1 000 MW超超臨界鍋爐高溫納米陶瓷涂層改造實(shí)踐

寧 志, 吳志祥

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司, 安徽 安慶 246005)

鍋爐輻射受熱面的高溫腐蝕和沾污結(jié)渣會導(dǎo)致鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)性下降,這是大型電站煤粉鍋爐的共性問題。鍋爐受熱面的高溫腐蝕和沾污結(jié)渣是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程,與鍋爐燃用煤質(zhì)特性、鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)、負(fù)荷情況、爐內(nèi)煙氣溫度、煙氣氣氛、受熱面基材溫度以及運(yùn)行燃燒調(diào)整等因素密切相關(guān),且隨鍋爐負(fù)荷的升高是一個正反饋不斷惡化的過程。

安徽省某電廠二期擴(kuò)建工程是安徽省“十二五”能源建設(shè)規(guī)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目,工程建設(shè)的規(guī)模為2×1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。工程總投資約68億元,代表國內(nèi)先進(jìn)的火力發(fā)電裝備水平,兩臺機(jī)組分別于2016年5月31日與6月19日投入商業(yè)運(yùn)行。隨著機(jī)組的投產(chǎn)運(yùn)行,爐膛水冷壁高溫腐蝕情況日益突出,主力磨煤機(jī)燃燒器噴口區(qū)域掛焦情況日趨嚴(yán)重,屏式過熱器和高溫過熱器底部掛大焦后掉焦砸壞爐膛下部水冷壁的情況時有發(fā)生。

為了解決這些影響鍋爐運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性的問題,該公司進(jìn)行了專項(xiàng)治理,采用高溫納米陶瓷涂層技術(shù)對4#爐進(jìn)行了改造,取得了較好的改造效果。

1 項(xiàng)目背景

1.1 大型電站煤粉爐沾污結(jié)渣和高溫腐蝕狀況分析

1.1.1 國內(nèi)大型機(jī)組的狀況

鍋爐爐膛高溫受熱面的高溫腐蝕和沾污結(jié)渣是大型電站煤粉鍋爐的共性問題。這一共性問題會降低發(fā)電效率,甚至?xí)?dǎo)致降負(fù)荷,直至非計(jì)劃停爐。鍋爐爐膛輻射受熱面管道材料的物理和化學(xué)特性直接影響鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。受熱面高溫氧化、腐蝕、沾污結(jié)渣、磨損會使導(dǎo)熱熱阻增大,造成受熱面局部超溫,從而導(dǎo)致爆管、爐膛整體溫度水平過高、鍋爐熱效率下降、負(fù)荷能力不足、氮氧化物(主要是熱力氮)排放增加等一系列問題。燃煤成本構(gòu)成電站鍋爐發(fā)電成本的80%左右,實(shí)踐表明,水冷壁受熱面金屬的氧化、腐蝕、沾污結(jié)渣會造成鍋爐整體熱效率下降0.5%～2.5%。

1.1.2 處理方式與技術(shù)分析

現(xiàn)行的防高溫腐蝕和沾污結(jié)渣治理技術(shù)措施一般從優(yōu)化燃料(包括調(diào)整混配煤和使用燃煤清焦劑)、優(yōu)化設(shè)計(jì)(如鍋爐設(shè)計(jì)斷面、容積熱負(fù)荷及燃燒區(qū)域熱負(fù)荷選取、采用貼壁風(fēng)技術(shù)等)、優(yōu)化運(yùn)行(如燃燒調(diào)整、智能吹灰等)等方面去緩解結(jié)焦和腐蝕。這些優(yōu)化方式可以在一定程度上改善和緩解沾污結(jié)渣及高溫腐蝕狀況。

但現(xiàn)行解決辦法存在不少問題。鍋爐作為一個系統(tǒng)工程,以減緩高溫腐蝕和沾污結(jié)渣為優(yōu)化目標(biāo),滿足鍋爐系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性相對最優(yōu)為約束條件?；趦?yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化燃料以及燃燒調(diào)整等技術(shù)手段,通常會引起或?qū)е乱幌盗衅渌麊栴},如燃料及運(yùn)行成本增高、鍋爐煙風(fēng)及汽水熱力系統(tǒng)失衡、機(jī)組負(fù)荷能力降低、吹灰能耗損失增加、機(jī)組熱效率降低、氮氧化物生成/排放增高等。因此,需要尋找一種新的辦法來解決這些問題。

