克雷登锅炉安全与节能方案分析

2017-08-01戴宇辉刘媛媛

中国设备工程 2017年14期

关键词：锅炉分析

戴宇辉，刘媛媛

（1.河北白沙烟草有限责任公司保定卷烟厂；2.保定市供水总公司，河北保定 071000）

克雷登锅炉安全与节能方案分析

戴宇辉1，刘媛媛2

（1.河北白沙烟草有限责任公司保定卷烟厂；2.保定市供水总公司，河北保定 071000）

锅炉属于一种高能耗的特种设备，可以广泛的用于民用、工业等。克雷登锅炉也被称为克雷登蒸汽发生器，属于盘管式直流水管锅炉。克雷登锅炉应用中，为保障其功能的全面发挥，需对克雷登锅炉安全进行阐述，明确蒸汽锅炉缺水爆炸机理，解读具体的安全措施，再制定有效的节能方案，旨在推动克雷登的安全性与节能性提升，并有效规避安全隐患，提升克雷登锅炉的利用效率。

克雷登；锅炉；安全；节能方案

锅炉是现代工业生产和日常生活中的重要能量转换设备，鉴于锅炉的特殊性，使锅炉成为容易出现安全隐患的设备类型，如果不能有效的制定锅炉安全措施，就可能会导致锅炉出现爆炸的现象，造成人员伤亡和经济损失。另外，锅炉还是一种高能耗的设备类型，会造成大量的能源消耗和损失，不利于锅炉的有效应用，亟需改进与完善。基于此，本文结合克雷登锅炉，分析具体的锅炉爆炸机理，制定有效安全措施，并针对能耗情况，完成对节能方案的设计，具体内容如下。

1 克雷登锅炉及锅炉缺水爆炸机理分析

1.1 克雷登锅炉分析

克雷登锅炉是一种引进美国高新技术产品。克雷登锅炉可以被称为克雷登蒸汽发生器，属于强制循环胆管直流锅炉，具体积小重量轻的特点，体积仅为传统锅炉的 1/3，且克雷登锅炉具有较高的自动化程度，最高压力可以达到 23MPa，过热高达 620℃。具有启动快，冷炉能够在 3～ 5min内输出蒸汽，还具备较小的水容量、有炉无锅、安全性能高等特点，能广泛的应用到海洋、陆地等行业中。

1.2 蒸汽锅炉缺水爆炸机理分析

蒸汽锅炉是通过燃料燃烧完成对锅炉内水加热，进而获取高温的水蒸气。但是，在实际的锅炉运行中，如果锅炉很长的一段时间内处于缺水干烧的现象，就会引起锅炉内部的一些金属构件处于加热状态中。且由于锅炉处于干烧状态，会使得这些金属构件不能得到有效的降温，致使这些金属构件的温度逐渐上升，锅炉整体处于一个高温炙热状态。如果这个时候展开锅炉水补充，处于干烧、高温状态下的锅炉，会将水瞬间气化，转化为水蒸气，同时，金属构件也可能会产生淬火的现象。另外，锅炉在长期的使用中，出现部分位置会出现变薄、锈蚀的情况，影响锅炉。这些因素的综合作用下，蒸汽锅炉则会发生爆炸，进而导致安全事故的产生。蒸汽锅炉缺水爆炸是影响锅炉安全与稳定的基础，如不能有效的控制，锅炉就不能投入使用。

2 克雷登锅炉安全分析

在对克雷登锅炉的安全分析中，需要对克雷登锅炉强度理论展开，再对其具体的安全举措进行解读，综合分析克雷登锅炉的安全性，为克雷登锅炉的有效应用奠定基础。

2.1 强度理论与公式计算分析

克雷登锅炉的具体结构中，管子与锅壳筒体均受内压力，其中 β 值小于 1.2，属于薄壁圆筒，则可以展开压力计算。克雷登的锅炉和锅壳锅炉的设计压力均为1.0MPa，且蒸汽设计温度为 183℃。分别展开对最小需求厚度tmin、最高允许计算压力[P]，爆破压力P，分别为：

结合上述公式综合展开计算可以完成对管子最小需求厚度的计算，计算结果为 1.3mm，现取 3mm。计算到爆破压力为 27.03MPa，如果管壁厚度取 3.5～4mm，则爆破压力在 33.9～ 40.5MPa，爆破压力比最高允许计算压力高出 5.6倍。由此可见，克雷登锅炉的爆炸风险很小。

2.2 结构应力分析

结构应力对克雷登锅炉具有直接的影响，为了完成对克雷登锅炉安全性分析，可从结构应力入手。克雷登锅炉是盘管式直流水管锅炉，单管盘管受热的面仅承受膜应力，这也就使得克雷登锅炉稳定性相对较高。而且，克雷登锅炉的盘旋弹簧结构形式，可以实现膨胀消除的效果，规避的二次应力的影响，保障锅炉的整体安全。

