1000MW機組塔式爐塌灰形成機理及對策

王國紅董務(wù)明陳 慧韓東太

(1.銅山華潤電力有限公司 徐州 221000)

(2.中國礦業(yè)大學(xué) 徐州 221116)

1000MW機組塔式爐塌灰形成機理及對策

王國紅1董務(wù)明1陳 慧2韓東太2

(1.銅山華潤電力有限公司 徐州 221000)

(2.中國礦業(yè)大學(xué) 徐州 221116)

針對近幾年國內(nèi)多家1000MW機組配套的塔式爐頻繁出現(xiàn)上部受熱面塌灰，甚至因此觸發(fā)MFT問題。本文結(jié)合現(xiàn)場實際，從爐膛各受熱面結(jié)渣，上部受熱面的結(jié)構(gòu)參數(shù)、煙氣溫度參數(shù)、煙氣流速參數(shù)、入爐煤煤質(zhì)等方面入手，對塔式爐結(jié)構(gòu)與運行特性進行深入的對比研究，揭示了上部受熱面塌灰導(dǎo)致鍋爐滅火的機理。并提出了抑制積灰進一步累積的對策，杜絕了因塌灰導(dǎo)致MFT（main fuel trip）情況的發(fā)生。

塔式爐 塌灰 機理 對策

隨著燃煤鍋爐超大型化，塔式爐對煤種的適應(yīng)性強，煙氣流場均勻，優(yōu)勢越來越明顯[1]。但是塔式爐上部受熱面易積灰，造成火檢喪失、跳磨甚至MFT。隨著國內(nèi)數(shù)十臺塔式爐的投運，深入研究塔式爐的塌灰機理，并制定出相應(yīng)的對策越來越迫切。

1 系統(tǒng)概況

某公司2×1000MW機組配套使用上海鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)、單爐膛、一次再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、四角切圓燃燒塔式爐。鍋爐型號：SG-3044/27.46-M53X。

爐膛寬度21480mm，深度21480mm，爐頂管中心標高111275mm。燃燒器頂端標高45716mm，最上層燃燒器中心線距最下層對流受熱面（一級過熱器）屏底距離22044mm。爐膛上部從下往上布置的對流受熱面依次為一級過熱器、三級過熱器、二級再熱器、二級過熱器（下、上部）、一級再熱器、省煤器。該廠的設(shè)計及校核煤質(zhì)見表1。

表1 鍋爐煤質(zhì)主要參數(shù)

2 塔式爐上部受熱面塌灰機理

塔式爐上部受熱面積灰主要指煙氣中的灰在一級再熱器和省煤器受熱面上的積聚物。塔式爐長時間低負荷后出現(xiàn)塌灰的情況非常普遍，已經(jīng)嚴重威脅了很多電廠的安全。

2.1 爐膛各受熱面不結(jié)渣

根據(jù)表1，鍋爐設(shè)計及校核煤種均為短渣；ST溫度均在1300℃以上，屬于不結(jié)渣煤種。

采用典型的LNTFS燃燒器。LNTFS采用預(yù)置水平偏角的輔助風噴嘴（CFS）設(shè)計，部分二次風氣流在水平風向分級，一次風粉氣流被偏轉(zhuǎn)的二次風氣流裹在爐膛中央，形成富燃料區(qū)，在燃燒區(qū)域及上部四周水冷壁附近形成富空氣區(qū)，這樣的空氣動力場組成減少了灰渣在水冷壁上的沉積，使灰渣疏松。多家電廠停爐后的檢查表明，除水冷壁區(qū)域個別人孔門處有微量疏松的焦塊外，其他各區(qū)域確實少有結(jié)渣（焦）情況。

2.2 煙氣溫度因素分析

從表1可以看出，燃煤中的鈣、鎂、鈉、鉀元素含量均較高。這些元素含量高于0.5%時，在高溫（700～800℃）環(huán)境中易于形成高溫沾污物[2]。表2為1000MW機組塔式爐的熱力計算書所述的各級受熱面不同工況下的煙氣溫度，從中可以看出：100%BMCR工況下，二級過熱器出口煙氣溫度684℃、75%負荷下的二級再熱器出口煙溫799℃。顯然，在100%BMCR工況下，一級再熱器的下部區(qū)域也會形成高溫沾污。

表2 各級受熱面不同工況下的煙氣溫度

上部受熱面長期暴露在飛灰含量較高的煙氣中，表面受到臟污。在啟機或低負荷投用燃油時，燃油及煤粉的燃盡率不高[3]。煙氣中含有大量的油霧、煤粉及飛灰的混合物，粘滯性大，粘附在受熱面外表面，使其粗糙。煙氣中的飛灰粒度，大部分小于30μm。小于90μm的飛灰因為分子吸附力、靜電感應(yīng)等作用力而沉積在管壁上，形成積灰。這部分積灰緊靠金屬管壁，粘性大且致密，形成了一層極薄的“灰根”。為低負荷積灰創(chuàng)造了條件。但是在長時間高負荷時，因煙氣流擾動大而易于脫落，不會對燃燒造成危害。

