改善電站鍋爐低溫再熱器煙氣磨損的技術(shù)分析

劉述軍，肖 杰

(1.華潤電力（徐州）電力公司，江蘇徐州221242；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

江蘇省某電廠二期工程安裝了2臺東方鍋爐DG1025/18.2亞臨界自然循環(huán)鍋爐，2007年投產(chǎn)。該鍋爐設計燃用貧煤、煙煤，屬亞臨界壓力、一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐。單爐膛，燃燒器布置于爐膛四角，切圓燃燒，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫。爐膛頂部與水平煙道按煙氣流向分別布置全大屏過熱器、屏式過熱器、高溫過熱器與高溫再熱器（簡稱高再）；尾部豎井煙道分隔為前后2個煙道，爐前布置低溫再熱器（簡稱低再），爐后布置低溫過熱器與省煤器，下部布置煙溫調(diào)節(jié)擋板；豎井煙道低過側(cè)寬度6 370 mm，低再側(cè)寬度5 070 mm，二側(cè)煙道的流通截面積比為0.557 3:0.442 7。低溫再熱器分為水平段和垂直段，水平段分為5組，沿爐寬共98片，順列逆流布置，橫向間距為130 mm，其中第1組的材料為15CrMoG，第2組材料為SA-210C和15CrMoG，第3～5組材料為SA-210C。垂直段縱向間距為90 mm，沿爐寬共49片，順列布置，材料為12Cr1MoVG。高溫再熱器換熱面積為1 881 m2，低溫再熱器垂直段為1 080 m2，低溫再熱器水平段為8 249 m2。

鍋爐滿負荷（VOW）時設計：低再側(cè)煙氣流量占39.4%，低再進口煙溫747℃，低再出口煙溫396℃；工質(zhì)進/出口汽溫325/426℃；低再煙氣平均流速10.1 m/s，低過側(cè)煙氣平均流速10.9 m/s。THA工況時設計：低再側(cè)煙氣流量占44.7%，低再側(cè)平均煙氣流速10.3 m/s；低過側(cè)煙氣平均流速8.9 m/s。燃燒校核煤種VOW時設計：低再側(cè)煙氣流量占43.3%，煙氣平均流速10.8 m/s；低過側(cè)煙氣平均流速9.9 m/s。鍋爐投產(chǎn)時就存在再熱蒸汽溫度偏低的問題，為提高再熱汽溫采取了關小低過側(cè)煙氣調(diào)節(jié)擋板，增大低再通道煙氣流量的方法，投運2年時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)低溫再熱器存在嚴重的磨損。

1低溫再熱器磨損情況

鍋爐投運后實際燃燒煙煤，基本與校核煤種相似。投運后一直存在再熱蒸汽溫度偏低的缺陷，對機組循環(huán)效率影響較大；電廠為提高再熱蒸汽溫度采取了低再側(cè)煙氣擋板全開，低過側(cè)煙氣擋板開度很小的調(diào)節(jié)方式。低再側(cè)煙氣擋板開度通常在20%左右，某些時段甚至開度只有不到10%（如表1所示）。從運行參數(shù)分析，導致再熱蒸汽溫度偏低的主要原因是高溫再熱器蒸汽焓增明顯低于設計值，其他電廠同類型鍋爐也存在同樣問題。

表1鍋爐運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在鍋爐小修檢查中發(fā)現(xiàn)低溫再熱器水平段靠中隔墻彎頭處存在嚴重磨損，磨損嚴重的為從上往下數(shù)第3、第4根換熱管的彎頭，第2根與第5根也存在磨損現(xiàn)象[1]；靠煙道前墻處彎頭也存在磨損，但磨損深度明顯低于中隔墻處；磨損較嚴重的換熱管組為從上往下數(shù)第2、第3、第4管組，最上層與最下層管組不存在明顯地磨損，磨損深度自上而下依次減少；最嚴重的為第2組，多排管屏存在嚴重磨損，特別是中隔墻與側(cè)墻的角部的第1、第2排換熱管屏的第3、第4根換熱管，由于第2排第4根管存在錯列現(xiàn)象，在1個大修周期內(nèi)彎頭外弧靠第1排側(cè)被磨穿，未錯列的第3根也幾乎被磨穿（如圖1所示），很快就會發(fā)生泄漏。第3組磨損（壁厚≤2.9 mm）換管23根，第4組磨損換管21根。

