2 060t/h超超臨界電站鍋爐水冷壁高溫腐蝕的研究及防護措施

崔二光

2 060t/h超超臨界電站鍋爐水冷壁高溫腐蝕的研究及防護措施

崔二光

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016）

針對2 060t/h超超臨界電站鍋爐OPCC型燃燒器附近水冷壁管發生的高溫腐蝕，明確腐蝕產物，分析高溫腐蝕機理；然后根據該電站鍋爐的實際情況，確定燃用煤質差異、管壁高溫、前后墻對沖的燃燒方式和OPCC型燃燒器出口擴錐角度是產生高溫腐蝕的主要原因。提出對OPCC型燃燒器進行針對性改造、適當調整摻配混煤粉細度、濃度、利用貼壁型側邊風技術、增加噴涂工藝等防護措施。

電站鍋爐；水冷壁；高溫腐蝕；前后墻對沖燃燒；OPCC型燃燒器

1 案例

某廠2臺660MW燃煤發電機組，鍋爐為DG2060/26.15-II2型超超臨界直流電站鍋爐。鍋爐大體形式為露天布置的全鋼構架懸吊Π型結構，單爐膛、前后墻對沖燃燒（OPCC型）方式、一次中間再熱、尾部前后煙道布置、采用平行擋板調節再熱氣溫，固態排渣，平衡通風。

該型爐的水冷壁和燃燒器布置如圖1所示，整個爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛下部為螺旋水冷壁，上部為垂直水冷壁。螺旋水冷壁管均為六凸、螺旋角度為60°的內螺紋管，管子規格為Φ38mm×7.0/7.5mm，材料為15CrMoG/SA-213T2。制粉系統采用正壓直吹式制粉系統，配6臺HP983型中速磨，燃燒器為某公司開發設計的OPCC型（外濃內淡）低NOxOPCC型燃燒器，鍋爐燃燒器整體布置示意圖如圖2和圖3所示。

2015開始運行至2016年首次大修期，1號爐累計運行10 102h，進行內部檢驗時發現：最上層燃燒器水平高度及以上2m范圍內左右墻水冷壁存在不同程度高溫腐蝕現象，高溫氧腐蝕產物為片層狀的剝落物。去除氧腐蝕產物后，水冷壁管母材表面有均勻磨損的平面，嚴重處，水冷壁管實測壁厚已經小于理論壁厚，如圖4所示。

現場檢驗時，超聲波測厚儀厚度抽查腐蝕處左墻水冷壁剩余壁厚為6.0～7.0mm，右墻水冷壁剩余壁厚為5.7～7.1mm，此處管子規格Φ38.1mm×7.5mm，最嚴重處管子的剩余壁厚已經遠遠小于設計最小需要的壁厚6.75mm，發生高溫腐蝕部位的水冷壁管的腐蝕速率很高，剩余壁厚已經不能保證強度要求，水冷壁管隨時都可能發生爆管，嚴重影響鍋爐的安全運行。

圖1 水冷壁及燃燒器總體布置圖

圖3 鍋爐爐膛前視圖

圖4 氧化物剝落后的管截面

2 水冷壁高溫腐蝕的機理

高溫腐蝕主要分為硫酸鹽腐蝕和硫化物腐蝕，前者多在電站鍋爐高合金受熱面管如過熱器和再熱器等部件發生，后者多在爐膛燃燒器附近的水冷壁部件發生，所作腐蝕產物分析試驗結果均表明爐膛燃燒器附近的水冷壁高溫腐蝕類型為高溫硫腐蝕。

高溫硫腐蝕產生的區域一般在燃燒器中心線位置標高以上部位，也有部分腐蝕產生在以下部位，有結焦和不結焦的受熱面管均可能存在腐蝕。腐蝕區域的水冷壁表面有較多的灰、焦、垢等沾污。這種OPCC型燃燒器出口附近的溫度為1 400～1 600℃，煤中的礦物質及雜質等成分極易揮發出來，且該區域煙氣中的H2S、SO2、H2等腐蝕性氣體成分較多，就造成該區域持續處于還原性氣氛中。通過與運行人員交流發現，一般情況下，鍋爐腐蝕嚴重的水冷壁，其腐蝕區域的煙氣中均存在含量較高的H2S氣體和還原性氣氛。

