防磨梁在電廠鍋爐長周期運行中的應用

(吉林燃料乙醇有限責任公司生產技術處，吉林 132101)

0 引 言

對于循環流化床(CFB)鍋爐普遍存在水冷壁受熱面磨損嚴重的問題，如不采取措施或采用措施不當，往往會在鍋爐投運幾個月后逐漸暴露出來，鍋爐頻繁爆管，尤其是鍋爐燃用劣質煤(煤矸石摻燒比例大、灰分高)時問題更加突出，給電廠帶來很大的經濟損失，成為電廠最為棘手的問題之一[1]。

在國內防磨治理上，一般采取了噴涂等防磨措施，可以在一定程度上緩解磨損，但是其防護周期短，無法有效的提高鍋爐連續運行時間，反復噴涂費用不菲，實際上并沒有離開“先磨損后治理”的傳統防磨路線。通過噴涂等防磨措施，CFB鍋爐依舊無法擺脫爐內受熱面頻繁磨損爆管[2-3]。可以看出，爐內受熱面磨損嚴重影響電廠的安全、穩定和經濟運行，每年給電廠造成的直接損失達數百萬元。此外“停爐-檢修-防磨處理-啟爐”這一過程不但需要很長一段時間，而且會耗費大量的人力和物力，給電廠造成很大的直接、間接經濟損失。

1 鍋爐運行現狀及問題

某公司自備熱電廠安裝有3臺哈爾濱鍋爐廠生產220 t/h、單汽包、自然循環、高溫高壓循環流化床鍋爐，型號為HG-220/9.8-L.YM27，最大連續蒸發量220 t/h。電廠鍋爐2003年開始投入運行，運行方式為兩開一備，為公司主裝置生產提供穩定汽源。連續多年運行，鍋爐不可避免發生磨損問題，影響了鍋爐長周期運行。經過多年磨損和實踐，采取計劃運行、定期檢修的措施，以保證連續供汽生產。目前鍋爐運行時間基本保證在100天左右，每年按計劃進行鍋爐輪修，檢修次數7-9次不等。對于CFB鍋爐，磨損仍然是影響連續安全運行的最大隱患，考慮到目前的防磨措施較少，只采用定期噴涂、澆注料防護等方法，爐內磨損仍持續加劇，特別是爐內密相區與水冷壁管交界處、爐膛四角區域、爐膛出口煙窗區域、爐膛中部管壁、屏穿墻區域及爐內不規則區域等部位，這些區域處理難度大、檢修周期長，加之公司是連續生產單位、冬季除了生產外，還附加供熱負荷等因素，鍋爐負荷偏高，如果不采取有效的防磨措施，將給電廠生產運行帶來了巨大壓力。

因此，需要采取一種行之有效的防磨綜合治理，有效地整體地解決爐內受熱面磨損問題。

2 采取的防磨改造措施

2.1 防磨綜合治理技術

目前防磨梁是國內應用比較多的鍋爐防磨技術，此項技術是華能清能院經過多年的潛心研究和實際試驗，針對CFB鍋爐提出了防磨綜合治理技術。由于引起循環流化床鍋爐水冷壁磨損的原因較多，其中包括設計原因、運行原因和檢修維護原因等。循環流化床鍋爐水冷壁的磨損治理必須考慮上述原因的影響。內容包括鍋爐試驗、防磨裝置設計與安裝、鍋爐運行調整三部分工作。

鍋爐試驗主要包括風量標定試驗、流化特性試驗、布風均勻性試驗。防磨裝置設計安裝主要包括防磨裝置的方案設計、施工工藝設計、施工安裝。鍋爐運行調整主要研究鍋爐運行參數，提供鍋爐運行參數建議，延長鍋爐連續運行時間。

防磨裝置設計安裝采用華能清能院開發的第二代防磨專利技術，從主動降低貼壁流的灰濃度與速度著手，根本上控制導致磨損產生的因素，可以實現對整個鍋爐爐膛受熱面進行防護。

防磨裝置是通過耐磨耐火澆注料形成凸臺，并用銷釘將凸臺固定在水冷壁上，凸臺沿水冷壁高度方向以一定間距水平或傾斜多階布置，該方式的優點在于：

(1)降低了爐膛貼壁流的速度和濃度，消除了造成水冷壁磨損的根源；

(2)現場安裝簡單，不需對爐膛水冷壁進行大量改造；

(3)運行可靠，檢修方便。

2.2 防磨綜合治理方案

根據鍋爐實際運行情況，設計安裝主動多階防磨裝置8道，如圖1所示，總覆蓋水冷壁面約28 m2，覆蓋面積約占爐膛受熱面總面積1 050 m2的2.7%。

為防止對傳熱產生影響，防磨梁采用傳熱能力更強的SiC耐磨可塑料，由于傳熱系數的增加，總防磨梁道數相于常規設計的5.5道。加裝主動多階防磨裝置對床溫提高影響會比較小。從理論角度分析，因此床溫若升高15 ℃以內，通過增加分離器提效改造及燃燒優化可以進一步降低。

