吳重科 吳松山 李小剛(中國(guó)石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司水電廠)
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燃煤鍋爐尾部受熱面改造
吳重科吳松山李小剛(中國(guó)石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司水電廠)
玉門油田水電廠1#、2#鍋爐(額定蒸發(fā)量為220 t/h)運(yùn)行過(guò)程中,過(guò)熱蒸汽溫度偏低,嚴(yán)重威脅電廠生產(chǎn)安全,排煙溫度高,熱損失大。在環(huán)保改造后,無(wú)法滿足環(huán)保設(shè)備運(yùn)行參數(shù),尾部受熱面低溫腐蝕加劇。通過(guò)性能試驗(yàn)及熱力計(jì)算,對(duì)鍋爐尾部受熱面進(jìn)行了改造:增加了低溫過(guò)熱器受熱面積;將目前使用的光管式一、二級(jí)省煤器,統(tǒng)一更換為傳熱系數(shù)高、煙氣側(cè)阻力小,占用空間小、防磨損的H型鰭片管式省煤器;將下級(jí)空氣預(yù)熱器改造為搪瓷管空氣預(yù)熱器。成功解決了過(guò)熱蒸汽溫度偏低的問(wèn)題,提高了汽輪機(jī)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性;解決了1#、2#鍋爐排煙溫度高的問(wèn)題,鍋爐效率提高了1.99%;滿足了電袋除塵器和SCR脫硝裝置的運(yùn)行要求,有效地解決了下級(jí)空氣預(yù)熱器低溫腐蝕和堵灰的問(wèn)題。
燃煤鍋爐受熱面改造搪瓷管空氣預(yù)熱器H型鰭片管式省煤器
玉門水電廠1#、2#鍋爐(六期工程)分別于2006年4月和7月投產(chǎn)。此鍋爐為DG220/9.81-18型高溫高壓煤粉鍋爐,其特點(diǎn)是:?jiǎn)纹匀谎h(huán),燃燒器四角布置切圓燃燒、切圓懸浮燃燒;刮板撈渣機(jī)固態(tài)連續(xù)排渣;π形布置,平衡通風(fēng),膜式水冷壁,12個(gè)循環(huán)回路;瓦斯氣自動(dòng)點(diǎn)火,混合燃燒;球磨機(jī)乏氣送粉倉(cāng)儲(chǔ)式煤粉爐,鍋爐構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu)、緊身封閉。鍋爐參數(shù)如下:額定蒸發(fā)量,220t/h;汽包工作壓力,10.96 MPa;過(guò)熱蒸汽壓力,9.81 MPa;過(guò)熱蒸汽溫度,540℃±5℃。
鍋爐投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái),存在以下影響鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題:
1)由于設(shè)備原因,1#、2#鍋爐近幾年一直存在排煙溫度高的問(wèn)題,實(shí)際排煙溫度為170℃,高于設(shè)計(jì)排煙溫度(128℃)約42℃,造成極大的排煙熱損失。
2)1#、2#鍋爐投運(yùn)后一直存在過(guò)熱蒸汽溫度低,過(guò)熱蒸汽的出口溫度設(shè)計(jì)值為540℃±5℃,實(shí)際過(guò)熱蒸汽溫度出口平均溫度為525℃,減溫水無(wú)法正常投運(yùn),嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。
3)為了滿足SCR脫銷改造項(xiàng)目的技術(shù)要求,二級(jí)省煤器出口溫度必須控制在催化劑效果最佳溫度段350~400℃之間,過(guò)高過(guò)低都會(huì)影響脫銷的效率;而二級(jí)省煤器實(shí)際出口溫度在472.8℃左右,不能滿足項(xiàng)目要求。
4)為滿足國(guó)家和當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)環(huán)境保護(hù)法規(guī)的要求,水電廠進(jìn)行六期工程鍋爐(2臺(tái),額定蒸發(fā)量為220 t/h)煙氣達(dá)標(biāo)排放改造。為了滿足電袋除塵器的運(yùn)行要求,使布袋在安全的溫度范圍內(nèi),鍋爐需將排煙溫度控制在110~160℃的范圍內(nèi);但是,在此溫度范圍內(nèi)鍋爐下級(jí)空氣預(yù)熱器容易形成低溫腐蝕。而且,脫銷SCR裝置中存在催化劑(V2O5),在此作用下,煙氣中更多的SO2被SCR裝置中的催化劑轉(zhuǎn)化為SO3,加劇了空氣預(yù)熱器冷端的腐蝕和堵塞;脫銷裝置中逃逸的NH3與SO3反應(yīng)生成NH4HSO4,從而對(duì)下級(jí)空氣預(yù)熱器造成粘結(jié)堵灰和腐蝕。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,已發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器腐蝕、堵灰嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了鍋爐的經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)運(yùn)行。
