防止锅炉受热面爆管的有效办法和装置Word文件下载.docx
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沉积在锅炉受热面上的灰，有两种形态，即积灰和结渣。
所谓积灰，指的是温度低于灰熔点时灰沉积物在受热面上的聚积，一般多发生在锅炉炉膛出口至空气预热器段的对流受热面上。
所谓结渣，指的是熔化了的灰粘附在受热面上，一般多发生在炉膛、屏式过热器、炉膛出口等高温受热面。
积灰、结渣受物理因素和化学因素的交替相互作用，生成过程十分复杂，按积灰、结渣的特性来分类的方法繁多。
现仅按积灰强度来划分，可分为松散性的积灰和粘结性的积灰，积灰结渣部位多数发生在锅炉出口水平烟道及尾部竖井烟道的受热面管壁上。
1）.松散性积灰
对单根受热面管而言，松散性积灰发生在两个部位，一是迎向烟气流的正面上，在烟气速度很小、飞灰颗粒很细时飞灰才会形成松散的沉积层，并且为颗粒较大的灰所破坏而减薄。
当煤粉细度和锅炉负荷不变，运行稳定的条件下，这一薄层将在一定的时间内达到动态平衡；
另一个积灰部位是在受热面管的背面，也是积灰最为严重的地方。
由于受热面管的背面处于烟气涡流区，形成松散的楔形积灰，并与受热面管一起构成流线型，因此，不会增加烟气的流动阻力。
2）.粘结性积灰
它主要是在受热面管子的正面形成，并迎着烟气流成梳形状生长，它不像松散性积灰那样到了一定的积灰程度就停止了生长，而是随时间的增加而增长。
积灰严重时在受热面管间搭桥，堵塞烟气通道，增加烟气流动阻力，锅炉不得不被迫减负荷或停炉清灰。
锅炉受热面积灰是不可避免得普遍现象。
受热面积灰后使传热热阻增加，管内工质的吸热量减少，排烟温度升高。
据计算，锅炉排烟温度每升高10℃，锅炉热效率约降低0.5个百分点，相当于一台300MW机组锅炉损失标准煤若干吨（要计算一下）。
同时，因受热面积灰使管壁金属超温，对锅炉安全运行造成威胁，因此，锅炉吹灰势在必行。
1.2传统清灰方式及存在的问题
1.2.1蒸汽吹灰
国内外蒸汽锅炉受热面吹灰广泛采用蒸汽吹灰的原因之一是由于低压蒸汽的获得比较容易，其二是，蒸汽吹灰能起到“立竿见影”的效果，特别是粘结强度高的灰渣、熔融灰渣都能有效地被清除。
它是利用蒸汽射流的动能，直接作用于灰渣的表面，冲击动压可达到2000Pa，灰渣可迅速地被吹离受热面，排烟温度即吹即降，有非常“明显”的吹灰效果，因此，旋转式长短干蒸汽吹灰器在吹灰领域仍然占着统治地位。
但是，蒸汽吹灰也有它不利的一面。
1）.蒸汽耗量大
蒸汽吹灰介质压力一般1.5MPa、＞150℃，耗汽量30～100kg/min。
例如，省煤器一般安装4台吹灰器，每台运行6分钟，每台耗汽量73kg/min，总耗汽量为1752kg。
一台300MW机组锅炉安装100多台蒸汽吹灰器，按吹灰程序顺序执行吹灰，全面吹灰一次约需3小时，总耗汽量约60～100t，要增加锅炉昂贵的补给水量约1，使水处理设备的运行费用提高；
2）.增加排烟中水蒸气含量，使尾部受热面容易积灰和腐蚀，特别是处于末级的空气预热器受热面更容易积灰堵塞，有时不得不停炉清灰；
3）.旋转伸缩式吹灰器的结构复杂，工作条件差，易磨易损件多，所以维修费用高，据统计，以10年为一周期，蒸汽吹灰维修费用比压缩空气吹灰高约70；
4）.蒸汽射流速度高，不断卷吸周围含尘高温烟气，直接冲刷到金属受热面上，致使受热面磨损很严重而爆管，
5）.特别是过热器部位的长伸缩式吹灰器容易卡涩，退不出来，吹损受热面管道。
6）.吹灰时效果很明显，一旦停止吹灰，受热面上又很快积灰，这与蒸汽吹灰留有死角和不彻底有关。
