T 674—1999 《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》，珠光体球化程度达到4．5级。表明该处存在超温过热现象，在高温的作用下，珠光体中的片状渗碳体经过破断、扩散、聚集，形成珠光体球化现象。

2.2 锅炉运行状况分析

●2.2.1水质状况分析

该锅炉水处理采用反渗透装置，设备运行状况良好。现场抽取锅炉给水进行化验，具体数据见表4，化验数据符合GB/T 1576—2008《工业锅炉水质》要求。由锅炉水侧未见明显水垢也可判断给水无异常。

表4　水质化验数据

●2.2.2预燃室燃烧工况的数值模拟

该锅炉采用旋流燃烧器。锅炉正常运行时，一次风混合煤粉由燃烧器喷管进入，二次风由喷管周围吹入。为产生回流区，稳定燃烧，提高燃尽度，喷管前端装设有管状钝体。为了解锅炉运行时，预燃室内的燃烧工况，本文运用Fluent软件，对预燃室燃烧工况进行了数值模拟。边界条件根据锅炉实际正常运行情况，入口一次风温度为400K，流速为20m/s。入口二次风温度为293K，流速为4．7m/s。由于运行过程中，煤粉与空气混合发生化学反应，预燃室内存在着强湍流流动和燃烧，因此采用标准κ-ε湍流模型[1]（standard κ-ε model）、组分输运和化学反应模型（Transport & Reaction）来模拟湍流流动和燃烧。预燃室内物质流动、传热、能量和扩散的数学模型[2]可描述如下：

1）连续性方程

式中：

ui为——速度分量，

2）动量方程

式中：

3）能量方程

式中：

α——流体的热扩散率。

4）湍流动能方程

式中：

Gκ——由于平均速度梯度引起的湍流能κ的产生项，其式为：

式中：

σκ——经验常数[3]，取值为

5）湍流动能耗散率方程

式中：

C1ε、C2ε——经验常数[3]，取

6）化学反应对流-扩散模型

式中：

Y——每个组元的当地质量分数；

R——第 i组分在化学反应中的净生成速率；

——扩散相加上用户定义的源项得到的静生成速率。

利用Fluent软件得到的预燃室速度场和温度场发布图形，如图4、图5、图6、图7所示。i

图5　喷管变形前预燃室的速度场

图6　喷管变形前预燃室的温度场

图7　喷管变形后预燃室的速度场

图8　喷管变形后预燃室的温度场

由以上各图可见，喷管变形前，一次风中的煤粉与二次风中的氧气进行燃烧，产生的火焰中心与预燃室轴向重合，火焰边缘温度较低，由图5可以看出，预燃室壁的最高温度为130℃左右。喷管变形后，导致火焰偏离轴向方向，火焰高温区直接与预燃室壁接触，由图7可见，其最高温度可达930℃左右。实际检验过程中还发现预燃室底部结焦严重，基本已经被铺满。煤粉燃烧产生的热量，更多的集中于预燃室后上部区域，导致后上部区域温度更高。一般来说，使用过程中，20g允许金属壁温在450℃以下，锅炉正常运行情况下，金属壁温一般在280℃以下[4]。当钢板金属壁温达到450℃以上的高温时，钢板高温力学性能显著降低，同时还会引起钢板金相组织的变化，出现珠光体球化现象。由DL/T 674—1999中附表D1、E1可见，材料的室温强度、高温强度、持久强度及硬度大幅下降[5]。锅炉运行过程中，在外压作用下，钢板屈服变形，形成鼓包。随着珠光体球化不断加深，材料性能不断劣化，鼓包变形越来越大。

3　结论与建议

由以上分析可知，该锅炉预燃室鼓包的主要原因是锅炉运行过程中，燃烧器燃料喷管向下弯曲变形，燃烧器火焰偏离了预燃室轴向方向，火焰高温区直接接触预燃室内壁上部，钢板长期超温过热，金相组织发生变化，钢板强度大幅下降，在外压作用下，钢板屈服变形，形成鼓包。后来经过了解，该锅炉每运行2～3个月，燃烧器燃料喷管就会因超温出现不同程度的弯曲变形，而且在同类型锅炉里面都出现了喷管弯曲变形现象。为了避免燃料喷管弯曲变形的发生，我们也提出了以下几点建议。

1）选择耐热性能更高的喷管材质，使喷管在预燃室内保持足够的高温强度；

2）在燃料喷管外表面包覆适当厚度的隔热层，根据温度场的分布图（见图6），对喷管外表面高温区进行重点保护，降低喷管的金属壁温，使其保持足够的强度。

3）改变喷管出口现状，让燃料在进入预燃室内时与喷管保持一定的角度，使喷管外表面高温区外移，从而降低喷管外表面温度；

4）调整一、二次风配比，使火焰高温区前移，缩短高温区与喷管前段的距离，减小喷管自重所产生的力矩，避免喷管弯曲变形；

5）根据《锅炉安全技术监察规程》中第7．2条要求，燃油（气）燃烧器有相应的安全技术规则，并且投用前需要进行型式试验，但对煤粉燃烧器还没有相应的要求，以后对煤粉燃烧器是否也应该提出一些相应的安全技术要求。

[1] 熊莉芳，林源，李世武. 湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J]. 工业加热，2007，36(4)：13-15.

[2] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004：120-124.

[3] 陶文铨. 数值传热学[M]. 第二版.西安：西安交通大学出版社，2001:347-353.

[4] 张梦珠. 工业锅炉原理与设计［M］. 北京：水利电力出版社，1990.

[5] DL/T 674—1999 火电厂用20号钢珠光体球化评级标准[S]. 北京：中国电力出版社，1999.

Analysis of Bulging Deformation in Prechamber of Horizontal Type Internal-combustion Coal Boiler

Zhang Yong Liu Heng
(Shandong Province Special Equipment Inspection Institute Taian Branch Taian 271000)

This paper analyzes the reasons of a bulging deformation case in prechamber of horizontal type internalcombustion coal boiler. The steel plate material and boiler operation conditions are discussed. FLUENT is used to simulate the combustion condition in prechamber. The results show that the reason of bulging deformation is bending deformation of fuel burner nozzle, which makes burner flame deviating from axial direction of precombustion. The deviating leads to longterm overheating operation in precombustion, overheat and degradation of steel plate, that results in sharp declines in room temperature strength, high temperature strength, endurance strength and hardness of the material. Under external pressure, steel plate is yield deformation and bulging deformation takes shape.

Coal boiler Prechamber Numerical modeling Overheating Bulging deformation

X933．2

B

1673-257X(2016)01-0075-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．01．017

张勇 (1975～)，男，本科，锅炉检验师，压力容器检验师，主要从事锅炉及压力容器检验工作。

（ 2015-05-08）