圖1低再高溫段靠中隔墻彎頭第2排第4根管被磨穿

2磨損原因分析

根據(jù)鍋爐設計和運行數(shù)據(jù)分析，低溫再熱器靠壁面彎頭區(qū)產(chǎn)生過快磨損的原因主要是彎頭區(qū)煙氣流速過高，具體分析如下。

（1）低再受熱面煙道內(nèi)煙氣速度設計過高。在燃燒設計煤種VOW工況鍋爐低再煙道煙氣份額設計為0.394，受熱面設計平均煙速為10.1 m/s，低過側(cè)設計平均煙速10.9 m/s，兩側(cè)平均煙速10.55 m/s；THA工況時，低再側(cè)平均煙速為10.3 m/s，低過與低再煙氣平均煙速為9.52 m/s；燃燒校核煤種時，VOW工況低再側(cè)平均煙速為10.8 m/s，低過與低再煙氣平均煙速為10.30 m/s。低再煙道流速設計都較高，無法適應2個煙道煙氣份額相差較大的工況。低再煙道受熱面設計煙速偏高是造成彎頭區(qū)域磨損快的根本原因。

（2）高再與低溫再熱器垂直段吸熱不足。高再與低再垂直段吸熱比設計值低，導致再熱蒸汽溫度低，為提高再熱汽溫只有增加低再的吸熱量，增大流經(jīng)低再煙道的煙氣份額。實際運行中機組滿負荷時低再側(cè)煙氣擋板開度大（全開），低過側(cè)煙氣擋板開度很小。流經(jīng)低再與低過側(cè)煙氣份額與設計相反，是低再高低過低。流經(jīng)低再煙道的煙氣份額大于設計煙氣份額，造成低再受熱面進口煙氣流速過高。保守估計若低再煙氣份額為0.55，則低再平均煙速較設計值高40.4%。而高再與低再垂直段吸熱的不足也會使低再煙道進口處煙溫升高，從而使低再高溫段受熱面進口煙速升高。

（3）考慮到煙速計算煙溫選取設計煙溫平均值，而低再進口煙溫較高，密度低，從而導致煙氣流速高。從設計數(shù)據(jù)分析，低再進口平均煙氣流速較平均值高20.8%。

（4）從低再煙道與水平煙道的連接結(jié)構(gòu)分析，低再煙道布置在爐前側(cè)，受水平煙道煙氣轉(zhuǎn)彎流場的影響以及中隔墻的壁面效應，在靠近爐后的受熱面（中隔墻區(qū)域）管排的彎頭區(qū)存在煙氣走廊。一般氣流經(jīng)過90°轉(zhuǎn)變時，橫斷面流速分布不均勻系數(shù)kv為1.25。且鍋爐存在左右側(cè)煙氣流量偏差，產(chǎn)生甲乙側(cè)煙速分布不均勻的問題。

（5）在煙道的角部，由于互相垂直的包覆和中隔墻的角部拘束效應，容易在角部區(qū)域形成高煙速區(qū)。從而在煙道角部形成較嚴重的煙氣磨損。

（6）為了防止煙氣流速過高磨損第1、第2根管彎頭，在中隔墻上安裝有阻流板（護瓦），阻流板寬度較大，完全遮蓋了第1、第2根管的彎頭部位，對防止第1、第2根管彎頭外弧迎煙側(cè)磨損發(fā)揮了很大作用。由于阻流板的集流作用，帶來了第3、第4根管子的彎頭區(qū)磨損的副作用，第3、第4根管子的彎頭區(qū)局部煙速甚至高于不加阻流板時第1根彎頭與中隔墻之間煙氣走廊內(nèi)的煙速。造成了管排第3、第4根管子彎頭外弧迎煙側(cè)磨損的很嚴重，附近的第2、第5根管子彎頭外弧也存在比較嚴重的磨損現(xiàn)象[1]。阻流板過寬是引起第3、第4根管彎頭磨損的直接原因。

