電站鍋爐管式空預(yù)器積灰堵塞的原因分析及解決措施

劉 偉，束繼偉，金宏達(dá)

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

鍋爐管式空預(yù)器是利用煤粉燃燒后產(chǎn)生的煙氣余熱來加熱爐膛燃燒所需冷風(fēng)的換熱設(shè)備，但在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生堵灰現(xiàn)象，使換熱效果明顯降低，直接影響熱一、二次風(fēng)的溫度和排煙溫度，進(jìn)而影響爐膛燃燒及鍋爐的經(jīng)濟(jì)性［1－3］。因此，本文分析了某電廠管式空預(yù)器堵灰的原因，提出了解決該廠管式空預(yù)器堵灰的具體方案，使管式空氣預(yù)熱器改造后的嚴(yán)重堵灰問題得到了解決。

1 設(shè)計(jì)及運(yùn)行概況

某電廠1—4號(hào)鍋爐為一次再熱、超高壓自然循環(huán)汽包爐，管式空預(yù)器中一、二次風(fēng)側(cè)換熱區(qū)成兩列獨(dú)立換熱，每列分三級(jí)換熱。投運(yùn)后該廠1—4號(hào)鍋爐二次風(fēng)側(cè)下級(jí)空氣預(yù)熱器堵灰嚴(yán)重，現(xiàn)場堵灰照片如圖1所示。

鍋爐管式空預(yù)器進(jìn)出口介質(zhì)參數(shù)的DCS實(shí)際運(yùn)行值及設(shè)計(jì)值如表1所示。在表1中，THA為汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收工況。

表1 管式空預(yù)器出入口介質(zhì)參數(shù)Tab．1 Medium parameters in tube type air pre-heater entrance

表2 混煤前后的元素及灰分分析Tab．2 Elements and ash analysis about mixing coal%

2 爐膛出口煙溫及混煤沾污特性對積灰的影響分析

從表1可知，不同負(fù)荷下的空預(yù)器入口煙氣溫度和后屏入口煙氣溫度均低于設(shè)計(jì)值，這與鍋爐剛投產(chǎn)有一定的關(guān)系，機(jī)組剛投產(chǎn)時(shí)的水冷壁是否沾污，直接影響爐膛水冷壁灰污層熱阻，進(jìn)而影響爐膛輻射換熱特性，最終使?fàn)t膛輻射換熱量與對流換熱量的比例在一定程度上偏離設(shè)計(jì)值，造成后屏入口煙氣溫度低于設(shè)計(jì)值。

該廠鍋爐實(shí)際燃燒的煤質(zhì)為典型準(zhǔn)東煤和設(shè)計(jì)煙煤，按照6∶4比例摻混而成。典型準(zhǔn)東煤、設(shè)計(jì)煙煤及摻混后的煤質(zhì)及灰分分析如表2所示，其中低位發(fā)熱量Qnet，ar分別為18.35 MJ/kg(準(zhǔn)東煤)、21.27 MJ/kg(設(shè)計(jì)煙煤)、19.52 MJ/kg(摻混煤)。

根據(jù)表2可知，準(zhǔn)東煤(與設(shè)計(jì)煤質(zhì)比較)有高水、高硫、高Na2O、低熱值的特點(diǎn)，高Na2O勢必使沾污容易發(fā)生。為了便于找出積灰原因和指導(dǎo)后期運(yùn)行，混煤摻混前后灰的沾污指數(shù)［4］分析如下:煤灰對高溫受熱面的沾污可以用沾污指數(shù)R表示。沾污指數(shù)R計(jì)算公式和判別數(shù)據(jù)可以參考文獻(xiàn)［4］、［6］。根據(jù)文獻(xiàn)［4］、［6］中沾污指數(shù)R的計(jì)算原理及表2數(shù)據(jù)，不同煤質(zhì)下的沾污指數(shù)及判別結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)煙煤沾污傾向?yàn)橹械?，摻燒后的混煤沾污傾向?yàn)閲?yán)重，這就說明了燃燒摻混煤質(zhì)后水平或豎井煙道易沾污積灰。

表3 不同煤質(zhì)下的沾污指數(shù)及判別結(jié)果Tab．3 Contamination index and identification results under different coal

3 煙氣結(jié)露造成積灰的原因分析

在表1的數(shù)據(jù)中，由于空預(yù)器入口煙氣未達(dá)到設(shè)計(jì)值，一次風(fēng)側(cè)煙氣擋板關(guān)閉至40%時(shí)，二次風(fēng)側(cè)排煙溫度未明顯增加，這說明二次風(fēng)側(cè)煙氣量未能相應(yīng)的增加，在冷二次風(fēng)量一定的情況下，會(huì)造成二次風(fēng)側(cè)排煙溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，進(jìn)而造成空預(yù)器二次風(fēng)側(cè)空預(yù)器冷端結(jié)露積灰，特別是負(fù)荷低于70%時(shí)更明顯，為說明這一問題分析如下。

煙氣露點(diǎn)計(jì)算方法［5－7］:

