流化床锅炉受热面磨损研究.docx

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流化床锅炉受热面磨损研究

流化床锅炉受热面磨损研究

文章摘要：

摘　要：

CFB锅炉具有低污染、煤种适应广的特点，锅炉设备与床料接触部分的部件磨损比较严重，受热面的磨损将直接影响锅炉的安全运行；本文通过对国内电厂流化床锅炉磨损部位进行分析研究，提出相应措施应对；同时提出可控磨损概念，可大幅减小锅炉爆管非计划停运次数，对CFB锅炉的设计、制造和运行具有一定的参考价值。

关键词：

CFB锅炉　受热面　特殊磨损　可控磨损

1　概述

我国电力生产结构是以火力发电厂为主，我国是一次能源中以煤炭为主的国家，约占总量的75%，而以煤炭为燃料的发电装机占总量的70%，且以煤发电为主的格局在近期内不会有大的变化。

随着社会对环境保护的要求越来越高，作为洁净煤发电技术之一的常压循环流化床（CFBC）锅炉得到大量推广。

相对与PC炉而言，由于高倍率循环灰的流动，使流化床锅炉炉内磨损十分严重，循环流化床锅炉的磨损问题是困扰循环流化床锅炉技术发展的关键因素，磨损问题解决的如何，直接关系到CFB锅炉的设计成功与否,直接影响CFB锅炉机组的可用率。

对其磨损规律的深入研究，可以保证该锅炉长期安全运行，对CFB技术的发展具有十分重要的现实意义。

图1　锅炉示意图

2　锅炉炉膛换热面的布置

国电合山发电厂#8循环流化床锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产，基本参数为：

蒸发量420t/h，采用单锅筒，自然循环、单炉膛、平衡通风、全钢构架、半露天布置循环流化床锅炉。

2.1　燃烧室

#8炉其燃烧室断面呈长方形（深度×宽度=6680×12080mm），燃烧室各面墙全部采用膜式水冷壁，由光管和扁钢焊制而成；底部为水冷布风板和水冷风室。

由于水冷壁管采用变径连接，存在设计不足，其中下部管径为：

Φ51 mm，上部、中部水冷壁采用Φ60mm。

管子材料为20G。

下部前后水冷壁向炉内斜与垂直方向成15.5°角。

2.2　水冷屏

在燃烧室中，上部与前墙垂直布置有四片水冷屏；水冷屏布置在燃烧室中上部与前墙垂直，共四片，每片屏由25根管子组成，管子直径Φ60mm，材料20G。

水冷屏为膜式管屏，节距80mm，鳍片材料20。

水冷屏下部表面复盖有耐磨材料,在耐磨材料终端管子表面有堆焊层，以防磨损。

每片水冷屏进、出口集箱均为Φ168×22mm，材料20G。

2.3　双面水冷壁

在锅炉中上部与前墙垂直处还布置有双面水冷壁，贯穿炉膛深度，布置在燃烧室由91根管子组成，管子直径Φ60mm，材料20G。

双面水冷壁为膜式管屏，双面水冷壁下部表面覆盖有耐磨浇注料。

双面水冷壁及其附着在其上的零部件全部重量都通过吊杆装置悬吊在顶板上，共有6根M42mm的吊杆，安装时应调整螺母，使每根吊杆均匀承载。

2.4　过热器屏（Ⅱ级过热器）。

Ⅱ级过热器位于燃烧室中上部，由六片屏式过热器组成，与前水冷壁垂直布置，下部穿前墙处为屏的蒸汽入口端，有密封盒将管屏与水冷壁焊在一起。

由于Ⅱ级过热器与前水冷壁壁温不同，导致二者膨胀量不同，为此，在屏的上部穿墙密封盒处，装有膨胀节，以补偿胀差。

每片屏有管子30根，管子直径Φ42mm,材料12Cr1MoVG，管屏为膜式壁，鳍片厚度为5mm，材料为12Cr1MoV。

管屏下部敷有耐火防磨材料及堆焊层，以防磨损。

3　循环流化床锅炉常见的磨损类型

运行和试验研究表明：

循环流化床锅炉常见的磨损类型分为5类：

（１）当烟气、物料方向与管束总休一致，但在某一部位发生跳跃时，对该部位造成快速磨损，直至这一部位磨损与管束一致时，磨损迅速减缓，比如水冷壁管连接的焊口筋片连接焊口，耐火材料拉缝部位如果有凹或凸部位时，改变方向，直接冲击冷壁管的某个部位，冲击磨擦力的损摇摇欲坠都较大，造成该处水冷壁的快速冲刷磨损。

