)受热面
一、锅炉受热面烧损的原因
锅炉受热面是将烟气中的热量传递给汽、水、空气的界面，在没有汽、水、空气这些冷却介质时，受热面的温度便会很快接近或达到烟温。煤、油正常燃烧可能达到的温度为1500℃～1600℃，高于钢铁的熔点，由此引起的钢材熔融、氧化称为烧损。一台670t/h炉为了停炉保养烘干过热器内的积水，错误的点油枪升温，由于当时水冷壁无水，不久水冷壁管被烧穿，当然这样的例子是极个别的。发生在发电厂中受热面烧损离主要是空气预热器及省煤器受热面烧损（也有过电气除尘器烧损的报导），通常称为锅炉尾部烟道再燃烧，或称二次燃烧。一台2008t/h锅炉在调试过程中先后于1995年10月13日和11月20日发生空气预热器着火，两台空预器传热元件遭受不同程度的损坏。究其原因是炉膛内未燃烧的可燃油垢（炭黑和油滴）沉积在尾部受热面上。当温度与氧量条件合适，便自燃起火。紧急停炉后空气预热器停转，从关不严的烟、风挡板漏入空气等，常常是促进油垢着火的原因。
二、防止尾部烟道再燃烧的措施
锅炉尾部烟道再燃烧的主要原因是炉膛燃烧恶化，特别是启动和带低负荷期间燃烧不完全，可燃物带至锅炉尾部并在那儿聚集。防范措施包括防止可燃物沉积以及着火后的扑救两部分。通常包括，①油枪投用前应逐个试点火，点火成功后再调试自动点火，避免盲目试点火；②点火不着10～30s内停枪，最好退出油枪倒出管内存油，以免残油入炉；③用好油枪根部风，保持油枪冷却，维持油枪良好的雾化功能以控制低负荷阶段油雾的完全燃烧；④锅炉点火前，空气预热器蒸汽吹灰、水冲洗（或消防水）装置必须投用（有的水冲洗装置在预热器停转后不能覆盖全部受热面，应该改进）；⑤发现排烟温度异常升高等再燃烧现象时，要及时正确处理确保省煤器与钢结构的冷却，防止事故扩大；⑥长期低负荷燃油要考虑热碱水冲洗方案。
在大容量电站锅炉高温受热面出口的炉外管段上,一般均装有许多管壁温度测点,这些测点的检测值对分析和查找受热面在设计、制造、安装和长期运行过程中产生的缺陷和问题,确保其长期安全可靠的工作具有十分重要的意义。然而,在与电厂有关专业人员的长期接触中,发现不少人员对炉外管壁温度检测的有关知识缺乏正确和全面的理解,主要表现为:炉外管壁温度测点的基本安装方式和工艺要求;这些温度测量值究竟代表什么,如何利用这些温度检测值来初步分析受热面的热偏差情况;如何利用这些检测值来初步判断炉内受热面的管壁温度、安全性状态及主要检验检修部位;如何初步分析该检测系统的可靠性和准确性等。长期以来,缺乏专门书籍和专题资料来论述这方面的问题。
1.高温受热面炉外管壁温度测点的基本安装方式和工艺要求
1.1 安装方式通常炉外壁温测点的基本安装方式有2种:
(1)用紧固件将热电偶压接在管壁上,这种方式具有施工和维护方便的优点,缺点是易发生热接点与管壁接触不良;
(2)采用特殊焊接工艺将热接点熔接在管壁上。
上述工序完成后,将热接点和管子一同进行绝热保温。
1.2 工艺要求
(1)安装热接点的壁面部位应严格除锈及杂物,热接点要牢固地压接或熔接在已除锈的壁面上,防止松动或脱落。
(2)测点保温层要密实、贴牢、无裂纹,且具有足够的厚度,以尽可能减少管子向环境的散热。
(3)热电偶引出线应尽可能沿管壁敷设一小段,并用不锈钢丝箍紧,这样既可使测点牢固不松,又减少测点沿热电偶方向的传导散热。
(4)按照测点温度的范围选择合适的热电偶型式,安装前逐一对热电偶进行校验和选优。
2.炉外壁温测量值的真正含义
壁温测点虽然是直接测量炉外管壁金属温度,但它并不是设计者的真正意图,更不能把它当作炉内管壁金属温度。实际上这些测点测值被用以代表过热器或再热器相应管圈内的蒸汽温度。