1.2 高溫納米陶瓷涂層技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析

1.2.1 陶瓷涂層技術(shù)背景分析

陶瓷作為一種材料,雖然其具有耐磨和不粘結(jié)的特性,但由于傳統(tǒng)的陶瓷材料脆性太大、強(qiáng)度低,在很大程度上限制了其應(yīng)用。隨著納米技術(shù)的產(chǎn)生,出現(xiàn)了納米陶瓷技術(shù)。所謂納米陶瓷,是指在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中,晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都是在納米數(shù)量級上[1]。通過有效的分散、復(fù)合使異質(zhì)納米顆粒均勻彌散地保留于陶瓷基質(zhì)結(jié)構(gòu)中,極大地改善了陶瓷材料的韌性、耐磨性以及高溫力學(xué)性能,大大提高合金的耐高溫抗氧化性能[2],在許多超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用。

但單獨(dú)用普通陶瓷也存在不足,比如粒子在火焰中不能發(fā)生融熔,影響涂層的性能等;而納米陶瓷的熔點(diǎn)可降低到普通陶瓷的1/3,可以在超音速火焰中融熔,因此納米陶瓷與高溫合金復(fù)合粉末涂層技術(shù)將具有更為廣闊的應(yīng)用前景[3]。

納米陶瓷涂層技術(shù)起源于美國航空航天領(lǐng)域,基礎(chǔ)研究始于二戰(zhàn)期間,歷經(jīng)了半個世紀(jì)的發(fā)展,技術(shù)應(yīng)用成熟于20世紀(jì)八九十年代。20世紀(jì)90年代初,一些發(fā)達(dá)國家以抗沾污結(jié)渣耐高溫腐蝕的航空航天表面功能材料技術(shù);表面陶瓷復(fù)合材料作為關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合工業(yè)實(shí)踐和基礎(chǔ)研究,形成了完善的理論和工程應(yīng)用體系。美國能源部于2003年將高溫陶瓷涂層列為提高電站煤粉鍋爐安全性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵技術(shù);這項(xiàng)成果也被聯(lián)合國環(huán)境署于2006年納入鍋爐安全低碳的重大先進(jìn)成熟技術(shù)并得到推廣應(yīng)用。

高溫納米陶瓷涂層是將復(fù)合稀土納米陶瓷漿料噴涂于金屬或非金屬基材表面,經(jīng)干燥固化升溫后形成復(fù)合稀土納米陶瓷薄膜層[4]。在工程應(yīng)用上,是將爐管金屬表面進(jìn)行清潔處理(噴砂處理),再用壓縮空氣在常溫下噴涂一種超細(xì)的復(fù)合納米陶瓷漿料,在常溫干燥固化后,隨爐膛升溫后燒結(jié),在爐管基材表面形成一層超薄陶瓷涂層薄膜。

1.2.2 高溫納米陶瓷涂層特點(diǎn)

高溫納米陶瓷涂層改變了涂層材料與基材的結(jié)合機(jī)理及表面力學(xué)特性,使表面功能材料與基材以化學(xué)鍵的方式緊密結(jié)合,改善了材料表面的張力特性。其特點(diǎn)如下。

(1) 致密的陶瓷薄膜隔絕了基質(zhì)與外部接觸,又發(fā)揮出了高溫納米陶瓷涂層的抗氧化、耐磨損、耐高溫腐蝕等良好性能。高溫納米陶瓷涂層附著于基材表面,有效地提升了基材的硬度,提高了抗熱震能力與可靠性,防止了基材的氧化、磨損和高溫腐蝕。這對超超臨界鍋爐來說尤為重要。

(2) 高溫納米陶瓷涂層由特別配制的材料經(jīng)納米化工藝加工而成,能使熔融的灰粒極不容易粘附在鍋爐受熱面上,因此具有良好的抗沾污結(jié)渣性能。

(3) 高溫納米陶瓷涂層具有高發(fā)射率和高熱導(dǎo)率,能夠提高水冷壁黑度,增強(qiáng)水冷壁吸熱量,使?fàn)t膛整體溫度下降,降低了爐管的運(yùn)行溫度。既可以改善鍋爐的安全運(yùn)行狀況,又提高了鍋爐的效率。

