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1、大型锅炉冲管原理及计算方法关键词 锅炉 冲管 原理 冲管系数 冲管方式 计算摘 要 ：本文从原理与运行实践的基础上比较全面地阐述和分析了大型锅炉蒸汽冲管的重要性及作用。运用动量定理、锅炉原理、热力学、流体力学等知识作为理论依据，推导出决定冲管质量的冲管系数K，从而进一步对影响K值的参数作定性分析。详细地阐述了冲管蒸汽流量、热力参数对冲管质量的影响，以及提高K值的途径，稳压冲管和降压冲管的特点，拟定冲管系统的基本原则及冲管质量的检测方法和要求，并简要说明了冲管系数的计算方法，对于编制冲管方案和冲管运行控制有参考指导作用 。一概述新安装的锅炉，在正式投入运行之前，要对蒸汽系统的受热面，管道等进行蒸
2、汽冲扫，用物理方法清除系统中的残留物。这个过程称为蒸汽冲管。残留在管路系统中的杂物常有：砂粒、氧化铁皮、铁屑、焊渣、未冲洗掉的化学清洗出来的残渣等。这些杂物如果留在受热面及管道系统中，当机组正式投入运行后，将会发生很大的危害：（1） 危害汽轮机安全运行，高速蒸汽流把杂物冲至汽轮机，撞击汽轮机叶片，叶片表面被侵蚀大量麻点、陷坑，使汽轮机内效率降低，严重时将引起叶片断裂，造成重大事故。（2） 危害过热器，再热器安全运行。过热器、再热器中如有杂物积留在蛇型管，将使管中汽流量减少，甚至发生堵塞，管子过热爆破。（3） 残留在系统中的砂石等硅酸盐杂物，将使高温高压蒸汽含有过量的硅酸盐，严重恶化蒸汽品质。因
3、此，蒸汽冲管是机组正式运前必不可少的一项工作。而且，蒸汽冲管质量好坏，将直接影响机组安全、经济运行。需要蒸汽冲管的范围一般是过热器、再热器、主蒸汽管道，再热蒸汽管道，减温、减压管路系统，汽动给水泵的蒸汽管道系统，以及其它低压蒸汽系统。有部分短管管道，如果蒸汽冲管在连接上有困难时，可不进行冲管，但在安装时应特别注意严格清除管道中的杂物。冲管用蒸汽，可由自身锅炉产生，也可由其它运行锅炉送来。用自身锅炉产生的蒸汽冲管，锅炉应具有正式启动运行的条件。但，冲管过程也是锅炉启动试运行的过程，它能起到考验设备、检查设备、初步掌握设备整体运行特性的作用。此时，锅炉与汽轮机无关，故由于设备原因或操作原因造成供汽
4、异常情况时，不会危害汽轮机设备；有些重大操作，如直流锅炉启动分离器的切除等，也可通过冲管启动而达到练兵的目的。用它炉蒸汽冲管，可使冲管工作提前，有利于启动调试整体按排。此外自身锅炉产汽冲管要燃油，它炉运行燃煤，可节约燃油消耗。但，用它炉蒸汽冲管，临时管路较长，连接也较复杂。二冲管质量冲管质量反映在能高效的把蒸汽系统中存在的杂物冲除掉，并保证设备安全、经济运行。冲管蒸汽流量、热力参数对冲管质量有何影响，如何检查冲管质量，下面将对这些问题进行分析。1冲管动量分析， 冲管系数蒸汽在管道内流动，它对杂物的作用力越大，杂物越易被冲走。流动蒸汽对杂物的作用力可用动量定理来分析。设有一等截面的圆形管道(图一
5、)，内有一杂物。取管道截面1-1，2-2，使杂物包括在两截面之间。现对截面1-1、2-2间的蒸汽流建立动量方程式：21F管摩蒸汽流向F物摩F物P11P22F物涡 21图一我们知道，根据流体动量定理，1-1、2-2空间内的流体在某一个时间t内，动量的变化等于同时间内作用在该流体上的力的冲量，即:Ft=m u （式2-1）式中：F - 作用在截面1-1、2-2间流体沿流动方向的合力；m - 截面1-1、2-2间流体的质量；u - 截面1-1、2-2间流体的流速。在稳定流动条件下，截面1-1、2-2间的流体在t时间内动量变化等于同时间内流入截面1-1的流体动量和流出截面2-2的流体动量之差。即：(m