（7）因為彎頭與壁面間煙氣走廊流動阻力小，煙氣在走廊流動中流速逐漸增加，且流過管排的煙氣會橫向轉(zhuǎn)向煙氣走廊[2]，煙氣攜帶飛灰的湍動加劇了對彎頭的磨損，因此靠壁面彎頭區(qū)是最容易磨損區(qū)域。不考慮煙道左右側(cè)偏差和均流板引起的局部高速區(qū)，僅考慮煙氣份額偏差、進出口煙氣溫度差別以及轉(zhuǎn)向煙氣流速分布不均勻等因素，低再高溫段管排進口煙氣流速保守估計也在21 m/s左右。過高的煙氣流速大大加劇了彎頭磨損。

（8）受飛灰運動慣性的影響，帶灰煙氣經(jīng)水平煙道轉(zhuǎn)向豎井煙道時發(fā)生氣灰分離，從而在低再煙道后部壁面處生成一個濃度較高且粒徑較粗的灰粒子場，角部這種飛灰濃度升高的現(xiàn)象更明顯。飛灰粒子的濃度升高與粒徑加粗現(xiàn)象，加劇了煙氣對受熱面的磨損，這是低再煙道靠中隔墻彎頭磨損比前墻嚴重的原因。

（9）個別換熱管出現(xiàn)錯位出列現(xiàn)象，這是導致磨損泄漏的直接原因。第2排第3、第4根管子錯位出列約1/4個直徑的位置，使得這2根管子彎頭外弧迎煙氣側(cè)產(chǎn)生嚴重磨損。除第4根管已經(jīng)磨損產(chǎn)生泄漏外，第3根管外弧也已磨損嚴重減薄，達到了即將泄漏的程度。

（10）除煙速過快外，低再換熱管材料較差也是低再進口段磨損最嚴重的重要原因。低再高溫段只有出口很短的一段材料為15CrMo，其余材料為SA-210C。除第1根管為D63.5 mm×6外，其他管子均為D60 mm×4。選用的管材安全裕量低，管材厚度安全裕量也較低，影響管材的耐磨性。壁溫較高時換熱管磨損增加，壁溫對磨損的影響如圖2所示[2]，從圖2可知，20G這種類別的材料 （SA-210C的性質(zhì)類似20G）在低再壁溫變化范圍內(nèi)磨損都隨壁溫升高而增加。低再出口蒸汽溫度設計為426℃，考慮到滿負荷時低溫再熱器吸熱增加，出口蒸汽溫度上升；以及受熱面管的熱偏差情況，低再高溫段換熱面管壁溫度較設計有較大程度惡化，進一步減少了材料的安全裕量，降低了管材的強度和耐磨性。這必將對鍋爐運行安全帶來極大的隱患。換熱管材料是最上組管排不存在嚴重磨損的主要條件。

圖2壁溫對20G換熱管磨損速率的影響

3減少低再磨損的措施

3.1減少低再磨損可采取的措施

根據(jù)低再水平段彎頭嚴重磨損的原因，可以采取以下措施減少低再磨損[1]。

（1）在運行時加強燃燒調(diào)整，盡量降低爐膛出口二側(cè)煙氣流量偏差，減少局部磨損速率；采取優(yōu)化配風與磨煤機投用方式來調(diào)整再熱蒸汽溫度，增加高再與低再垂直段吸熱量，減少低再吸熱量。盡量增加滿負荷時低溫過熱器開度，減少流經(jīng)低再煙道的煙氣流量。

