2×300MW循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

郭俊林　郭俊

摘要：某公司2×300MW循環(huán)流化床氫冷發(fā)電機(jī)組自設(shè)計(jì)起，便以循環(huán)流化床機(jī)組基建及運(yùn)行中存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入廣泛的調(diào)研工作，通過(guò)對(duì)廣東寶麗華、四川白馬、內(nèi)蒙古蒙西電廠、秦皇島熱電廠等同類型機(jī)組的調(diào)研，在工程建設(shè)中對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量大膽而有效的改進(jìn)工作。本文僅對(duì)鍋爐部分主要的改進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)、探討，以期對(duì)后續(xù)工程建設(shè)和同類項(xiàng)目工程建設(shè)起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：循環(huán)；流化；磨損；設(shè)計(jì)；改進(jìn)；分析

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）02-0237-02

某公司一期工程裝機(jī)容量為兩臺(tái)300MW循環(huán)流化床氫冷發(fā)電機(jī)組。鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界自然循環(huán)、循環(huán)流化燃燒、一次中間再熱、汽冷式旋風(fēng)分離器、單爐膛、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣的循環(huán)流化床汽包鍋爐。鍋爐型號(hào)為DG1089/17.4-Ⅱ1。汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的NZK300-16.7/538/538型汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)為上海電氣集團(tuán)股份有限公司的QFSN-300-2型機(jī)組。型式為水氫氫冷卻、靜態(tài)勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。

1 某公司DG1089/17.4-Ⅱ1型鍋爐減少磨損采用的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

1）水冷壁外彎管防磨結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

優(yōu)化內(nèi)容：DG1089/17.4-Ⅱ1型鍋爐標(biāo)高20174mm處受熱面管子與耐磨耐火澆鑄料交匯處采用水冷壁外彎管防磨技術(shù)

分析：DG1089/17.4-Ⅱ1型鍋爐標(biāo)高20174mm處受熱面管子與耐磨耐火澆鑄料交匯處產(chǎn)生的磨損，主要是由于沿受熱面表面下落的高濃度固體顆粒物在此處產(chǎn)生飛濺與反彈而形成的。此外由于流動(dòng)方向變化高濃度固體顆粒物隨煙氣產(chǎn)生渦流，渦流將部分上升狀態(tài)的高濃度固體顆粒物拉向交匯處，進(jìn)一步加重了此處的磨損。

為防止該部位磨損，某公司聯(lián)系鍋爐制造廠采用了水冷壁外彎管防磨技術(shù)，即在鍋爐標(biāo)高20174mm處受熱面管子與爐膛下部耐磨耐火澆鑄料交匯處，加裝水冷壁外彎管防磨結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)敷設(shè)耐磨耐火澆鑄料，該交匯處光滑過(guò)渡，使得沿受熱面表面下落的高濃度固體顆粒物不再產(chǎn)生飛濺或反彈，有效防止了此處受熱面管子的磨損。

2）超音速電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用

優(yōu)化內(nèi)容：DG1089/17.4-Ⅱ1型鍋爐標(biāo)高20174mm處受熱面管子與耐磨耐火澆鑄料交匯處 3米范圍內(nèi)采用超音速電弧噴涂技術(shù)

分析：DG1089/17.4-Ⅱ1型鍋爐標(biāo)高20174mm處受熱面管子與耐磨耐火澆鑄料交匯處 3米范圍內(nèi)磨損也比較嚴(yán)重，其磨損原因有兩個(gè)方面：原因一，沿鍋爐爐膛受熱面壁面向下流動(dòng)的高濃度固體顆粒物在該區(qū)域流向發(fā)生變化，對(duì)受熱面管子產(chǎn)生磨損沖刷。原因二，由于沿鍋爐爐膛受熱面壁面向下流動(dòng)的高濃度固體顆粒物與爐內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的高濃度固體顆粒物運(yùn)動(dòng)方向相反，相互影響產(chǎn)生渦流，加劇了該區(qū)域的磨損沖刷。

某公司針對(duì)這一情況采用了超音速電弧噴涂技術(shù)，噴涂材料選取由雙層涂層構(gòu)成的復(fù)合防護(hù)層，工作層材料選用HDS-88A金屬合金絲材，面層采用KM型封孔劑封孔，該技術(shù)具有有優(yōu)異的耐腐蝕、抗磨損性能，涂層與非涂層光滑過(guò)渡。