1.2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

由北京某公司研發(fā)的(Zr0.8Sn0.2)TiO4(ZST)高溫納米陶瓷涂層技術(shù)較為先進(jìn),應(yīng)用也較為成熟[5]。大型電站煤粉爐上的典型應(yīng)用成果有:神華國華盤山發(fā)電廠530 MW機(jī)組2#爐,安徽馬鞍山萬能達(dá)電廠330 MW機(jī)組3#爐,中電國際福溪電廠600 MW機(jī)組W型火焰鍋爐2#爐,贛能江西豐城電廠 600 MW機(jī)組2#爐,神華浙江國華寧海電廠600 MW機(jī)組2#爐等。經(jīng)調(diào)查,使用情況均良好。

因此,為解決鍋爐爐膛高溫受熱面的高溫腐蝕和沾污結(jié)渣問題,安徽某電廠擬采用ZST高溫納米陶瓷涂層技術(shù)對4#爐受熱面進(jìn)行改造。

2 技術(shù)改造方案

2.1 安徽某電廠4#爐存在的問題

安徽某電廠1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的4#鍋爐是復(fù)合變壓運(yùn)行的超超臨界本生直流鍋爐,為一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu);采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫;采用固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu),以及平衡通風(fēng)、露天布置、前后墻對沖燃燒。4#爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(Boiler Maximum Continuous Rating,BMCR)工況參數(shù)如表1所示。

表1 安徽某電廠4#爐BMCR工況參數(shù)

該鍋爐燃用神府東勝煤。其煤質(zhì)分析如表2所示。

運(yùn)行1年后發(fā)現(xiàn),4#爐鍋爐爐膛水冷壁燃燒器高溫負(fù)荷區(qū)兩側(cè)墻掛焦較為嚴(yán)重,屏式過熱器每一屏下部掛有很多大焦塊,給鍋爐運(yùn)行帶來了很大的威脅。如經(jīng)常掉焦砸壞冷灰斗水冷壁,存在偶發(fā)爆管的可能;掉焦并砸壞撈渣機(jī)上部爐墻澆注料,大量掉焦塊時,撈渣機(jī)筋板變形,撈渣機(jī)水位波動較大,存在水封被破壞的風(fēng)險(xiǎn);屏式過熱器的每一屏下部都掛有很多大型焦塊,搭設(shè)腳手架和平臺時不時掉落,存在砸傷工作人員的安全隱患;發(fā)現(xiàn)水冷壁冷灰斗處有28處爐管凹坑。

而且鍋爐爐膛發(fā)生了煤粉燃燒器噴口結(jié)焦(噴燃器噴口在停機(jī)檢查時發(fā)現(xiàn)結(jié)焦嚴(yán)重,運(yùn)行中火檢經(jīng)常因結(jié)焦導(dǎo)致檢不到火)、主燃燒區(qū)域水冷壁結(jié)焦及潛在高溫腐蝕(主燃燒區(qū)水冷壁減薄)等問題,將直接導(dǎo)致爆管及鍋爐滅火爆燃等事故的發(fā)生。

2.2 改造區(qū)域的確定

經(jīng)合理分析后,將改造區(qū)域集中于鍋爐爐膛沾污結(jié)渣和高溫腐蝕情況嚴(yán)重的區(qū)域,噴涂區(qū)域及相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表2 安徽某電廠4#爐煤質(zhì)分析

表3 安徽某電廠4#爐噴涂區(qū)域及相關(guān)參數(shù)

2.3 技術(shù)改造過程

2016年5月,4#爐B修中花了20天時間進(jìn)行高溫納米涂層改造,具體施工包括受熱面清灰、除焦、噴砂、噴涂等。

在噴砂施工中需對涂層區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)檢查,若有變形、外傷、開裂等應(yīng)先處理好,然后再噴砂。噴砂時需要在涂層區(qū)域均勻噴射,直到表面全部見到金屬本色,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Sa 3.0等級[6]。噴砂合格后,根據(jù)爐內(nèi)環(huán)境溫度,進(jìn)行ZST高溫納米涂層噴涂工作。噴涂完成后要求涂層均勻、密實(shí),無縮孔、針孔、雜質(zhì)點(diǎn)、漏底,表面無污斑、不平整、輕微桔皮、凹坑等缺陷。其施工流程見圖1。