因沿被吹扫管子长度和周界的不均匀吹扫，残留的部分积灰是进一步积灰的基础，同时蒸汽也使灰粒容易粘到管子上，吹灰后一般3小时左右又恢复到吹灰前的积灰状态，排烟温度也逐渐恢复到吹灰前的水平，所以具有“短期效应”的特点。
有的锅炉燃烧易积灰结渣煤时，每天吹灰两三次也难以保证过热蒸汽不超温、管壁金属温度低于报警值，因此，给锅炉运行带来很多困难；
7）.一般蒸汽吹灰的有效吹扫半径约为1.5～2.0米，吹扫面积有限，留有吹扫不到的死角。
为了满足连续运行的要求，一台300MW机组的锅炉需要布置100多台长短杆蒸汽吹灰器，投资较大。
1.2.2压缩空气吹灰
与蒸汽吹灰相比，吹灰介质为压缩空气，吹灰器的结构差不多，但优点较多。
不消耗锅炉补给水，压缩空气也容易获得；
因空气中水分极少，不会造成空气预热器冷端堵灰；
压缩空气系统为低温低压，维修方便；
但初投资较大，必需配备专用空气压缩机。
例如，一台862t/h的蒸汽锅炉，安装了长短杆旋转伸缩式压缩空气吹灰器，若每24小时吹灰3次，共9小时18分钟，耗压缩空气40900m3（标准状态）。
据统计，目前用压缩空气作为吹灰介质的锅炉约占40。
对大容量锅炉吹灰的技术经济比较表明，采用压缩空气吹灰比蒸汽吹灰更为有利。
在美国500MW机组以上锅炉采用压缩空气吹灰约占60，我国小容量锅炉采用压缩空气吹灰的比例较大，或者在锅炉尾部受热面省煤器、空气预热器的局部区域才采用压缩空气吹灰。
1.2.3水力吹灰
锅炉排污水或高压水具有较高的冲击力，对强粘结的硬灰特别有效，但对锅炉燃烧影响大，烟气含水蒸汽量增加，管壁受热冲击，容易龟裂爆管。
1.2.4钢珠除灰
用于小容量锅炉尾部受热面吹灰。
小钢珠从尾部烟道顶部播撒下来，钢珠与受热面管相互碰撞，将积灰从受热面上打击下来，并随烟气带走。
需要安装一套钢珠搜集装置，而且钢珠的损耗量很大，现在已很少使用。
1.2.5振动吹灰
用机械振动（打击）的方法使受热面管振动，积灰脱离管壁后被烟气流带走。
一般在电除尘器上使用，也可用锅炉尾部受热面，但机械部分容易磨损失效。
1.3脉冲波清灰
利用可燃气体，如甲烷、氢气、乙炔等高反应性能的燃料在特制容器中点火爆燃，产生的超音速脉冲波从出口高速喷出，清除受热面上的积灰。
我国在10年前发现随国外进口锅炉带有燃气脉冲波清灰装置，经消化吸收，现在已有十多家公司在生产经营这种清灰装置，有一定的清灰效果。
但要特别小心可燃气体在运输、储存中的安全及在使用中失控爆炸；
要控制脉冲波的强度，否则设备受损、连接部件松动、保温材料脱落，噪音大，有的在1000米以外还能听到爆炸声。
1.4声波清灰
综上所述，由于传统清灰器存在不同程度的问题，如何找到更好的吹灰器，节约有限的能源，一直是这一领域内广大工程技术人员为之奋斗的目标。
利用压缩空气位能在特殊设备中调制成声能，作用于受热面上的积灰，达到了清灰的目的，正是这一奋斗目标的体现。
声波清灰在我国近十年来得到迅速的发展，达波电力设备有限公司集众家之长，在声波清灰器的研制、应用方面取得了重要的进展，特别是在300MW级大容量锅炉上的应用更是取得了成功的经验，因此，不断总结经验，提高技术水平，是我们努力的方向。
2振动与声
2.1声音
我们的周围是充满声音的世界。
街道上车声隆隆，工厂里机器转动的轰鸣声，大自然中风声、雨声，海洋里波涛的怒吼，总之，在我们地球上声音是无处不在。
那么，声音究竟是甚么呢？
它是如何发生又是如何传播的呢？
2.2振动与声
我们向平静的湖水水面投下一颗小石子，可以看到以石子投入点为中心的水波向周围传播开去，如图1所示。
