流化床鍋爐屏式過熱器磨損爆管分析

李天光,張香春，吳軍蓮

（1.華電國(guó)際電力股份有限公司,山東 濟(jì)南 250011；2.山東沾化熱電有限公司，山東 沾化 256800；3.華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)寧 272100）

1 鍋爐概況

某電廠4號(hào)鍋爐系哈爾濱鍋爐廠制造的HG-465/13.7-L.PM7型循環(huán)流化床鍋爐，為高參數(shù)、單鍋筒、一次中間再熱自然循環(huán)蒸汽鍋爐，采用循環(huán)流化床燃燒方式，高溫分離技術(shù)。燃燒室內(nèi)的雙面膜式水冷壁將中上部爐膛分為獨(dú)立的A、B兩室，靠近前墻沿爐寬間隔布置有8片屏式二級(jí)過熱器和6片屏式高溫再熱器。屏式過熱器的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，每片屏由26根管子組成，屏下部敷有耐磨耐火澆鑄料，可以防止受熱面的磨損。燃燒室和尾部對(duì)流煙道之間布置有2個(gè)高溫絕熱分離器。鍋爐主要參數(shù)為:額定蒸發(fā)量465 t/h，主蒸汽壓力13.7 MPa,主蒸汽溫度540℃，給水溫度244℃，再熱蒸汽溫度540℃，熱空氣溫度243℃，排煙溫度138℃，鍋爐效率90.5%。設(shè)計(jì)燃料為貧煤。

該爐在投入商業(yè)運(yùn)行后剛剛半年，就發(fā)生了分隔屏過熱器的爆管事故被迫停爐。檢查發(fā)現(xiàn)，爆管發(fā)生在過熱器第8屏第26根管（由爐前向爐后數(shù)）在27 m標(biāo)高左右距下部耐火耐磨澆鑄料約2.5 m的位置發(fā)生爆管，爆口約150 mm長(zhǎng)、30 mm寬,爆口處管壁壁厚較薄，爆口處有明顯的磨損痕跡。屏過爆管后還將附近側(cè)墻水冷壁管沖刷泄漏。

圖1 爐膛B室內(nèi)屏式過熱器布置示意圖

2 爆管原因分析

由于爆管位置在屏式過熱器的入口，此處汽溫較低，額定負(fù)荷下屏式過熱器的入口汽溫僅為397℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于12 Cr1MoV的氧化溫度580℃，且爆口附近沒有明顯的氧化現(xiàn)象，因此可以排除超溫過熱爆管。

進(jìn)一步檢查二級(jí)過熱器第8屏爆口附近管子，發(fā)現(xiàn)第19～26根管子均有不同程度磨損減薄，第19根壁厚減薄1 mm，第26根減薄4 mm并爆管，磨損由內(nèi)向外逐步加重，管屏磨損情況如圖2所示。根據(jù)管屏磨損減薄的情況，可以認(rèn)為爆管是磨損造成的。

圖2 屏過管子磨損爆破位置示意圖

2 磨損原因分析

循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的固體物料濃度為煤粉鍋爐的幾十倍到上百倍，爐膛內(nèi)的受熱面和耐火材料受到大量固體物料的不斷沖刷，爐內(nèi)受熱面的磨損爆管的事故時(shí)有發(fā)生，但是以往的報(bào)道多是關(guān)于水冷壁管和密相區(qū)埋管的磨損［1］，對(duì)于布置在稀相區(qū)的屏式受熱面磨損爆破的報(bào)道極少，大多認(rèn)為屏式受熱面的磨損較輕，只會(huì)發(fā)生受熱管的磨光磨亮現(xiàn)象。檢查爐膛內(nèi)其它屏式受熱面也未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損痕跡，因此第8號(hào)屏式過熱器在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生磨損爆管不是一種正常現(xiàn)象。

仔細(xì)觀察爆管管屏的情況，發(fā)現(xiàn)該屏在標(biāo)高25 m至29 m的區(qū)段向水冷壁方向拱出，壓縮了流道，形成了一個(gè)迎風(fēng)面。在標(biāo)高27 m附近測(cè)量了流道寬度變化情況，如表1所示。由表可見，在2 m的高度上，第8屏的變形最大達(dá)到了180 mm。由于變形主要在標(biāo)高25～29 m的范圍內(nèi)發(fā)生，因此變形的最大值要大于300 mm。當(dāng)管屏發(fā)生變形后，其迎風(fēng)面就成為突出部分，在此處氣流轉(zhuǎn)彎，但是灰粒由于慣性作用會(huì)撞在迎風(fēng)面上，造成磨損。

表1 第8屏變形情況測(cè)量參數(shù)

造成管屏變形的主要原因是管屏膨脹不暢。由于屏式過熱器為“L”型，下集箱在前墻穿出，因此前墻處為膨脹死點(diǎn)，在熱態(tài)條件下，水冷壁向下膨脹，但由于屏式受熱面溫度高于水冷壁管，膨脹量較大，使管屏只能向上膨脹，管屏的上聯(lián)箱采用恒力吊架懸吊在爐頂，在調(diào)整不當(dāng)?shù)那闆r下部分集箱和管屏的重量會(huì)作用在管屏上造成變形。管屏與爐墻的密封金屬膨脹節(jié)也必須有足夠的預(yù)壓量，保證滿足管屏向上膨脹的自由；在鍋爐安裝時(shí)，管屏穿出爐頂?shù)哪突鸨夭牧蠒r(shí)必須預(yù)先澆灌瀝青以保證在熱態(tài)條件下二者之間的摩擦力較小，使管屏能夠向上自由膨脹。以上環(huán)節(jié)不能滿足，則熱態(tài)下管屏就會(huì)變形，且變形程度要大于冷態(tài)測(cè)量值。管屏變形后第8屏與側(cè)墻水冷壁之間的流道變化如圖3所示。