6、u)12 = (mu)2-( mu)1 =2 u22t u2-1 u11t u1式中：1.2分别为截面1-1、2-2上的密度；u1. u2分别为截面1-1、2-2上的流速；1.2别为截面1-1、2-2的断面积，12；ut为时间内流过某一截面的质量。作用在截面1-1、2-2间的流体沿流动方向的力有：（1）作用在截面1-1上的力： P11（2）作用在截面2-2上的力： -P22（3）管壁对流体的摩阻力： -F管摩F管摩为沿程摩擦阻力，可表示为：F管摩 = h摩1-2 =l/du2/2式中:h摩1-2摩-流体由于摩擦而引起的截面1-1、2-2间的压力降；磨擦阻力系数；l - 管长；d - 管内径；(
7、4)杂物表面对流体的磨擦阻力： - F物摩F物摩可表示为： F物摩 = C摩 fu2/2式中:C摩 - 杂物表面对流体的磨擦阻力系数，它决定于杂物表面的粗糙情况；f - 杂物表面积。（5）流体流过杂物时引起的涡流阻力： -F物涡F物涡可表示为： F物涡 =C涡fu2/2式中:C涡- 流体流过杂物时引起的涡流阻力系数，它决定于杂物的形状，流线形越差的杂物，涡流越大，故又称为形状阻力系数。(6) 杂物对流体的作用力： -F物F物可表示为： F物 = 物h物式中：物沿流体方向杂物垂直截面积：h物沿流体方向杂物前后压力差，即流体动压力。由上述分析可知，作用在截面-1、-2间流体沿流动方向的合力可表示为
8、：F= P11-P22-l/du2/2-C摩 fu2/2-C涡fu2/2-F物故冲量为：Ft=( P11-P22-l/du2/2-C摩 fu2/2-C涡fu2/2-F物) t根据动量定理，冲量等于动量变化2 u22t u2-1 u11t u1=（ P11-P22-l/du2/2-C摩 fu2/2-C涡fu2/2 -F物）t （式）为了简单起见，近似可看作流体是不可压缩的，则根据连续性方程式可证明：2 u22tu21 u11tu1此外，如果截面1-1、2-2之间距离可扩大至杂物对其影响可略去不计时，则截面1-1、2-2之间的力就等于沿程摩擦阻力，即：P11-P22l/du2/2因此2-3可写成：
9、-F物（C摩 C涡）fu2/2根据作用力等于反作用力原理，杂物对流体作用力就等于流体对于杂物的作用力，符号相反，故流体对杂物的作用力可表示为：F流物 （C摩 C涡）fu2/2 (式)设冲管时流体对杂物的作用力为（F流物）冲，额定运行工况时流体对杂物的作用力为（F流物）额，令它们的比值为K,K （F流物）冲/（F流物）额K是一个无因次数，称为冲管系数。由于F流物是根据动量定理推导求得，故又称为冲管动量准则。引用式2-4并引进以下关系 u2 =(g)(G / )G2/(2g)G2 V/(2 g)式中:G - 重量流量,Kg/s；管道断面积m2；蒸汽比重,Kg/m3；V蒸汽比容,m3/Kg；g -
10、重力加速度,g=9.81m/s；则式可写成：K （G 2冲 V冲/2 g）（G2额 V额/2 g）G 2冲 V冲G2额 V额 （式）冲管工况参数要求，就是蒸汽在流动过程中对已定杂物在流动方向的作用力，应大于在额定工况时的作用力。这样，在冲管时不能被冲走掉的杂物，在正常运行工况时也就不会被冲至汽轮机。即必须满足：（F流物）冲 （F流物）额即 K 1提高冲管系数的分析由式可知G 2冲 V冲与冲管系数系数K值成正比。从这关系中显然可看出，增大冲管流量G冲 及增大冲管蒸汽比容冲V冲，都能提高冲管系数，现具体分析如下：（1）冲管流量G冲冲管流量G冲与冲管系数K成二次方正比关系，故增大冲管流量，是提高冲管
