燃煤電廠低溫省煤器泄漏分析及檢測、預防方法初探

謝慶亮

(福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

在燃煤電廠中，水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器合稱為鍋爐“四管”，鍋爐”四管”泄漏占火力發電機組各類非計劃停運原因之首[1]。近年來，設置于電除塵器前的低溫省煤器作為“第五管”，雖然在降低煙溫回收余熱、減少SO3排放、提高電除塵效率等方面起到了良好效果，但其換熱管的磨損泄漏問題嚴重影響燃煤鍋爐機組的安全經濟運行。華能南京電廠2×320 MW的發電機組所配置的低溫省煤器在運行1年后，由于氣流分布嚴重不均，導致磨損泄漏[2]。胡清等人[3]對卓資電廠低溫省煤器泄漏及積灰情況進行了分析，發現主要磨損原因為煙氣走廊的存在。

換熱管發生磨損泄漏后，如何及時發現成為降低機組運行風險的關鍵。針對不同的應用工況，眾多學者提出陣列聲傳播特性、分布式與準分布式光纖傳感技術和神經網絡技術等檢測及定位方法[4-6]。然而，解決泄漏的關鍵在于采取相關措施提高換熱管的防泄漏性能，如通過氣流模擬優化煙道內流場、設置新型導流板、設備選型設計等方面[7-9]。

眾多學者對低溫省煤器泄漏的研究大部分只限于單一設備泄漏分析及預防措施，較少綜合性的進行統計分析研究。對此，本文對一定數量的低溫省煤器樣本進行了磨損泄漏原因統計分析，并提出泄漏檢測及預防技術措施。

1 低溫省煤器泄漏現象及原因分析

本文對161臺低溫省煤器樣本進行統計分析，其中泄漏68臺，泄漏的比例為42.2%[10]。根據現場檢查及分析，造成泄漏的原因主要為：磨損問題、局部腐蝕(硫酸氫銨腐蝕、膨脹端彎頭腐蝕等)、安裝制造問題及其他，占比分別為63%、34%、31%、20%(注：有些樣本有多種磨損泄漏點或原因，故占比總和>100%)。

1.1 磨損

經對出現泄漏的樣本進行統計，主要磨損部位位于煙氣走廊處、支托板及側板處。出現磨損的主要原因包括：煙氣走廊、支托板結構及煙氣導流不合理、換熱器煙氣變向引起的顆粒集中、安裝問題等。

根據泄漏樣本的統計，由于磨損原因造成的泄漏包括：煙氣走廊導致的磨損樣本為26個，占泄漏樣本的比例為38.2%；管撐、支托板及側板處磨損的樣本為19個，占泄漏樣本的比例為28%；導流板顆粒射流+氣流分布不均的樣本為35個，占泄漏樣本的比例為51.5%(注：有部分樣本為多種原因導致的多點泄漏)。圖1為低溫省煤器結構簡圖，各種磨損原因具體分析如下：

a.主視圖

(1)煙氣走廊導致的磨損：包括帶有底部排水灰斗、底部孔板等結構設計形成的煙氣走廊；另外，安裝原因造成殼體頂板與模塊間隙過大也容易形成煙氣走廊。

(2)中托板位置磨損：由于大部分低溫省煤器入口擴散段較短，導流板與模塊距離較近，使得粉塵顆粒沿導流板表面形成斜向射流，與之相對的中托板內側位置則成為高速粉塵流動通道，磨損支托板附近的假管和換熱管；若中托板與翅片之間的間隙較大而形成局部氣流高速區，則還會對通道中后端的換熱管形成貼壁沖刷磨損。由于粉塵自重作用，加上下部模塊氣流速度更高，因此中下部模塊中托板附近管束受影響更大。

(3)側托板位置磨損：粉塵氣流從進口喇叭擴張段進入到換熱器直段，在兩側托板和上部頂板都會形成氣流的拐向，氣流中的顆粒則因慣性而產生濃縮效應，進而在邊壁形成顆粒流。由于顆粒的重力作用，下部區域顆粒下沉，在兩側托板上形成的顆粒流域對中下部近壁管束形成了較嚴重的磨損。

