350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁防磨分析及策略

350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁防

磨分析及策略摘要：從工業(yè)化的程度來說，循環(huán)流化床鍋爐（CFB）技術的潔凈煤燃燒程度更高。其具有大容量和高參數(shù)的特點，但其水冷壁磨損導致鍋爐泄漏使機組非停仍然是一個重要話題，通過嚴控安裝質量，精心操作調整，采取水冷壁噴涂、防磨梁和其他全面的防磨技術有效地減慢了水冷壁的磨損，以達到防磨防爆效果。關鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐（CFB）；水冷壁；防磨防爆；防磨噴涂

一、概述1.1循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)流化床鍋爐（CFB）技術是1970年代開發(fā)的一項新技術，其清潔煤燃燒技術的工業(yè)化程度較高。循環(huán)流化床鍋爐對燃料有廣泛的適應性，對低煤燃料適應性強，可摻燒煤泥、污泥、生物質及工業(yè)廢料，其脫硫效率高，床溫低具備低氮燃燒特點，污染控制成本低，負荷調整間隔大等優(yōu)點。近年來，循環(huán)流化床鍋爐已經(jīng)很好地解決了熱力學、力學、材料科學和鍋爐膨脹、煤耗、受熱面過熱等基本問題。循環(huán)流化床鍋爐向著大容量和高參數(shù)迅速發(fā)展。截止到2020年底，超臨界循環(huán)鍋爐350MW級別已有45臺投入使用。1.2機組情況上海大屯能源熱電廠建有兩臺DG1146/25.4-II1型循環(huán)流化床機組，是東方鍋爐股份有限公司自主研發(fā)的350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐。該鍋爐采用單水冷風室、單分布板，單爐膛，M型布局，平衡通風，一次加熱，循環(huán)流化床燃燒法，固態(tài)排渣和高溫冷卻旋風分離器，用于氣固分離。單個的布風板布置在爐子的底部，并且在布風板下方是一個水冷的風室，該水冷的風室被水冷壁管包圍。燃料從爐子前面的進煤口進入爐子，后壁和尾部煙道受熱面之間裝有3個汽冷旋風分離器。每個旋風分離器都配備有一個回料器，水冷壁后墻布置有6臺滾筒式冷渣器―1.循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損分析2.1磨損危害循環(huán)流化床燃燒方法是在鼓泡流化床燃燒技術中發(fā)展起來的，它運用了流化化燃燒技術。主要結構包括燃燒室和物料循環(huán)回路。一次風以適當?shù)乃俣染鶆虻赝ㄟ^鍋爐底部的布風板風帽，使煤呈現(xiàn)流化狀態(tài)。燃燒在整個爐膛內進行。中心區(qū)域的床料濃度較低，通常向上運動，邊緣區(qū)域的顆粒濃度較高，“環(huán)-核”流總體向下運動⑵。向下的燃料顆粒貼著水冷壁管向下流動，因此，貼壁流造成水冷壁的磨損非常嚴重，隨著水冷壁管壁厚的整體磨損減薄，將嚴重影響鍋爐的正常使用壽命。另外，根據(jù)相關技術監(jiān)督報告，2019年因水冷壁漏水而導致的“非計劃”鍋爐停產(chǎn)占不間斷機組的27%以上。2.2磨損機理和影響因素流化床循環(huán)鍋爐水冷壁的消耗機理分為兩類。一是撞擊磨損。顆粒的運動方向與材料表面之間的夾角相對較大或接近垂直，并以一定速度撞擊材料表面，導致其幾乎沒有塑性，變形或微裂紋，磨損反復碰撞過程中塑性變形層逐漸脫落引起的。另一種是沖刷磨損。顆粒的運動方向與材料表面之間的角度相對較小，甚至接近平行。垂直于材料表面的顆粒的部分速度導致顆粒進入材料的表面并沿著固體表面滑動起到“刨削作用”?！颁h利”的效果會切碎小塊的材料，并且材料的表面會出現(xiàn)明顯的磨損。當沖擊角為20° 30°時，消耗更為嚴重，循環(huán)液體鍋爐水冷壁上的消耗主要是“刨削”涂層。涂層的量與煙氣速度的三次方成正比。