11、效果的最有效方法。但是，在冲管时冲管蒸汽全被排至大气，不能回收，要百分之百的补给水。因此，增大冲管流量要受化学做水和贮水能力的限制。同时，增大冲管流量还应考虑锅炉的燃烧能力，各受热面不严重超温等条件限制。（2）冲管蒸汽比容V冲冲管蒸汽比容V冲与冲管系数K值成一次方正比关系。影响冲管蒸汽比容的因素如下：压力由蒸汽性质可知，在相同的蒸汽温度时，蒸汽压力愈高其比容愈小，在已定冲管流量下，冲管系统各点压力与系统连接方式，临时管道，临时阀等结构尺寸有关，下游管道阻力愈大，则系统各点压力愈高，为了降低系统各点的压力，要求系统简单，临时管道与排汽管道直径，应尽可能大些；各临时阀应选择足够公称直径、阻力较小的
12、控制阀，蒸汽管道上的流量孔板及不必要的阀门应拆除，这样不但可减少阻力损失，降低系统压力，还可保护孔板，不受高速汽流冲坏。温度蒸汽压力不变时，温度愈高，其比容愈大。因此，冲管蒸汽温度较高些可提高冲管效果。但，冲管系统中的临时管道，临时阀一般为碳钢；冷段低温再热器和蒸汽引入管也可能采用碳钢；碳钢元件最高工作温度为C。根据这些条件，必须限制过热器出口蒸汽温度。当过热器、再热器串联冲管时（图二）。过热器出口温度要考虑蒸汽流过再热器后温度升高。t2再热器过热汽t1t过t再t2t1t过t再图二3.冲管质量靶板检查(1)冲管质量检查判断冲管质量是否合格，要通过运行实践来检验。机组最大连续负荷运行一段时间后，
13、过热器、再热器不因内部 残留杂质而爆管,汽轮机静动叶片不因受杂质冲击而侵蚀损坏，后者在汽轮机开缸后才能检查。 为使冲管质量在冲管工作时就能检查，及时判断冲管质量是否合格，规定了冲管时的质量检查标准，规定如下(注1)：冲管系统各处的冲管系数应大于1装于排汽管的进口或出口，宽度为排汽管内径8%左右,长度纵贯管子内径的铝靶板，接受冲管蒸汽的迎面冲击，在保证冲管系数的前提下,连续两次更换靶板,靶板上斑痕粒度不大于0.8毫米，肉眼可见斑痕不多于8点即认为吹洗合格。冲管时经检查，符合上述标准，可认为冲管已合格，冲管可结束。根据冲管目的，靶板试件应模似汽轮机叶片的条件。主要是： 靶板材料和汽轮机叶片材料相似
14、；蒸汽流过试件的动量应和蒸汽流过叶片的动量相似。但，叶片和靶板受冲击时间长短差别很大，故靶板作为检查冲管质量的试件，其材料、设计、质量检查要求等还需有待于进一步研究。(2) 靶板结构装置铝制靶板宽度为排汽管内径10%左右，厚度为510毫米，排汽管直径较大时，增加靶板厚度，以保证具有足够的强度和刚性。靶板装置要牢固，但拆装方便。靶板装于临时排汽管进口，可避免临时管中的杂物对靶板的影响。三.冲管方式及冲管系统1 冲管方式稳压和降压两种冲管方式，在大型锅炉冲管中都有应用。从目前实践情况看，直流锅炉主要使用稳压冲管方式，汽包锅炉较多使用降压冲管方式，（1）稳压冲管稳压冲管方式就是在锅炉压力、冲管蒸汽流
15、量都较稳定，变化很少的情况下进行冲管。它的冲管蒸汽流量、压力及温度用一定的燃烧量、给水流量配合阀门调节控制，故稳压冲管又称为平衡冲管。对于直流锅炉，启动分离器切除以后，可用过热器隔绝阀的旁路调节阀控制，同时用给水调节阀配合调节锅炉本体压力（图三），对于启动分离器运行的直流锅炉，应堵截启动分离器的其它出路，使用使冲管蒸汽流量尽可能提高。对于自然循环汽包锅炉，可用调整燃料量控制锅炉本体压力和冲管流量，同时用给水调节阀控制汽包水位。5直流炉 1 2 3 6 4汽包炉 1 2 3 7 4 81、给水调节阀 2、省煤器 3、水冷笔 4、过热器 5、旁路调节阀 6、过热器隔绝阀 7、汽包 8、临时控制阀
