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220t/h循环流化床锅炉水冷壁磨损泄漏的研究
发布时间：2013-09-03 08:03 来源：未知
0、引言
循环流化床锅炉具有高效、低污染、煤种适应性广、炉渣综合利用率高等特点，近年来在电站和热电联产项目上广泛应用，但由于循环流化床锅炉独特的流态化燃烧方式，在烟气冲刷水冷壁管时，在灰粒的冲击力和剪切力的作用下，管表面金属会受到磨损，逐渐变薄；在达到一定程度时，管内高压给水会使磨损部位破裂，以至于频繁发生泄漏爆管事故，严重影响电厂的经济性和安全性。
晋田热电厂2台220t/h循环流化床锅炉，采用循环流化床燃烧技术，分别于2002年11月29日和2003年4月29日投产以来，到2007年底仅仅累计运行约2×104h，水冷壁磨损严重，引起多次停炉事故，严重影响了电厂的安全经济运行。从2006年9月开始进行燃烧调整，并从多方面采取措施，减缓磨损速度，收到明显的效果。
本文根据电厂运行的实际情况，从运行、制造、燃用煤质等多方面进行了分析总结，另外与其他容量基本接近的锅炉从结构上进行了比较，发现水冷壁的磨损速度与锅炉的设计也有很大的关系，富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料。
1、设备简介
1.1锅炉整体布置
锅炉主要由炉膛、汽冷旋风分离器、自平衡“U”形回料阀和尾部对流烟道组成。燃烧室蒸发受热面采用膜式水冷壁，水循环采用单汽包，自然循环。采用水冷布风板，大直径钟罩式风帽。燃烧室内布置4片翼墙式水冷屏来增加蒸发受热面和4片屏式过热器（Ⅱ级过热器）。锅炉采用2个直径约5m的汽冷旋风分离器，布置在燃烧室与尾部对流烟道之间，外壁由膜式壁制成，并作为过热器的一部分，分离器上部为圆筒形，下部为锥形。汽冷旋风分离器回料腿下布置1个非机械型回料阀，回料系统为自平衡式，流化密封风用高压风机单独供给。
以上三部分构成了循环流化床锅炉的核心部分，即物料循环回路。煤与石灰石在燃烧室内完成燃烧及脱硫反应。
经过分离器的烟气进入尾部烟道，尾部对流烟道中布置Ⅲ级、工级过热器、省煤器、空气预热器。过热蒸汽温度由在过热器之间布置的两级喷水减温器调节，减温喷水来自锅炉给水。
1.2设计煤种要求
本锅炉设计煤种的低位发热量为19.7mj/kg，校核煤种的低位发热量在15. 91～23. 87MJ/kg。其中燃煤粒度要求严格，最大粒度要求不大于6mm，粒度平均直径为1.3～1.5mm，粒度小于100um的不大于10%。煤的元素分析与工业分析见表1。
2水冷壁磨损情况
2.1检修中水冷壁磨损普查情况
在2006年6月到9月中旬，短短的3个月1号和2号锅炉各有三次水冷壁磨损泄漏事故。2006年9月15日2号炉后墙中间标高17 m处发生水冷壁泄漏后转为C级检修，对水冷壁进行了全面的摸管外观检查、侧厚检查和割管检查，发现磨损2.5mm左右的水冷壁达272根，总长度为607.65 m。
2.2磨损泄漏特点
a)磨损速度快。1号、2号锅炉分别于2002年底和2003年初投运，截至2006年10月31日分别仅运行了19 832 h和19 781 h，就有270多根水冷壁磨损厚度超过2 mm，其中比较严重的超过3 mm，见图1。
b)磨损范围广。循环流化床锅炉磨损比较严重是各电厂的共性问题，但一般在标高比较低的密相区和稀相区交界区域或下部四个角比较严重。该电厂2台炉在整个炉内水冷壁面都发生了严重的磨损，从外表面看被摩擦得非常光亮，在标高27—38m的高位稀相区水冷壁也发生严重磨损，这种情况比较少见。
c)斜向磨损严重。从稀相区的磨损痕迹看存在着斜向的磨损。以2个旋风分离器入口烟窗之间的中心为界线，存在气流从西墙一南墙一南烟窗逆时针螺旋向上，和从西墙一北墙一北烟窗顺时针螺旋向上的气流运动痕迹，其中南侧墙磨损的比较严重。