这是由于小石子打击湖水，使其石子周围的水发生了振动，水的振动又牵连到临近水的振动，于是水波就由近及远的传播出去了。
以石子为中心高出水面的近似同心圆的部分最高点叫波峰，凹下去的最低点叫波谷。
表面上看起来，好像水以石子为中心传到远出去了，其实不然，水分子只是在原地上下振动，与波的传播方向垂直，这种波叫横波。
我们敲击一下图2中的音叉，它就会一来一往地摆动，人的眼睛是看不见这种摆动的，只能听见清脆悦耳的声音。
这个有规律的摆动叫振动。
音叉往返一次算作一次振动，每秒钟振动的次数叫频率，用f来表示，单位是赫（HZ）。
人的耳朵能听见的声音频率是20～20000赫，低于20赫德声波叫次声波，高于20000赫的声波叫超声波，人的耳朵听不见次声波和超声波。
如图2所示，当音叉向右边振动时，右边临近处的空气受到挤压，形成一个密集A，这个密集A的空气又去挤压右边临近B处的空气，使B处的空气又趋向于密集。
当音叉向左边振动时，留给右边一个空隙，A处的空气就充满这个空隙，突然变得稀了，形成一个稀疏。
这时B处的空气已经成为一个密集，B处的空气继续向右挤压，使C处的空气趋向密集。
如此疏、密相间，将音叉的振动以声波的形式由近及远地传播。
疏密相间的变化方向与波的传播方向一致，我们把这种波叫做纵波。
总之，振动的物体是声音的声源，振动在弹性介质（气体、固体和液体）中，以波的方式进行传播，这个弹性波就叫声波。
在声波中，两个相邻的密集或两个稀疏之间相同位置的距离叫波长，用λ表示，单位是米（m）。
声波波长λ，声速c，频率f是声波的三个基本量，它们之间的关系为
（1）
在常温和标准大气压下，空气中的声速是344m/s。
2.3声波的传播特性
2.3.1声波的反射、折射、绕射和干涉
当声波遇到障碍物时，就像光照射在镜子上一样，会发生发射。
实验证明，当声波波长比障碍物表面尺寸小时，很容易地就被反射回去，并且在障碍物后面形成一个声影区。
高频声波的波长短，比低频声波更容易反射。
由于反射声的存在，会使原来的声音加强；
当我们在一个山谷中大喊一声后立即停止，短时间内我们还能听到自已的喊声，这种现象通常叫回音，在声学里叫混响声。
声波在传播过程中，遇到不同物资的界面时，如从空气入射到钢板上，除了反射外，还将有声波进入钢板里，这种现象叫折射。
就是同一种物资在存在温差时声波也将发生折射现象。
声波在传播过程中，遇到障碍物或小孔，当波长比障碍物或小孔的尺寸大得多时，会发生绕射现象。
如34.5～345赫的低频声波，波长约为1～10米，所以很容易绕射过去。
墙上若有小孔洞，小心低频“漏声”。
声波在传播时，还可以互相叠加，这叫做声波的干涉。
当两列频率相同的声波以相同的相位达到空间某点时，两个声波被加强，合成振幅为两个声波振幅之和；
当两波相位相反时，则相互减弱或完全抵消，合成振幅为两列声波振幅之差。
2.3.2声波的辐射和衰减
当声源的尺寸与波长比较起来很小的时候，声波成球面波的形状从声源较均匀地向四面八方辐射，没有确定的方向，这种声源叫做点声源。
当声源的尺寸大于声波的波长时，辐射出的声波以略微发散的声束传播。
在大多数实际情况下，可以近似地认为声波在声源附近具有球面波的形状。
球面波的强度与离开声源距离的平方成反比而降低。
这是因为声源每秒钟发出的能量是一个衡量，离开声源距离越大，能量的分布球形面积也越大，因此，通过单位面积的能量就越小，即是距声源距离越近，声音越强，距声源距离越远，声音越弱的原因。
这叫做声波的距离衰减。
2.4声波的物理参数
从以上的叙述可知，声音有大小、强弱之分，那么用甚么方法来衡量声音的大小呢？
2.4.1声压与声压级
