某300MW亞臨界鍋爐省煤器管材磨損量計(jì)算與校正

王趙東 宋繼光 于廣峰 劉大龍 李 雙

（霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司電力分公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200）

0 前言

管材磨損是尾部受熱面最常見(jiàn)的損傷形式之一，其影響因素包括煤質(zhì)特性、鍋爐負(fù)荷、煙氣流速等?，F(xiàn)有研究將受熱面管材的主要磨損類(lèi)型總結(jié)為兩類(lèi)：因飛灰或燃料顆粒長(zhǎng)時(shí)間碰撞、沖刷受熱面金屬材質(zhì)引起的飛灰磨損和受熱面管材與開(kāi)焊的管卡發(fā)生撞擊、摩擦引起的機(jī)械磨損。

為準(zhǔn)確評(píng)估省煤器等尾部受熱面管材的磨損狀況，研究人員開(kāi)發(fā)了多種磨損量計(jì)算模型。浙江大學(xué)岑可法等人[研究了鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損計(jì)算方法，給出一類(lèi)飛灰磨損計(jì)算的通用公式。華北電力大學(xué)程偉良等人開(kāi)發(fā)了一種鍋爐省煤器磨損的計(jì)算模型。上述模型從多方面考慮了鍋爐關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)與管材磨損的關(guān)聯(lián)性，但這些數(shù)據(jù)與管材壁厚的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)相比存在一定的偏差，往往不能有效地反映各受熱面的實(shí)際磨損量，難以實(shí)現(xiàn)受熱面健康狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估。該文以某300MW 亞臨界參數(shù)鍋爐關(guān)鍵受熱面管材為研究對(duì)象，收集其管材壁厚離線(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證現(xiàn)有磨損計(jì)算模型準(zhǔn)確性并進(jìn)行針對(duì)性校正。

1 機(jī)組設(shè)備情況

某電廠(chǎng)300MW 亞臨界鍋爐為一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為褐煤。鍋爐以最大連續(xù)負(fù)荷（MCR 工況）為設(shè)計(jì)參數(shù)，鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為1060t/h。該亞臨界鍋爐從2008 年開(kāi)始服役，運(yùn)行時(shí)間達(dá)13 年，服役期間發(fā)生過(guò)因管材超溫、疲勞、磨損等因素引起的管材泄漏事故，其中受熱面管材的磨損問(wèn)題發(fā)生較為頻繁。

表1、表2 給出了煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)與煤灰成分?jǐn)?shù)據(jù)，可見(jiàn)該鍋爐設(shè)計(jì)與校核煤種的灰分較高，基本符合老年褐煤20%～30%的灰分含量。此外，該褐煤可磨性系數(shù)較低，HGI指數(shù)（最低）僅為66～68，煤粉細(xì)度R90 達(dá)到33%，因此煤種硬度較高，煤粉顆粒較大，在煤燃燒過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的灰粒，對(duì)爐內(nèi)各受熱面，特別是煙氣流通面積較小的尾部受熱面造成嚴(yán)重磨損。

表1 煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)

表2 灰成分分析數(shù)據(jù)

2 現(xiàn)有磨損計(jì)算方法

現(xiàn)有尾部受熱面管材磨損量計(jì)算模型主要包括經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式、數(shù)值計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)室仿真計(jì)算模型等，岑可法等人將電廠(chǎng)受熱面在線(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)、受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了適用于計(jì)算飛灰磨損量最大值的經(jīng)驗(yàn)公式。程偉良等人在此研究基礎(chǔ)上對(duì)部分參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了調(diào)整，開(kāi)發(fā)了一種更簡(jiǎn)化的磨損量計(jì)算模型。Finnie等人總結(jié)了韌性材料的磨損量與沖擊顆粒的沖擊角度之間的機(jī)理模型。Lee 等人以顆粒的沖擊速度、飛灰密度、受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)等參數(shù)為關(guān)鍵變量，給出了基于大量試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的磨損量機(jī)理模型。

