低NOx燃燒器改造后水冷壁橫向裂紋原因及治理

馬新立，徐頌梅

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

低NOx燃燒器改造后水冷壁橫向裂紋原因及治理

馬新立，徐頌梅

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

隨著鍋爐新排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，火電廠鍋爐普遍進(jìn)行了低NOx燃燒器改造，改造后不少電廠出現(xiàn)了水冷壁橫向裂紋問題。通過分析，指出了水冷壁發(fā)生橫向裂紋的主要原因是鍋爐低NOx燃燒器改造后水冷壁還原性氣氛增強(qiáng)，并提出低NOx燃燒器改造優(yōu)化方法和運(yùn)行技術(shù)手段，可供相關(guān)電廠借鑒。

低NOx燃燒器；水冷壁；橫向裂紋

根據(jù)GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，自2014年7月1日起，火電廠鍋爐執(zhí)行新的NOx排放限值。在此之前，大部分電廠進(jìn)行了低NOx燃燒器改造。改造后，鍋爐出口NOx排放濃度明顯下降，但很多電廠鍋爐水冷壁出現(xiàn)橫向裂紋問題。橫向裂紋縮短了水冷壁壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水冷壁泄漏。必須對(duì)水冷壁橫向裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)對(duì)策，防止水冷壁發(fā)生橫向裂紋［1-3］。

1　鍋爐簡(jiǎn)介

某廠1號(hào)鍋爐為FW西班牙公司制造的亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量1160 t/h，主蒸汽壓力17.3 MPa，主蒸汽溫度541℃。單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。燃燒器采用旋流燃燒器、前墻布置，冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，配套4臺(tái)MBF-23中速磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)燃用煤種為低位發(fā)熱量22.26 MJ/kg的煙煤。于1993年5月20日投入商業(yè)運(yùn)行。

鍋爐前墻上布置4層燃燒器，每層各有4只軸向旋流燃燒器，共16只燃燒器，由上至下編號(hào)依次為ABCD。1號(hào)爐在2005年進(jìn)行低NOx燃燒器改造，將燃燒器改造為ABT公司的Opti-FlowTM燃燃器，改造的主要內(nèi)容是保留前墻大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，保留每只燃燒器原有的風(fēng)量套筒擋板和徑向調(diào)整的外調(diào)風(fēng)器葉片，將原有燃燃器一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)部分更換為具有更低NOx功能的Opti-FlowTM燃燃器。在燃燃器的上方增加4只燃燼風(fēng)噴口，在上層燃燃器靠二側(cè)墻處增加2只防止高溫腐蝕的側(cè)翼風(fēng)噴口，對(duì)原來的大二次風(fēng)箱增加了均流裝置，減小了中間二列燃燒器通風(fēng)面積并調(diào)小其調(diào)風(fēng)器全開的定位，以提高各燃燃器二次風(fēng)配風(fēng)的均勻性。

改造后燃燒器仍維持內(nèi)外二次風(fēng)雙可調(diào)結(jié)構(gòu)，外二次風(fēng)噴嘴喉部D為119 3.8 mm，內(nèi)二次風(fēng)喉部D為 914.4 mm；一次風(fēng)從原渦殼切向進(jìn)風(fēng)改造為彎頭進(jìn)入，基本無旋流；在一次風(fēng)管近噴口處設(shè)置煤粉偏向器，將一次風(fēng)射流分為內(nèi)外二部分；一次噴嘴離水冷壁平面距離439.7 mm。燃盡風(fēng)噴嘴離上層燃燒器距離2905 mm，燃盡風(fēng)噴嘴為旋流式。

2　橫向裂紋特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，鍋爐水冷壁存在高溫腐蝕，集中在后墻以及側(cè)墻后部區(qū)域，高度在下層燃燒器至燃盡風(fēng)區(qū)域，其中在后墻燃盡風(fēng)區(qū)域高溫腐蝕最嚴(yán)重，剝落的腐蝕產(chǎn)物厚度在1.5～2.0 mm。高溫腐蝕產(chǎn)物已部分剝落，剝落嚴(yán)重的區(qū)域在水冷壁朝爐膛方向，高溫腐蝕產(chǎn)物可以成片剝落；部分成片剝落的高溫腐蝕產(chǎn)物背面存在著類似橫向裂紋的紋路。水冷壁管存在明顯地減薄，減薄嚴(yán)重的為水冷壁側(cè)面45°區(qū)域，減薄量約1.2 mm；鰭片焊縫外部區(qū)域也存在較嚴(yán)重減薄，減薄約1.0 mm；水冷壁向火面90°處減薄約0.6 mm。