3.正确分析炉外管壁温度测点的可靠性和测量误差
确保炉外壁温测点能够长期准确可靠地工作,以防止引起误导、误判造成损失是非常必要的。目前,炉外管壁温度测量容易出现的问题主要有以下几类。
(1)热电偶的热接点与管壁接触不良。其原因有的属安装工艺问题,有的是因为长期运行造成的振动松脱,也有的是因为接点处锈蚀或夹杂异物。其结果导致热电偶测量值严重偏低。
(2)经长期运行,测点处保温层可能发生脱落、开裂、破损、疏松或减薄等问题。导致测量值严重偏低。
(3)烟气冲刷引起的测量值偏高。有些炉外测点安装位置离顶棚太近,保温工艺又不好,当测点处炉顶密封损坏时,漏出的高温烟气有可能直接冲刷热接点,造成测量值大大偏高。但此情况不多见。
(4)热电偶损坏。由于长期运行或检修不慎有可能引起热电偶及其测量系统损坏,对此应及时更换和修复。
由以上论述可见,确保炉外壁温测点的准确性和可靠性,关键在于要有正确的安装工艺设计,严密的施工管理和平时的精心维护。同时在分析管壁温度测点的工作状况、查找存在的问题、进行修复施工及施工验收时,单靠热工人员是不够的,锅炉专业人员必须全过程介入其中。
计算机辅助设计技术近年来在国内外的电子、建筑、纺织、通用机械等行业得到了迅速的发展，开发出了大量的实用软件产品，而作为机械行业之一的锅炉行业的CAD技术发展却比较慢。锅炉的设计是一个反复迭代的过程，必须对多个设计方案进行优化比较，才能得出最优的设计方案。目前的锅炉设计仍采用传统的手工设计，为了提高产品的设计质量、缩短产品的设计周期，推动锅炉行业CAD技术的发展，浙江大学化工机械研究所和国家九五CAD应用示范点之一的杭州锅炉厂共同合作，开发了《杭州锅炉厂CAD应用系统》，受到了专家的好评。
锅炉受热面优化模型的建立
锅炉是个复杂的热工机械系统，其优化设计的目标函数不能用显函数明确地表达出来。影响锅炉设计质量的因素比较多，如燃料性质、炉型选择、炉膛热负荷的合理选择、各种对流受热面烟气流速的选取、各段烟温的选取等等。锅炉设计涉及到燃烧学、传热学、流体力学、环保科学等基础科学之外，还要进行热力计算、烟风阻力计算、水动力计算、受压元件强度计算、壁温计算等等，所以设计时就要考虑这些因素。
显然最优的锅炉设计模型是在满足基本约束的情况下，以经济性作为目标函数。我们知道，在设计锅炉时，选用较低的排烟温度，锅炉效率上升，燃煤量下降，运行成本降低;另一方面，锅炉尾部受热面温压下降，受热面面积增加，锅炉造价上升，且烟风阻力提高。按以上分析得到最经济锅炉效率的优化模型。
目标函数：
式中 xi——第i段锅炉受热面积，m2；
yi——第i段锅炉受热面单位面积生产成本，元/m2；
m——锅炉受热面的段数。
约束条件:①保证稳定、连续燃烧;②工质参数满足设计要求;③各段烟温、工质温度满足安全性要求，满足强度计算、壁温计算、水动力计算的安全性检验，防止受热面结渣;④各段受热面的烟速不能大于受热面最大允许速度;⑤排烟温度应高于烟气酸露点;⑥尾部受热面双级布置时满足最佳配合条件;⑦受热面几何尺寸满足工艺及布置要求。优化模型求解策略
锅炉优化设计模型中既有连续变量又有离散变量，属于混合离散规划问题。而现有较为成熟的工程优化方法，均为连续变量的优化方法。从表面上看，上述优化模型的目标函数为线性函数，实质上以上目标函数十分复杂，各受热面面积的确定是通过锅炉热力计算、烟风阻力计算得到的。上述约束函数也非常复杂，涉及壁温安全性检验(需进行壁温计算)和水动力计算等，几何尺寸为混合变量(如管径、排数等为整型变量)。针对锅炉优化模型的特点，我们对传统的正交试验法进行改进，来解决锅炉受热面优化模型的求解问题。