3 該爐水冷壁產生高溫腐蝕的原因

3.1 實際煤種與設計、校核煤種不一致

①近年來，由于動力煤炭資源供求不斷波動，火力發電企業為了保證機組正常運行，所以在燃料來源和品質等方面的選擇比較被動，一些高硫煤使用量不斷增加，這為高溫腐蝕的產生提供了條件。

②該鍋爐實際使用的是摻配混煤，其特點是硬度較大，不容易粉碎，著火較困難，燃燒延遲。部分揮發分含量小、灰分多的難燃煤，具有著火困難、易滅、著火推遲等特點［1］。這導致OPCC型燃燒器出口附近水冷壁管未燃盡的煤粉大大增加，嚴重時會造成此區域氧氣不足，因而產生腐蝕性氣體和還原性氣氛，為水冷壁管腐蝕的出現提供了條件。

3.2 水冷壁管壁溫度高

隨著近年來電站鍋爐裝機容量的增大（一般在600MW以上），壓力、溫度、材料及壁厚等不斷升級，水冷壁管溫度也較之前有較大提升（一般在420℃以上），且對此類鍋爐機組，鍋爐的斷面和容積熱負荷都比較大，這也為水冷壁管壁的高溫創造了前提。以一個實驗來說明，對12Cr1MoVG鋼樣進行試驗，在300～500℃范圍內，每升高10℃，其腐蝕速度增加0.3～0.4g/（m2·h）；在溫度為440℃和460℃時，分別達到3.5g/（m2·h）和4g/（m2·h）。另外，壁溫相差20℃的相鄰管子，腐蝕程度相差1倍以上。

3.3 燃燒方式的影響

該鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式，OPCC型燃燒器布置如圖1-3所示。前后墻兩側燃燒器出口的煤粉易偏向兩側墻水冷壁，隨著燃燒器出口旋流強度的增加，這種現象更加嚴重，最終，燃燒器出口的兩側墻一定范圍內易形成還原性氣氛。在實際鍋爐運行過程中，由于一、二次風機及給粉機運行不穩定、管路阻力過大等原因，靠兩側墻的旋流燃燒器可能出現風少粉多或煤粉較粗等情況，在這種情況下，就更容易在兩側墻集中煤粉而形成缺氧還原區［2］。同時，隨著環保要求不斷提升，為了進一步降低NOx的排放，該鍋爐使用了加裝頂部燃燼風（OFA）和分級送風等原理，使鍋爐爐膛內中、下部風量驟降，造成燃燒器區域熱負荷大、燃燒器區域兩側墻附近小，更容易產生腐蝕性氣體和還原性氣氛，容易發生高溫腐蝕。

3.4 OPCC型燃燒器出口擴錐角度的影響

電站鍋爐冷態試驗、燃燒器計算機模擬等分析結果表明，鍋爐爐膛高溫腐蝕與燃燒器出口的氣流狀況有間接關系，其中，燃燒器出口擴錐角度是引發鍋爐煤粉易偏向兩側墻的主要原因，燃燒器設備狀態（燒損、變形和脫落等）會進一步加劇鍋爐爐膛還原性氣氛。由于設計燃燒器出口擴錐角度偏大，上述問題引起燃燒器出口流場擴散偏大，火焰卷吸煤粉至燃燒器周邊區域沉積導致鍋爐爐膛高溫腐蝕，而燃燒器本身的燒損也會大大增加電站鍋爐爐膛內高溫腐蝕的風險。