（2）在運行時可以采取加強高再和低再垂直段部位的吹灰，少吹高過與屏過區(qū)域。盡量增加高再與低再垂直段的吸熱量，減少低再吸熱量，減少流經(jīng)低再煙道的煙氣份額。

（3）改進彎頭阻流板結(jié)構(gòu)?？蓮囊韵聨讉€方面改進：將第1、第2根換熱管彎頭完全包住，取消布置在中隔墻的阻流板，降低第3、第4根管彎頭區(qū)煙氣流速；將阻流板從整塊鋼板型改為柵板型阻流板，使之既能降低彎頭區(qū)煙氣走廊的煙速，又不會在第3、第4根管子彎頭區(qū)形成局部高煙速區(qū)。

（4）將低再與低過管排出現(xiàn)錯列的管子整理整齊，固定管排的管夾等必須完整牢固，以保證管排在運行期間不產(chǎn)生錯列的現(xiàn)象。

（5）適當增加高溫再熱器或者低再垂直段的受熱面積。調(diào)整低再與高再、低再垂直段的吸熱比例，增加低再垂直段/高再吸熱份額，減少低再吸熱份額，降低低再受熱面的煙氣流速，減輕受熱面管的磨損。應該注意的是改造設計時應使?jié)M負荷時流經(jīng)低再與低過煙道的煙氣份額在均等范圍，否則又可能產(chǎn)生新的低過磨損現(xiàn)象。

（6）在進行鍋爐低溫再熱器管排改造時，更換合適的管材，提高低再受熱面管排材料的安全裕量。

3.2低溫再熱器垂直段的改造

在低溫再熱器磨損原因分析和廣泛調(diào)研的基礎上，結(jié)合鍋爐再熱汽溫偏低的治理，采取了在轉(zhuǎn)向室增加低再垂直段受熱面積1 500 m2的改造措施，鍋爐改造后滿負荷運行時低再側(cè)與低過側(cè)煙氣擋板基本全開，有效控制了低溫再熱器磨損過快的問題。同時還改善了鍋爐運行的經(jīng)濟性：改造前后相似運行工況數(shù)據(jù)表明，3號、4號鍋爐再熱氣溫分別提高10℃，13℃，相應的供電煤耗分別降低1.18 g/（kW·h），1.47 g/（kW·h）；相同負荷下鍋爐煙氣阻力降低200～300 Pa，引風機電流降低了約4.1 A；改造前后總風量降低40～60 t/h，送風機電流分別降低5.2 A，7.1 A，供電煤耗降低 0.92 g/（kW·h）；低過區(qū)域的煙氣量增加，過熱氣溫平均提高4.8℃，供電煤耗降低0.81 g/（kW·h）。 綜上所述，鍋爐主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度明顯提高，基本達到了設計水平；減少了煙氣流動阻力，引風機電流下降，3號、4號鍋爐的供電煤耗分別降低 2.91 g/（kW·h），3.20 g/（kW·h）。

4結(jié)束語

通過低溫再熱器磨損原因分析，指出磨損的原因主要有低再設計煙速過高，低過煙氣擋板開度小、流經(jīng)低再的煙氣份額大，壁面效應引起局部流速高、灰濃度大，阻流板型式不當，換熱管出列以及換熱管材料選擇不當。針對原因提出了優(yōu)化燃燒、優(yōu)化吹灰的調(diào)整措施，消除管排出列，改進阻流板型式，增加低再垂直段受熱面面積以及提高換熱管材料等改善低再磨損的技術(shù)措施。實施增加再熱器受熱面面積的改造措施后，消除了低溫再熱器磨損快的問題，改善了鍋爐運行的經(jīng)濟性。進一步實施阻流板型式改進與提高換熱管材料等級的措施可以更徹底地解決低溫再熱器的煙氣磨損問題。

[1]肖 杰.徐州華潤電力有限公司3號鍋爐低溫再熱器爆管分析報告[R].南京：江蘇方天電力技術(shù)有限公司，2008.

[2]岑可法，周 昊.大型電站鍋爐安全與優(yōu)化運行技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2002.