正交试验法是用正交表来解决混合离散变量的优化问题，近年来在很多领域的优化设计中获得广泛应用，但通常的正交试验法用于复杂的锅炉优化模型时有一定的局限性，主要表现在目标函数和约束函数较为复杂，并且可行域为非连续，常常仅能得到一个局部最优点，且有时该点与全局最优点有时相差较远，因此，对原优化模型做了如下改进。
2.1 利用增广目标函数代替原目标函数进行求解
根据连续变量惩罚函数的思想，引进惩罚函数来构造增广目标函数
式中:ri——惩罚因子；
f(x)——目标函数；
m——约束个数；
gi(x)——约束函数；
ui(gi)——单位阶跃函数。
这样，通过比较增广目标函数的大小来确定迭代好点，避免了因经过迭代计算找不到可行点而无法确定理想迭代点的情况，使迭代能较快地进行下去。
2.2 每轮采用不同的正交表
多轮计算采用正交试验时，每轮若采用不同的正交表，则可找到多个局部最优点，从而有可能找到全局最优点或近似全局最优点。
定义：n水平位移。
将正交表的某一列的所有水平数字均加一个不大于t的自然数n(t为水平数)，若相加后大于t，则再将其减去t，我们称这样的处理为对正交表的这一列作n水平位移。所谓n水平位移，实际上也就是对正交表的一列中两种不同的水平数字依次进行互换，共经过(t-1)次水平置换。所以，对正交表的一列或若干列做n水平位移属于正交表的初等变换。由n水平位移所得的正交表应是同构表。
定理:如果将正交表Ltu(tq)的u列基本列保持不变，其余(q-u)列作n水平位移，那么：
(1)可以构造出t(q-u)张同构表；
(2)这t(q-u)张同构表中任何两行均不相同；
(3)这t(q-u)张同构表是互不相同的。
由上面定理知，可通过对正交表的(q-u)列分别作n水平位移来构造不同的正交表，从而使每轮迭代均可采用不同的正交表，找到一个不同的局部最优点。通过不断构造同构表，就可得到很多局部最优点。当局部最优点的数目达到一定值或局部最优值在预定的范围内时，即可认为某一局部最优点已落在全局最优点的周围，此最优点即我们认为的最好的局部最优点，然后在其周围缩小求解范围，即以此点为中心进行2水平或3水平正交表寻优，就有可能找到全局最优点。
受热面的优化设计
3.1 系统设计
在传统的受热面设计过程中，需要套用几十个公式，查阅大量的曲线和表格，耗用大量时间，无法连续计算，实现优化设计非常困难。因而，设计过程中的一个主要工作就是在系统设计过程中完成受热面的计算机辅助设计公式，并将大量的图表和曲线用公式来进行拟合。
3.2 参数优化设计
在参数优化设计过程中，用正交设计的方法多轮进行调优，以给定初始条件下的最小受热面积为考核指标，寻找各参数直接的最佳组合。选用L9(34)正交表。第一轮参数优化的中心水平直接取计算机辅助设计的计算结果，上下两水平在一定范围内适当扩展。每轮参数优化设计后，下一轮的因素中心水平为前次目标函数值最小的一组设计条件，第一、第三水平按中心水平上下范围适当扩展，计算机多轮调优，直到各因素的极差均小于10为止。
3.3 技术关键
(1)完成受热面的计算机辅助优化设计，实现快速准确地直接考察设计变量的变化对目标函数的影响，在系统设计过程中将不可计算的项目转化成可计算性项目。
(2)在参数设计这个环节中，将受热面的重要指标受热面作为考核目标，用正交试验设计调优的方法，直接搜索最优解，实现优化设计。
220t/H煤粉炉空预器的优化设计