对于循环流化床锅炉由于内部有大量的物料存在，炉膛中心是烟气夹带着物料自下向上运动，在水冷壁四周是比较大的颗粒沿壁面附近由上向下的内循环物料。由于二次风速的不均匀、烟窗效应、水冷壁焊口、水冷壁壁面不平整、炉内水冷屏和屏过布置的不对称、两旋风分离器阻力的不均匀等因素，使得颗粒沿炉膛高度分布不均匀，并产生局部的涡流，在该炉设计炉膛速度较高和炉内循环物料比较大的情况下，形成了很严重的局部斜向磨损。
3、水冷壁磨损原因分析
流体或固体颗粒以一定的速度和角度对水冷壁表面的冲击磨损，包括冲刷磨损和撞击磨损。一般在循环流化床锅炉受热面的磨损中，床料颗粒与受热面的冲击角度在0。～904，因此循环流化床锅炉受热面的磨损是上述两类磨损基本类型的综合结果。水冷壁的磨损与固体物料的浓度、速度、颗粒特性和流道的几何形状等密切相关。
3.1炉膛截面积设计偏小
风速的大小对水冷壁的磨损影响很大，磨损量与烟气速度成n(>3)次方的关系，其原因在于颗粒动能与其速度的平方成正比，磨损还与灰浓度（灰浓度与速度的1次方成正比）、灰粒度撞击频率因子和灰粒对磨损物体的相对速度有关。在运行总风量一定的情况下，截面积越大，流化风速和炉膛风速就越小。表2是国内几个220～240t/hCFB锅炉的炉膛截面积尺寸，尽管引起磨损的因素很多，但从表2中可明显看出，炉膛截面积的大小与水冷壁磨损有着明显的对应关系。该炉膛截面积大约是其他锅炉的75%左右，炉膛烟气速度最高，z若按3.3计算，平均磨损速度大约为其他炉型的2倍，其中局部速度就快，所以该炉膛截面积偏小是水冷壁磨损严重的主要原因之一。由于二次风管阻力随风量的增加而显著增大，最大的二次风量只能在12万Nm3／h左右，由于床温较低的因素，一次风量也不能多给，正常运行中氧量普遍较低，一般空气预热器入口在2%左右，进入炉内的总风量并不多。
3.2燃用煤种发热量偏低
循环流化床锅炉具有许多煤粉炉没有的优势，其中之一就是循环流化床锅炉有很强的燃料适应性，所用燃料可以是各种各样的煤，包括煤矸石。因为其底部存在一个物料浓度较大的密相区，炉膛运行温度一般在850～950℃之间，是一个很大的“蓄热池”，不同的燃料投入炉内都能较好地着火燃烧。但在强调燃料适应性的同时，往往忽视这个特点是针对循环流化床锅炉燃烧方式而言。对于循环流化床锅炉，不同燃料在锅炉设计上有较大的差异，一种型号的锅炉只能适应一定范围的煤种。对于已经运行的锅炉，当燃料变化偏离设计值较大时，锅炉的运行特性会发生很大变化。因此锅炉结构参数和设计需要考虑煤种的影响，尤其是炉膛高度应能保证燃料在炉内有足够的停留时间，这与燃煤的挥发分有直接的关系，而炉膛截面积要与燃料的发热量相对应。
设计煤种的低位发热量为19. 679MJ/kg，根据2006年9月初由山西省煤炭地质研究所化验的数据，实际运行中大约在14～16 MJ./kg，设计煤种的灰分在32.02%，实际运行中在40%—53%．随着煤种灰份的增加，炉内循环灰的浓度也增加，同时水冷壁磨损的速度也加快。
3.3入炉煤细颗粒比例偏多
为了解电厂入炉的燃煤筛分特性，对进入锅炉的燃煤粒径分布进行了实验，试验结果见表3，小于1mm的比例为34. 977%，远高于设计中不大于10%的要求。
在燃用煤种特性和运行特性一定时，旋风分离器的分离效率对炉内物料的循环倍率有很大关系，很显然，效率越高循环倍率也就越大。从飞灰和循环灰的粒径分布进行了试验，锅炉飞灰的质量平均粒径为43. 324um，左右旋风分离器循环灰的质量平均粒径分别为72.8um和72.9um。可看出，旋风分离器对粒径小于50um的基本上不能捕捉到，而对于粒径大于64um的分离效率很高。总地来说，该锅炉分离器的分离效率比较高。
给煤中细颗粒的比例偏多，较高的分离器效率，使得锅炉的循环倍率很高，即炉内循环物料的量很大，加快了水冷壁的磨损。
3.4灰颗粒表面棱角度大且硬度高
随着燃用煤种发热量降低，煤矸石的比例也增加，煤矸石及形成的灰的表面棱角度大、硬度高，而高热值煤及形成的灰的表面光滑且硬度低，对水冷壁的磨损大不一样。
3.5二次风速不均匀
从就地风门执行机构检查，发现有的开关销脱开，有的门销焊口开裂，有的风门全开，有的风门全关，二次风出口速度严重不均匀，最小的只有8 m/s左右，最大的超过50 m/s，热态工况下差值更大。由冷态风速试验结果表明，二次风速的不均匀，导致烟气和循环物料严重扰动，从炉内的磨损痕迹也可得到印证。