4 降低爐膛內水冷壁管高溫腐蝕的措施

4.1 對OPCC型燃燒器進行針對性改造

針對使用OPCC型燃燒器的前后墻對沖燃燒方式的電站鍋爐，創新性地開展冷態試驗研究。該試驗方法建立在相似模化基礎上，采用飄帶示蹤的方式，觀察和測量了燃燒器出口的氣流形態、擴散角的大小和回流區的形狀及大小，探討導致鍋爐高溫腐蝕的燃燒器設計、安裝及運行調整方面的原因，并分析各個因素對氣流形態、擴散角和回流區的影響。根據燃燒器模擬結論，在燃燒器外二次風上加裝新擴錐，由此將燃燒器出口擴錐角度減小至35°，有效改良了燃燒器氣流結構，并參照日立HTNR3型燃燒器的設計理念，降低旋流強度并使燃燒器點火推遲，對OPCC型燃燒器出口擴錐進行改造，從而降低燃燒器噴口溫度。通過一段時間的運行來看，該項改造能有效降低爐內出現的局部還原性氣氛，以減少硫化物型腐蝕。

4.2 各OPCC型燃燒器出口燃料分布要一致

鍋爐運行過程中，如果向各燃燒器輸送燃料不均勻，則各燃燒器出口附近爐膛內的煤粉空氣配比就會不合理，易導致爐膛內水冷壁管附近區域出現局部缺氧、著火困難和燃燒不穩定等現象，最終使水冷壁管出現高溫腐蝕。優化方法：首先，盡可能地降低彎頭數量、減少管道長度，從而使輸煤管道阻力一致；其次，在輸煤管道內裝設如十字形隔板、彎頭處的導流板等裝置，消除輸煤管道內氣流旋轉和顆粒慣性分離。

4.3 控制好摻配混煤粉的細度

如果部分混煤的硬度大，不易粉碎，那么一些大顆粒煤粉會造成火焰沖刷水冷壁管、附近燃燒強度高、煤粉難于燃盡等，從而引發高溫腐蝕和沖刷。通過一些試驗數據發現，當煤粉細度為8.2%～13.8%時，水冷壁管附近的高溫腐蝕是煤粉細度為6.2%～8.0%時的數倍。此外，當OPCC型燃燒器供粉不合理及燃燒器燒損時，更容易發生高溫腐蝕和沖刷。因此，要充分考慮每臺鍋爐自身的實際情況，控制好合適的摻配混煤粉細度，以滿足燃燒器的要求。

4.4 爐膛內的水冷壁管增加噴涂手段

利用電弧噴涂在爐膛內可能發生腐蝕的水冷壁區域噴涂防磨防腐材料，可最大限度地防護水冷壁管，使其在一段時間內降低高溫腐蝕發生機會。該方法簡單，涂層均勻且很薄，對水冷壁傳熱影響很小，但價格太高。目前，大部分發電企業采用等離子體噴涂水冷壁管，有效使用周期可達4～6年，基本滿足了鍋爐檢修周期的需要。

5 結語

該臺電站鍋爐水冷壁管高溫腐蝕成因和防護的研究雖然取得了一些成績，為今后處理類似問題積累了寶貴經驗。但是，考慮到每臺電站鍋爐的自身差異和運行情況較為復雜，因此，具體問題還要具體分析，切不可生搬硬套，尤其在燃燒器的改造和治理措施方面。

［1］黃新元.電站鍋爐運行燃燒調整［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］曾漢才.大型鍋爐水冷壁的高溫腐蝕故障分析［J］.華中電力，2001（4）：5-8.

Study on High Temperature Corrosion of Water Wall in 2 060t/h Ultra Supercritical Power Plant Boiler and Its Protective Measures

Cui Erguang
（The Boiler&Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016）

For the high temperature corrosion of the water-cooled wall tube near the OPCC-type burner of the 2 060t/h ultra-supercritical power plant boiler,the corrosion products were analyzed,and the mechanism of high temperature corrosion was analyzed.According to the actual situation of the power plant boiler,It was fond out the main reason for the high temperature corrosion that the difference of coal quality,the high temperature of the pipe wall,the combustion mode of the front and rear wall and the expansion angle of the OPCC burner.Some Protective measures were proposed∶targeted transformation for OPCC-type burner,Appropriate adjustment the fineness and the concentration of mixed-coal powder,the use of side wind technology,doing more spraying process

power plant boiler；water wall；high temperature corrosion；front and rear wall hedging combustion；OPCC burner

TK224.9

A

1003-5168（2017）09-0032-03

2017-08-02

崔二光（1979-），男，本科，工程師，研究方向：承壓類特種設備檢驗檢測研究。