1 000 MW二次再熱塔式鍋爐塌灰原因分析及應對措施

崔曉光

(國電泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327)

0 引言

塔式鍋爐因適用多種煤種、爐內煙氣流場分布均衡、對流受熱面易疏水可酸洗等優勢[1]，在已投產和在建的大容量鍋爐中占比日漸增大。但在應用過程中也發現，低負荷時，布置于爐膛正上方受熱面的積灰層形成較快，受到擾動時積灰層可能大面積塌落，導致鍋爐火檢閃爍、喪失甚至觸發鍋爐主燃料跳閘(MFT)。因此，迫切需要探究影響受熱面積灰的主要因素和塔式鍋爐塌灰原因，并制訂出應對辦法。

1 系統概況

某公司二期工程2×1 000 MW機組采用SG-2710/33.03-M7050型、超超臨界、二次再熱、單爐膛、四角對沖切向燃燒、變壓運行塔式鍋爐。

該型鍋爐未設計后豎井，所有過、再熱器受熱面均水平布置在爐膛正上方，并且由于采用二次中間再熱，上部受熱面布置較為緊湊。自下而上依次布置了低溫過熱器、組合式高溫受熱面(高溫過熱器，一次/二次高溫再熱器的冷段、熱段)。接下來，分隔煙道隔墻將上部豎井分為前后兩部分，前豎井先后布置了一次再熱低溫再熱器和前煙道省煤器，后豎井布置了二次再熱低溫再熱器和后煙道省煤器。豎井頂部出口煙道拐角處設置了雙煙道煙氣擋板，調整流經前后煙道的煙氣量，以平衡一次、二次再熱器汽溫。各受熱面布置示意圖如圖1所示。低溫過熱器和一次、二次再熱高溫再熱器冷段呈半輻射半對流特性，其余受熱面呈對流特性。

圖1 1 000 MW二次再熱塔式鍋爐對流受熱面布置示意

2 影響受熱面積灰的主要因素

受熱面積灰指的是低于灰熔點的灰粒聚集在受熱面管束的外表面，一般發生在對流受熱面。按照積灰層強度，可分為黏結性積灰和松散性積灰兩類。黏結性積灰的形成，是堿金屬硫酸鹽等活性顆粒黏附在管束外表面并與煙氣中某些成分產生化學反應所致，其特性是隨著煙氣流速增大，質地愈發堅硬緊密，抗壓強度可以達到20 MPa，極難被清除；松散性積灰則是因為細小的中性灰粒沉積在管束外表面，其過程為物理過程，灰層疏松，機械強度低，容易被清除[2]。因此，鍋爐塌灰一般是受熱面管束外表面上聚集的松散性積灰受到擾動瞬間塌落形成的。

受熱面積灰過程主要受到煙氣流速、飛灰濃度、管徑、管束布置方式、管排數量等因素的影響。

2.1 煙氣流速

管子錯列布置時積灰情況如圖2所示。根據有關試驗，煙氣流速較低(5 m/s以下)時，在受熱面管子的迎風面略有積灰；在管子的背風面形成楔形積灰層，飛灰沉積較多；兩側的管壁受到飛灰沖刷作用，通常沒有積灰存在[3]。隨著煙氣流速的逐級增加，飛灰中粗灰顆粒的沖刷侵蝕降低了管壁迎風面和背風面的積灰層厚度。在煙氣流速一定的前提下，管子背風面的渦流區內，細灰沉積形成積灰層逐級與粗大灰顆粒沖刷破壞積灰層之間形成平衡時，積灰層厚度不再無限增加，存在最大值。

表1 對流受熱面不同負荷下煙氣流速 m/s

圖2 管子錯列布置時積灰情況

表1為生產廠家提供的不同負荷時各受熱面的煙氣流速情況。由表1可以看出：一方面，沿爐內煙氣流程，受熱面區域的煙氣流速逐級變緩，上部受熱面管束上更易形成大量積灰；另一方面，隨負荷降低，煙氣流速也隨之降低。在50%負荷及更低負荷時，各受熱面區域的煙氣流速不足5 m/s，此時各級受熱面管束上的積灰層增長較快且灰層較厚。

2.2 飛灰濃度

在受熱面結構和煙氣流速等條件一定的前提下，受熱面飛灰沉積層的厚度存在一個最大值，而煙氣中飛灰濃度的大小只是影響了達到該最大值的時間長短。因此，針對入爐煤種所含灰分的高低，需要及時調整吹灰時間間隔。

2.3 受熱面布置結構

受熱面管排錯列布置時，管排間煙氣流向受阻發生改變，管子背部受到沖刷，積灰特性減弱，若此時管束間縱向間距減小，管子背部受到的沖刷將更強。受熱面管排順列布置時，煙氣對第1排管子的背部和后續管排的沖刷較弱，積灰特性增強，若此時管束間縱向間距減小，管子受到的煙氣沖刷將進一步減弱，飛灰更容易將管束之間的間隙填滿。管排間橫向間距一般設計值較大，對積灰沒有太大影響。針對該鍋爐而言，各受熱面采用順列布置，縱向間距設計較小(65～95 mm不等)，在入爐煤灰分較大時，低負荷時段，煙氣流速下降，各受熱面更易積灰。

3 受熱面塌灰原因及應對方法

由上面分析可知，受熱面在低負荷時更易積灰，隨著時間推移和煙氣飛灰濃度的增加，受熱面的積灰會逐級達到峰值。根據計算，如果鍋爐受熱面管束間積灰形成搭橋，填滿管屏內部間隙后，積灰體積可達數十立方米。和Π型鍋爐相比，塔式鍋爐各受熱面均布置在爐膛上部，各受熱面沉積的灰層一旦塌落，將全部落至下方爐膛，對爐內的燃燒進程產生極大擾動。

