某60萬火電機組發(fā)電廠鍋爐省煤器的改造

郭杰聰

(福建華電可門發(fā)電有限公司,福建福州 350512)

某60萬火電機組發(fā)電廠鍋爐省煤器的改造

郭杰聰

(福建華電可門發(fā)電有限公司,福建福州 350512)

作為鍋爐低溫受熱面的省煤器,普遍存在積灰、磨損、振動及腐蝕等問題,尤其是在燃燒劣質(zhì)煤的時候,更容易使省煤器發(fā)生爆管的事故。鍋爐發(fā)生的省煤器爆管事故嚴(yán)重影響了鍋爐的安全運行,使發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益受到影響。導(dǎo)致省煤器爆管的原因很多,主要包括爐型的選擇、熱力計算的準(zhǔn)確性、省煤器嚴(yán)重積灰、管外飛灰磨損、管子內(nèi)壁的腐蝕、省煤器結(jié)構(gòu)布置的合理性、煙氣流速、省煤器的材質(zhì)選擇、省煤器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否容易引起熱偏差及流量不均、制造工藝、安裝質(zhì)量、鍋爐運行狀況、燃燒調(diào)整、維修檢修質(zhì)量等多方面的原因。本文對省煤器提出了最佳改造方案,在鍋爐大修中按最佳方案實施了改造。改造后,從試驗結(jié)果看,積灰情況得到了很大改善,排煙溫度達(dá)到了設(shè)定值,使得鍋爐的經(jīng)濟性及安全性得到了大幅提高,基本解決了鍋爐爆管的隱患,提高了鍋爐機組運行的經(jīng)濟性及可靠性,為省煤器改造和設(shè)計提供了理論指導(dǎo)及實踐經(jīng)驗。

鍋爐 省煤器 磨損 爆管

1 前言

近年來生態(tài)環(huán)境要求日益提高,煤炭的供需嚴(yán)重不平衡,電價成本大幅上調(diào),這些都要求鍋爐機組的污染控制要求、安全性及經(jīng)濟性都應(yīng)該有所提高。但是,現(xiàn)行設(shè)備的老化、技術(shù)落后及煤質(zhì)變差等使得傳熱方面及燃燒的問題逐年增加。該電廠3號鍋爐主要存在以下問題:

(1)由于煤質(zhì)變差,燃煤熱值下降,相同鍋爐出力下煙氣量和流速增加,為了保證機組負(fù)荷,必須增加燃煤量,來增加煙氣量,反而使得煙氣流速增加,加快了省煤器管壁的磨損。另外煤質(zhì)差的煤著火性能下降使得燃燒穩(wěn)定性降低、鍋爐滅火次數(shù)增多、機組煤耗增加、磨煤機出力增加、爐膛出口煙溫偏差等問題更加嚴(yán)重。燃煤灰分增加,造成煙氣中飛灰濃度增大,灰粒撞擊受熱面的次數(shù)增加,引起省煤器管壁的磨損加劇。(2)排煙溫度高。為了治理污染物的排放增加了脫硫裝置等。而保證脫硫裝置安全經(jīng)濟運行就必須控制鍋爐排煙溫度在145℃以下,所以必須控制鍋爐排煙溫度在允許的范圍之內(nèi)。(3)積灰嚴(yán)重。機組初投產(chǎn)時,排煙溫度比設(shè)定值要偏高一些,說明尾部蒸發(fā)受熱面面積滿足不了設(shè)計吸熱量的要求;又因為煤的灰分增加、燃煤量的增多,使得尾部受熱面嚴(yán)重積灰。這些均使得排煙溫度上升,省煤器吸熱量下降,鍋爐熱效率大幅下降,導(dǎo)致燃料浪費過多且高溫廢氣大量排放使環(huán)境惡化。(4)鍋爐的熱效率較低。為了進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能降耗的目的,對鍋爐的熱效率及燃燒均提出了更高的要求,需盡可能地提高鍋爐的傳熱效率,降低燃煤燒量,并且組織好燃燒,使得煙溫偏差及爐膛水冷壁高溫腐蝕的危害減少。(5)泄漏嚴(yán)重。由于累計運行時間較長,部分受熱面已達(dá)到或超出了設(shè)計的運行壽命,泄漏逐年增加。再者設(shè)計的省煤器壁厚余量小,加工缺陷較多,泄漏日益嚴(yán)重。

