對常壓和自然循環(huán)采暖熱水鍋爐安全性的質(zhì)疑
【論文摘要】對常壓和自然循環(huán)熱水鍋爐的安全性提出了一些較新的不同看法，對正確設(shè)計和使用常壓熱水鍋爐有參考價值。
1 問題的提出
中國在采暖用熱水鍋爐設(shè)計方面有兩次“大突破”，一次是八十年代提倡自然循環(huán)可用性，后得到大規(guī)模推廣；另一次是九十年代的常壓鍋爐，后也獲大量推廣。筆者認(rèn)為，如果對二者做非常有條件的認(rèn)可也許可行，但兩次“大突破”都被幾乎無條件地贊賞和認(rèn)可則是有問題的，需要重新討論。
2 常壓鍋爐運行安全問題分析
以常壓鍋爐而論，我們要問：為什么國家標(biāo)準(zhǔn)局即使對于95/70這種出水溫度僅為95℃的鍋爐也規(guī)定其額定壓力為0.4MPa(小于0.7MW)和0.7MPa(大于0.7MW)?為什么“熱水鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程第127條規(guī)定“鋼制熱水鍋爐的出口壓力不應(yīng)低于額定出口熱水溫度加20℃相應(yīng)的飽和壓力”?額定壓力為設(shè)計壓力，而“安規(guī)”說的是運行壓力，總之要有壓力，而提倡常壓與上述規(guī)定不能說沒有矛盾。
提倡常壓鍋爐的人無非認(rèn)為無壓力則不必?fù)?dān)心安全(無高壓爆破)問題，可基本取消強度問題，可用薄材料及相對較次材料從而節(jié)約材料成本。但筆者認(rèn)為，一般地說，搞常壓鍋爐僅提高了力學(xué)安全(降低強度要求)，但降低了熱學(xué)安全——更容易發(fā)生飽和沸騰尤其是表面沸騰，且更易在熱壁上結(jié)硬垢和爆管。
現(xiàn)以?φ51×3爐膛水冷壁管為例，爐膛管熱負(fù)荷強度約為60000kcal/m2，現(xiàn)計算各種水管流速下的內(nèi)換熱系數(shù)、管壁對水之溫差、管內(nèi)壁溫度及該溫度下的飽和溫度，計算結(jié)果如表1。
表1
|
水速W，(m/s) |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
|
換熱系數(shù)α，(kcal/m2℃) |
696.5 |
1213 |
1677 |
2111 |
2524 |
2920 |
|
壁溫、水溫差，Δt，℃ |
90.4 |
51.9 |
37.57 |
29.8 |
25 |
21.6 |
|
壁溫，tw=95+Δt，℃ |
185.4 |
146.9 |
132.57 |
124.8 |
120 |
116.6 |
|
tw對應(yīng)飽和壓力，MPa |
1.139 |
0.44 |
0.293 |
0.233 |
0.198 |
0.108 |
內(nèi)換熱系數(shù)按下式計算：
(1)
之所以取壁溫為95+Δt是從安全角度出發(fā)而取額定出口水溫為底溫。
從表1可見，壁溫和管內(nèi)水流速關(guān)系很大�？煅b熱水鍋爐若采取純自然對流循環(huán)，則管內(nèi)(上升管)流速很難達到0.2m/s(計算許多鍋爐的上升管水流速多為0.1m/s以下)，這時若要求不發(fā)生表面沸騰，則要求水壓為0.44MPa，而表壓要求0.4MPa，假定采用前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)0.6m/s的上升管流速的強制循環(huán)，則水壓有0.1MPa就可以防止表面沸騰。
設(shè)計壓力即使為0.7MPa，但運行中的實際壓力取決于系統(tǒng)流阻。小型熱水鍋爐所對應(yīng)的熱力系統(tǒng)的流阻常使鍋爐運行壓力為0.4至0.5MPa(表壓則為0.3至0.4MPa)，若上升管流速確能保證0.2m/s以上，則有可能防止表面沸騰。另外，運行中常表現(xiàn)為進出水為低溫差70℃～80℃或65℃～85℃，這時會有更低的密度差，從而有更小的升力和更小的自然循環(huán)流速，使表面沸騰更易于發(fā)生。
有人可能認(rèn)為：若水不含鹽堿則發(fā)生表面沸騰也不可怕。問題是：(1)中國含鈣鎂鹽的水的地區(qū)相當(dāng)寬廣，且越來越多地用地下水，井越開越深，含鹽濃度越來越高；(2)所用軟化水皆為陽離子交換式，以鈉代鈣已不徹底，且由于使用小型熱水鍋爐用戶的運行工人訓(xùn)練較差，經(jīng)常不以食鹽水恢復(fù)水處理設(shè)備的工作能力，也不經(jīng)常對水垢進行機械清除和酸、堿清除。以上兩條原因使常壓和自然循環(huán)鍋爐實際使用壽命縮短了許多倍。
還應(yīng)考慮的另一個因素是：現(xiàn)在，常壓鍋爐變成誰都可搞，勞動部門基本管不著，許多完全不懂鍋爐設(shè)計、制作及安裝、運行的單位都可搞，變成“雨后春筍”，實際上會形成事故更加頻繁得多的局面。
在常壓鍋爐設(shè)計制造中，用材方面并非節(jié)約很多，管子一樣是?φ51×3之類，至于鍋筒及封頭或管板之類，設(shè)計中有個不小于6mm的規(guī)定。6mm和8mm或10mm相比能節(jié)省多少?與日后頻繁地爆管及結(jié)垢后的整體燒毀相比，經(jīng)濟上并不一定合算。
3 結(jié)論
筆者認(rèn)為對常壓和自然循環(huán)采暖熱水鍋爐應(yīng)有條件地提倡，例如：①家庭用電加熱鍋爐和燒油(汽)鍋爐，功率在5×104kcal/h以下；②不管何種熱水鍋爐，都應(yīng)經(jīng)過認(rèn)真的具體計算，且使用的循環(huán)方式在工作壓力下不會發(fā)生飽和沸騰及表面沸騰。
總之，為安全計，熱水鍋爐既要有循環(huán)流速又要有壓力，必須以不發(fā)生飽和沸騰及表面沸騰為設(shè)計中的必要條件。