2.3 强制循环有助于受热面的可靠冷却

锅壳锅炉选择自然循环的方式，水质对锅炉安全影响明显。如果水质不佳，会出现各类盐类物质的积累，并附着在筒体管壁和烟管上，导致高热阻的水垢形成，影响热传递。还会导致锅炉外壁的温度上升，致使相关部分发生裂缝，制约锅炉安全性。

克雷登锅炉选强制循环的方式，实现管内水速的控制。通常情况下管内水速为 1.5m/s。选择这样的流速，可以有效的保障管内的介质正常流动，实现对受热管面的冷却，并减少盐类物质的堆积，避免水垢的产生，保障克雷登锅炉的稳定性。

汽水侧的安全性对整个克雷登锅炉的影响明显。克雷登锅炉选择单管直流，水侧入口的流速≥ 1.6m/s。选择高速紊乱流，它可以强化和均匀传热的效果，还可以规避各类离子的吸附停留的不利影响，促使汽水侧不会出现的氧腐蚀的现象，减少安全隐患。

2.4 燃烧侧安全性分析

克雷登锅炉底部燃烧侧是影响锅炉整体功能与安全的基础，克雷登锅炉的底部的选择燃式结构，没有设置回转烟道。这些设计使得克雷登锅炉可以选择燃油、燃气作为主要材料的锅炉。克雷登锅炉具备上行烟气流动方向和烟囱自生通风能力。这些能力的综合作用能降低克雷登锅炉的燃烧故障率，规避炉膛内部聚集可燃气体，降低安全隐患。而且克雷登锅炉的容积相对较小，运用耐火保温材料，仅在燃烧室的底部进行设置。这些特点可以降低燃烧室蓄热效果，进而规避隐患。克雷登锅炉的炉膛配置密排旋管，可以降低漏风情况，避免锅炉出现爆燃、爆膛事故。

3 克雷登锅炉节能方案分析

结合克雷登锅炉的基本情况，完成对克雷登锅炉节能方案的分析，继而为相关同类产品的节能设计提供参考，保障锅炉高效率的基础上，完成锅炉节能效果的提升。

3.1 克雷登锅炉具体节能举措

（1）克雷登锅炉在设计时，选底部室燃烧方式，具体的燃烧中，火焰形成的中心回流。相比传统锅炉，克雷登锅炉的燃料燃烧速度快、温度高、材料能够实现充分燃烧，从而使锅炉保持良好的燃烧效率。

（2）克雷登锅炉体积和表面积小，体积为锅壳锅炉的 1/3～ 1/5，水容量小，在加上克雷登锅炉设置水冷壁外套，可有效降低散热损失。散热损失用q5表示，且q5的直接与锅炉壳体外的温度高与面积有关，具体的计算公式如下（4）所示：

q5=1670F ÷（BQr）×100% （4）

根据上述公式计算，可以得到克雷登锅炉散热损失低。由于锅炉具有水容量小和启动快的特点，也就使得锅炉更产生同等蒸汽量所需求的热量为传统锅壳锅炉的 5.57%，可以有效的达到节省燃料的目的，且效果显著。克雷登锅炉还具备较快的冷炉启动，耗时低，达到节能的效果。另外，由于锅炉的体积小，使得锅炉的材料应用较少，达到降低材料成本，缩减占地面积，提高空间的利用效率。

（3）克雷登锅炉的对流受热面以错列的方式布置，再选择横向冲刷与逆流换热的方式，使克雷登锅炉中的烟气流速可以得到提升，烟气速度可以达到 12~25m/s，这样锅炉具有较高的传热系数，K值≥ 70W/（m2·℃）。使得排烟温度＜ 140℃，降低排烟热损失，减少排烟热损失＞ 3%。

3.2 克雷登锅炉的给水软化

锅炉用水如果硬度超高，极其容易引起锅炉内部生成碳酸钙、碳酸镁等，这些物质会在锅炉及其管道出现沉积，影响管道的导热效果，锅炉的效率降低，造成能源损耗严重。故此，需要对锅炉用水进行处理，达到软化锅炉用水的目的，规避沉积现象的出现，保障锅炉节能效果。克雷登在具体的软化水处理中，选择离子交换的方式，钠离子交换树脂吸附水中的硬化离子，完成锅炉用水软化。此外，由于克雷登锅炉对水质要求较低，使得克雷登锅炉不需要频繁的展开排污。克雷登锅炉的水处理费用为传统锅炉的 85~94%，而排污量仅为传统锅炉 10%，达到节能的目的。

3.3 重视锅炉后勤供气管道设计

为了保障克雷登的节能效果，需要合理展开后勤供气管道设计。首先，管径的选择中，需确保管径和蒸汽量的匹配程度。其次，控制蒸汽流速，以 50m/s为宜。第三，对饱和蒸汽流速进行控制，以 20～ 30m/s为宜。最后，定期展开安全阀等构件的检查工作，确保相关构件的稳定运行。