3.6炉底两侧床料粒度大小不均匀
炉底两排渣口位置不一样，排渣容易的一侧排渣次数多，床料粒度比较细且大颗粒较少。相反，另一侧床料粒度比较粗且大颗粒较多，形成炉内烟气中灰浓度不均匀。
3.7水冷壁变形及焊接错口
该炉曾发生过打炮爆管事故，炉膛有一定的变形、水冷壁焊接错口，水冷壁面的不平整以及凸凹平台的存在，形成局部涡流区的磨损。
4、防止磨损的对策
根据该锅炉的炉膛截面积偏小的实际特点，减缓水冷壁的磨损速度，延长运行寿命，采取如下措施，以便把水冷壁的磨损速度控制在最小的程度。
a)把燃用煤种的发热量尽量与本锅炉设计煤种的低位发热量为19.7MJ/kg基本接近，考虑到煤源紧张的实际情况，当煤值较差时要适当降低锅炉出力。从煤源上把好关，防止在入炉煤中加入热值很低的煤矸石和石子，严格控制入炉煤中大颗粒的数量。电厂从煤源上加大了管理力度，严格考核。表4是从2007年11月到2008年4月的期间燃用煤种的平均低位发热量，与设计值比较接近。发热量平均值达到了18 532MJ/kg。
b)修复各二次风门把柄和执行机构。通过调整并结合理论分析和实践经验，最后确定上、中、下3层二次风喷口的风速比为3:2:2。并力求在同一层内，各二次风喷口的风速基本一致。由于炉膛四周均匀送人的二次风对由一次风流化后的循环物料的作用相同，所以大大降低了循环物料在炉内的饶流，物料对炉内受热面的冲击磨损也随之大大降低。同时，使得炉膛每一横截面的物料分布更趋均匀，沿炉膛高度的物料浓度分布更趋合理，炉内局部不会形成高流速、高浓度的矾力场，炉内的局部磨损也就大大降低了。
c)控制合理的床压。炉内床料量的多少，床压的高低，直接影响着流化床锅炉的配风、换热、炉内各处温度水平、锅炉的燃烧效率及炉内物料场的分布，从而不可避免地对锅炉运行和炉内受热面的磨损产生影响。床压频繁波动，会导致锅炉运行不稳，床温忽高忽低，负荷时大时小，金属在材料交变机械应力和热应力作用下会提前产生疲劳损坏。所以控制床压在合理的范围内稳定运行，采取“少量多次”的排渣原则，尽量减少床压的波动，以确保在目前间断排渣的情况下尽量接近连续排渣的效果，并规定大负荷时维持床压5—6kPa，小负荷时维持床压4—5kPa。
d)运行中在保证流化的情况下控制一次风量，适当增大二次风量以满足燃烧所需的氧量，杜绝大风量运行，控制烟气速度，并且及时根据来煤变化调整一、二次风配比及风、煤配比。
e)加强检修质量。对于更换受热管时应将焊接口上下对齐，防止大的错口，焊接口一定要打磨光滑，确保受热面的焊缝过渡处表面光滑平整。对壁厚已磨损30%的进行彻底更换，大约总长度达610 m，包括相应鳍片焊缝约2 500 m。并加强对炉内防磨浇注料施工工艺的管理，在浇注料的开始和收尾处保证圆滑过渡。
f)在炉内后墙17 m标高处加装了防磨圈梁。防磨圈梁由可磨浇注料制成，在炉内稀相区下部加装防磨罔梁后能有效地减缓自炉膛上部沿水冷壁下行的内循环物料的流速，减小内循环物料对浇注料与水冷壁过渡区域受热面的磨损。
在采取上述措施后，自2007年10月31日启动至4月16日供暖结束，长周期运行达168 d，此间承压受热面、管道、联箱等部位均未发生泄漏，停炉后对受热面检查，发现炉内受热面整体磨损程度较2006年大修时速度明显减小，局部磨损范围缩小，炉内水冷屏、汽冷屏及水冷壁管子受横向冲击磨损的程度明显减缦，取得了较好的经济效果。
5、结论
对于水冷壁的磨损问题，首先必须从设计上进行全面考虑，才能根本解决或减缓，特别是炉膛的截面积的大小，应引起高度的重视；其次要燃用与设计煤种基本接近的煤种，选用完善的原煤破碎设备和筛分装置，保证人炉煤的粒度，控制细颗粒的比例；另外要进行锅炉冷态风速试验，保证各二次风速的均匀性，按照优化的参数运行；最后要加强安装质量，提高工艺检修，富通新能源不但生产销售生物质锅炉，而且大量销售生物质锅炉燃烧专用的生物质颗粒燃料，生物质颗粒燃料主要由木屑颗粒机压制生产而成。