3）多階式防磨梁優(yōu)化應(yīng)用

優(yōu)化內(nèi)容：原設(shè)計(jì)鍋爐爐膛內(nèi)無(wú)多階式防磨梁，經(jīng)調(diào)研后在爐膛內(nèi)自上而下加裝了9道水平多階防磨梁。

分析：在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，由于高密度煤煙氣夾雜細(xì)小顆粒高速運(yùn)轉(zhuǎn)、煤煙氣中含灰濃度高含灰量大，鍋爐受熱面一直受到高濃度大顆粒固體顆粒物的切削沖刷與縱向磨損，相比較傳統(tǒng)煤粉鍋爐來(lái)說(shuō)要嚴(yán)重很多。鍋爐爐墻和爐內(nèi)金屬管向火面表面在攜帶床料粒子的高濃度的煤煙氣高速流過(guò)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損與沖刷。

這種磨損主要分為兩種類型，第一種是撞擊磨損，第二種是沖刷磨損。撞擊磨損是指高濃度固體顆粒物相對(duì)于受熱面表面沖擊角度較大，或接近于垂直時(shí)，以很高的流動(dòng)速度與受熱面表面進(jìn)行撞擊，使受熱面表面產(chǎn)生塑性變形或細(xì)小的裂紋，在大量高濃度固體黒物的不斷撞擊下，逐漸使受熱面表面變形層整體剝落而造成磨損。沖刷磨損是指高濃度固體顆粒物相對(duì)于受熱面表面的沖擊角較小，甚至接近平行，高濃度固體顆粒物垂直于受熱面表面的分速度，使高濃度固體顆粒物嵌入受熱面表面，在高濃度固體顆粒物與受熱面表面的分速度的作用下使它沿受熱面表面繼續(xù)滑動(dòng)，對(duì)受熱面表面起到一種“刨削”作用，這種現(xiàn)象大量重復(fù)發(fā)生，受熱面表面就會(huì)產(chǎn)生不斷的磨損。在循環(huán)流化床機(jī)組鍋爐受熱面的磨損中，高密度煤煙氣夾雜細(xì)小顆粒與爐膛內(nèi)管子向火表面的沖擊角度在0°到90°，因此其磨損是以上兩種基本磨損類型的共同作用，流體力學(xué)告訴我們：固體顆粒物對(duì)爐膛內(nèi)管子向火面管壁的磨損嚴(yán)重程度（速率）主要與固體顆粒物速度、固體顆粒物粒徑、固體顆粒物物料濃度以及流場(chǎng)不均勻性有關(guān)系，通常他們四者關(guān)系如下

E=kW3D2U

（E-磨損速率μm/100h ； k-比例系數(shù)；D-物料料徑㎜；U-物料濃度Kg/（m2·s）；W-物料速度m/s）

多階防磨裝置是一種新型CFB鍋爐爐內(nèi)水冷壁防磨技術(shù)，它通過(guò)有效手段降低了受熱面表面貼壁高濃度固體顆粒物向下流動(dòng)的速度，使得鍋爐受熱面管子向火面表面的磨損從根本上得到了明顯緩解。水平多階防磨技術(shù)是沿鍋爐爐膛縱向，在不同高度位置布置水平環(huán)繞爐膛的防磨平臺(tái)，防磨平臺(tái)約50MM厚，加裝數(shù)道防磨平臺(tái)后，在高濃度固體顆粒物下降過(guò)程中，每下降一定距離后，會(huì)被防磨平臺(tái)緩沖減速，避免了高濃度固體顆粒物下降速度越來(lái)越快。將高濃度固體顆粒物從爐頂下降過(guò)程中速度始終保持在2m/s以下，一般情況下水平多階防磨梁由耐熱鋼筋將澆筑料固定在鍋爐受熱面管子向火面制成，其優(yōu)點(diǎn)如下：

①運(yùn)行可靠，維護(hù)工作量少，某公司鍋爐加裝防磨梁運(yùn)行兩年后，利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)對(duì)鍋爐爐膛磨損情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)受熱面管子無(wú)明顯磨損現(xiàn)象，多階防磨平臺(tái)光滑無(wú)裂紋，減少了檢修工作量。

