HG1025t/h鍋爐四角噴燃器水冷壁磨損的原因分析及防磨措施

王洪強(qiáng)

（華電能源股份有限公司牡丹江第二發(fā)電廠鍋爐分公司，黑龍江 牡丹江 157015）

1 前言

在國(guó)產(chǎn)電站鍋爐中，采用四角布置直流燃燒器的比較多，HG1 025 t/h鍋爐就很具有代表性，它是典型的四角噴燃室燃煤粉爐，一般情況下，噴口附近的水冷壁管子容易發(fā)生局部磨損。其特性是：局部磨損面積比其他受熱面（過熱器、省煤器等）管子磨損面積大；磨損面減薄后，在管內(nèi)高壓爐水作用下翻開，呈開窗狀泄漏點(diǎn)，造成爐水大量噴入爐膛。如果泄漏發(fā)生在一次風(fēng)噴口附近，則爐膛火焰馬上被水澆滅；如果泄漏發(fā)生在下二次風(fēng)噴口附近，也會(huì)因?yàn)殄仩t保持不了水位而被迫緊急停爐。所以，對(duì)于單元制機(jī)組來說，噴口附近的水冷壁磨損會(huì)造成停爐停機(jī)事故，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來威脅。

華電能源牡丹江第二發(fā)電廠#8、#9號(hào)機(jī)組單機(jī)容量為300MW，裝用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-1 025/17.45-YM28型亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐為單爐膛四角布置擺動(dòng)式燃燒器，切向燃燒、固態(tài)除渣、平衡通風(fēng)，并與哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)相匹配，每臺(tái)機(jī)組采用5臺(tái)MPS190HP-II型中速磨煤機(jī)，正壓冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐最大連續(xù)負(fù)荷（即BMCR工況）為設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)機(jī)組電負(fù)荷為336.3 MW時(shí)，鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025 t/h；當(dāng)機(jī)組電負(fù)荷為300 MW（即TRL工況）時(shí)，鍋爐的額定蒸發(fā)量為960 t/h。

2 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）燃燒器采用四角布置的切向擺動(dòng)式燃燒器，按照爐膛尺寸的大小，選取適當(dāng)?shù)娜紵鞒隹谏淞髦行木€同爐膛截面對(duì)角線的夾角△a，由此確定燃燒出口射流中心線和水冷壁中心線夾角分別為36°和43°。在燃燒器的高度方向上，考慮到燃燒器向下擺動(dòng)，應(yīng)保證火焰充滿空間和煤粉燃燒空間的設(shè)置。燃燒器采用CE傳統(tǒng)的大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，由隔板將大風(fēng)箱分隔成若干室，在各風(fēng)箱的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴，頂部燃盡室可作向上30°、向下5°擺動(dòng)。一次風(fēng)噴嘴可上下擺動(dòng)各20°，二次風(fēng)噴嘴可作上下各30°的擺動(dòng)，每只燃燒器共有6種、15個(gè)風(fēng)室、14個(gè)噴嘴。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)供油總量為18 600 kg/h,油槍入口壓力3.5 MPa，油黏度1.2～1.67 E，吹灰蒸汽壓力為0.68～0.882 MPa，蒸汽溫度不低于250℃。供氣壓力0.49～0.686 MPa,伸縮機(jī)構(gòu)推進(jìn)動(dòng)作時(shí)間3 s，在工作時(shí)間的氣耗0.3 Nm3/h。

（2）本廠爐配有兩臺(tái)半模式、雙密封、三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器。入口煙氣溫度為346℃，出口煙氣溫度為128.3℃，入口空氣溫度為23℃。預(yù)熱器設(shè)置有徑向密封間隙、自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，在運(yùn)行中自動(dòng)調(diào)節(jié)密封間隙，減少漏風(fēng)系數(shù)。

（3）鍋爐裝有爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS），用于鍋爐的啟停、事故解列以及各種輔機(jī)的切投，其主要功能是爐膛火焰檢測(cè)和滅火保護(hù)，對(duì)防止?fàn)t膛爆炸和“內(nèi)爆”有重要意義。機(jī)組裝有集散控制系統(tǒng)（DCS），進(jìn)行汽機(jī)與鍋爐之間的協(xié)調(diào)控制。機(jī)組的設(shè)計(jì)既可定壓運(yùn)行，又可滑壓運(yùn)行。

燃燒器布置情況見圖1，鍋爐設(shè)計(jì)煤種及燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)煤質(zhì)材料（雞西混煤）：