2.3 煙氣流速因素分析

塔式爐的一大優(yōu)勢就是可以滿足磨損壽命所需要的煙氣流速。對高灰分煤種，對流受熱面的煙氣流速不宜大于10m/s，否則將產(chǎn)生嚴重的管壁磨損。根據(jù)德國電廠的實測數(shù)據(jù)，塔式爐煙氣中的灰粒速度平均比煙氣速度降低0.8～1.2m/s[4]。根據(jù)有關(guān)試驗，積灰量在煙氣流速V＜4m/s時易于增加，V＞7m/s時則易于自動剝落。

表3為1000MW機組塔式爐各級受熱面不同工況下的煙氣流速性能參數(shù)，從中可以看出：一級再熱器區(qū)域的煙氣流速在BMCR工況下為9.8m/s，50%BMCR工況下為6.4m/s。在高負荷（＞75%BMCR）工況下，煙氣流速較大，積灰會自行脫落。但是在50%BMCR及更低的負荷工況下，灰粒速度降低到4m/s左右。煙氣在經(jīng)過二級過熱器（上部）的高速區(qū)后，流速突降，煙氣中的灰粒速度隨之突然降低。在管束的背部形成渦流區(qū)，煙氣中的小灰粒由于慣性動能小，被卷進漩渦并粘附在“灰根”上而不能擺脫，形成連續(xù)的沉積。由于積灰發(fā)生在屏內(nèi)，煙氣阻力等運行參數(shù)變化很小。

表3 各級受熱面不同工況下的煙氣流速

2.4 受熱面結(jié)構(gòu)因素分析

表4為塔式爐的受熱面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。煙氣離開燃燒區(qū)后，首先經(jīng)過一級過熱器，三級過熱器、二級再熱器及二級過熱器的下部。這部分受熱面的管屏數(shù)依次為22、22、44、89。煙氣在該區(qū)域所受阻力小，灰粒不易沉積。二級過熱器的上部受熱面的管屏數(shù)加倍，縱向節(jié)距縮小，煙氣流過該區(qū)域時有一次顯著的加速過程。一級再熱器及省煤器的管屏數(shù)也是178屏，但是煙氣流速的持續(xù)降低。一級再熱器屏管的外徑較大，為灰粒的沉積創(chuàng)造了條件。

表4 受熱面主要數(shù)據(jù)

雖然一級再熱器的縱向節(jié)距達95，由于低負荷時該區(qū)域的煙氣流速低，灰分較高時煙氣中含塵量隨之很高，灰粒易于在管屏的縱向堆積。低負荷運行時，灰粒在首先堵滿第一根與第二根管的間隙后，接著堵滿第二根與第三根管的間隙，依次進行下去，“灰屏”能夠緩慢的穩(wěn)定增長，直至填滿同一屏的所有管壁間的空隙。

2.5 煤質(zhì)因素分析

在影響積灰的因素中，煤質(zhì)特性非常顯著[5]。堿金屬化合物在高溫下呈氣態(tài)，沉積在受熱面表面形成粗糙的積灰層，大大增強了受熱面管壁吸附灰粒的能力。其次是燃煤中的灰分。Aar越高，煙氣含塵量越大。燃煤灰分Aar含量在25%以上時，爐膛出口的煙氣含灰量一般高于30g/Nm3。大顆粒的灰在高負荷時具有自吹灰功能，在受熱面上不會大量沉積，低負荷時由于煙速太低而不具有自吹灰功能?，F(xiàn)場運行表明，Aar含量低于10%時對積灰的影響很小。Aar含量介于10%～19%時，長時間的低負荷運行會形成較嚴重的積灰，塌落時擾動火檢。Aar含量大于19%時，連續(xù)48h的低負荷運行所形成的積灰，在擾動后塌落可直接導(dǎo)致大量火檢喪失而MFT。國內(nèi)1000MW機組因此跳機的情況已出現(xiàn)多次，值得重視。

2.6 上部受熱面塌灰機理

如上所述，塔式爐的上部受熱面在低負荷時易于形成積灰。由于粘性，積灰在填滿屏內(nèi)的管壁間隙后并沒有立即塌落。據(jù)不完全統(tǒng)計，一級再熱器管壁間的積灰體積可達46.1m3。在較高負荷時（如70%以上）或吹灰時煙速的擾動大，使得管壁間積灰向四周崩裂，進一步擾動煙氣，使部分煙氣的動量增加，撞擊崩灰，增加了崩灰的動量，形成了崩灰的鏈式反應(yīng)。上部受熱面屏內(nèi)囤積的數(shù)十立方米的積灰涌出，并慣性下落。由于下部的屏間距大，對飛灰的阻擋作用小，灰粒在煙氣旋轉(zhuǎn)氣流的帶動下，受離心力及重力的共同作用，沿著爐墻四周大量灑落，在燃燒器區(qū)域吸收煙氣的光能、干擾煤粉的著火、遮擋住火檢探頭前的光線，使得多個煤粉燃燒器的火檢信號喪失，嚴重時導(dǎo)致跳磨，并進一步引發(fā)鍋爐MFT。