②加裝水平多階防磨平臺(tái)后，使受熱面表面貼壁高濃度固體顆粒物流速明顯降低，使鍋爐爐膛過(guò)渡區(qū)磨損速率降低到原來(lái)的1/16以下，受熱面磨損情況明顯得到改善；

③施工簡(jiǎn)單、工期短，機(jī)組小修期間就可完成，成本低，只需部分耐熱銷釘和耐火耐磨可塑料，不需對(duì)爐膛內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改造；

④對(duì)鍋爐爐內(nèi)受熱面吸熱的影響可以忽略不計(jì)，鍋爐床溫升高約6℃，排煙溫度升高約3～5℃，不會(huì)影響鍋爐爐內(nèi)燃燒、傳熱影響在1.2%之內(nèi)；

2 某公司DG1089/17.4-Ⅱ1型鍋爐防止屏式過(guò)熱器超溫所采取的設(shè)計(jì)優(yōu)化

優(yōu)化內(nèi)容：為防止屏式過(guò)熱器超溫，我公司聯(lián)系鍋爐廠及設(shè)計(jì)院將爐膛尺寸及屏過(guò)尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，屏過(guò)加節(jié)流圈，屏過(guò)材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)

分析：某公司在鍋爐尾部布置有二級(jí)過(guò)熱器，爐膛內(nèi)布置有屏式過(guò)熱器等，在這些過(guò)熱器中最容易出問(wèn)題的就是屏式過(guò)熱器，所以在基建初期，該公司就組織專業(yè)人員針對(duì)廣東寶麗華電廠屏式過(guò)熱器超溫問(wèn)題進(jìn)行了深入調(diào)研，根據(jù)調(diào)研可知屏式過(guò)熱器運(yùn)行中超溫存在以下規(guī)律：

1）屏過(guò)同屏管沿爐深方向熱偏差系數(shù)呈中間低、前后高的趨勢(shì)，尤以第1根（遠(yuǎn)離前墻，最長(zhǎng)的那根）的熱偏差系數(shù)偏高最多，該分布規(guī)律一方面和貼近水冷壁側(cè)（1至5根）受到固體顆粒物內(nèi)循環(huán)影響有關(guān)，另一方面和管子長(zhǎng)度沿爐深方向遞增、蒸汽分配不均勻、阻力逐漸增大有關(guān)。

2）屏過(guò)沿爐寬方向不同管屏的熱偏差系數(shù)呈現(xiàn)出爐膛中心偏高、向兩側(cè)遞減，對(duì)稱分布，最大偏差出現(xiàn)在第5、8片屏（共12片屏，低、高溫段各6片屏，第5、8片屏位于寬度方向的中間區(qū)域），該分布規(guī)律與蒸汽流量的分配、爐膛中部溫度、循環(huán)灰量最大有關(guān)。

具體實(shí)施的改進(jìn)措施：①屏過(guò)材質(zhì)優(yōu)化，某公司屏過(guò)共12組，其中6組下降屏采用原材質(zhì)（12Cr1MoVG），6組上升屏將原材質(zhì)（12Cr1MoVG）優(yōu)化為SA213-T91材質(zhì)。②對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；鍋爐后墻水冷壁在爐頂處拐點(diǎn)標(biāo)高49900mm，比同類鍋爐整體高度升高1米。水冷蒸發(fā)屏上集箱標(biāo)高51250mm，下集箱標(biāo)高25000mm，水冷蒸發(fā)屏長(zhǎng)度增加3460mm。鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)尺寸9831mm×28275mm，爐膛深度增加1392mm，屏過(guò)長(zhǎng)度較原設(shè)計(jì)減少3米。③加裝節(jié)流圈：在屏過(guò)入口集箱上加裝合適的節(jié)流孔，外圈采用φ38管子，向內(nèi)管束分組逐步加節(jié)流。

3 結(jié)論

某公司一期工程建設(shè)期較為理想，機(jī)組投產(chǎn)當(dāng)年就實(shí)現(xiàn)了贏利的目標(biāo)，同時(shí)在第二年取得了單機(jī)連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行248天的好成績(jī)，這和基建期間大量的優(yōu)化是分不開(kāi)的。通過(guò)對(duì)該工程建設(shè)中鍋爐本體方面設(shè)計(jì)優(yōu)化及后續(xù)新材料新技術(shù)的應(yīng)用的總結(jié)與探討，為后續(xù)同類型機(jī)組的工程建設(shè)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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