總之,隨著鍋爐機組運行時間的增長,技術(shù)落后、鍋爐設(shè)備日益老化、缺陷增加、再加上煤質(zhì)變差,這些均導(dǎo)致鍋爐的經(jīng)濟性和安全行降低。但是,隨著環(huán)境保護(hù)及發(fā)電市場的需求,對鍋爐的經(jīng)濟性和安全行要求更高,污染物排放要求也有所提高。在這種情況下,若按照一般的檢修計劃對上述鍋爐存在的諸多問題逐個解決,資金方面及工期是一個難題。為了進(jìn)一步達(dá)到減少污染物排放及節(jié)能降耗的目的,也為了適應(yīng)當(dāng)前煤炭市場的現(xiàn)狀況,必須在有限資金的前提下解決上述問題。所以需要將3號爐的優(yōu)化改造做為一項系統(tǒng)工程來完成。

2 省煤器的爆管原因分析

省煤器爆管的原因非常復(fù)雜,下面分別從設(shè)計因素、制造、安裝和維修因素及運行狀況因素三個方面來分析。

3.1 設(shè)計因素

(1)煙速設(shè)計不合理。若煙速設(shè)計值偏低,飛灰容易沉積在管壁上。若煙速設(shè)計值偏高,磨損較嚴(yán)重。因此,煙速的合理設(shè)計非常關(guān)鍵。一般煙速設(shè)計值在7-13m/s范圍內(nèi)進(jìn)行選取;煤中灰份少的時候取值較高,灰份多的時候取值較低。經(jīng)濟煙速則在8-11m/s范圍內(nèi)進(jìn)行選取。(2)省煤器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置不合理。省煤器和前墻平行布置時,只有靠進(jìn)后墻的幾排管受煙氣的磨損比較嚴(yán)重,損壞后容易更換。省煤器和前后墻垂直布置時,對于π型布置的鍋爐,當(dāng)煙氣從水平煙道進(jìn)入豎井煙道的時候有一個轉(zhuǎn)彎,在離心力的作用下,飛灰絕大部分集中于煙道的后墻壁,所以靠近后墻的每根管子都會受到煙氣的磨損。(3)受熱面系數(shù)選用不合理,使得爐膛出口實測煙溫偏高于設(shè)計值。(4)鍋爐設(shè)計不合理。四角切圓燃燒的爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升氣流由爐膛出口進(jìn)入到對流煙道的時候,殘余旋轉(zhuǎn)非常強,將會使對流煙道兩側(cè)的煙溫和煙速存在差值,煙道內(nèi)熱負(fù)荷分布不勻,煙氣到達(dá)省煤器的時候,形成的煙氣走廊導(dǎo)致省煤器發(fā)生爆管。

3.2 制造、安裝和維修因素

(1)施工焊接不合格。焊口有非金屬夾雜物或管子焊接時有折疊缺陷等。(2)管材質(zhì)量差,本身存在缺陷。管子在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生折疊缺陷,或者本身存在分層、夾渣等缺陷,運行時受溫度和應(yīng)力影響使缺陷進(jìn)一步擴大而爆管。(3)安裝不合格。安裝時沒有按照圖紙進(jìn)行,使彎管半徑彎曲后變薄等。

3.3 運行狀況因素

(1)燃燒煤種不合格。燃燒煤種不合格,灰分增加,使得省煤器嚴(yán)重積灰。若積灰得不到及時清除,最終會導(dǎo)致爆管。(2)受熱面外部嚴(yán)重積灰導(dǎo)致省煤器換熱不良,使得煙氣對管子的腐蝕和磨損加重。

(3)吹灰器不能正常工作或者吹灰器運行不當(dāng)。目前,為了減輕鍋爐積灰問題,大部分都裝設(shè)了吹灰裝置。但這些設(shè)備大都存在吹灰效果和可靠性差,能耗高等缺點。(4)管束振動導(dǎo)致永久變形。(5)給水品質(zhì)不合格。當(dāng)給水除氧不合格時,進(jìn)入省煤器后受熱放出的氧氣吸附在管內(nèi)表面,造成局部的結(jié)垢或點狀腐蝕。

3 省煤器的改造

3.1 改進(jìn)項目概況

某60萬火電機組發(fā)電廠3號爐排煙溫度治理,發(fā)電廠確定改進(jìn)鍋爐燃燒設(shè)備及尾部受熱面,對省煤器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,從而使尾部受熱面的傳熱效果得到提高,使排煙溫度得到降低;使省煤器積灰減少,提高其經(jīng)濟性,并防止其爆管。