結(jié)合現(xiàn)有的磨損計(jì)算模型的數(shù)據(jù)需求與該文所研究電廠(chǎng)受熱面的數(shù)據(jù)采集情況，該文擬將岑可法與程偉良等人的磨損計(jì)算模型結(jié)合，對(duì)某300MW 亞臨界參數(shù)鍋爐的尾部受熱面磨損量的計(jì)算值與檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

3 磨損量計(jì)算與校正

3.1 磨損量計(jì)算

一般研究認(rèn)為飛灰磨損是導(dǎo)致受熱面磨損的主要原因，主要表現(xiàn)為管材壁厚減薄。壁厚減薄量可由電廠(chǎng)的周期性大小修測(cè)得，也可由相關(guān)計(jì)算模型進(jìn)行測(cè)算，是評(píng)估目標(biāo)管材健康狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由于鍋爐內(nèi)部各個(gè)受熱面的失效形式不同，造成管材減薄的失效原因不盡相同，該鍋爐主要受熱面的失效原因統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 主要受熱面按失效形式統(tǒng)計(jì)

可見(jiàn)對(duì)水冷壁、過(guò)熱器、再熱器等高溫受熱面，其壁厚減薄至少受到磨損、腐蝕、結(jié)焦等三個(gè)以上的失效形式的共同作用。但對(duì)該爐尾部煙道中的省煤器，因其煙道截面狹窄，飛灰沖擊速度較高，且較少發(fā)生低溫腐蝕問(wèn)題，因此磨損失效成為壁厚減薄的主要原因。

本節(jié)主要采用如下的省煤器管材磨損量計(jì)算公式以計(jì)算不同管排截面處的管材磨損量。

磨損量計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：為管材磨損量，mm；為可磨性系數(shù)；為撞擊頻率因子；為抗磨性系數(shù)；為煙氣中的飛灰濃度，g/m；β為飛灰濃度修正系數(shù)；為飛灰流速，m/s；β為飛灰濃度修正系數(shù)；為磨損時(shí)間，h；C為壁溫修正系數(shù)；為煤粉細(xì)度。

煙氣流速計(jì)算部分見(jiàn)式（2）。

式中：為飛灰流速，m/s；為固體未完全燃燒損失，%；V為實(shí)際煙氣容積，m/kg；為某截面煙氣平均溫度，℃；為受熱面煙氣流通面積，m。

式中：為理論煙氣容積，m/kg；C、S、N、H、M分別為碳、硫、氮、氫、水的收到基成分；為理論空氣量，m/kg；V為實(shí)際煙氣容積，m/kg；為過(guò)量空氣系數(shù)。

灰粒撞擊頻率計(jì)算部分見(jiàn)式（5）、式（6）。

式中：為無(wú)因次量；ρ為飛灰密度，kg/ m；d為飛灰粒徑，m；為飛灰流速，m/s；為煙氣動(dòng)力黏度，Pa·s；為省煤器管材直徑，m。

飛灰濃度計(jì)算部分見(jiàn)式（7）、式（8）。

式中：為煙氣中的飛灰濃度，g/m；A為燃料含灰量；m為1kg 燃料產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量，kg/kg。

式中：m為1kg 燃料產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量，kg/kg；A為燃料含灰量；為理論空氣量，m/kg；為過(guò)量空氣系數(shù)。

以省煤器首排管為例對(duì)磨損量計(jì)算流程進(jìn)行說(shuō)明。該文所研究的300MW 亞臨界鍋爐省煤器布置在鍋爐尾部豎井前煙道下部，管壁厚度為42×5.5，在鍋爐寬度方向由134 排平行于前后墻順列布置的蛇形管組成。計(jì)算中固體未完全燃燒熱損失取0.6%，省煤器首排管所在截面的實(shí)際流通面積經(jīng)計(jì)算為78m，飛灰顆粒的平均粒徑d取2.1×10m，飛灰真實(shí)密度ρ取1200kg/m，求得首排管截面處飛灰/煙氣流速為10.32m/s，飛灰濃度為14.0g/m，單位時(shí)間的磨損量為6.31×10mm·s/（g·h）。