式中:tp為煙氣酸露點(diǎn)，℃;tKDH為煙氣中水蒸氣pH2O下水蒸氣冷凝溫度，即水露點(diǎn)ted，℃;Sn為燃料折算硫分，%;An為燃料折算灰，%;αfh為飛灰占燃料灰分份額，%;γH2O為煙氣中水蒸氣份額;VH2O為煙氣中水蒸氣容積，m3/m3;Vgy為單位燃料燃燒所產(chǎn)生的干煙氣體積，m3/kg。

對于管式空氣預(yù)熱器，最低冷端金屬壁溫為［6］

式中:tw，min為最低金屬壁溫，℃;θeg為排煙溫度，℃;ta為空預(yù)器進(jìn)口冷風(fēng)溫度，℃;αa、αg為煙氣側(cè)和空氣側(cè)的放熱系數(shù)，W/m2℃;0.8和0.95為考慮煙氣側(cè)管壁污染和沿?zé)煔饬魍ń孛鏌煔鉁囟葓龇植疾痪挠绊懴禂?shù)。

根據(jù)上述原理分析，最低冷端金屬溫度煙氣露點(diǎn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 煙氣露點(diǎn)溫度及空預(yù)器冷端金屬最低壁溫?cái)?shù)據(jù)表 ℃Tab．4 Data of flue gas dew point temperature and air pre-heater cold end metal minimum wall temperature

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，二次風(fēng)側(cè)排煙溫度及金屬溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度，受熱面上將有液態(tài)水和H2SO4產(chǎn)生，這樣不僅能讓空預(yù)器冷端金屬腐蝕，而且會(huì)粘結(jié)在煙氣中的飛灰上，然后沉積在潮濕的金屬受熱面上，從而造成堵灰。由于積灰現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)造成空預(yù)器煙氣側(cè)壓降的升高，因此，致使引風(fēng)機(jī)過載而限制鍋爐出力。這一結(jié)論可以從表1中的空預(yù)器運(yùn)行壓降與設(shè)計(jì)壓降比較得到。

4 煙氣調(diào)節(jié)擋板特性與積灰之間關(guān)系分析

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況(如表1數(shù)據(jù))可知:一次風(fēng)側(cè)煙氣擋板關(guān)閉至40%時(shí)，一次風(fēng)側(cè)排煙溫度為167℃，仍遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)排煙溫度131℃(修正前)。說明在一次風(fēng)量一定的情況下，一次風(fēng)側(cè)煙氣量隨著該側(cè)煙氣擋板的關(guān)閉并未明顯減少。因此有必要對一次風(fēng)側(cè)煙氣擋板阻力特性進(jìn)行詳細(xì)分析。其中，一次風(fēng)煙道煙氣調(diào)節(jié)擋板的結(jié)構(gòu)為擋板葉片寬度505 mm，擋板葉片軸距513 mm，采用對開旋轉(zhuǎn)葉片調(diào)節(jié)煙氣，間隙為8 mm。

經(jīng)過計(jì)算［8］，原有一次風(fēng)側(cè)煙氣調(diào)節(jié)擋板阻力特性如圖2a、圖2b實(shí)線所示。局部阻力為0.5ζρv2，其中ρ為煙氣密度，kg/m3;v為煙氣來流平均流速，m/s。為了使煙氣量份額到達(dá)設(shè)計(jì)值，必須調(diào)整煙氣擋板角度，使煙氣擋板上下的阻力差為780 Pa。在此區(qū)段，阻力對擋板的角度較為敏感，可以定義一個(gè)函數(shù)ζ'，用以描述局部阻力系數(shù)變化率?？梢杂?jì)算在780 Pa的阻力下，開度約為5°，局部阻力系數(shù)的變化率ζ'為169/(°);可以計(jì)算在此角度、設(shè)計(jì)流量下，每變化1°擋板的阻力變化值為0.5×169×0.5743×4.3862=933 Pa，這說明很難將阻力調(diào)整至要求數(shù)值。

經(jīng)過計(jì)算，新設(shè)計(jì)的一次風(fēng)煙道全行程調(diào)節(jié)擋板的阻力特性如圖2a、圖2b虛線所示。在設(shè)計(jì)流速下能夠提供的最大阻力為3150 Pa。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，可以依據(jù)一二次風(fēng)煙氣側(cè)的壓差情況選擇恰當(dāng)?shù)淖畲笞枇?，較小的最大阻力不利于煙氣份額的調(diào)控幅度，但有利于煙氣的精確調(diào)節(jié)。

經(jīng)過計(jì)算［8］，局部阻力系數(shù)與擋板開度的關(guān)系如圖2所示。局部阻力為0.5ζρv2，其中ρ為煙氣密度，kg/m3，v為煙氣流速，m/s。為了使煙氣量份額達(dá)到設(shè)計(jì)值，就必須調(diào)整煙氣擋板的角度使煙氣擋板上下的阻力差為780 Pa?？梢杂?jì)算在780 Pa的阻力下新型全程調(diào)節(jié)擋板開度為28.5°，在此角度下局部阻力系數(shù)的變化率ζ'非常小，為11.3/(°)，可以計(jì)算在此開度、設(shè)計(jì)流量下新型擋板每變化1°擋板的阻力變化值為0.5×62.5×0.5743×4.3862=62.4 Pa，這說明可以較為精確調(diào)整擋板阻力，達(dá)到精確調(diào)節(jié)流量的目的。