3 塔式爐上部受熱面塌灰對策

鍋爐各級受熱面在運行中臟污是無法避免的。根據(jù)積灰的機理，通過合理的方式破壞積灰的累積是解決塌灰的主要途徑。

3.1 改善煤質(zhì)結(jié)構(gòu)

鍋爐的積灰特性主要由燃料本身的性質(zhì)決定。積灰的傾向性指標主要是灰分A、灰軟化溫度ST、堿酸比B:A、硅鋁比、硫分等。在條件許可時，首先盡量降低灰分含量；其次是盡量降低堿金屬含量；對于易積灰的煤種，摻燒不易積灰的煤種，也可以改善積灰情況。

3.2 過量空氣系數(shù)增加

適當提高爐膛過剩空氣系數(shù)，受熱面的積灰趨勢會有所減弱。提高過剩空氣系數(shù)主要通過增加SOFA風的比例來實現(xiàn)，否則將與抑制NOx的生成形成尖銳矛盾。SOFA風比例增加后，提高了SOFA風燃燒器出口的風速，減少了射流慣量不足

引起的煙氣的偏轉(zhuǎn)，增強了低負荷時氣流的旋轉(zhuǎn)，強化了煙氣的擾動，從而抑制了積灰的增長。

3.3 改變吹灰方式

改變吹灰方式是防止塔式爐塌灰的最有效的方式。低負荷時的吹灰會因少量塌灰引起火焰的閃爍，很多人員不敢執(zhí)行。此后高負荷下吹灰易引發(fā)大面積塌灰導(dǎo)致磨組因火檢喪失而跳閘，甚至觸發(fā)MFT動作。根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗，在節(jié)假日來臨或預(yù)判機組可能數(shù)天低負荷時，要在50～60%負荷期間及時對一級再熱器及省煤器徹底吹灰一次，清除積灰。當負荷連續(xù)低于600MW的時間超過20h后，及時安排吹灰。吹灰時將吹灰蒸汽壓力由2.0MPa降至1.4MPa，退出程控，一支接一支的手動吹灰。期間，可能個別火檢信號閃爍，但是不會發(fā)生多個火檢信號同時丟失。如機組負荷持續(xù)在50%左右，堅持每天對上部受熱面完成一次吹灰。通過這種方式，數(shù)年來鍋爐一直穩(wěn)定運行，再沒有出現(xiàn)火檢信號喪失甚至MFT的情況。

4 結(jié)論

塔式爐雖然對煤種的適應(yīng)性能好，但是塔式爐塌灰問題越來越嚴重影響鍋爐的安全運行。在對鍋爐整體結(jié)構(gòu)無任何改變的前提下，通過改變吹灰方式，優(yōu)化運行調(diào)整手段，有效控制了積灰的進一步累積，杜絕了大面積塌灰情況的發(fā)生，確保了鍋爐的安全穩(wěn)定運行。本對策對同類型及其他類型的塔式爐具有極大的推廣價值和借鑒意義。

[1] 丁爾謀. 發(fā)電廠低循環(huán)倍率塔式鍋爐[M]. 北京：中國電力出版社，1996.

[2] 姜劍鋒，錢靜. 鍋爐受熱面的結(jié)灰機理和吹灰器的設(shè)置[J]. 鍋爐制造，2003，4：25-26.

[3] 孫國春. 微油點火技術(shù)的改造及效果分析[J]. 電力安全技術(shù)，2014，16(1)：26-28.

[4] 范浩杰，等. 鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)/1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組技術(shù)叢書[M]. 2010.

[5] 張志遠. 滄東電廠660MW超臨界鍋爐結(jié)焦特性分析[J]. 鍋爐技術(shù)，2011，42(1)：60-62.

The Formation Mechanism and the Countermeasures of Ash Collapsing in Tower Type Boiler of 1000 MW Unit

Wang Guohong1Dong Wuming1Chen Hui2Han Dongtai2
(1. China Resources Power (Tongshan) Co., Ltd. Xuzhou 221000)
(2. China University of mining and technology Xuzhou 221116)

In recent years, ash collapsing occurred frequently in tower type boiler upper heating surface of 1000MW unit in many domestic power plants, which even result in master fuel trip (MFT). According to the field situation, the relationship of the structure and operating characteristics of tower furnace are studied, include slagging conditions of the furnace heating surfaces, the structural parameters of the upper heating surface, flue gas temperature, flue gas velocity, and parameters of coal into the furnace etc. Mechanism of ash deposition and falling from the upper heating surface cause flame failure is revealed. And some preventive countermeasures are put forward from ash further gathering, thus putting an end to the occurrence of MFT because of ash collapsing.

Tower type boiler Ash collapsing Mechanism Countermeasures

X959

B

1673-257X(2015)11-0064-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.014

王國紅（1972～），男，碩士，發(fā)電部部長，工程師，從事電站鍋爐的運行及技術(shù)管理工作。

2015-06-17）