水冷壁管存在較廣泛的密集橫向裂紋，橫向裂紋發(fā)生在水冷壁管向火面的正面，背火面不存在橫向裂紋的現(xiàn)象；橫向裂紋如絲狀，大致與水冷壁管軸線垂直。水冷壁管出現(xiàn)橫向裂紋的區(qū)域與存在高溫腐蝕的區(qū)域基本重合，存在橫向裂紋的水冷壁管在很大的高度范圍內(nèi)都有，高溫腐蝕區(qū)域也有部分管不存在橫向裂紋。

打磨去除管子向火面外壁的氧化皮及灰渣，可見清晰的密集橫向裂紋，如圖1所示。裂紋的周向長度約1/4圓周，周向位置如圖2所示。

圖2　裂紋區(qū)域及腐蝕減薄區(qū)域

在向火面裂紋處取一只金相試樣，磨制、拋光后裂紋形貌如圖3所示，取樣區(qū)域裂紋最深處約1.5 mm，開裂內(nèi)部充滿灰色氧化物。經(jīng)浸蝕后觀察顯微組織，裂紋處顯微組織為鐵素體+珠光體，組織有輕度的球化。

圖3　外壁裂紋形貌

3　向裂紋原因分析

從1號(hào)鍋爐水冷壁密集橫向裂紋產(chǎn)生環(huán)境分析，水冷壁橫向裂紋產(chǎn)生的主要原因是應(yīng)力腐蝕。在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，材料表面的氧化膜被腐蝕破壞，破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極。由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面。加上拉應(yīng)力的作用，破壞處逐漸形成裂紋，裂紋隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展直到斷裂。這種裂紋不僅可以沿著金屬晶粒邊界發(fā)展，而且還能穿過晶粒發(fā)展。裂紋的形成和擴(kuò)展大致與拉應(yīng)力方向垂直。導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力值，比沒有腐蝕介質(zhì)存在時(shí)材料斷裂所需要的應(yīng)力值小得多。影響應(yīng)力腐蝕的主要因素有腐蝕性氣體與應(yīng)力。

3.1煙氣還原性氣氛強(qiáng)

鍋爐燃燒器改造后，一次風(fēng)消除了旋流，增加了一次風(fēng)射流的剛度。增加了燃盡風(fēng)和前墻的側(cè)翼風(fēng)噴嘴，減少了二次風(fēng)量；而燃燒器改造時(shí)保留了原燃燒器的二次風(fēng)風(fēng)量套筒擋板與外二次風(fēng)旋流調(diào)節(jié)葉片。二次風(fēng)速下降，二次風(fēng)旋流強(qiáng)度降低。由于一次風(fēng)射流剛度增強(qiáng)、二次風(fēng)旋流強(qiáng)度降低，二次風(fēng)卷吸一次風(fēng)的能力減弱，一次風(fēng)擴(kuò)散度減小，火焰保持形狀完整性能力增強(qiáng)；且爐膛深度不大，僅11.049 m，由于燃燒器采用前墻布置，L型火焰，剛度大的一次風(fēng)使得火焰吹向后墻。導(dǎo)致后墻區(qū)域熱負(fù)荷高，火焰直接沖向后墻、引起后墻處煤粉濃度較高，貼墻處煙氣還原性氣氛很強(qiáng)。

增加燃盡風(fēng)與側(cè)翼風(fēng)后，燃燒器域二次風(fēng)供應(yīng)不足，造成燃燒器區(qū)域缺氧燃燒，整體呈現(xiàn)出還原性氣氛。由于二次風(fēng)旋流作用以及側(cè)翼風(fēng)影響，前墻及側(cè)墻前部壁面處氧氣濃度較高；無側(cè)翼風(fēng)的下部燃燒器也不發(fā)生高溫腐蝕，說明爐膛前部整體煙氣氧濃度較高，還原性氣氛不強(qiáng)。前墻處煙氣氧氣濃度較高會(huì)影響到后墻及側(cè)強(qiáng)后部水冷壁處煙氣氧量更低。

每天晚上，我都纏著媽媽給我講故事，故事的地點(diǎn)發(fā)生在山東農(nóng)村的一個(gè)小院子里，故事的主角是一群雞鴨鵝豬。也許在別的小朋友看來，這有什么好玩的呢？但是在我的心中，那可比哈利? 波特學(xué)習(xí)的霍格沃茨魔法學(xué)院還有吸引力。

