超臨界W火焰鍋爐四管防爆技術管理要點淺析

王 康（國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州貴陽550081）

超臨界W火焰鍋爐四管防爆技術管理要點淺析

王 康（國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州貴陽550081）

當前600MW等級超臨界“W”火焰鍋爐已是目前國內無煙煤大型火電機組的優先選擇。超臨界參數水動力循環特性，高溫度參數特性，以及“W”火焰鍋及其煤種的難燃、易結焦、飛灰磨損嚴重等多重因素對鍋爐防止四管爆漏提出新的技術管理要求，須引起足夠重視。本文結合超臨界“W”火焰鍋爐自身特點，對該型鍋爐“四管”防爆技術管理要點展開探討，以期能為相關人士提供參考。

超臨界；“W”火焰鍋爐；四管防爆技術；管理要點

1 引言

世界首臺超超臨界參數機組1957年在美國投運，“W”火焰燃燒方式也在同時期由FW公司首創。但直到2006年，超臨界參數“W”火焰鍋爐的研發才在我國開始起步。這是因為“W”火焰鍋爐結構特殊，普通超臨界鍋爐的螺旋管圈技術無法應用。兩者結合的關鍵是低質量流速垂直管圈水冷壁技術的應用。2009～2016年我國已投運600MW級超臨界參數“W”火焰鍋爐27臺，無煙煤燃燒經濟性大幅提升，為我國在2020年實現現役電廠平均煤耗低于310g奠定了基礎。

新技術帶來新問題，因結構和煤種的特殊性，600MW等級超臨界“W”火焰鍋爐在水冷壁超溫及拉裂、硫腐蝕及氧化皮堵塞爆管等方面問題突出。為科學防范，須重點分析，在亞臨界“W”火焰鍋爐防磨防爆經驗和措施基礎上，還須增加采取應對措施。

表1 截止2016年我國在役600MW等級超臨界“W”火焰鍋爐

2 超臨界“W”火焰鍋爐的特點及其突出矛盾

2.1 其參數、結構及燃燒方式決定，易發生水冷壁拉裂

2.1.1 水冷壁工況較亞臨界W火焰鍋爐更復雜

超臨界“W”火焰鍋爐與亞臨界W爐相比，水冷壁超過飽和溫度，循環動力小，管子之間存在溫度偏差，因此超臨界W火焰鍋爐水冷壁工況較亞臨界W火焰鍋爐更復雜。

2.1.2 “W”火焰鍋爐易出現爐寬方向燃燒不均現象

由于燃燒器只能布置在前后拱上，沿爐膛寬度方向一字排開布置，任何一臺磨的停運都會使爐內熱負荷輸入不均性加大；相對沖爐和四角切圓的燃燒器分層布置，“W”火焰鍋爐內從燃料輸入易出現不均勻的現象。

2.1.3 超臨界“W”火焰鍋爐水冷壁壁溫偏差大

超臨界 “W”火焰鍋爐只能采用低質量流速垂直管圈布置，相對采用螺旋管圈布置方式，水冷壁壁溫不易均勻，偏差大，典型壁溫分布如圖1所示。

圖1

2.2 普遍燃用高硫無煙煤，易產生高溫硫腐蝕

當前國內在役、在建和擬建的超臨界“W”火焰鍋爐因地域分布于，多燃用西南高硫無煙煤，原煤硫份1～3%，少數煤接近5%。由于管壁溫度高，高溫硫腐蝕矛盾突出，主要出現在水冷壁燃燒器區域和高溫段，及高過和高再等部位。

2.2.1 高溫水冷壁腐蝕機理

水冷壁燃燒器區域、水冷壁的高溫段，外壁溫度可達450℃，極易發生高溫硫腐蝕現象。

（1）在高溫還原性氣氛下，煤粉中的FeS2將發生反應：FeS2+ 2CO+O2→FeS+2CO2+[S]。

當[S]原子與水冷壁管直接接觸，就發生反應：Fe+S→FeS，造成水冷壁管的腐蝕。

（2）由不可燃硫高溫下生成硫酸鹽混入灰分熔敷于水冷壁管表面，與Fe2O3發生反應：3M2SO4+Fe2O3+3SO3=2M3Fe（SO4）3或M2SO4+Fe2O3+3SO3=2MFe（SO4）2生成的復合鹽在管壁表層受高溫又分解為硫酸鹽和疏松氧化鐵，向內擴散，逐層腐蝕。