燃燒器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：

一次風(fēng)口截面積：4×0.467 4 m2，一次風(fēng)速23～25 m/s；

二次風(fēng)口截面積：4×0.604 0 m2，二次風(fēng)速44～46 m/s；

三次風(fēng)口截面積：4×0.123 0 m2，三次風(fēng)速54～56 m/s。

圖1 角式煤粉燃燒器平面布置圖

牡丹江第二發(fā)電廠HG1 025 t/h型鍋爐，四角切圓燃燒，水冷壁規(guī)格φ63.5×7 mm，一般局部磨損發(fā)生在噴口右側(cè)第4～8根水冷壁管子上；磨損長(zhǎng)度在130～340 mm范圍內(nèi)，離噴口較遠(yuǎn)的第7、8根管子磨損面積較大，其他則較小；磨損面下線基本與上二次風(fēng)噴口下傾角度線對(duì)應(yīng)，見圖2。

圖2 噴口附近水冷壁磨損示意圖

一、二次風(fēng)噴燃器采用1Cr18Ni0Ti不銹鋼板焊制而成，廠家設(shè)計(jì)的一、二次風(fēng)速（冷態(tài)）分別為23～23 m/s和44～46 m/s。噴口檢查：一次風(fēng)噴口正常；二次風(fēng)噴口上邊左側(cè)已經(jīng)燒毀變形，并向下塌腰（最大約40mm），噴口左側(cè)鋼板向水冷壁變形約10mm，噴口里面接口處的二次風(fēng)管上下左右都已經(jīng)變形，呈波浪狀。

3 原因分析

3.1 噴口出口射流與水冷壁的夾角

直流噴燃器以一定角度布置在爐膛四角上，在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的作用下，噴口出口射流兩側(cè)的補(bǔ)氣條件不同，形成作用于射流側(cè)面的壓力差，使射流向壓力較低一側(cè)偏轉(zhuǎn)，因此噴口出口射流兩側(cè)與水冷壁之間的夾角分為小角和大角。作爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)工況下測(cè)得爐內(nèi)實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度圓大小為φ5.50～6.25 m，噴口出口大、小夾角分別為 31°和 4°～5°（見圖3）?？梢?，小角側(cè)氣流根部距水冷壁很近，如果操作不當(dāng)或爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)速度圓直徑偏大，氣流就要沖刷水冷壁。

3.2 噴口處的溫度

在鍋爐額定負(fù)荷下，測(cè)試下二次風(fēng)口的溫度：測(cè)試探頭在噴燃器內(nèi)距噴口端面1 m，熱風(fēng)門全開，測(cè)得溫度為320℃；探頭至噴口端面，熱風(fēng)門全開，溫度為540℃，熱風(fēng)門全關(guān)，此時(shí)溫度為832℃。爐膛最高溫度在1 600℃左右，上二級(jí)風(fēng)噴口對(duì)應(yīng)中心火焰位置。由此可見，如果鍋爐在額定負(fù)荷下，上二次風(fēng)門全關(guān)時(shí)，其噴口處溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過下二次風(fēng)口的溫度（估計(jì)在1 000℃左右）。

3.3 噴口的材質(zhì)

圖3 噴燃器出口大、小角示意圖

噴口采用1Cr18Ni9Ti爐用耐熱鋼板，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)處于溫度相對(duì)較低的下二次風(fēng)噴口，也經(jīng)常發(fā)生燒變形的情況?？梢?，1Cr18Ni9Ti只適合于溫度在600℃以下的工作環(huán)境。

3.4 二次風(fēng)氣流主導(dǎo)作用

二次風(fēng)射流噴出后，不斷卷吸周圍的空氣，因?yàn)槎物L(fēng)風(fēng)速較高，大約是一次風(fēng)的2倍，所以也不斷卷吸位于上下的一次風(fēng)粉混合物。如果二次風(fēng)刷墻，則卷吸的煤粉就會(huì)磨水冷壁，管子的磨損量與煙氣流速成3次方，因此噴口附近水冷壁的磨損一般都發(fā)生在二次風(fēng)附近。從水冷壁磨損的情況可以看出，磨損位于二次風(fēng)射流的下邊（再下面是上一次風(fēng)），其磨損面正確地反映了一次風(fēng)中的部分煤粉被卷吸到二次風(fēng)所留下的痕跡。

3.5 噴口處水冷壁結(jié)構(gòu)

HG1 025 t/h型鍋爐噴口處水冷壁的結(jié)構(gòu)見圖4，其噴口出口端面深入爐膛僅100 mm（與四角頂點(diǎn)的距離），噴口氣流的要部基本上是貼著水冷壁。當(dāng)出現(xiàn)噴口變形、爐內(nèi)切圓直徑偏大以及操作等原因使氣流偏轉(zhuǎn)時(shí)，都可能造成水冷壁的磨損?？梢?，HG1025t/h型鍋爐，噴燃器的布置不合理。