3.2熱應(yīng)力高

由于火焰直接沖向后墻，導(dǎo)致爐膛后半部熱負(fù)荷偏高；爐膛存在結(jié)焦，結(jié)焦覆蓋的水冷壁區(qū)域吸熱量減少，使得不結(jié)焦區(qū)域局部熱負(fù)荷升高，水冷壁壁面溫度上升；當(dāng)高溫腐蝕產(chǎn)物剝落時(shí)，未剝落區(qū)有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，吸熱減少，剝落區(qū)域壁面吸熱量增加，壁面溫度上升；防腐防磨涂層剝落與高溫腐蝕產(chǎn)物剝落影響基本相同，當(dāng)噴涂質(zhì)量不好，運(yùn)行中出現(xiàn)剝落時(shí)，一部分直接剝落，另一部分未完全剝落，裂開的噴涂層內(nèi)部水冷壁產(chǎn)生氧化，具有較大的熱阻，減少了該部分水冷壁的吸熱，導(dǎo)致完全剝落部分吸熱增加，壁面溫度升高。

對(duì)于應(yīng)力的產(chǎn)生根源主要是爐墻水冷壁熱膨脹以及膨脹受阻，水冷壁熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力主要有水冷壁管存在較大壁溫分布，如向火面吸熱壁溫高，背火面不吸熱壁溫低；鰭片處熱流密度大，壁溫高；有結(jié)焦的水冷壁管吸熱量少、壁溫低，不結(jié)焦的水冷壁管吸熱量多、壁溫高；高溫腐蝕產(chǎn)物未剝落的壁面吸熱量少、壁溫低，高溫腐蝕產(chǎn)物剝落的壁面吸熱量多、壁溫高；防腐防磨噴涂層完全剝落的壁面吸熱量多、壁溫高，未完全剝落的壁面吸熱量少、壁溫低。壁溫偏差會(huì)產(chǎn)生熱膨脹偏差，壁溫高、膨脹大的對(duì)周圍材料產(chǎn)生拉應(yīng)力，其受到周圍材料的壓應(yīng)力。向火面與背火面壁溫差會(huì)使水冷壁管產(chǎn)生鼓突變形，吸熱量大的水冷壁管會(huì)使得相鄰水冷壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，本身產(chǎn)生壓應(yīng)力。

對(duì)于水冷壁膨脹受阻，有剛性梁束縛和水冷壁剛度束縛，1號(hào)鍋爐水冷壁管管徑粗、壁厚厚，具有較大的剛度，不易發(fā)生鼓突變形，也是束縛水冷壁變形的重要因素，如果水冷壁不能發(fā)生鼓突變形時(shí)，向火面材料受到壓應(yīng)力，背火面材料受到拉應(yīng)力作用。在水冷壁結(jié)焦與不結(jié)焦，高溫腐蝕的產(chǎn)生與剝落，都會(huì)使水冷壁管存在低周交變應(yīng)力，也會(huì)促使橫向裂紋快速發(fā)展。

4　橫向裂紋防止對(duì)策

（1）進(jìn)行鍋爐低NOx燃燒器改造時(shí)注意對(duì)水冷壁管高溫腐蝕和橫向裂紋防治。適當(dāng)增加一次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，降低噴口處一次風(fēng)速，減少一次風(fēng)射流剛度，防止火焰直接沖刷后墻水冷壁。減少水冷壁后部熱負(fù)荷和減輕煙氣還原性氣氛。

（2）在燃燒器改造中，根據(jù)燃盡風(fēng)量和側(cè)翼風(fēng)量的影響，對(duì)燃燒器二次風(fēng)噴口直徑進(jìn)行優(yōu)化，保證二次風(fēng)風(fēng)速以及二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，以保證旋流二次風(fēng)對(duì)一次風(fēng)射流的卷吸作用，適當(dāng)增加一次風(fēng)射流的擴(kuò)散性，適當(dāng)增強(qiáng)一、二次風(fēng)混合，減弱一次風(fēng)射流動(dòng)量，減小一次風(fēng)射流的有效噴射距離。降低水冷壁處煤粉濃度，減少水冷壁后部熱負(fù)荷和減輕煙氣還原性氣氛。

（3）燃燒器改造時(shí)控制合適的燃盡風(fēng)率以及側(cè)翼風(fēng)量，在滿足燃燒器生成的NOx濃度要求條件下，增加減輕主燃燒器區(qū)域的燃燒空氣，減輕主燃燒器區(qū)域煙氣的整體還原性氣氛。

（4）在燃燒器改造中優(yōu)化側(cè)翼風(fēng)布置，減少前墻側(cè)翼風(fēng)量，或者取消前墻的側(cè)翼風(fēng)噴嘴，在側(cè)墻后部貼近后墻水冷壁區(qū)域布置側(cè)翼貼壁風(fēng)，在后墻區(qū)域形成局部富氧的煙氣環(huán)境，與后墻煤粉濃度匹配，減輕后墻水冷壁的還原性氣氛。