3.1 受熱面塌灰原因

鍋爐塌灰一般是受熱面管束外表面上聚集的松散性積灰受到擾動瞬間塌落形成的。促使松散性積灰積聚形成沉積層的作用力主要是熱泳力、靜電力和氣態擴散作用等，破壞飛灰沉積的作用力主要是灰粒重力、氣流的沖刷剪切力和飛灰對積灰顆粒的碰撞力[2]。當受熱面的積灰層達到一定程度，遇到機組加負荷或進行吹灰時煙氣流速突然變大，促使積灰層積聚的作用力不足以對抗破壞積灰層沉積的作用力時，受熱面積灰脫落。受熱面管排間的大量積灰受擾瞬間向四周灑落，進一步加劇煙氣流場擾動，形成雪崩式的鏈式反應。積灰在從上部受熱面向下方滑落的過程中，動量增加，從而帶動下方受熱面的積灰層整體塌落，形成塌灰。當積灰大量塌落時，灰粒遮擋鍋爐火焰檢測器前的光線、吸收煙氣熱量，影響煤粉穩定燃燒，造成檢測到的火焰強度閃爍，甚至火檢信號失去，導致制粉系統跳閘，并可能引發鍋爐MFT。

在該機組調試階段，進行鍋爐帶壓放水、熱爐上水操作時曾發生過受熱面塌灰。分析結果表明，鍋爐帶壓放水前，螺旋管水冷壁溫度低于該壓力對應的飽和溫度，工質為液態，而垂直管水冷壁溫度仍較高，工質為氣態，在進行鍋爐放水操作時，工質發生氣態向液態的轉變，形成氣液兩相流動，導致中間聯箱、三叉管等部位產生激振力，引起鍋爐中間聯箱附近的螺旋管和垂直管水冷壁大面積振動，傳導至上部受熱面，造成受熱面積灰受擾塌落；而熱爐上水時與之類似，鍋爐上水時給水溫度較低，省煤器管壁溫度仍然較高，工質汽化引發水擊，造成省煤器管束振動，省煤器區域的積灰受擾掉落，引起自上而下的大面積塌灰。由于當時鍋爐處于悶爐狀態，風煙系統擋板關閉，在這樣的密閉空間內部，積灰受擾塌落，導致局部區域壓力瞬間下降，形成卷吸作用，使得冷空氣與灰粒一同下落。在下落過程中，冷空氣被溫度仍較高的受熱面管束和管束間沉積的灰顆粒、渣塊加熱，氣體體積迅速膨脹，爐膛內部壓力瞬間上升，造成結構薄弱部位如煙道膨脹節等受損。

3.2 受熱面塌灰的應對方法

對于燃煤鍋爐，由于煙氣中含有大量的飛灰顆粒，無可避免地會造成各級受熱面積灰。對于預防受熱面塌灰，抑制積灰層的過量和過快沉積是解決問題的優先選擇。

3.2.1 及時進行吹灰

適時進行吹灰是預防受熱面塌灰最實用的方法。一般在鍋爐連續低負荷運行24 h后，應及時吹灰，如果燃用煤種灰分較高，應適當增加吹灰頻率。在吹灰初期可能會有少量塌灰，造成鍋爐火檢閃爍，但如果因此中斷吹灰，受熱面積灰層會繼續增長，待高負荷再吹灰時，煙氣流速增加對積灰層的自吹灰效應與吹灰汽流擾動相疊加，極易引發受熱面的大面積塌灰。吹灰時，可采取降低吹灰蒸汽壓力、先投下層吹灰器再投上層吹灰器、先投中間吹灰器再投兩側吹灰器、吹灰器單根投入的方法減少煙氣流場擾動，來防范受熱面塌灰的發生。新機組調試階段，吹灰系統首次投入時也可采用上述方法來減少受熱面塌灰帶來的擾動。

3.2.2 受熱面積灰在線監測

鍋爐受熱面積灰在線監測系統通過分散控制系統(DCS)采集、分析受熱面各區域工質溫升、蒸汽流量、煙氣入口溫度等參數，計算出各級受熱面的灰污特征參數，通過這種方式實現了在線實時反映受熱面積灰程度[4-5]。在運行過程中，根據受熱面灰污特征參數的變化，有針對性地投入積灰嚴重區域的吹灰器，并監測吹灰器投用后的效果，避免盲目投入吹灰器導致過度吹灰或吹灰效果未達預期，從而有效預防受熱面塌灰的發生。

3.2.3 改善入爐煤質

受熱面的積灰特性與入爐煤的煤灰性質有關，主要影響指標有灰分、煤灰軟化溫度、堿金屬含量、硅鋁比等[2]。當發現受熱面易積灰或預計節假日期間長期帶低負荷時，應調整入爐煤種，降低入爐煤灰分，燃用堿金屬含量低的煤種或配煤時摻加不易積灰的煤種，來改善受熱面積灰狀況。

4 結束語

二次再熱機組具有更高的效率，因此得到越來越多的應用。本文以某二次再熱塔式鍋爐為研究對象，分析了塔式鍋爐受熱面塌灰的原因，提出了優化受熱面吹灰方式、調整煤種等方法，避免受熱面大面積塌灰，保證了鍋爐的安全、穩定運行。