當水冷壁管的外表面的硬度低于燃料顆粒的硬度時，涂層量降低。進入窯內的物料粒徑大，均勻性差，消耗量增加。耐磨鑄造性能和結構也會影響水冷壁的磨損[3]。入爐煤的顆粒度過大，為了維持流化狀態(tài)，需要加大一次風量，導致煙氣流速增大，攜帶顆粒的能力提高，燃料煤入爐后大部分顆粒未來得及在密相區(qū)充分燃燒便被拋向床層上方，使稀相區(qū)顆粒濃度增加。上二次風開度較小時，不能壓制上升煙氣，且稀相區(qū)的氧化氣氛燃燒區(qū)被破壞，許多應該在稀相區(qū)燃盡的物料不能完全燃燒，隨水冷壁邊壁流回的物料增加，稀相區(qū)得不到有效保護，爐膛稀相區(qū)水冷壁的磨損增大。2.4磨損位置及現(xiàn)象循環(huán)流化床鍋爐磨損區(qū)域主要有水冷壁、耐磨耐火材料層，包括密相區(qū)、密相區(qū)與水冷壁管交界處的過渡區(qū)、爐膛四角區(qū)域、爐膛中部水冷壁管、爐頂受熱面、高溫過熱器及高溫再熱器的穿墻區(qū)域以及壓力、溫度測點、門孔口區(qū)域、旋風分離器、爐膛風帽、落渣管進口等處。三、采取的防磨防爆措施由于該廠為所在地區(qū)唯一工業(yè)熱源，擔負著重要的工業(yè)供汽、市區(qū)冬季供暖任務，機組發(fā)生非計劃停運后除對自身影響外，還對地區(qū)社會經(jīng)濟效益有巨大的影響，確保機組“零非停”、供熱不中斷的目標任務艱巨。在鍋爐設計階段采取了一定的防磨防爆措施，如采用爐膛讓管技術、爐膛低煙氣速度技術，在密相區(qū)的受熱面、爐膛出口、旋風分離器、水冷壁開孔、各測點等部位安裝有耐磨耐火澆注料等，在設計上解決了一定的磨損問題。該廠根據(jù)同類型機組的先進經(jīng)驗及機組運行以來的摸索的磨損規(guī)律，采取了一些防磨措施，較好地解決了水冷壁磨損情況，現(xiàn)介紹如下。3.1嚴格過程控制、質量驗收，提高基建期安裝施工質量超臨界CFB鍋爐水冷壁存在管屏大、管徑小(①31.8X6.5)、管屏易彎曲等情況，在廠家制造、貨物運輸、組合對口及焊接熱應力等的影響下，焊口區(qū)域極易發(fā)生彎折現(xiàn)象。如果管子組合焊縫沒有打磨光滑，在焊縫上下特別是焊縫上部易造成嚴重磨損，該廠在鍋爐水冷壁監(jiān)造和現(xiàn)場安裝過程中嚴格要求制造廠家及施工單位嚴格制造工藝及現(xiàn)場施工質量管控，對組對焊口及鰭片焊縫進行打磨，要求焊口與母材齊平，避免形成渦流磨損水冷壁?；ò惭b過程水冷壁吊裝時，因四周水冷壁與中隔墻水冷壁鰭片寬度不同，存在吊耳焊接在鰭片上及割開鰭片安裝吊耳兩種施工工藝。雙面水冷壁吊耳一般直接焊接在鰭片上，其為安裝后期水冷壁鰭片施工遺留物的打磨帶來較大工作量。四周水冷壁采用切割鰭片，制作吊裝孔的吊裝工藝，工作量較小，鰭片恢復方便，但在鰭片切割過程中一定要謹慎施工，避免割傷管子。該廠在168小時試驗前鍋爐吹管過程中，發(fā)現(xiàn)一起標高26米層水冷壁泄漏事件，分析原因為在吊裝孔切割過程中將管子割傷未及時處理，隨著壓力升高，水冷壁管子強度不足發(fā)生泄漏。通過嚴把設備監(jiān)造關、施工質量關，盡最大可能消滅基建問題，不將基建問題帶入生產(chǎn)階段。3.2精心操作、優(yōu)化運行參數(shù)，控制入爐煤的顆粒度運行參數(shù)是影響CFB鍋爐水冷壁磨損的重要因素，通過控制床料厚度，保持合理的一次風速，調整上、下二次風門的開度，調整二次風量，合理保持上二次風壓制作用，可有效減輕水冷壁的磨損，增加運行周期，提高鍋爐熱效率。做好耐磨耐火材料養(yǎng)護與烘爐工作，控制停爐后冷卻速度，防止發(fā)生急冷現(xiàn)象。成立防磨防爆工作小組，區(qū)域到人、責任到人，堅持“逢停必查、逢停必修”，重點對水冷壁磨損、耐磨材料磨損情況進行檢查，建立設備技術檔案，摸索鍋爐磨損規(guī)律、速度，及時采取相應的技術措施減輕水冷壁磨損。CFB鍋爐燃料入爐前必須有合適的粒徑以達到設計要求，該廠鍋爐設計入爐煤顆粒度dmax=20mm,d50=2.2mm,9mm以上燃料要求小于8%，兩臺鍋爐經(jīng)兩年來的運行經(jīng)驗表明，入爐煤顆粒度不適當，會嚴重破壞鍋爐的物料循環(huán)，影響正常燃燒，導致爐膛風帽及水冷壁的急劇磨損。