（6）在進(jìn)行水冷壁防腐防磨噴涂前應(yīng)將水冷壁表面打磨干凈，已有橫向裂紋的，應(yīng)將橫向裂紋打磨消除裂紋后再進(jìn)行噴涂，防止噴涂后已有裂紋進(jìn)一步發(fā)展，造成水冷壁失效。

（7）控制燃煤的硫分。從2個(gè)方面控制硫分，一方面是從整體上控制燃煤硫分，使得鍋爐燃煤平均硫分降低；另一方面是控制個(gè)別硫分較高的燃煤。

（8）對(duì)燃燒硫分較高煤種的燃燒器，可以適當(dāng)增加二次風(fēng)量，減輕局部煙氣的還原性氣氛。

（9）利用大小修機(jī)會(huì)進(jìn)行磨煤機(jī)出口管一次風(fēng)速調(diào)平試驗(yàn)，降低各管一次風(fēng)速分布偏差。為保證制粉系統(tǒng)運(yùn)行安全的前提下降低噴口一次風(fēng)速打好基礎(chǔ)，同時(shí)保證各管煤粉濃度分布偏差處于較小的范圍。

（10）當(dāng)出現(xiàn)燃燒器的一次風(fēng)量不一致時(shí)，對(duì)每層燃燒器的二次風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，一次風(fēng)量偏大的燃燒器可以適當(dāng)增加二次風(fēng)量。

（11）熱工對(duì)自動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，降低運(yùn)行中爐膛出口煙氣氧量的波動(dòng)幅度，減少爐膛出口氧量偏低的運(yùn)行時(shí)間。

（12）每次檢修對(duì)爐膛高溫腐蝕和橫向裂紋進(jìn)行重點(diǎn)檢查，同時(shí)做好腐蝕速率及裂紋深度發(fā)展的紀(jì)錄，進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，監(jiān)測(cè)高溫腐蝕與橫向裂紋的發(fā)展速率。

5　橫向裂紋治理效果

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況出發(fā)，將橫向裂紋治理分2步進(jìn)行，先進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整，再利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。目前采用的措施包括降低噴口處一次風(fēng)速、降低燃盡風(fēng)量和側(cè)翼風(fēng)量、控制燃煤的硫分、熱態(tài)一次風(fēng)速調(diào)平試驗(yàn)和優(yōu)化送風(fēng)自動(dòng)PID參數(shù)。

通過上述運(yùn)行調(diào)整，燃燒器附近水冷壁處的氧化性氣氛大大增強(qiáng)，氧量由調(diào)整前的1%以下提高到2%以上；同時(shí)，還原性氣氛比調(diào)整前大大減弱，CO含量由調(diào)整前的5.0%左右減少到2.8%，從而有力地降低了水冷壁橫向裂紋發(fā)展的速度。

6　結(jié)束語

鍋爐低NOx燃燒器改造后水冷壁產(chǎn)生橫向裂紋的主要原因是水冷壁附近還原性氣氛大大加強(qiáng)，水冷壁發(fā)生應(yīng)力腐蝕。通過控制燃煤硫分和運(yùn)行調(diào)整，大大降低了水冷壁附近CO含量，取得了良好效果。建議利用鍋爐檢修機(jī)會(huì)，優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低水冷壁還原性氣氛，達(dá)到根治水冷壁橫向裂紋的目的。

［1］嚴(yán)方.火電機(jī)組水冷壁管橫向裂紋失效機(jī)理分析與熱應(yīng)力數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2013，42（10）：83-86.

［2］張家維，張忠華，張振杰，等.超超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直上升水冷壁橫向裂紋原因分析及治理［J］.東北電力技術(shù)，2013（10）：24-30.

［3］楊慶旭，楊超，孫雄，等.1025 t/h CFB鍋爐屏式過熱器管失效分析［J］.江蘇電機(jī)工程，2013，32（1）：71-73.

Cause and Countermeasures of Transverse Cracks on Water Wall Tubes After Low NOxBurner Rebuilding

MA Xinli，XU Songmei
（Jiangsu Frontier Electrical Power Technology Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

Along with the implementation of the new boiler emission standard，low NOxburner alteration was generally carried out on coal-fired power plant boilers.After transforming，water wall transverse crack issues were encountered in many power plants.The main cause of transverse cracks is severe reducing atmosphere near the water wall tubes after reforming low NOxburners.The operation technology measures and the low NOxburner retrofit optimization method were put forward，which can provide valuable reference for related power plants.

low NOxburner；water wall；transverse crack

TK223.3

B

1009-0665（2015）02-0072-03

2014-10-21；

2014-12-02

馬新立（1969），男，江蘇常州人，高級(jí)工程師，從事大型鍋爐調(diào)試、試驗(yàn)及改造工作。

徐頌梅（1971），男，江蘇無錫人，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠的基建調(diào)試工作。