16、图三稳压冲管蒸汽流量要和给水流量平衡，才能维持参数稳定，即：G冲 = G给,而给水流量受到化学之水能力限制，一般不能太大；同时，稳压冲管时燃料量也受到受热面金属温度的限制。因此，冲管动量一般较小，冲管持续时间就要长些，一般控制台1520分种，冲管多次后才能达到冲管质量要求。（2） 降压冲管降压冲管特点是在冲管过程中汽压聚降，冲管蒸汽量由于锅炉蓄热释放而聚增，有一个较大的冲击力，每次有效冲管时间较短，一般只有13分钟，而冲管次数达几十次，故降压冲管又称脉冲冲管，蓄热冲管等，汽包锅炉蓄热量大，有利于降压冲管。降压冲管方法，它先将汽包压力升高到一定数值，然后稳定燃烧，迅速打开冲管控制阀门，锅炉压力聚
17、降，在降压过程中，金属工质蓄热放出，产生附加蒸汽，使冲管蒸汽流量增加，接着，关闭冲管控制阀门。现对降压冲管主要问题进行分析:冲管流量降压冲管蒸汽流量除了相应燃料量产生的稳定条件的流量外，还增加了降压、蓄热释放产生的附加蒸汽流量，利用热力学原理可以证明：u 冲管燃料量越大，冲管蒸汽流量也越大。u 降压速度越快，冲管降压扭亏为持继时间越短，冲管降压蒸汽流量也越大u 锅炉水容积贮水量越大，冲管流量也越大。u 降压幅度越大，冲管流量也越大。降压速度及降压幅度降压冲管会引起锅炉受压部件温度场变化，产生热应力，由水蒸汽性质知，其饱和压力及饱和温度一一对应，降压的同时锅内工质温度也必降低，势必引起其边界金属
18、温度场变化。故降压冲管安全性关键，是正确控制降压的幅度及降压的速度。对于锅炉汽包，下半部贮存饱和水，上半部贮存饱和汽，在启动升压过程中，开始时汽包内壁上半部温度低于下半部，随着产生蒸汽而逐步接近，并会超过下半部金属温度。设在冲管开始时，汽包上下壁温差基本接近一致。冲管一开始，汽包压力下降对应饱和温度下降，汽包下半部水的放热大于汽包上半部饱和汽放热，并由于汽包内汽温变化时滞性，使汽包下半部壁温相对下降较快，形成上、下壁温差。我们知道，汽包上、下壁温差一般不允许超过50C，因而汽包内汽压下降幅度受到限制。同时，在降压过程中，汽包内壁温度由t1降到t2，温度场的变化，会引起热力变化，故降压速度也不能
19、太快。冲管控制阀门的控制冲管控制阀门控制主要是：开启及关闭速度，全开持续时间。冲管系统排出流量的能力可表示为： D冲=Aq PC/V （式3-2）式中:A-综合修正常数；q-系统阻力系数；-控制门的开度；PC-汽包压力；V-工质平均比容分析式3-2可知l 控制阀开启速度越快，蒸汽流量越大，汽包内压力降低速度也越快。这样，蒸汽流动量对杂物的冲击力增大。但，汽包等热应力变化速度也增大，故合理的控制阀门开启速度既要有利于冲管效果，又要确保设备安全。l 在控制阀门逐渐开大过程中，由于蓄热释放，汽包压力逐淅下降，前者导至冲管蒸汽流量增大，后者导至冲管蒸汽流量下降。但，由于阀门开大起主导作用，故冲管蒸汽流
20、量逐渐上升，过热器出口压力逐渐下降，过热器压力降逐渐增大。l 当控制阀开至最大值后，阀门开度不变，但由于汽包压力下降导致冲管流量下降，过热器压力开始回升，故控制阀门全开持续时间过长，不能增大最大冲管蒸汽流量，却增大了冲管耗汽量。换句话说，冲管耗水量增加了，但冲管效果不能提高。冲管水位控制冲管时汽包水位控制不必如正常运行时严格要求，但应保证最高水位不至引起汽温严重降落，否则冲管效果变差；管道产生热应力，最低水位不能使水冷壁缺水。冲管控制阀门开启后，由于汽锅水容积内工质比容和质量平衡的变化，会引起水位突然升高，严重使蒸汽大量带水，汽温大幅度下降。控制阀门开启过快或进水过快都会增加水位升高程度。因此
