1000 MW二次再熱塔式爐塌灰機理及預防

王 祥, 尹凌霄

(江蘇省宏源電力建設監理有限公司，江蘇 南京 210096)

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1000 MW二次再熱塔式爐塌灰機理及預防

王 祥, 尹凌霄

(江蘇省宏源電力建設監理有限公司，江蘇 南京 210096)

針對某1000 MW二次再熱塔式爐塌灰事故，文中主要從其受熱面的結構參數、煙氣流速、燃用煤質等方面進行了塔式鍋爐積灰特性的研究。還分析了此次受熱面塌灰的誘因和危害，并解釋了塌灰過程中爐膛壓力變化的原因。進一步提出了避免鍋爐受熱面在低負荷運行時積灰嚴重的措施，可以避免塌灰事故頻繁發生，對同類型鍋爐運行具有借鑒意義。

二次再熱；塔式鍋爐；積灰；塌灰

0 引言

對于干排渣燃煤鍋爐，煤粉在爐膛內部燃燒后，煤中的灰分約85%以上經過尾部受熱面到達除塵器，煤灰會沉積在鍋爐各受熱面上，嚴重時造成受熱面堵塞[1]。塔式爐煤種適應性強、煙溫偏差小，但其上部受熱面易積灰，煙氣流速的擾動，可導受熱面塌灰，甚至造成鍋爐滅火[2]。

目前對鍋爐頻繁塌灰引發滅火的原因分析，主要存在3種觀點。一種觀點認為，高溫灰渣落入爐底冷灰斗內的渣池中，造成水急劇汽化上升而吹滅燃燒器的火焰，但是水汽瞬間強度無法吹滅火焰而使鍋爐滅火的程度，且無法解釋采用干式撈渣機鍋爐塌灰現象[3]。另一種觀點認為，塌灰過程中，灰粒與其攜帶的氣流尾跡一起落至爐膛下部可燃氣體濃度較高的區域，引發爆燃造成體積的急劇膨脹，壓力波瞬間擴散，吹滅燃燒器火焰，導致滅火保護動作[4]。主流觀點認為，塌灰過程中灰粒沿著爐墻灑落，遮擋住火檢探頭，使得多個煤粉燃燒器的火檢信號喪失，嚴重時導致跳磨，甚至引發鍋爐主燃料跳閘(MFT)[5,6]。

1 二次再熱爐型介紹

某1000 MW二次再熱機組鍋爐選型為塔式爐，受熱面布置方式如圖1所示。

圖1 1000 MW二次再熱塔式爐受熱面布置圖Fig.1 Heating surface distribution of 1000 MW double-reheat tower type boiler

沿煙氣流向依次分別布置有低過屏管，一、二次高再冷段，高過、一、二次高再熱段。此后煙氣通道分為前后分隔煙道，前煙道布置有一次低再和部分省煤器，后煙道布置有二次低再和另一部分省煤器。省煤器出口煙道設置煙氣擋板，用于調節前后煙道煙氣流量，調節再熱汽溫。

2 受熱面積灰形成機理

煤粉燃燒后，灰分積聚一般以3種形式存在，結渣、干松灰、粘結灰(高溫、低溫)。塌灰一般是由積聚的干松灰突然破碎灑落而引發。

2.1 受熱面積灰

干松灰積聚為物理過程，灰分中無粘性成分，灰粒間呈松散狀態，易被吹除。促使飛灰積聚在管壁上的因素主要為：機械網羅，分子間引力，熱泳力，靜電力[1]。

干松灰積聚主要發生在受熱面管子的背風面，迎風面幾乎沒有，特別當煙氣流速較大時。隨著煙氣流速的降低，積灰量增加，如圖2所示。因此，對于一定的煙氣流速，積灰量幾乎是一定的，不會無限增大。

氣固兩相流繞流過管子，由于邊界層的分離，在管子背風面產生漩渦區，細微顆粒與煙氣具有幾乎相等的流速，易隨氣體改變方向，因此易于被漩渦旋進背風區，形成“灰根”。

圖2 錯列布置管束上干松灰積聚形態Fig.2 Ashformation on the surface of staggered pipes

2.2 導流板積灰

某1000 MW二次再熱塔式爐采用擺動燃燒器和調整煙氣擋板開度進行再熱氣溫調溫。燃燒過程中，煙氣攜帶飛灰沿爐膛上行。由于導流板的設置，在導流板處煙氣流向改變，煙道上、下部分流速不均勻，靠近導流板處流速明顯減小，煙氣攜帶灰的能力變差，導致積灰，而且導流板與水平面夾角僅為20°，如圖3所示，小于灰顆粒的堆積角灰顆粒不會自行滑落[7]。