声波是由于空气受振动而产生的，它使某一空间空气时而密度变大，时而密度变小。
空气密度增加，压强就升高；
空气密度变小，压强就降低，因此，声波使大气压发生了迅速起伏变化。
这个使大气压发生变化的部分叫做声压。
声压越大，声音越强，声压越小，声音越弱。
声学家们就用声压来衡量声音的大小，常用字母p来表示，单位是牛顿/米2（N/m2）。
正常人能听到最弱的声音的声压大约是2×
10－5N/m2（称听阈声压），一般谈话声的声压是2×
10－2～7×
10－2N/m2，跑着的汽车的声压是0.2～1N/m2，电厂球磨机运行时的声压是20N/m2，这种高声压使人耳朵听起来感到疼痛的感觉（称痛阈声压）。
从听阈声压到痛阈声压相差1000000倍，作为一个计量单位，使用起来很不方便，人们便引用了一个成倍比关系的对数量，即用“级”来表示声音的大小，称为声压级。
声压级的单位叫分贝（dB）,其数学表达式为
（2）
式中Lp-----声压级，dB；
p------声压，N/m2；
po------基准声压，2×
10－5N/m2（1000赫的听阈声压）。
将人能听到的最弱声压（听阈声压）、一般谈话声压、跑着的汽车声压、运行磨煤机的声压分别代入公式
（2），可计算出它们的声压级分别是0、70、80～90及120dB。
即将1000000倍的声压变化范围，改写为0～120dB的变化范围，仅仅是表示方式的不同，声压的本质未变。
2.4.2声强、声强级、声功率、声功率级
由于声波是空气中的机械振动形成的，它具有一定的能量，所以常常也用能量的大小来表示声波辐射的强弱，于是就引出了声强和声功率两个物理量。
声强是在声音传播的方向上，单位时间内通过单位面积的声能量，通常用字母I来表示声强，单位是瓦/m2（W/m2）。
声功率是声源在单位时间内辐射出的总声能量，通常用字母W来表示，单位是瓦（W）。
声强和声功率与声压的表示方法一样，也用“级”来表示，即声强级和声功率级，其单位也是分贝（dB），它们的数学表达式是
声强级（3）
式中LI-------声强级，分贝（dB）；
I--------声强，瓦/米2（W/m2）；
I0-------基准声强，10-12瓦/米2（W/m2）。
声功率级（4）
式中LW-------声功率级，分贝（dB）；
W--------声功率，瓦/米2（W/m2）；
W0-------基准声功率，10-12瓦（W）。
为了对声功率和声功率级有比较直观的理解，有下面几个例子。
小电闹钟的声功率级是40dB，声功率为10-8瓦；
一般谈话的声功率级是70dB，声功率为10-5瓦；
汽锤的声功率级是120dB，声功率为1瓦；
喷气式飞机的声功率级是160dB，声功率为10000瓦。
2.5声压级、声强级、声功率级的区别
虽然声压级、声强级和声功率级都是描述声音强弱的物理量，但也是有区别的。
从上述Lp、LI、LW的定义可知，三者的物理意义完全不同，它们是从不同的角度来描述声音的大小。
声压级和声强级它们说明的是确定的声源在声场空间中距离声源某一定距离的点上声波作用的大小的度量，距离声源的距离不同，则数值不同；
声功率级是声源在单位时间内向声场空间辐射的总声能量的度量，与距声源的距离无关。
2.6声场的慨念
2.6.1直达声场
当声源尺寸与声波波长比较起来很小时，并且声源处于四周空旷的中心，声波向四周辐射，不存在周围障碍物的反射，这种声场叫直达声场。
2.6.2混响声场
声源在密闭的空间发声时，声波不断地从声源发出，在被四周壁面和空气介质吸收，同时也被壁面经过一次或多次反射，通常把这种经反射形成的声场叫做混响声场。