為保證鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性，必須嚴格控制入爐煤顆粒度，該廠加強對破碎篩分系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)，根據(jù)入爐煤粒度，判斷細碎機錘頭磨損情況，合理調整反擊板與錘頭間隙，并及時更換錘頭，保證破碎篩分設備的可靠性。同時每次上煤后檢查篩條是否堵塞并及時清理，保證篩分系統(tǒng)穩(wěn)定出力。經(jīng)過一系列精心維護，入爐煤粒度得到有效改善，為鍋爐的安全穩(wěn)定運行提供了必要保障。電弧超音速噴涂技術是CFB鍋爐的一種典型防磨技術，具有施工工藝簡單、可大面積施工、成本較低、耐磨作用較長等優(yōu)點。電弧噴涂使用兩條連續(xù)喂入的金屬線作為消耗電極，它們分別連接到直流電源的正電極和負電極。在電線的端部短路的時刻，由于電流的高密度，在接觸點處產(chǎn)生高的熱量，從而在兩根電線之間產(chǎn)生電弧。在能源的作用下，電弧保持穩(wěn)定燃燒，在霧化電弧點后面從噴嘴噴射的高速氣流將熔融金屬霧化成顆粒，然后將其噴灑到預處理過的金屬表面上，形成涂層。噴涂時基材溫度小于100°C，對基材性能不會有任何影響。超音速電弧噴涂會使粒子速度超過音速，從而使涂層具有更高的結合強度。有效防磨時間可達2~3年。電弧噴涂技術不會改變爐膛的平整度，不會破壞爐膛貼壁流場、傳熱效率，防磨效果非常好。該廠在基建安裝階段就采用電弧超音速噴涂防磨技術，對鍋爐水冷壁局部磨損嚴重的區(qū)域提前進行預防性維修，對水冷壁密相區(qū)耐磨耐火料截止線（標高為18.5m）上方2.5m區(qū)域、爐膛四角區(qū)域、標高27m焊縫區(qū)域等局部磨損嚴重處進行電弧噴涂。在隨后的兩年多運行過程中，又利用檢修機會對有磨損跡象的后墻頂棚區(qū)域，后墻42米對口焊縫處進行了超音速電弧噴涂。鍋爐運行兩年來，水冷壁噴涂層基本完好，未見明顯磨損現(xiàn)象。3.4采用多階防磨梁技術防磨多階防磨梁技術是近年來發(fā)展較成熟的典型防磨技術，是大批CFB鍋爐進行水冷壁管防磨的標配。其具有安裝簡單、施工周期短、顯著減輕水冷壁磨損、運行可靠等優(yōu)點。根據(jù)水冷壁磨損機理研究，水冷壁的磨損速度與貼壁流下滑高度的1.8次方成正比，設置的多階防磨梁可以破壞穩(wěn)定的邊壁區(qū)，貼壁顆?；蚁蛳铝鲃拥椒滥チ荷喜繒r下滑速度降低至0,又重新開始下降，與水冷壁接觸的顆粒濃度相應降低，因而設置數(shù)層的防磨梁，可有效縮短貼壁灰流顆粒的下滑高度，降低貼壁灰運動速度，改善磨損機理，減少“刨削”式磨損，水冷壁的磨損速度大大降低。該廠借鑒相同機組運行的現(xiàn)金經(jīng)驗，該廠在基建安裝期對水冷壁加裝多階防磨梁，以水冷壁可塑料截止線標高18.5米向上，爐前墻水冷壁共設置標高20.5米、24.5米、31.8米三道可塑料防磨梁，爐后墻水冷壁共設置后墻標高20.5米、22.8米、24.5米、31.8米四道防磨梁，側墻與后墻防磨梁位置、數(shù)量相同。制作的可塑料防磨梁寬80mm，借鑒凸臺軟著陸結構，避免物料落下后造成水冷壁根部的局部磨損，運行10000小時以來，對防磨梁下部水冷壁進行測厚，水冷壁基本沒有壁厚減薄情況。局部增加防磨梁的方法也可用于爐膛水冷壁因安裝、對口焊接等原因造成水冷壁變形向爐內局部突起部位的防磨。四、效果鍋爐運行10000小時后，從水冷壁測厚情況來看，除水冷壁管子組合對口區(qū)域焊縫余高較高處及水冷壁局部變形向爐內凸出變形等處少許磨損外，其他部位基本上沒有磨損；機組平均運行周期可達4-5個月，未因水冷壁磨損發(fā)生泄漏。結語：循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐相比，水冷壁的磨損特別嚴重。但是，隨著近年來循環(huán)流化床鍋爐各種防磨技術的研究、實踐與推廣，350MW超臨界循環(huán)流化床