（２）当物料下落过程中在某一部位因的凹台和物料堆积而突然发生转向时，物料在该部位将发生涡流而造成严重的冲刷磨损经如砂粒由水冷壁至上而下落到耐火材料上沿时，将迅速改变方向，此处没有上行的汽流流化，在上沿角内沉积的砂从耐火材料边缘流出时，又被上行的流化风扎起，又沿水泠壁落下，如此反复形行涡流，该处涡流料密度特别大，由于在炉膛下部粒度也较大，因而必将造成该部位的快速而严重的磨损。

（３）当物料与管束呈切向或一定角度相碰时，磨损是大面积的，管束一般是垂直布置，物料人切向或角向撞击时，特别是炉膛出口附近速度较低，其磨损程度与其物料流动方向和速度关系较大。

比如炉膛出口侧水冷壁布置，因其物料撞击方向一速度不一样，其磨损程度沿前面方向和烟道上下高差分布是一样的，越接近出口烟气物料有旋转，前后方向的中部磨损也应比较严重，这是由于离出口越近，物料的速度越高，深度越高，而上部有物料在碰撞改变方向后一部分被烟气带走，一部分沿水冷壁管掉入炉膛，其越向下水冷壁掉的物料越多，形成了部分保护层，而此处的物料切向冲刷。

如果安装时在工艺上未注意，某根管子不在一个面上而是凸向炉壁，这根管子将首先被快速磨损。

（４）当物料与管束垂直相碰时，其磨损速度是所有磨损中速度最快的，这是由于物料与管束垂直撞击，能量损失最大，管束表面承受的冲击和磨损也最大，同时，由于烟气流速分布的的差别，其携带的物料密度也有差别，当烟气人旋风分离器出来进入烟道时，上部的烟速最高，达13m/s以上，携带的物料浓度最大，对一、二、排水冷壁管上部磨损也就最严重，同时，沿水平方向磨损也不一样，中部最严重，也是烟速最高，物料密度最大造成的。

（５）级过热器由于拉稀水冷壁的作用，烟气速度降低分布更均匀，物料粒度也均匀且细小，因而磨擦是均匀的、轻微的、省煤器由于是水平布置，管壁上有积灰形成成磨损保护层，烟气冲刷也就基本不发生。

4　磨损部位研究与处理措施

通过试验研究和CFB锅炉的运行发现:

磨损速率与接触固体的浓度、速度大小与分布、粒子特性相关;

4.1　非金属耐磨耐火材料

#8炉在下面部位采用非金属耐磨耐火材料,这些耐磨材料由焊在管子表面上的金属销钉固定，所以固定形式、耐火材料施工与养护工艺决定耐磨性能。

⑴　水冷壁布风板。

⑵　燃烧室下部四周水冷壁表面。

⑶　燃烧室出烟口周围及出烟口流道内表面。

⑷　分离器整个内表面。

⑸　料腿及回料装置内表面。

⑹　冷渣器内表面

⑺　分离器出口烟道内表面。

⑻　尾部对流烟道入口内表面。

4.2      防磨护罩

图2 合山电厂#8照片       　　　　　　     图3 淄博华电热电有限公司照片  

#8锅炉在密相区水冷壁防磨处理方法，水冷壁采用变径管技术,由于该处存在旋流区，磨损严重，锅炉厂设计在水冷壁与锥段连接部位，采用防磨护罩。

同时采用采用浇注料形成的软着陆技术,可以减轻对水冷壁防磨护罩的磨损。

锅炉运行实践表明:

该技术只能将磨损部位从一个部位转移到另一个部位,不能解决该部位的磨损；但是为我们提供一种思路：

磨损部位可以按计划移动，磨损是可控的。

为此，每次停炉加强此部位水冷壁管普查，发现问题及时处理。

在炉内水冷壁与耐火材料交界处，特别是四角位置，由于该处边壁流在此处汇集，所以磨损特别严重，需要特别注意防护。

建议采用成熟的让管技术，可避免该类型磨损的危害;在锥段耐火材料和水冷壁管的拐弯分界处采用改变水冷壁管几何形状的方法减轻磨损。

图4　让管技术示意图

 改变下降物料的运动方向，将向下运动变为斜向下抛物运动，不直接冲刷连接处，大大减缓下降物料对水冷壁与锥段耐火连接部分的冲击磨损。

4.3　非金属与金属过渡段的堆焊处理

燃烧室内布置有水冷屏和二级过热器屏，其下部均处在气固两相流的流场中，易于磨损,存在着严重的磨损隐患。

尤其是在管子穿墙处，由于流场发生变化，磨损更厉害。

在过热器屏的下部及水冷壁穿墙处均敷设了一定厚度的耐磨耐火材料。

图5　管屏耐磨耐火材料脱落照片

 但是在进金属管与耐磨耐火材料结合面也存在磨损，锅炉厂在此进行堆焊处理，磨损结果同样是将该处磨损上移，不能解决磨损问题。

检查发现A侧管屏耐磨耐火材料脱落，需要进行耐磨耐火材料进行修复。

4.4　炉内悬挂穿墙受热面

图6　穿墙管防磨照片                  　　 图7　Ⅱ级过热器管屏变形照片    

Ⅱ级过热器位于燃烧室中上部，由六片屏式过热器组成，由于该管束壁温高（管内工质为蒸汽），而水冷壁管束壁温低（管内工质为蒸汽和水），其膨胀量不同，在上部弹簧支掉出现故障时，造成炉内悬挂穿墙受热面管束出现变形，对今后的磨损是一个严重隐患，在其他电厂已出现频繁爆管，所以需要进一步处理。

检查发现，Ⅱ级过热器的上部吊杆的膨胀节装置，在冷态指示杆处于锁死位置，换句话说，膨胀节不能在热态吸收多余的膨胀量，由于下部的穿墙管限制管束向下膨胀，所以造成管束严重变形，其中A侧1、3、5；B侧3、5管屏变形严重。

图8　Ⅱ级过热器吊干与膨胀节照片

 建议处理方法为：

在锅炉顶部调整膨胀器的膨胀量，检查炉顶结合面膨胀间隙，同时在管束相应的密封盒下部位置，去掉让管部位多余的肋板，留出向下膨胀的位置；

另一种方法是，密切监视磨损情况，在适当的时候进行整组更换。

由于水冷屏和双面水冷屏工质温度与水冷壁管束工质温度相差不大，同时发现水冷屏上部    吊杆的膨胀节装置在冷态指示杆处于中间位置，膨胀节可以在热态吸收多余的膨胀量，所以未发现管屏变形现象。

4.4特殊部位的磨损

图9　双面水冷壁与水冷壁结合部照片

 在锅炉中上部水冷壁管束与前墙垂直处的双面水冷壁，由于边壁流效应，运行中，炉膛上部四周的物料，将向下跌落，在结合部物料颗粒流动方向发生变化，造成耐火材料与水冷壁垂直边界处，局部严重磨损，出现爆管隐患，需要进行处理，可采用耐火材料或钢瓦覆盖，将磨损位置转移，也可以在管壁减薄位置采用堆焊方式处理。

高坝电厂410t/h锅炉自96年6月投运以来，水冷壁共发生爆漏15次，其中因为外壁磨损13次，其它引起爆漏2次。

特殊爆漏部位：

锅炉炉膛下部耐火材料与水冷壁交界处（含翼形水冷壁），耐火材料以上2米这一区域。

根据现场观察和分析，认为该区域正好处于浓相区与稀相区过渡区域，该现象为流化床锅炉磨损研究提出新的课题，目前正在进一步试验和分析。

5　结论

由于#8锅炉累计运行时间不长（估计为2-3个月），通过这次检查发现，锅炉受热面的总体磨损比较小，但个别部位已很严重；发现的许多问题和隐患，根源在于锅炉设计、安装等方面存在不足；根据经验，需要从短期和长期两个方面进行综合考虑，个别严重部位需要立即处理；同时对#8炉提出磨损长期监测分析要求，对原设计的磨损防止措施进行检讨和完善。

根据磨损位置在采取防磨措施后发生转移的特点，提出磨损可根据运行时间变化达到有计划在指定的位置进行磨损，即磨损可控新概念，在锅炉今后长期运行中，可以减小非计划爆管停运事故，提高机组的可靠性。

参考文献：

      循环流化床锅炉的设计与运行，[加]，P.巴苏 S.A.弗雷泽；岑可法等译。

      KevanRailey,P.E,KarlKleveandMikeTanca,P.E.LargeCFBpowerplantdesignandoperatingexperience:

TexasNew-Mexicopowercompany150MWe（net）CFBpowerplant.13thInternationalConferenceonFluidizedBedCombustion.Orlando,FL. May7-10,1995.

      OperationalExperienceandDesignConsiderationofaLargeScaleAnthracitefiredCFBBoilerinChina17thInternationalConferenceFluidizedBedCombustionMay16-21,2003.Jacksonville,Florida

作者简介：

王大军，男，高级工程师，从事锅炉与燃烧研究与技术改造，负责引进100MW流化床锅炉性能考核与消化吸收研究课题；负责引进300MW流化床锅炉技术性能考核谈判和试验；负责国家重大技术装备研制项目（科技攻关）计划《国产300MWCFB锅炉技术方案设计》子专题300MWCFB锅炉二次风喷射系统试验研究。

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