2.6.3总声场
3声波清灰
3.1历史回顾
二十世纪初，瑞典人和英格兰人就知道用枪声清除家庭烟囱内的积灰，七十年代瑞典人MatsOlsson博士成功研制了声波清灰器，并得到迅速的发展，在欧、美、日等工业先进国家的锅炉清灰中首先得到推广应用，获得了不错的清灰效果和社会经济效益。
八十年代末，由中科院声学所的专家们将声波清灰技术引入我国，并在电站及石化系统的锅炉上进行应用性试验，取得了很好的效果。
目前我国从事声波清灰技术的研制、销售的公司约有10多家，声波清灰器的型式也多种多样，用户已达100多家。
达波公司的技术人员与中科院声学所钟高琦教授于1995年开始声波清灰器的研制和应用试验，将研制的成果应用于电站及石化系统的不同容量锅炉上，取得了成功的经验，也有失败的教训。
3.2声波清灰原理及特点
声波清灰是利用声场能量的作用，以清除锅炉受热面上的积灰。
声场能量由压缩空气在特制的发声器中转换为声波而获得。
锅炉烟气中含有极细的灰粒，在没有声波作用的情况下，它们很容易粘积在受热面上，当声波以烟气作为传播媒质时，这种粘积现象被减弱或者不可能存在，这是因为
1）.烟气与受热面接触的近壁面边界层中灰粒在声波的高频率、周期性的“推拉”作用下始终处于悬浮状态，灰粒没有机会粘附到受热面上。
有一个类似的例子，我们在海边或河边水可以看见水与沙滩的分界面上，水波周期性地将沙粒推上倾斜的沙滩，然后又迅速地把它们拉回水中，沙粒得不到瞬间“安静”的机会，很难沉积下来；
2）.由于声波具有直达、反射、绕射的特性，使声波充满整个清灰空间，因此，在受热面管的四周均有声波存在，清灰不留“死角”；
3）.对于受热面已粘积的灰，在声波周期作用下，可使积灰附着层疲劳而破裂。
4）.“长效”清灰作用。
根据锅炉不同的积灰特点，声波清灰器可全自动周期性投入运行，需要吹灰时即吹灰，不需要吹灰时即停，使锅炉在整个连续运行的时间内，均能得到很好地清灰，与长短杆旋转式蒸汽吹灰“立竿见影”的“短效”作用不同；
5）.因声波清灰系统结构简单，无伸缩旋转部件，设备不易损坏，所以具有免维护的特点；
6）.在锅炉点火启动时即可投入声波清灰器自动控制系统的运行，可伴随锅炉连续长期运行而无人值守。
4NP声波清灰器
4.1结构特点
NP系列声波吹灰装置是公司近几年研制开发的产品。
基于德国HardemanChirpSoundWaveClear声音清洁装置，公司组织人力、物力，结合我国电站锅炉的具体情况，不断地进行研究、创新和改进，研制了NP系列声波发生器,见图3所示。
成功地应用在25MW—350MW的电站锅炉的炉膛、高过、省煤器、空气预热器等部位的清除积灰和防止结焦。
公司在声波吹灰装置的应用研究过程中，不惜投入大量的资金，不断调查研究、从吹灰器本体材料、加工工艺、特殊处理工艺等方面进行了大量地研究工作，解决了高温条件下抗变形、耐腐蚀、耐磨损等技术难题，生产出了新一代耐高温、大功率、耐腐蚀、耐磨损的NP系列声波吹灰产品。
为适应用户各种运行工况，公司产品中关键的配套零部件采用了进口的Worcester/ASCO电磁阀、全套日本原装OMRON器件配置的电控系统，提高了该装置运行的可靠性、稳定性。
4.2NP系列声波清灰系统主要技术特点
4.2.1良好的可靠性
1）.声波清灰系统所研制的声波发声器，声波频率范围选用32.5～425Hz
2）.声强级135～145dB，炉外声强级≤85dB，符合国家环保标准，对人体绝对无害；
3）.动力介质：
压缩空气，常温，压力范围：
0.3～0.8MPa，用气量每组声波清灰器为3标准立方米/次；