為了提高鍋爐熱效率,保證汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和滿足SCR脫銷改造項(xiàng)目的技術(shù)要求,需要對(duì)尾部受熱面進(jìn)行技術(shù)改造。
因受現(xiàn)有煙道空間的限制,改造方案的難度較大,最終通過(guò)熱力計(jì)算,確認(rèn)出以下可行性技術(shù)方案。
增加低溫過(guò)熱器的受熱面,更換一、二級(jí)省煤器:由光管式蛇形管省煤器更換為帶鰭片的蛇形管省煤器,并增加了受熱面積[1];將上級(jí)空氣預(yù)熱器外移至SCR催化劑層下部,更換下級(jí)空氣預(yù)熱器:由普通材料更換為耐腐蝕的陶瓷材料。改造前后尾部受熱面布置示意圖如圖1、圖2所示。
圖1 改造前尾部受熱面布置示意圖
圖2 改造后尾部受熱面布置示意圖
2.1低溫過(guò)熱器改造
通過(guò)核算,解決過(guò)熱器溫度偏低的最好方案是增加1圈低溫過(guò)熱器,增加過(guò)熱器受熱面積113.6 m2,可以使過(guò)熱器溫度達(dá)到530~545℃。
2.2省煤器改造
根據(jù)電廠運(yùn)行記錄統(tǒng)計(jì)均值,二級(jí)省煤器前后溫度分別為536.42℃和462.75℃,一級(jí)省煤器前后溫度分別為347.8℃和281.6℃。設(shè)計(jì)計(jì)算二級(jí)省煤器前后溫度分別為575.8℃和414.4℃,一級(jí)省煤器前后溫度分別為307.2℃和252℃;設(shè)計(jì)計(jì)算二級(jí)省煤器受熱面積和一級(jí)省煤器受熱面積分別為630 m2和731 m2。通過(guò)計(jì)算,要達(dá)到設(shè)計(jì)值,二級(jí)省煤器和一級(jí)省煤器受熱面需分別增加295 m2和 208 m2;但由于煙道空間有限,占用部分檢修空間,只能將上、下級(jí)省煤器由原來(lái)光管式省煤器更換為傳熱系數(shù)高的鰭片式省煤器,并增加了受熱面積,以達(dá)到排煙溫度降到設(shè)計(jì)值130℃以內(nèi)。
2.3空氣預(yù)熱器改造
2.3.1腐蝕機(jī)理分析
低溫腐蝕是由于燃料中含有S,S燃燒生成SO2(S+O2=SO2),SO2在催化劑的作用下進(jìn)一步氧化生成SO3(2SO2+O2=2SO3),SO3與煙氣中的水蒸汽生成硫酸蒸汽(SO3+H2O=H2SO4)。硫酸蒸汽的存在使煙氣的露點(diǎn)顯著升高。由于空氣預(yù)熱器中空氣的溫度較低,預(yù)熱器區(qū)段的煙氣溫度不高,壁溫常低于煙氣露點(diǎn),這樣硫酸蒸汽就會(huì)凝結(jié)在空氣預(yù)熱器受熱面上,造成硫酸腐蝕。
2.3.2影響空氣預(yù)熱器低溫腐蝕的幾個(gè)因素
1)燃料中含硫量影響。燃料中的硫是形成SO3的根本原因。燃煤中的含硫量較為穩(wěn)定,但自2012年1#、2#爐瓦斯氣摻燒投運(yùn)以后,由于瓦斯氣中硫化氫含量的增加,致使煙氣中的SO2含量成倍增加(表1)。
表1 瓦斯摻燒前后SO2含量對(duì)照
當(dāng)煙氣中的SO2含量增加時(shí),形成的SO3也相應(yīng)增加,致使尾部受熱面酸露點(diǎn)升高,成為低溫腐蝕加劇的因素之一。
2)空氣過(guò)熱系數(shù)增加。過(guò)氧量的存在是促成SO2轉(zhuǎn)化為SO3的基本條件,空氣過(guò)熱系數(shù)增加會(huì)使火焰中原子氧的含量增加,從而使SO3含量也增加;因此,低氧燃燒是防止低溫腐蝕的有效措施。
3)催化劑影響。當(dāng)煙氣中Fe2O3或V2O5等催化劑含量增加時(shí),煙氣中的SO3也將增加。2014年,在水電廠進(jìn)行了煙氣脫硝改造,脫硝SCR裝置中使用的催化劑為V2O5,這將使SO3含量大大增加。
4)脫硝裝置氨逃逸。脫硝過(guò)程中逃逸的NH3與SO3反應(yīng)生成NH4HSO4,NH4HSO4在低溫段空氣預(yù)熱器中為液態(tài),且捕捉飛灰的能力極強(qiáng),會(huì)與煙氣中的飛灰顆粒結(jié)合,附著于空氣預(yù)熱器管壁上,造成空氣預(yù)熱器的腐蝕和積灰。