圖1 設計方案示意圖

2.3 分離器提效改造

從旋風分離器運行上說，只有當分離器完成了含塵氣流的氣固分離并連續地把收集下來的物料回送至爐膛、實現灰平衡及熱平衡，才能保證爐內穩定與高效燃燒。就整個系統結構而言，分離器設計和布置是否合理直接關系到鍋爐系統制造、安裝、運行、維修等各方面的經濟性與可靠性[4-5]。

分離器設計時首先需要結合分離器的運行條件確定分離器關鍵結構尺寸，一般來說根據爐膛出口煙氣量和額定工況下推薦的入口煙氣速度可以確定入口面積、筒體直徑，之后再根據這些數據確定其他各項參數，完成初步設計后再根據不同的需要進行局部調整。鍋爐在實際投入運行后，由于煤種變化、入爐煤粒度偏差、因爐膛防磨改造導致床溫增高等原因導致鍋爐循環灰量相對不足，分離器效率無法滿足鍋爐在原設計參數下運行。提高分離效率最好的解決途徑就是對其分離器結構進行改造。

根據設計資料分離器入口高度為3 600 mm，寬度為1 560 mm，煙氣速度約為20.9 m/s。在實際運行過程中發現，鍋爐稀相區差壓偏低，說明循環灰量不足進而導致床溫偏高等問題。為提高分離器效率，需對現有分離器結構進行改造。通過增加分離器進口耐磨料層的厚度，減少進口面積增大進口煙氣流速可以提高分離效率。進口煙速在一定范圍內越高，分離效率越高，但運行阻力也越大。進口煙速過高，二次攜帶嚴重，卻使效率降低。另外，煙速過大，壓力損失也大大增加，能量損耗太大，而且也會加速對分離器本體的磨損，使運行壽命降低。

根據設計經驗既保證分離效率又考慮能量消耗，本次改造設計時，增加凸臺縮口后進入分離器入口煙氣流速由原來的20.9 m/s增加到24 m/s，效率有望進一步提高。

3 運行效果

3.1 鍋爐負荷及床溫

3號鍋爐改造前大負荷試驗期間，鍋爐負荷210.54 t/h，床溫958 ℃，已達床溫允許上限。改造后鍋爐運行在同等負荷下，鍋爐各項參數穩定，床溫未超允許值。改造后鍋爐床溫對比改造前大負荷試驗結果，鍋爐床溫明顯降低。

圖2 3號鍋爐改造前運行畫面(負荷210 t/h，床溫958 ℃)

圖3 改造后鍋爐運行畫面(負荷206 t/h，床溫902 ℃)

3.2 鍋爐運行周期

3號鍋爐自2016年10月10日點火啟動，12月16日停爐。運行68天，停爐進行一次爐內檢查，未發現水冷壁磨損情況。2017年2月16日06∶00再次啟動運行至2017年6月10日，累計運行183天。運行時間基本達到預期效果，檢查水冷壁管子整體磨損情況，磨損程度比照以往顯著減輕，水冷壁未發生大面積減薄現象，僅在局部位置有側向磨損現象，分析是由于煤質變化引起鍋爐一次風量增加以及爐內配風不均勻而導致的磨損。

3.3 灰循環系統運行異常

3號鍋爐改造后初期運行基本穩定，各項參數都處于正常范圍。運行一個月后，在2016年11月中旬和12月中旬分別出現回料不暢的情況。回料不暢的原因經分析認為：鍋爐返料能力余量不足，改造前鍋爐就出現過返料波動現象，改造后由于入爐煤熱值下降，灰分比之前大幅上升，再加上分離器提效后分離效率提升，導致爐內循環物料顯著增加，受限于返料器能力不足的因素，發生返料波動現象。

4 運行問題分析及處理

4.1 側向磨損檢查及處理方案

磨損原因分析：根據磨損集中部位及磨損方向，分析是由于循環灰量增加、一次風量增大以及配風不均勻導致的局部磨損。冬季以后由于煤源緊張，來煤較雜，煤中含有矸石及石塊較多；且冬季鍋爐負荷大，也是鍋爐一次風量大的原因。

防磨處理措施：磨損位置補焊、嚴重磨損區域增加防止側向磨損的防磨板、防磨梁四角增加可塑料。防磨梁上部和下部的區域需增加防磨噴涂，以減輕局部磨損。噴涂區域覆蓋防磨梁上、下300 mm。

圖4 四角處防磨

4.2 磨損缺陷消除后的效果

檢修消缺后， 3號鍋爐再次啟動，運行63天后停爐進行鍋爐內部檢查，重點對上次發現的184個磨損點進行檢查，未發現明顯局部磨損。

圖5 停爐檢查防磨片(局部磨損消除)