2.2.2 高過高再的腐蝕機理

高溫過熱器、高溫再熱器的高溫腐蝕是由于液態的高溫黏積灰（550～710℃形成，650～700℃時最為嚴重）在管壁上積結造成，化學反應式與復合硫酸鹽型反應式相同。

2.3 高溫過熱器、高溫再熱器易發生氧化皮堵塞

超臨界鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器使用管材抗氧化溫度分別為：T23：593℃；T91：649℃；TP347H：704℃。一般按T23≤580℃；t91≤600℃，TP347H≤650℃控制，保守應用T23≤570℃；t91≤590℃。

超臨界鍋爐高過和高再出口介質溫度一般在571℃和569℃，按經驗管壁溫度不低于621℃和619℃。實際運行中，管屏間溫度不均、受熱面短時超溫，不可避免產生內壁氧化皮。

在570℃以上，水蒸氣與純鐵發生氧化反應，生成的氧化膜由FeO，Fe3O4，Fe2O3三層組成。FeO處于最內層，因其結構不致密、膨脹系數大，因此易于脫落。氧化皮剝落的主導因素是：氧化皮厚度和溫度劇變或交變，易發生在鍋爐的啟、停爐和負荷驟變過程中，一般的氧化皮堵塞管道高峰期出現在機組運行10000～15000h之間。

3 超臨界“W”火焰鍋爐“四管”防磨防爆技術管理要點

3.1 水冷壁拉裂預防

3.1.1 鍋爐設計優化

相比早期超臨界“W”火焰鍋爐，四大鍋爐廠針對水冷壁壁溫偏差問題開展了大幅優化：

（1）增加過渡段中間混合集箱，將早期上、下水冷壁半混和改為全混合方式，可減少上部水冷壁偏差幅度約10～20℃；

（2）提高水冷壁上集箱高度，加長管屏光管長度至1050mm，對已投運的鍋爐采用適當割開管屏間扁鋼方式處理；水冷壁上、下集箱間固定連接改為扣接，釋放熱應力；

（3）增加水冷壁的壁溫（汽溫）監測的測點數量，方便強化水冷壁壁溫監控；

（4）適當減少衛燃帶面積及敷設區域（衛燃帶采用條狀布置），增設側墻邊界風結構，改善下水冷壁結焦情況；

（5）優化磨機與燃燒器對應關系，保證煤粉沿鍋爐寬度方向的輸均布性。

3.1.2 運行管理措施

600MW超臨界W爐上部水冷壁壁溫差是由工質側偏差和煤粉側偏差共同引起的，在運行中需要采取相應措施，避免煤粉輸入不均所帶來的偏差：

（1）做好球磨機的風量控制

各工況盡量多投磨煤機臺數，削弱爐寬方向負荷不均；避免同時對多臺磨煤機（容量風量）進行調整；在停磨前應盡量將磨內煤粉吹空，避免啟動暖磨時大量煤粉突然涌入爐內導致燃燒波動。

（2）做好干濕轉換控制

干濕轉換是一個相對不穩定過程，應平穩度過，避免轉換反復交替。轉換前預先啟動磨機，避免在該過程啟、停磨機。

（3）保證鍋爐爐內燃燒的穩定

運行人員應熟悉各風門擋板調節特性，防止鍋爐的局部缺風，可通過看火管觀查著火及燃燒情況，相應調整；保持適當的鍋爐風箱風壓，防止火焰貼墻；運行中若某一區域水冷壁長期超溫，可切停對應燃燒器。

（4）調整負荷變化時，給水流量的前置信號

鍋爐升、降負荷易引起水煤比失調，變負荷前可適當降低主汽溫，根據汽溫及水冷壁壁溫變化，及時調節給水量、磨煤機容量風。可根據運行經驗調整負荷變化時的給水流量前置信號，可在一定程度上緩解燃料量調整不夠及時的問題。

（5）適當降低減溫水流量，應優先采用煤水比控制和煙氣擋板調節汽溫，加大水冷壁流量。

（6）保證爐膛受熱面的正常吹灰，避免積灰、結焦引起換熱不均。

3.1.3 檢修管理措施

（1）磨煤機各一次風粉管應進行熱態調平，燃燒器噴口、風口應完好、暢通。

停爐后對有焦塊遮擋和堵塞的噴口、風口要進行清理，避免風量不均。燃燒器檢修后和A（B）級檢修后，應核對風門擋板的行程和開度，并開展一次風粉管熱態調平，偏差控制在5%范圍內。