圖1 改造施工流程示意

3 效果分析

2016年6月20日,4#機(jī)組并網(wǎng),經(jīng)過一段時間運(yùn)行后,效果分析如下。

3.1 防結(jié)焦效果分析

3.1.1 燃燒器區(qū)域水冷壁效果分析

圖2為4#爐噴涂前燃燒器結(jié)焦情況;圖3為4#爐改造后運(yùn)行9個月燃燒器區(qū)域情況。

對比圖2和圖3可知,噴有陶瓷涂層的燃燒器外延部位陶瓷涂層完好,無掛大焦、掛死焦的情況發(fā)生,噴涂陶瓷涂層的燃燒器區(qū)域水冷壁沾污結(jié)渣情況明顯減輕。

圖2 4#爐噴涂前燃燒器結(jié)焦情況

圖3 4#爐改造后運(yùn)行9個月燃燒器區(qū)域情況

3.1.2 左右墻改造區(qū)域效果分析

圖4為左墻水冷壁標(biāo)高26 m噴涂前后結(jié)焦腐蝕情況對比。

圖4 左墻水冷璧標(biāo)高26 m噴涂前后結(jié)焦腐蝕情況對比

由圖4可知,未噴涂區(qū)域結(jié)焦情況較重,灰渣底層較厚,平均厚度在2 mm以上;而噴涂區(qū)域結(jié)焦情況明顯減輕,噴涂區(qū)域水冷壁管表面有一層浮灰,灰渣底層平均厚度不超過0.5 mm。水冷壁表面浮灰經(jīng)手擦拭后,噴涂陶瓷涂層部位水冷壁的沾污結(jié)渣底層較容易清潔且較為光滑,未噴涂陶瓷涂層的水冷壁沾污結(jié)渣底層較為牢固、底層不光滑。噴涂區(qū)域水冷壁陶瓷涂層完好,未發(fā)生高溫腐蝕情況,未噴涂區(qū)域水冷壁灰渣底層有高溫腐蝕情況發(fā)生。

3.1.3 屏式過熱器底部現(xiàn)狀及效果分析

圖5為噴涂前后屏式過熱器底部結(jié)焦情況對比。由圖5可知,屏式過熱器底部噴涂區(qū)域無掛大焦情況,過熱器管可明顯看清,結(jié)焦情況明顯減輕。

圖5 噴涂前后屏式過熱器底部結(jié)焦情況對比

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

4#爐B修后,在BMCR工況下,爐膛出口煙溫降低10～20 K,排煙溫度降低2～5 K,過熱器減溫水量降低10%～15%,再熱器減溫水量降低10%～15%。根據(jù)第三方修前與修后試驗(yàn)數(shù)據(jù),鍋爐在額定工況下的效率從改造前的94.53%提高到了改造后的94.93%,提高了0.4%。

需要說明的是,供電煤耗率的計(jì)算公式為

式中:b——機(jī)組發(fā)電煤耗率,g/kWh;

Hr——汽輪機(jī)熱耗率,取為7 232 kJ/kWh;

ηb——鍋爐熱效率,%;

ηp——管道效率(按99%計(jì)算),%。

此外,比較年利用小時數(shù)按5 000 h(對應(yīng)機(jī)組出力1 000 MW)計(jì)算;標(biāo)準(zhǔn)煤價按744元/t計(jì)算。

4#爐改造前后的熱經(jīng)濟(jì)性比較如表4所示。

表4 4#爐改造前后的熱經(jīng)濟(jì)性比較

本次B修4#爐受熱面納米陶瓷涂層改造的總費(fèi)用為198萬元。按年利用5 000 h計(jì)算,每臺機(jī)組年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為0.56×104t,每臺機(jī)組年節(jié)省的標(biāo)準(zhǔn)煤費(fèi)用就達(dá)413萬元,靜態(tài)投資回收期不到半年時間,由此表明該項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好。

4 結(jié) 語

安徽某電廠4#爐采用高溫納米陶瓷涂層改造后,左右墻對應(yīng)的燃燒器區(qū)域水冷壁灰渣層厚度減少50%以上,主力磨煤機(jī)燃燒器噴口外延水冷壁掛焦情況明顯減輕,屏式過熱器和高溫過熱器底部無掛大焦問題,改造區(qū)域防高溫腐蝕和抗沾污結(jié)渣能力得到了提高,鍋爐運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性能也得到了提升,在一定程度上為安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

本次高溫納米陶瓷涂層改造實(shí)踐為超超臨界等大型機(jī)組鍋爐高溫受熱面區(qū)域沾污結(jié)渣和高溫腐蝕問題提供了有效的解決方法,具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。