圖4 鍋爐燃燒器布置示意圖

4 防止水冷壁磨損的措施

4.1 采用耐熱鑄鋼噴口

將1Cr18Ni9Ti噴燃器改為耐溫1 000℃的耐熱鑄鋼噴燃器，實(shí)踐證明，改進(jìn)后的噴燃器在運(yùn)行中不變形，壽命都在40 000 h以上。

4.2 加長(zhǎng)噴燃器

將噴燃器出口端面深入爐膛100 mm（與四角頂點(diǎn)的距離）改為200 mm，若不考慮其他因素，經(jīng)計(jì)算小角側(cè)靠第8根水冷壁管與噴口射流之間的距離可增加50 mm左右。實(shí)際運(yùn)用中，在二次風(fēng)噴口靠小角側(cè)焊一塊不銹鋼板，由于鋼板的導(dǎo)流作用，小角側(cè)的噴口位置向爐內(nèi)推進(jìn)了一些，增加了射流與水冷壁之間的距離。在二次風(fēng)氣流的影響下，避免了一次風(fēng)中的煤粉磨水冷壁，這種辦法在鍋爐檢修中是一種臨時(shí)措施。比較正規(guī)的方法是：制作加長(zhǎng)的耐熱鑄鋼一、二次風(fēng)噴燃器，將舊噴燃器全部更換。這種方法比較適用于將舊爐改造，改造后噴口附近水冷壁檢查，可由一個(gè)小修期延長(zhǎng)至一個(gè)大修期，可省去大量爐膛搭加架子的工作，效果更好。

4.3 校正切圓直徑

將爐內(nèi)假想切圓直徑減小，可增加小角側(cè)射流與水冷壁之間的距離。國(guó)內(nèi)對(duì)固態(tài)爐采用的假想切圓直徑一般為0.05～0.10倍的爐膛寬、深的平均值。HG1025t/h鍋爐的假想切圓直徑為1m，經(jīng)計(jì)算，選用的是最大值，因此還有調(diào)整的余地。在檢查或矯正假想切圓直徑時(shí)，除了對(duì)一次風(fēng)管道進(jìn)行檢查，更重要的是要對(duì)二次風(fēng)管道（包括噴燃器）進(jìn)行拉線檢查和調(diào)整。

4.4 合理的噴口處水冷壁結(jié)構(gòu)

對(duì)于四角布置切向燃燒器，國(guó)外技術(shù)的特點(diǎn)是：噴口端面深入爐內(nèi)較長(zhǎng)。如引進(jìn)的CE技術(shù)，噴口端面距爐膛斷面角頂點(diǎn)約350 mm。B＆WBHG1 025 t/h鍋爐采用美國(guó)B＆W技術(shù)，其噴口處水冷壁的結(jié)構(gòu)也很獨(dú)特（見圖3），噴口深入爐膛750 mm，噴口端面與兩側(cè)水冷壁平行，小角側(cè)與噴口氣流對(duì)應(yīng)的水冷壁管為第14根，噴口出口射流兩側(cè)與水冷壁的距離均較遠(yuǎn)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開了容易磨損的第4～8根管區(qū)域。即使發(fā)生噴口變形、切圓直徑較大、運(yùn)行操作不當(dāng)?shù)葐栴}，煤粉氣流也沖刷不到水冷壁。

5 結(jié)論與建議

（1）四角布置切向燃燒器附近水冷壁的磨損，主要與噴口材質(zhì)、燃燒器布置的角度、噴口端面太靠近四角頂點(diǎn)及運(yùn)行操作等因素有關(guān)。

（2）對(duì)于舊爐改造,采用耐高溫1 000℃的鑄鋼及加長(zhǎng)噴口長(zhǎng)度，是防止水冷壁磨損既經(jīng)濟(jì)又有效的措施。

（3）二次風(fēng)風(fēng)速較一次風(fēng)大，能卷吸一次風(fēng)中的煤粉，如果二次風(fēng)噴口變形或角度布置偏大，將對(duì)水冷壁造成磨損。所以一般情況磨損都發(fā)生在二次風(fēng)附近，因此，在進(jìn)行水冷壁的檢查、噴口矯正和檢查爐內(nèi)切圓直徑等工作時(shí)，要特別重視對(duì)二次風(fēng)燃燒器及附近水冷壁的檢查。

（4）實(shí)踐證明，四角布置切向燃燒器噴口端面距爐膛斷面角頂點(diǎn)為750 mm時(shí)，噴口附近水冷壁不磨損，鍋爐安全可靠性高。