在锅炉的对流受热面中，尾部受热面尤其是空气预热器传热量较少，但是传热面积却比过热器的传热面积大得多，因此尾部受热面的设计和布置问题是一个关系到锅炉造价的重要经济问题。以某220t/H煤粉炉为例，过热器系统包括顶棚过热器、屏式过热器、高温对流过热器、低温对流过热器以及包墙管等，过热器的总面积为1700m2，该锅炉的尾部受热面采用双级布置，两级空气预热器的总传热面积高达14000m2，是过热器总传热面积的8倍。其原因是空气预热器烟气侧和空气侧的对流换热系数都比较低，因此传热系数相当低;再者，空气预热器又处于烟气流程中温度最低的部位，传热温压也比其它受热面小得多。因此，尾部受热面尤其是空气预热器的设计和布置问题是影响锅炉造价的主要问题。
本文作者采用上述增广目标函数方法对该220t/H锅炉的空气预热器进行过具体设计计算。以传热面积最小作为优化设计的目标函数。高温级空气预热器的部分计算结果示于表1中。
表1 220t/H煤粉炉高温空气预热器优化结果
dw（m）S1（m）S2（m）Z1Z2H（m2）
原设计 0.0400.0620.04032444800.30
优 0.0370.0580.03734474507.54
化 0.0390.0610.03932434601.30
设 0.0400.0600.04032434675.78
计 0.0410.0620.04131434777.18
笔者对该220t/H锅炉的低温级空气预热器也进行了优化设计计算。原设计方案的传热面积是9408m2，优化设计后传热面积仅为7489.01m2，可节省传热面积20.4%。
5 结论及展望
5.1 结论
(1)锅炉的计算机辅助优化设计对于设计制造部门具有非常重要的现实意义，为设计参数的优化组合提供了科学的、简便可靠的计算依据，克服了传统的单纯凭经验或有限的试验结果来确定设计参数的盲目性。
(2)计算机辅助设计方法在锅炉正交优化设计过程中是十分有效的，它不仅完成了系统的设计任务，成为优化的关键，同时在最佳参数组合确定后，能迅速完成其它参数的设计工作。
(3)锅炉受热面的优化设计模型是一个约束非线性的混合离散变量优化模型，用改进正交试验方法进行迭代求解计算是非常有效的，它能够直接快速地找到最优解，获得目标函数最佳时的优化设计参数。
(4)在锅炉的设计计算过程中，可以将曲线、表格进行拟合，在优化迭代的过程中，通过引入拟合公式迅速完成迭代进程。
5.2 展望
(1)锅炉受热面优化设计问题是一个影响经济性和安全性的重要问题。在确保安全的前提下，采用最优化方法进行设计可以获得减少传热面积、节省金属耗量、降低受热面造价的显著经济效果。
(2)省煤器和空气预热器设计时，除了应对结构参数进行优化选择外，还应该用最优化方法来确定是用单级布置还是双级布置，以及如何进行最优双级布置等问题。
(3)尾部受热面双级布置时，合理分配高低温级省煤器及高低温空气预热器的吸热量，对降低整个尾部受热面的造价、提高经济性是很有利的。
(4)锅炉是一个有机的热工机械系统，建立一个锅炉的整体优化模型，并进行整体优化设计，是我们今后面临的一个主要课题。
引言
目前在城市集中供热或新建居民小区供热多采用20～75吨的锅炉作为采暖热源，一般建设周期较短，基本上是当年建设当年投产，对于锅炉安装单位提出了较高的要求，既要保证质量，又要保证工期，锅炉受热面焊接选择合适的焊接工艺，是保证质量和按期完工的重要保证。采用氩电联焊工艺将是最佳的选择，氩电联焊工艺具有焊接质量高、焊接速度快、射线探伤合格率高、焊工易于掌握等特点，而被锅炉安装单位广泛采用。
1采用氩电联焊工艺的优点
采用手工氩弧焊打底、手工电弧焊罩面焊接工艺(以下简称氩电联焊)比采用手工电弧焊焊接工艺有以下特点：
a．焊接质量好，射线探伤合格率高