4.3 鍋爐回料異常情況及分析

3號鍋爐實施了防磨梁改造，為避免由于防磨梁安裝后出現鍋爐床溫上漲的情況，同時通過水平煙道加裝導流凸臺對分離器效率進行了提效改造。

3號鍋爐改造后初期運行基本穩定，各項參數都處于正常范圍。運行一個月后，分別出現回料不暢、床壓大幅波動的情況。分析其原因主要有以下幾點：

(1)由于10月以后隨著入廠煤熱值下降、灰分升高(熱值從4 800大卡降至4 100大卡、灰分從30%增至40%)等原因導致鍋爐循環灰量增大，結合改造過程對分離器效率的提升，使得循環灰量遠高于改造前；

(2)鍋爐回料閥設計余量偏小，鍋爐投產后間斷出現過多次返料波動情況；

(3)回料閥設計存在欠缺，布風板阻力偏大，風帽小孔出口風速接近100 m/s(常規設計值為40～50 m/s)，翻墻高度設計偏大(超過2 m)；

(4)回料閥左側松動母管風量偏低，回料閥風量分配存在偏差。

4.4 解決方案

考慮到鍋爐煤種變化，按照最新入爐煤種重新對分離器效率進行核算，對分離器進行二次優化，改造后滿負荷煙氣速度改為22.5m/s。分離器入口煙道尺寸優化后可一定程度上降低循環灰量，進而減小回料閥波動。

3號鍋爐現有兩臺回料閥，安裝風帽62只，其中松動風帽21只，返料風帽41只。松動風帽和返料風帽均勻分布4個小孔，孔徑分別為5.5 mm和6 mm。高壓流化風機采用羅茨風機，風機出口設計壓力60 kPa，風量3 638 m3/h，采用1運1備方式運行。

圖6 回料閥結構圖

根據風機風量以及布風板設計參數，松動風帽和返料風帽小孔出口風速分別達到了96.2 m/s和97.9 m/s，風帽阻力超過11 kPa，風速和阻力都遠大于常規設計值。需要后期對布風板風帽進行改造，將小孔風速調整至40～50 m/s。為優化鍋爐返料器，對返料器風帽進行改進。主要針對當前返料器風帽小孔風速過高進行了適當調整，以優化松動風和返料風的配比。改造后布風板阻力更加合理，布風均勻性效果良好，返料器運行有一定效果改進。

圖7 改造后回料閥流化試驗布風均勻性

5 高壓流化風改造

3號鍋爐存在回料閥間歇性返料不暢的現象，為了在返料異常時加快回料閥返料，可通過臨時增加高壓流化風量的方法加以改善。從廠用壓縮空氣母管處因一路管道至高壓流化風母管，管道加裝減壓閥(為確保管道嚴密性，在壓縮空氣母管接口處加裝截止閥)，管道采用DN80(或DN100)碳鋼管道。在運行過程中，如發生返料波動情況可打開減壓閥以提高高壓流化風量，打開壓縮空氣減壓閥時注意觀察高壓流化風母管壓力，防止高壓流化風機過流跳機。

圖8 回料閥高壓風示意圖

方案實施效果

經過2017年3號鍋爐回料閥風帽更換、高壓流化風管路調整和旋風分離器入口煙道尺寸調整，在后續的運行期間，3號鍋爐發生回料異常的情況明顯降低。在鍋爐緊急加減負荷過程中，偶爾有過輕微波動，不影響鍋爐穩定運行。

6 改造前后鍋爐磨損對比

表1給出了2016年7月3號鍋爐加裝防磨梁后到2018年末，對三臺鍋爐檢修換管量統計。從鍋爐整體磨損情況來看：3號鍋爐進行防磨梁改造后，水冷壁磨損更換水冷壁管根數、換管總長度要比其它爐要少；且進行爐膛檢查，管壁厚度沒有明顯急劇減薄情況。水冷屏、二過和風帽更換數量相當，反映鍋爐運行工況和磨損量基本相當，綜合對比說明鍋爐防磨梁改造，起到了對減輕水冷壁磨損的效果。

表1鍋爐受熱面及磨損部件數量對比

7 結束語

鍋爐防磨梁在我公司熱電廠應用過程中，使鍋爐爐膛水冷壁整體磨損減輕，延長了鍋爐運行時間，防磨效果明顯。另外，由于燃煤中含有矸石，且運行一次風量偏大，導致出現了水冷壁局部磨損情況，后經增加防磨護板、增加噴涂等措施消除缺陷。由于鍋爐旋風分離入口煙道尺寸調整，使分離效率提高，在發生煤質和負荷波動時，尤其是在回料系統有缺陷的情況下，會造成灰循環系統工作異常，發生灰循環停滯、波動情況。在下一步鍋爐防磨梁改造工作中，需要借鑒目前掌握的經驗，充分考慮煤質變化、運行調整、輔助噴涂防磨和灰循環系統檢查等措施內容，充分做好爐膛中間部位受熱面磨損防治措施等內容，完善鍋爐防磨技術，減輕受熱面磨損，保證鍋爐運行穩定，達到延長鍋爐運行周期目的。