3.2 省煤器工況

3號爐投運以來,影響其經(jīng)濟運行的一個重要因素就是排煙溫度高。隨著除塵設(shè)備性能的提高和脫硫裝置的投運,這些均要求排煙溫度能夠降低。排煙溫度高的原因除了燃燒方面外,還包括省煤器的嚴(yán)重積灰,現(xiàn)場檢查管子的積灰主要集中在管子的背風(fēng)面,影響了省煤器的傳熱效果。3號爐省煤器已經(jīng)發(fā)生多次泄漏,嚴(yán)重影響了機組的安全運行。檢查表明,該省煤器由于材料質(zhì)量、原始缺陷、磨損和內(nèi)部腐蝕等原因造成的泄漏和裂紋越來越多。

4 省煤器改造方案研究

4.1 省煤器改造前試驗

大修前對省煤器進(jìn)行了傳熱性能測試,基本摸清了省煤器的狀況。省煤器出入口煙溫差測試僅有80℃多,比設(shè)定值降低了約30℃。按照每公斤燃煤計算的省煤器吸熱量僅有約930kJ/kg,比設(shè)定值減少了約20%。爐內(nèi)省煤器雖然采用了清灰裝置,但清灰效果不明顯,省煤器積灰較嚴(yán)重。除了受熱面設(shè)計偏少以外,省煤器積灰是其吸熱少的主要影響因素。

4.2 省煤器改造方案的設(shè)計和對比

為了優(yōu)化省煤器的改造設(shè)計,進(jìn)行了多個設(shè)計方案的對比。考慮到清灰裝置效果較差,改造方案主要通過提高省煤器自身的自清灰能力和增加受熱面使得傳熱效果得到提高。省煤器原設(shè)計方案螺旋肋片管順列排列,除第一排管子以外,煙氣只能沖刷到管子的兩側(cè),不能沖刷其余管子的背面及正面,因此,管子背面及正面積灰非常嚴(yán)重。

下面設(shè)計了2種改造方案進(jìn)行比較。

改造方案1:將順列管束改造成錯列管束。因為錯列管束縱向距離越小的時候,氣流擾動則越大,氣流沖刷管子背風(fēng)面的效果就越好,自清灰能力越強,再者其傳熱系數(shù)高。具體的改造方案是每隔一排管圈下落50mm,縱向管排數(shù)由16排(4個管圈)增加到20排(5個管圈),使受熱面增加約25%。改造后省煤器吊掛荷重增加22%左右,管圈荷重增加25%,尾部受熱面懸吊管荷重增加3%左右。由于錯列管束傳熱性能好,自清灰能力越強,因此,改造后雖然受熱面積增加的比較少,但是可以使省煤器的煙溫降提高18-22℃。

改造方案2:管束布置不變,仍采用順列管束,而是使受熱面增加35%左右。具體的改造方案是縱向管排數(shù)由16排(4個管圈)增加到24排(后部)及20排(前部)。改造后省煤器吊掛荷重增加35%左右,管圈荷重增加37.5%,尾部受熱面懸吊管荷重增加5%左右。大修后清灰方式得到改善,改造后省煤器的煙溫降能夠提高15-20℃。

方案1雖然荷重較小,受熱面增加比較少,但是下部檢修空間得到了改善,傳熱效果及積灰現(xiàn)象都有所改善。該方案的主要缺陷是設(shè)備結(jié)構(gòu)改動大,焊接質(zhì)量要求高。所以在保證焊接質(zhì)量的條件下,方案1是可行的。

方案2雖然受熱面增加較多,但缺點主要有:(1)省煤器吊掛荷重增加比較多,使其安全性降低了;(2)檢修空間不足,使得以后更換管圈及檢修難度增加;(3)過多增加受熱面,使得下部的受熱面清灰效果大副下降,反而使受熱面的利用系數(shù)減小。

綜上所述,決定采用方案1對省煤器進(jìn)行改造。

4.3 省煤器改造效果

通過省煤器的傳熱性能試驗,當(dāng)修正到設(shè)計工況的時候,省煤器的吸熱量及省煤器區(qū)域的煙溫降都和鍋爐的初始設(shè)定值相接近,都滿足改造設(shè)定值。運行實績證明,發(fā)電廠3號爐省煤器改造效果非常明顯。

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