根據(jù)上述分析，為了解決一次風(fēng)側(cè)煙氣調(diào)節(jié)擋板調(diào)整煙氣流量(或者說調(diào)整阻力)困難的問題，可以選用新型全行程調(diào)節(jié)擋板。

5 改造方案和運(yùn)行建議

根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和前述分析，對二次風(fēng)側(cè)末級(jí)空預(yù)器管箱堵灰現(xiàn)象提出如下處理方案。

1)由于鍋爐剛投產(chǎn)時(shí)水冷壁輕微沾污，爐膛水冷壁灰污層熱阻不足，影響了爐膛輻射換熱特性及對流換熱量特性，造成后屏入口煙氣溫度低于設(shè)計(jì)值。同時(shí)，空預(yù)器出口排煙溫度低于結(jié)露溫度，導(dǎo)致管式空預(yù)器金屬管粘灰，這是堵灰的主要原因。因此，在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行或環(huán)境溫度較低時(shí)，盡量提高管式空預(yù)器進(jìn)口冷風(fēng)溫度，同時(shí)，在鍋爐機(jī)組啟動(dòng)初期應(yīng)注意燃燒調(diào)整，控制好爐膛出口溫度和排煙溫度。在啟動(dòng)初期和正常運(yùn)行階段，合理應(yīng)用豎井煙道及空氣預(yù)熱器區(qū)域吹灰系統(tǒng)。

2)煙氣調(diào)節(jié)擋板難以精確調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)煙氣量;在設(shè)計(jì)流量下，一次風(fēng)側(cè)煙氣阻力為780 Pa，比二次風(fēng)側(cè)煙氣阻力低，需要調(diào)節(jié)煙氣擋板的開度，使煙氣達(dá)到設(shè)計(jì)值。但一次風(fēng)側(cè)擋板調(diào)節(jié)精度不足，難以調(diào)節(jié)流量，使一次風(fēng)側(cè)煙氣流量較設(shè)計(jì)值偏大，出現(xiàn)一次風(fēng)側(cè)煙氣出口溫度超溫(167～193℃)，而二次風(fēng)側(cè)煙氣量較設(shè)計(jì)值低，二次風(fēng)側(cè)煙氣被過度冷卻，該側(cè)煙氣出口溫度為64～88℃(不同負(fù)荷下運(yùn)行值)，左右煙氣擋板調(diào)節(jié)精度的不足使左右側(cè)空預(yù)器煙氣和空氣出口溫度波動(dòng)較大。因此，建議更換新型全行程調(diào)節(jié)擋板，精確調(diào)節(jié)管式空預(yù)器進(jìn)口一、二風(fēng)側(cè)煙氣流量;若在更換新型全行程調(diào)節(jié)擋板之前機(jī)組仍需運(yùn)行，應(yīng)盡量減小一次風(fēng)側(cè)空預(yù)器煙氣進(jìn)口擋板開度，一般調(diào)整5°～20°來增加一次風(fēng)側(cè)阻力和二次風(fēng)側(cè)煙氣流量份額。

3)摻燒準(zhǔn)東煤造成灰分的沾污指數(shù)由中等變?yōu)閲?yán)重。建議在保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下，合理摻燒準(zhǔn)東煤;請相關(guān)科研單位針對該廠的情況做準(zhǔn)東煤摻燒校核計(jì)算和燃燒調(diào)整方面的進(jìn)一步研究。

4)省煤器出口至空預(yù)器入口煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上出現(xiàn)急促轉(zhuǎn)向和突然擴(kuò)口使煙氣流動(dòng)和灰的流動(dòng)出現(xiàn)不均勻，增加了堵灰的可能程度。可以請相關(guān)單位進(jìn)行管式空氣預(yù)熱器的流場模擬分析研究。

根據(jù)整改方案和運(yùn)行建議，該廠對管式空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣擋板、省煤器出口至空預(yù)器進(jìn)口急轉(zhuǎn)向煙道、風(fēng)機(jī)進(jìn)口暖風(fēng)器、空預(yù)器區(qū)域吹灰器等設(shè)備進(jìn)行了改造。改造后，該電廠4臺(tái)鍋爐機(jī)組的管式空預(yù)器長期運(yùn)行后未出現(xiàn)嚴(yán)重積灰的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

1)調(diào)節(jié)管式空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣擋板在控制一、二風(fēng)側(cè)煙氣流量方面至關(guān)重要，可以避免二次風(fēng)側(cè)因煙氣量不足而使煙氣結(jié)露的問題。

2)準(zhǔn)東煤有其資源豐富的優(yōu)勢，應(yīng)在保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下合理摻燒。

3)暖風(fēng)器和吹灰系統(tǒng)的投用可以一定程度上減緩空預(yù)器冷端結(jié)露和積灰。

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