4）.间歇式运行，一般间隔2小时，最佳运行周期根据运行工况试验确定；
5）.声波发声器采用钼镍合金并采用了热涂钴基合金的先进工艺，具有在高温下耐腐蚀、耐磨损的优良工艺特点，比铬镍合金在同等条件下耐磨性能提高二十五倍，长期频繁使用可保证金属机械、化学性能稳定；
6）.控制系统选用日本OMRON器件配置的电控系统；
7）.电磁阀采用了进口的Worcester/ASCO电磁阀；
8）.控制电源：
交流电220V，50Hz；
9）.压缩空气系统采用镀锌钢管；
10）.每个电磁阀前装设滤网空气净化装置，确保空气介质洁净，有效地避免了阀体和声波清灰器的堵塞现象。
11）.气体的动能已转换为辐射声波，从而大大地减少了气体的冲刷和磨损；
12）.声波清灰所采用的声波避开了锅炉本体设备的本征频率,所以仅对灰垢产生强烈的作用而无损于锅炉本体设备。
13）.声波清灰器没有运动机构，不存在炉内运行机械故障，基本达到免维护。
14）.NP系列声波清灰装置功率范围：
1500-2000W/套，可满足不同煤种对吹灰功率的要求（经试验，粘结在锅炉受热免的积灰、结焦在小于600W吹灰功率时即可剥落和疏松并自由下落）；
15）.声波清灰与蒸汽、水力、振打以及钢珠等清灰方法，虽属同一于物理机制，但是声波清灰作用的能量来自声波。
声波是一种以能量形式存在的机械波，它表现为振动、扰动和波动。
声波的激烈而快速变化的振动会对积灰结垢在受热面的附着状态产生分离，并使结垢疲劳断裂和破碎，积灰和结垢在声波的作用下，从受热面剥离而被带出烟道。
16）.NP系列声波吹灰装置采用的声波发生器对于大而深的炉膛、屏式过热器以及尾部受热面和密集错排受热面管道上的积灰，由于声波本身所具有的衍射、绕射的特性，对于气流不能正面冲刷的管道背面、边缘死角，都具有令人满意的效果。
17）.设备运行周期可随时根据积灰情况进行调整，随时保持受热面清洁，防止结焦。
4.2.2NP系列声波清灰器主要技术参数
表1.NP系列声波清灰器主要技术参数
序号项目技术指标
1声波频率范围32.5-325Hz
2辐射功率1500～2000/每台
3辐射方向圆球形圆锥形
4动力介质压缩空气
5介质流量（气耗量）0.8-1.4标准立方米/分钟
6声强级135-145dB
7吹扫角度3600、1300
8有效吹扫半径10米
9吹扫时间一般30-50秒
10间歇时间一般2小时
11吹灰器管座口径DN133mm
12炉墙外声压级＜85dB
13电磁阀耐受温度＜85℃
14电磁阀绝缘等级F
15电磁阀电压220V50Hz
16空气过滤装置耐受温度＜80℃
17空气过滤装置25μ
18空气过滤装置排水方式自动
19电控柜OMRON\Shneider型号：
HRC-Ⅱ
4.3NP系列声波清灰器的布置与安装
4.3.1声波清灰器的布置
声波清灰的实践证明，在声波的声级和工作频率确定之后，合理的声场布置，即发声器的布置台数和布置位置，连续运行时间和停止时间取决于受热面的结构尺寸和积灰结渣特性。
如果布置台数和安装位置不合适，将不能充分发挥声波清灰器的作用，这不但造成人力物力的浪费，而且对声波清灰器这一新技术的应用产生疑惑。
曾经在一台300MW机组锅炉的炉膛受热面布置了几十台用一定压力的蒸汽作
动力介质的共振腔式声波清灰器，虽然采用了当时最好的耐高温、防磨材料，但终因炉膛火焰温度太高而失败，因此，目前将声波清灰器一般都布置在锅炉出口水平烟道及竖井烟道的墙上，根据受热面的不同结构及积灰特性，布置不同数量的声波清灰器。
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