3.2 磨損量對(duì)比

對(duì)檢修過(guò)程中已進(jìn)行壁厚檢測(cè)的省煤器管材，逐一計(jì)算這些管材所在管排的磨損量，對(duì)比模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，省煤器部分管材磨損量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 省煤器部分管材磨損量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值統(tǒng)計(jì)

由表4 和圖1 可知，首排管與次排管的磨損量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相較于其他位置的管材磨損量更高，磨損量實(shí)測(cè)值最大達(dá)到0.7mm，推測(cè)是省煤器入口管排受到更多飛灰顆粒的沖刷與撞擊所致。此外，磨損量計(jì)算值普遍低于各管材的實(shí)際磨損量，平均誤差達(dá)到0.11mm，多數(shù)計(jì)算值的誤差率高于10%，這可能與機(jī)理模型自身的表征能力、計(jì)算公式中部分參數(shù)（運(yùn)行過(guò)程中管材溫度、煤質(zhì)粒度）的不確定性以及超溫、腐蝕等其他失效形式的綜合作用有關(guān)，為提升磨損量計(jì)算結(jié)果的可信度，需要對(duì)計(jì)算值進(jìn)行校正。

圖1 磨損量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

3.3 磨損量校正

針對(duì)上述情形制定磨損量的校正方法如圖2 所示。首先計(jì)算各管排磨損量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均值，計(jì)算其誤差率并設(shè)置一誤差率上限10%，如果計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差在此允許范圍內(nèi)則認(rèn)為磨損量計(jì)算值的數(shù)據(jù)集有效，計(jì)算模型不需要修正，而依上節(jié)的計(jì)算結(jié)果而論，計(jì)算結(jié)果的誤差顯著高于誤差上限，因此需要對(duì)原計(jì)算模型進(jìn)行修正，因此將式1）修正為式（9）。

圖2 磨損量計(jì)算值校正方法

圖3 磨損量實(shí)測(cè)值與新舊模型計(jì)算值對(duì)比

式中：為管材磨損量，mm；為可磨性系數(shù)；為撞擊頻率因子；為抗磨性系數(shù)；為煙氣中的飛灰濃度，g/m；為飛灰濃度修正系數(shù)；為飛灰流速，m/s；β為飛灰濃度修正系數(shù)；為磨損時(shí)間，h；C為壁溫修正系數(shù)；為煤粉細(xì)度；δ為磨損量計(jì)算值的平均值，mm；為磨損量實(shí)測(cè)平均值與計(jì)算平均值之比。

將磨損量實(shí)測(cè)值與使用上述校正方法前后的磨損量計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)各管材的新磨損模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差率平均低于10%，新計(jì)算模型對(duì)管材磨損量的表征具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

管材磨損是省煤器等尾部受熱面最常見(jiàn)的失效形式之一。該文選用以鍋爐在線(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)、受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)以及多種經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為變量的受熱面管材磨損簡(jiǎn)化計(jì)算模型計(jì)算了某300MW 亞臨界鍋爐省煤器管材的磨損量，結(jié)果表明磨損計(jì)算值均低于實(shí)測(cè)值，這可能與模型的表征能力不足、受熱面實(shí)際運(yùn)行工況較為惡劣（機(jī)組燃用灰分高、硬度大的褐煤導(dǎo)致磨損速度加?。┮约俺瑴亍⒏g等多種管材失效形式的綜合作用有關(guān)。為提升該計(jì)算模型的可靠性，以管材磨損量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了一種磨損計(jì)算模型的校正方法，校正后磨損計(jì)算結(jié)果的誤差率基本降至10%以下，可以為省煤器等尾部受熱面的管材壁厚等關(guān)鍵狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及狀態(tài)檢修提供可靠依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)受熱面壽命、提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性的目的。