圖3 導流板示意圖Fig.3 Diagram of guide plate

運行過程中導流板會大量積灰，如圖4所示。

圖4 導流板積灰Fig.4 Ashformation on the guide plate

導流板的積灰機理，與常規π型爐折焰角及水平煙道積灰機理相似，如圖5所示，灰顆粒在煙氣流向改變處沉積[8,9]。

圖5 π型爐折焰角示意圖Fig.5 Diagram of furnace arch in π-shaped boiler

2.3 影響干松灰積聚的主要因素

2.3.1 煙氣流速

燃用高灰分煤種時，受熱面的煙氣流速不宜大于10 m/s，否則將產生嚴重的管壁磨損。塔式爐煙氣中的灰粒平均速度比煙氣速度低約0.8～1.2 m/s[10]。當煙氣流速V< 4 m/s時，積灰量增大；當流速V> 7 m/s時，積灰減輕[5]。

表1為1000 MW二次再熱機組塔式爐各級受熱面不同工況下的煙氣流速性能參數。從表1可以看出，省煤器區域的煙氣流速相對較低，易導致大量積灰；在高負荷工況下，如鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況、熱耗率驗收(THA)工況下，煙氣流速較大，存在“自吹灰”功能，積灰會自行脫落，積灰量降低，但在50%THA及更低的負荷工況下，煙氣流速降低到4 m/s以下，積灰量增大。

表1 各級受熱面不同工況下煙氣流速Table 1 Flue gas velocity in heating surface under different working conditions m·s-1

2.3.2 管徑和管束間距及布置方式

受熱面積灰程度亦受管徑大小、管束間距及布置方式的影響。管徑越小，曲率越大，使得灰顆粒與煙氣分離的能力越大，灰粒不易進入尾流區，積灰減輕。管排錯列布置時，其背風面易受到沖刷，積灰減輕。順列布置時，其背風面不易受到煙氣沖刷，同時第一排之后管排的迎風面受到沖刷較少，積灰嚴重。錯列時，減少縱向節距，背風面受到沖刷更為強烈，積灰減輕；順列時，減少縱向節距，使相鄰管子間灰粒易于搭橋，積灰更為嚴重。橫向節距在鍋爐常用的節距范圍內對積灰影響不大[1]。某1000 MW二次再熱塔式爐受熱面采用順列布置的方式，管子節距和管束布置方式如表2所示。省煤器管屏順列布置且縱向節距較小，同時煙氣流速低，導致省煤器積灰嚴重。

表2 管子節距及管束的布置方式Table 2 Heating surface distribution form mm

2.3.3 灰粒濃度

對應于一定的受熱面結構及煙氣流速，受熱面積灰量存在一個最大量，不能無限增加，只是達到這個量的時間不同。燃用煤種灰分含量的高低將直接影響灰粒的積聚速度。因此，運行過程中需根據燃用煤種的特點調整吹灰方式。

3 塌灰誘因分析及危害

3.1 塌灰誘因

某1000 MW二次再熱機組甩負荷試驗后，停爐放水處理閥門滲漏缺陷，再次上水時發生塌灰事故。直接原因是，鍋爐上水時給水溫度和金屬壁溫相差較大，引起省煤器水擊，導致省煤器管排振動，如表3所示。導流板和省煤器區域積灰破碎向四周灑落，加劇氣流擾動，并撞擊附件管排的積灰，形成了崩灰的鏈式反應。灰粒受旋轉氣流作用，受離心力及重力，向爐底渣井大量灑落[5]。機組整套啟動階段鍋爐長時間低負荷運行，燃燒煤種灰分含量較高含量，如表4所示，積灰速率較快；此外，吹灰器系統未能及時投入，導致受熱面及導流板積灰嚴重，是此次塌灰事故的間接原因。

表3 鍋爐上水時省煤器進口給水壓力溫度變化Table 3 The temperature and pressure vibration of boiler feedwater in the economizer inlet

表4 燃燒煤種灰分含量Table 4 Ash content of the designed and used coal

3.2 爐膛壓力波動

此次塌灰過程中，爐膛內部壓力和溫度劇烈波動，壓力和溫度變化過程由相關測點測得，部分壓力測點和溫度測點布置如圖6所示。

圖6 煙氣溫度和壓力測點布置圖Fig.6 Arrangement diagram of the temperature and pressure measuring points