5)受熱面改造。為了滿足電袋除塵器、脫硝催化劑的運(yùn)行要求,使布袋在安全運(yùn)行的溫度范圍內(nèi),鍋爐需將排煙溫度控制在110~160℃的范圍內(nèi);但是,在此溫度范圍內(nèi)鍋爐下級(jí)空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕將大大加劇。
2.3.3預(yù)防腐蝕選擇
1)提高管壁溫度。為了滿足脫硝裝置、電袋除塵器的安全運(yùn)行,進(jìn)行了尾部受熱面改造。改造后大大降低了排煙溫度,提高了鍋爐熱效率。為此,提高管壁溫度的措施不適用于該廠。
2)采用低氧燃燒。減少煙氣中的過(guò)剩氧,阻止和減少SO2轉(zhuǎn)變?yōu)镾O3,也可減少低溫腐蝕。目前,水電廠鍋爐煙氣含氧量實(shí)際運(yùn)行值與設(shè)計(jì)值偏差不大,以低氧燃燒的措施徹底解決低溫腐蝕不太適合。
3)選用新型材料的空氣預(yù)熱器。用耐腐蝕的材料制造空氣預(yù)熱器,如采用玻璃管、搪瓷管或用陶瓷材料制作??紤]在排煙溫度合理的情況下,充分利用煙氣余熱,水電廠采用了防止低溫腐蝕的新型空氣預(yù)熱器。經(jīng)咨詢、查閱,耐磨搪瓷管這種新材料既有較好的傳熱效果,又有較好的耐腐蝕、耐磨損性能[2]。
2.3.4搪瓷管材料優(yōu)點(diǎn)
搪瓷管空氣預(yù)熱器與鋼管空氣預(yù)熱器比較,主要有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):耐腐蝕,搪瓷管的耐酸度要比金屬管高出數(shù)百倍;耐磨損,有關(guān)資料證明顯示,搪瓷釉層的維氏硬度HV=652,而金屬Q(mào)235A的維氏硬度HV=114,其耐磨性要大大超過(guò)金屬管;阻力小、傳熱好,搪瓷管表面絕對(duì)粗糙度為0.005 mm,遠(yuǎn)小于金屬Q(mào)235A。因此,搪瓷管表面光滑,不易沾灰,煙氣流通阻力小,灰污熱阻小,傳熱系數(shù)大。
2.3.5搪瓷管空氣預(yù)熱器應(yīng)用
搪瓷管空氣預(yù)熱器在水電廠1#、2#鍋爐上的應(yīng)用,基本緩解了電站鍋爐經(jīng)脫硝改造后容易出現(xiàn)的低溫段空氣預(yù)熱器冷端腐蝕、堵灰現(xiàn)象,這將極大地延長(zhǎng)鍋爐使用壽命,提高電廠運(yùn)行的可靠性。
1)根據(jù)反平衡法[3],鍋爐效率η=100-q2-q3-q4-q5-q6。式中:q2為排煙損失,%;q3為化學(xué)不完全燃燒損失,%;q4為機(jī)械不完全燃燒損失,%;q5為鍋爐散熱損失,%;q6為灰渣物理?yè)p失和冷卻水熱損失,%。改造前η= 89.63%;改造后η=91.62%,改造前后鍋爐效率提高了1.99%。
2)實(shí)際燃料消耗量B為:改造前B=27.97 t/h,改造后B=27.37 t/h。
2臺(tái)鍋爐每年可節(jié)約原煤10 512 t。按原煤?jiǎn)蝺r(jià)360元/t計(jì)算,年節(jié)約資金約378.4萬(wàn)元。
通過(guò)對(duì)1#、2#鍋爐尾部受熱面改造,徹底解決了過(guò)熱蒸汽溫度偏低的問(wèn)題,提高了汽輪機(jī)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性;滿足了SCR脫硝技術(shù)要求,達(dá)到了國(guó)家環(huán)保要求的電廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn);有效地解決了下級(jí)空氣預(yù)熱器低溫腐蝕和堵灰的問(wèn)題,提高了電廠運(yùn)行可靠性和安全性,延長(zhǎng)了鍋爐使用周期,降低了生產(chǎn)成本。
[1]方占嶺.DG2070/17.5-Ⅱ6型鍋爐受熱面改造技術(shù)研究[J].中國(guó)電力,2012(11):32-35.
[2]張偉鵬.搪瓷管在煉油廠鍋爐空預(yù)器上的應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2007(5):38-40.
[3]岑可法.鍋爐燃燒試驗(yàn)研究方法及測(cè)量技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,1987:6-14.
10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.011
2015-07-16)
吳重科,2008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)(熱能與動(dòng)力專業(yè)),從事鍋爐檢修工作,E-mail:491543323qq.com,地址:甘肅省玉門市老市區(qū)玉門油田水電廠鍋爐工區(qū),735200。