（2）加強水冷壁壁溫測點管理

針對運行中的壁溫異常點，應查明原因，檢修消除；對壁溫壞點應及時更換；受熱面大范圍檢修后，應核對壁溫測點的位置、測量誤差。

（3）確保拱部恒力吊架受力均勻，在設計值范圍。

超臨界W爐沒有集中下降管，拱部荷載是通過多個恒力吊架直接傳遞到鍋爐構架上。每次啟、停爐應檢查恒力吊架受力均勻，且在設計值范圍，避免下部水冷壁膨脹受阻或承力不均。

3.2 防止受熱面高溫硫腐蝕

受熱面超音速熱噴涂Ni-Cr涂層對燃用含硫份2～4%的超臨界鍋爐受熱面防護高溫硫腐蝕是經濟、可行的。某電廠針對該問題，請西安熱工院主持，由國內知名噴涂單位提供噴涂試片，模擬超（超）臨界機組高溫腐蝕爐內試驗。從2010年12月安裝試片，監測至2012年2月份發現：未經噴涂的試片約2800h就出現高溫氧化、腐蝕、起皮和腐蝕現象，基材已嚴重損傷。經噴涂的試片8490.95h后，涂層基本完好，未出現腐蝕、氧化、起皮現象；噴涂時應注意認真核對噴涂范圍；爐頂穿墻管應噴涂至穿越頂棚以上；噴涂層與衛燃帶之間留大于50mm的重疊，噴涂工序放在衛燃帶銷釘焊接后、敷設前。

3.3 防止受熱面氧化皮堵塞爆管

3.3.1 運行管理措施

（1）禁止超溫運行

各受熱面在壁溫報警值以下運行；利用SIS系統加強鍋爐金屬壁溫監測，指導停爐后的受熱面氧化皮檢查。

（2）機組啟動期間吹掃，預防氧化皮堆積。在汽輪機沖轉前采用高、低壓旁路對受熱面進行吹掃，避免氧化皮損傷汽輪機。

（3）給水加氧

給水中溶氧量維持在一定范圍內，管壁形成一層Fe3O4氧化膜，可減緩氧化皮脫落。加氧處理一般以控制省煤器入口溶解氧含量在30～150μg/L之間為宜。

（4）避免受熱面溫度驟變

盡可能減少機組啟停次數，減緩機組升溫、降溫速率。停爐時推薦悶爐62h，禁止強制冷卻。

3.3.2 檢修管理措施

（1）加強氧化皮監測，推薦采用磁探測技術，彎管部位可割管檢查。首次A、B修和機組運行滿10000～15000h必須開展全面監測。一般停爐可依據金屬壁溫監測情況開展。

（2）壁溫長期異常的過熱器、再熱器管段應在停爐檢修中查明原因。

由于堵塞位置差異，受熱面發生氧化皮堵塞后在對應壁溫測點上產生超溫或低溫的可能性均存在，因此依據機組運行中如發現壁溫長期異常，應及時分析原因，必要時應割管檢查和消除。

4 結束語

綜上，超臨界“W”火焰鍋爐雖出現不到10年，但基于借鑒亞臨界“W”火焰鍋爐和其他超臨界爐型，如四角切圓、對沖超臨界爐型的管理經驗，結合近年來的業界不斷探索，該爐型的“四管”防磨防爆工作已取得一定成功經驗。

鍋爐“四管”防磨防爆工作以一個“勤”字決為核心，結合已有技術和管理經驗，做到勤記錄、勤檢查、勤思考，超臨界“W”火焰鍋爐的可靠性必定會日益提升。

[1]伍天海，鄢曉忠，符慧林，陳忠雄，江焯燁，葉兆青.600MW超臨界W型火焰鍋爐水冷壁爆管原因分析.長沙理工大學學報（自然科學版），2013，10（4）：86～92.

[2]于 濱，苗淑紅.超臨界“W”火焰鍋爐.超臨界鍋爐氧化皮預防處理研究.電力建設，2009，30（2）：101.

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TK223.5

A

2095-2066（2016）36-0151-02

2016-12-3

王 康（1974-），男，漢族，湖北武漢人，助理工程師，本科，主要從事火電企業生產管理工作。