根据焊接工艺评定选择合适的焊丝、钨极、焊接工艺参数及纯度符合要求的保护气体，能使焊缝根部得到良好的融合，且焊口内表面光滑、整齐，不易出现手工电弧焊打底焊接时可能出现的焊瘤、未焊透和凹陷等缺陷。当进行射线探伤时，氩电联焊工艺的探伤合格率明显高于手工电弧焊工艺，而且Ⅰ级片所占的比例显著增加，所以选用氩电联焊工艺更能满足锅炉受热面管道焊接的要求。
b．效率高、速度快、易于掌握
选用手工氩弧焊打底，由于氩弧焊为连续焊接工艺，而手工电弧焊为断弧焊，通过模拟实验发现，同一焊工采用氩电联焊工艺和手工电弧焊工艺焊接同样的焊口，氩电联焊工艺的焊接效率是手工电弧焊的2～4倍，而且焊口成型好。在同样的障碍下氩电联焊比手工电弧焊更容易克服障碍。
c．工艺易于掌握、容易操作
熟练的锅炉压力容器焊工操作氩弧焊明显比手工电弧焊顺手，经过培训可以胜任焊接工艺要求的焊接部位，可以大大降低焊工的劳动强度，而受到焊工们的欢迎。
d．综合效益明显
经过某单位两台循环流化床锅炉受热面管道的焊接，我们综合测定发现氩电联焊工艺效益明显，比手工电弧焊可以降低施工综合成本10～20％，而且明显缩短工期。
2氩电联焊工艺
2.1工艺简介
某单位两台循环流化床锅炉受热面管道焊接选用氩电联焊工艺，焊接时采用V型坡口、对接，焊层一般为2～3层（可视管壁厚度而定），焊机选用ZX7－500氩弧焊机，焊丝选用上海电力焊丝厂TIG－J50、Ф2.5mm焊丝，焊条选用天津大桥牌E4303、Ф2.5mm或Ф3.2mm焊条
2.2工艺参数
V型坡口角度а＝65°±5°，钝边P＝1～1.5mm，组对间隙b＝1～2.5mm，焊缝两边20mm内清理干净露出金属光泽，管道对接时采用对口管卡定位对口。
受热面氩弧焊打底参数：
| 规格 mm | 焊丝 mm | 钨极 mm | 焊接电流 A | 电弧电压 V | 氩气流量 L/mim |
| Ф32×3 | TIG－J50Ф2.5 | 1.6 | 80～90 | 12～14 | 7～9 |
| Ф60×5 | TIG－J50Ф2.5 | 1.6 | 80～90 | 12～14 | 7～9 |
| Ф108×7 | TIG－J50Ф2.5 | 1.6 | 90～100 | 12～14 | 7～9 |
| Ф159×6 | TIG－J50Ф2.5 | 1.6 | 90～100 | 12～14 | 7～9 |
| Ф219×8 | TIG－J50Ф2.5 | 1.6 | 90～100 | 12～14 | 7～9 |
手工电弧焊罩面参数（略）
2.3焊接检验
锅炉受热面管道焊缝在100％焊缝外观检查的基础上，按照GB3323－87进行射线探伤，探伤合格后进行锅炉水压试验，锅炉水压试验均一次成功。
某单位两台锅炉采用氩电联焊工艺射线探伤结果：
规格 mm | 线探伤 一次合格率 | Ⅰ级片比例 | Ⅱ级片比例 | 一次返修 合格率 |
| Ф32×3 | 94％ | 62％ | 32％ | 100％ |
| Ф60×5 | 92％ | 66％ | 26％ | 100％ |
| Ф108×7 | 100％ | 72％ | 28％ | － |
| Ф159×6 | 100％ | 76％ | 24％ | － |
| Ф219×8 | 100％ | 50％ | 50％ | － |
焊口射
3结论
氩电联焊工艺对于锅炉受热面管道焊接是一种焊接质量可靠、经济效益明显、焊接速度快的焊接工艺，锅炉安装施工过程中可以广泛采用。
中华机械网http://news.machine365.com/arts/070328/24/186261_5.html
空调制冷大市场http://info.178b2b.com/1986571.htm
植物星球http://antpedia.com/?uid-6096-action-viewspace-itemid-14252