圖3 屏過變形后的流道

3 數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步說明磨損形成的機(jī)理，采用大型商業(yè)軟件CFX對(duì)爐膛內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算時(shí)，氣相流動(dòng)的湍流模型采用Launder&Spading［2］等提出的，在工程上廣泛采用的 k－ε 雙方程湍流模型，其在直角坐標(biāo)系下封閉的偏微分方程組可表示成如下的通用形式：

式中：準(zhǔn)分別代表速度u、v、w、湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率 ε，當(dāng) 準(zhǔn)=1時(shí)，式（1）為連續(xù)性方程，S準(zhǔn)為氣相和顆粒相引起的源項(xiàng)，其具體的形式參見文獻(xiàn)［3］。

煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日隨機(jī)顆粒軌道模型（stochastic tracking），顆粒運(yùn)動(dòng)方程如下：

右式第一項(xiàng)為顆粒所受應(yīng)力，第二項(xiàng)為顆粒本身重力，第三項(xiàng)為附加質(zhì)量力。

方程離散采用控制容積法，交錯(cuò)網(wǎng)格，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分，壓力修正采用SIMPLEC算法。

數(shù)值計(jì)算取爐膛的一半（爐膛B室）為計(jì)算對(duì)象，爐膛的詳細(xì)尺寸如圖1所示。計(jì)算時(shí)取雙面水冷壁下集箱處的水平面（標(biāo)高20.63 m）作為入口，取B旋風(fēng)分離器入口作為出口。假設(shè)第8屏變形程度為300 mm，變形發(fā)生在標(biāo)高25～29 m之間。假定爐膛內(nèi)煙氣溫度為900℃，計(jì)算得到滿負(fù)荷條件下入口煙氣流速為5 m/s，入口灰粒直徑取為1 mm、0.8 mm、0.6 mm、0.4 mm、0.2 mm 五種， 灰粒入射位置在側(cè)墻水冷壁和第8屏之間，距離第8屏100 mm，入射寬度覆蓋了整個(gè)屏的寬度且在屏兩側(cè)各超出300 mm。計(jì)算采用的網(wǎng)格數(shù)為34×27×40（寬×深×高）。

模擬得到正常流道內(nèi)和變形流道內(nèi)靠近第8屏的灰粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，顯然，在變形前灰粒可以在流道內(nèi)通暢通過，不會(huì)發(fā)生沖刷壁面的情況，而屏過變形后灰粒的軌跡在變截面處中斷，說明發(fā)生了灰粒沖刷壁面的情況，會(huì)造成磨損。同時(shí)圖4（b）還表明，灰粒在沖刷壁面前會(huì)向外略有偏轉(zhuǎn)，這也是圖2中管子只有一側(cè)發(fā)生磨損的原因。

灰粒偏轉(zhuǎn)的原因是由于流道截面縮小，造成屏間部分氣流偏轉(zhuǎn)沖出屏間流道造成的，圖5（a）（b）給出了正常流道和變形流道沿爐膛深度方向速度分量分布，由圖5（b）可見，變形后由于流道變窄，在變形最嚴(yán)重的區(qū)域，迎風(fēng)面上向爐后發(fā)生了明顯的加速現(xiàn)象，且沿爐膛深度方向的速度分量越靠近屏外側(cè)越大，表明磨損速度越大，磨損越嚴(yán)重，最終造成最外側(cè)的管子減薄最嚴(yán)重首先發(fā)生爆管，這和實(shí)際情況是符合的。

圖4 屏過變形前后灰粒運(yùn)動(dòng)軌跡比較

圖5 屏過變形前后沿爐寬方向速度分量比較

4 結(jié)論及建議

綜上所述，認(rèn)為鍋爐屏式過熱器外側(cè)管爆管的主要原因是管壁磨損減薄造成的。造成屏式過熱器磨損的原因是由于屏式過熱器發(fā)生嚴(yán)重變形，改變了流道結(jié)構(gòu)，使含灰氣流沖刷屏式過熱器造成的。

根據(jù)磨損機(jī)理，應(yīng)采取以下措施防止：

（1）檢查并調(diào)整屏式過熱器的恒力吊架、密封盒的金屬膨脹節(jié)預(yù)壓量，保證屏式過熱器能夠向上自由膨脹，減少分隔屏的變形程度，消除磨損源頭。

（2）在已經(jīng)變形的屏式過熱器的迎風(fēng)面上進(jìn)行超音速防磨噴涂，提高其耐磨程度。

（3）注意鍋爐運(yùn)行時(shí)總風(fēng)量不要過大，同時(shí)要盡量保證鍋爐左右兩側(cè)的物料和風(fēng)量均勻，防止局部風(fēng)速過大加重磨損。

（4）控制一次風(fēng)量不要過大，以控制合適的上部爐膛顆粒濃度，防止上部爐膛顆粒濃度過大加重磨損。

［1］岑可法，倪明江，駱仲泱，等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［2］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1988：431-439.

［3］Fan Jianren,Qian Ligeng,Ma Yinliang,etal.Computational modeling of pulverized coal combustion processes in tangentially fired furnaces［J］.Chemical Engineering Journal,2001,81(2):261-269.