再熱器區域壓力總體呈劇烈上升趨勢，但省煤器區域壓力變化略有差異，呈先降低后急劇上升態勢，如圖7、圖8所示。

圖7 省煤器區域壓力變化 Fig.7 Pressure variation in the economizer region

圖8 再熱器區域壓力變化Fig.8 Pressure variation in the reheater region

省煤器發生塌灰，灰分受重力作用下落，導致壓力瞬時降低。但存在卷吸現象，將省煤器出口尾部煙道的冷空氣卷吸進入省煤器區域，冷空氣與熱空氣混合，溫度呈先降低后上升趨勢，如圖9所示。同時還被高溫管排和灰顆粒加熱，氣體體積膨脹，最終導致膨脹節破損，可解釋省煤器區域壓力呈先降低后急劇上升再逐漸降低的現象。

圖9 再熱器區域空氣溫度變化Fig.9 Temperature variation of the air in the reheater region

3.3 塌灰危害

此次塌灰過程中，爐膛內部壓力急劇上升，導致省煤器出口尾部煙道膨脹節破損；同時爐膛內部積聚的灰分受重力作用，落入爐底撈渣機，撈渣機跳閘，并造成部分撈渣機鋼帶轉軸彎曲。如圖10所示。

圖10 尾部煙道出口膨脹節破損泄漏Fig.10 Breakage and leakage of the expansion joint rear smoke channel

4 受熱面塌灰對策

鍋爐運行過程中，各級受熱面積灰無法避免。根據干松灰積聚的機理，破壞重點區域灰分累積是避免塌灰的主要途徑。

4.1 改善煤質結構

受熱面積灰特性主要由煤質結構的性質決定。干松灰積聚的傾向性指標主要是灰分含量，灰分含量越高，灰分積聚速率則越快，此時應適當減少吹灰的時間間隔，或者摻燒灰分含量低的煤種改善煤質結構[11]。

4.2 改變吹灰方式

新機組在調試階段長期低負荷運行，受熱面積灰嚴重，但低負荷吹灰會因塌灰引起火焰閃爍，大面積塌灰甚至導致火檢喪失，磨組跳閘。改變吹灰方式是防止塔式爐塌灰的最有效的方式[5]。實際調試過程中將吹灰蒸汽壓力降低，并退出程控，一支一支手動吹灰，減少吹灰對氣流的擾動，特別是省煤器區域和導流板區域，吹灰效果良好，并未再次出現塌灰事故。

4.3 受熱面積灰監測

受熱面污染系數可用來評估受熱面積灰程度，更加準確地監控受熱面積灰情況[12-17]。基于鍋爐熱量平衡和質量平衡等，從省煤器出口開始，逆煙氣流程逐段進行各級受熱面的熱平衡和傳熱計算，得出各級受熱面的實際傳熱系數理想傳熱系數。兩者差異越大，表示受熱面積灰污染越嚴重。運行過程中，根據所測受熱面污染情況，及時對積灰嚴重的受熱面進行吹掃，有效避免鍋爐塌灰。

5 結語

本文從某塔式爐受熱面布置的結構參數、煙氣流速、煤質等方面研究了其積灰特性，并分析了其塌灰過程中爐膛壓力變化的原因，提出了避免塌灰頻繁發生的對策，即優化吹灰方式并對受熱面污染程度進行監測，特別是省煤器區域，避免大面積塌灰，確保鍋爐的安全穩定運行。本文對國內同類型鍋爐具有極大的借鑒價值。

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(編輯 徐林菊)

Formation Mechanism and Preventive Countermeasures ofAsh Collapsing in 1000 MW Double-reheat Tower Type Boiler

WANG Xiang, YIN Lingxiao

(Jiangsu Hongyuan Electirc Power Construction Supervision Co., Ltd, Nanjing 210096, China)

Research on the ash deposition characteristics of tower boilers is carried out from the aspects of structural parameters, flue gas flow rate, and burning coal quality of the heating surface, for an ash collapsing accident in 1000 MW double-reheat tower type boiler. The causes and hazards of the heating surface ash deposition is also analyzes，and the reasons for the change of furnace pressure during the process of ash collapsing is explained. Measures to avoid serious ash deposition were put forward when the boiler heating surface operates in the low load， which can avoid frequent occurrence of ash collapsing accidents. It is of reference to the operation of the same type of boiler.

double-reheat; tower type boiler; ash deposition; ash collapsing

2017-02-11；

2017-03-13

TK227.3

A

2096-3203(2017)04-0155-06

王 祥

王 祥(1988—)，男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向為火電廠建設(E-mail：510162781@qq.com)；

尹凌霄(1989—)，男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向為火電廠建設(E-mail：157987315@qq.com)。