21、，冲管时水位控制必须要注意：控制阀门开启速度不能太快，锅炉进水不能过早。2.冲管系统锅炉本体，过热器、再热器、蒸汽管道，临时连接管道，排汽管道等联成的系统称为冲管系统。具有再热器系统的，冲管系统应考虑过热器系统单冲，过热器、再热器系统串冲两种。在串冲时，虽然两汽系统都得到冲扫，但系统阻力大，使前段系统（过热器系统阻力较高，冲管质量准则不易提高。此外，过热器等前段系统杂质易被蒸汽带至后段系统。因此，为了使冲管达到较好效果，常采用上述系统采用的两段法。即先单独冲过热器系统，再串冲过热器、再热器系统。但，在过热器系统单独冲扫时，再热器中无蒸汽通过冷却其管壁。故必须采取措施，防止再热器管壁超温。一般可
22、采用下述方法：用一定数量的低温蒸汽通入再热器，对再热器进行冷却。直流锅炉低温蒸汽可由启动分离器来；汽包锅炉低温蒸汽可由汽包临时管来。采用这个方法将在一定程度上减少了冲管蒸汽流量。再热器干烧，此方法再热器不通蒸汽，同时限制燃料量以限制再热器进口温。显然，采用这种方法将限制汽温和流量。综合以上所述，拟定冲管系统时应考虑原则：l 防止在系统中存在局部限流段，如较小阀门较细管径等应尽可能置于冲管系统之外，这部分管子的冲管可另外处理。l 采用较大直径排汽管，临时蒸汽管，以降低整个系统的压力。l 过热器系统单独冲管，再热汽系统与过热汽系统串联冲管切换方便，同时应考虑过热汽系统单独冲管时再热器的冷却方法。l
23、 在系统中尽可能避免死角部分，如无法避免时应具有清除该部分杂质的措施。l 系统中正常运行的阀门，孔板等应临时拆除，装上临时短管，或采取其它保护措施，临时阀门数量应愈少愈好，并且有足够大的通径，开启灵活方便，并应装有遥控。3.冲管准备冲管就是新安装锅炉的首次启动。由于它的运行实践基础缺乏，确实、详细地做好冲管准备工作显得特别重要,冲管准备工作的范围主要有以下几个方面：拟定冲管系统、冲管范围及冲管方式。拟定冲管系统应在冲管范围，冲管方式初步确定基础上进行。其中包括管道连接，临时管道与排汽管结构尺寸，现场布置，临时阀门装置位置、作用、选择范围等。疏水方法及疏水系统。设计原有阀门、孔板、附件等保护方法
24、，临时管道，临时阀门与原有管道的连接方法，设计靶板装置位置与结构。冲管计算，确定冲管流量及冲管参数。确定冲管所需要用水量，除盐水贮存方法。燃准备，冲管燃量贮存，燃系统完整。启动方案，燃烧方案。冲管系统，临时管道系统，阀门，靶板等制造与安装。厂用电源系统完整，符合供电要求。做好各种安全措施，防火、防振动、防噪声等。四.冲管计算冲管计算的目的是求出冲管系统中各段受热面，蒸汽管道的冲管系数K值，应符合K 1，如果计算结果K值较小时，则应考虑增大临时管道直径、排汽管道直径，或改变系统的联接方法，或增加冲管流量等措施，提高冲管系数K值，使其满足要求。冲管计算一般采用校核计算法。先拟定好冲管系统，临时管道
25、尺寸与布置，初步选定冲管流量，先进行锅炉燃料量及各级受热面焓增的热力计算，再计算系统中各段管道的压力降、压力值，称为冲管动力计算，最后算出冲管系数K值。冲管热力计算是在已定的冲管流量、主蒸汽温度（或再热汽温）条件下，算出锅炉燃料消耗量、各级受热面的工质焓增、工质温度值，根据不同的条件，其计算方法可分两种，一种方法是根据同类型锅炉燃用同类燃料的运行实践资料统计分析法求得冲管时的各级热力参数，称为“实践资料分析法”；另一种方法是根据设计热力计算资料比较分析法求得冲管时的各级热力参数，称为“热力计算比算法”。在完成热力计算后，可对冲管系统进行动力计算，冲管动力计算就是根据已知系统布置、结构，冲管蒸汽流量，受热面出口工质焓值等条件，计算过热器、再热器、蒸汽连接管道等进出口工质压力、比容，最后计算各级被冲管道的冲管系数。20