(4)導流板射流+氣流分布不均造成換熱管正面、側面磨損：由于低溫省煤器迎風面擴散段較短，橫向導流板角度較大，且導流板與模塊設計距離較近，造成直接磨損迎風面假管和換熱管，導致泄漏。

(5)積灰導致的磨損：換熱器局部區域表面積灰堵塞，特別是含硫酸氫銨飛灰形成結塊后會導致換熱器內部流場惡化，局部區域煙氣流加速，進而導致管束磨損。

(6)換熱模塊出口側管束磨損：主要是出口局部結構設計形成的煙氣走廊造成。

1.2 局部腐蝕

由于煙氣中含有SO3/H2SO4，煙氣降溫過程凝結的酸霧會被粉塵吸附，因此對于換熱管壁的直接腐蝕較輕。但有些燃用低灰煤的機組，由于灰硫比較低，可供酸霧吸收的顆粒表面積不足，會對換熱器出口側低溫區的部分管束產生一定的均勻腐蝕，其中對翅片焊接部位影響相對較大，但通常不至于造成管束泄漏。

超低排放改造后，許多機組都存在一定的氨逃逸，產生的硫酸氫銨容易在取熱器形成飛灰粘附堵塞，造成阻力上升的同時還伴隨著對換熱管束的一定腐蝕。

由于熱膨脹，換熱器一般設置有膨脹端，該側管子與孔板間有空隙，粉塵容易進入到膨脹端，而煙氣也容易經由縫隙流出，再由下游的縫隙流回到換熱器形成短路。由于膨脹端內煙氣受冷，酸性氣體冷凝，進而對彎頭產生腐蝕。而低溫省煤器在停爐沖洗時，同樣存在沖洗水與積灰導致的膨脹間隙腐蝕問題。另有部分樣本顯示由于殼體漏風或未保溫等形成了局部低溫腐蝕。

1.3 其他原因

其他造成換熱管泄漏的主要原因是安裝與設備質量問題，主要體現在：(1)部分換熱管焊縫質量差；(2)人孔門安裝不到位，出現漏風，造成下部換熱管出現一定腐蝕；(3)喇叭板與殼體焊接處脫焊漏風腐蝕等。

2 泄漏在線檢測方法

2.1 紅外熱成像儀檢漏

利用紅外熱成像儀對物體與背景環境不同的輻射差異所形成的熱能分布，即熱圖像進行泄漏檢測分析。熱成像設備布置在低溫省煤器進出口或檢修通道處，如圖2所示，利用吹灰器對換熱器煙道殼體底部固定位置進行吹灰，使該面積域保持較低粉塵堆積，同時利用熱成像儀對該面積域范圍進行實時熱成像監視。在換熱器未發生泄漏時，換熱器該區域范圍溫度基本穩定在某一范圍內；當換熱器發生泄漏時，管道內液體以高速噴射進入煙道內，當泄漏發生一定時間時，煙道底部的水積累到一定程度，覆蓋煙道底板，此時熱成像儀監視的面積域熱成像圖像發生明顯變化，機組運行值班人員可通過熱成像工控機發現泄漏異常。

圖2 熱成像檢漏監視布置圖

2.2 流量體積守恒在線檢漏

在低溫省煤器運行過程中，單位時間內，低溫省煤器入口冷卻水的體積流量考慮一定的膨脹率后可近似等于低溫省煤器出口的體積流量。利用該特征，在低溫省煤器進出口設置體積流量積算儀，積算單位時間內低溫省煤器進出口的體積流量之差，并設置一個泄漏報警誤差值，該誤差主要包含水膨脹導致的體積變化(在低溫省煤器工況下，水的膨脹系數低于萬分之七)；當低溫省煤器正常運行時，單位時間內低溫省煤器進出口體積流量之差在誤差值范圍內；當進出口體積流量之差超過設定的報警誤差值時，說明系統發生了泄漏，應采取相關措施，降低泄漏所帶來的風險。流量體積積算儀可連接至DCS系統，實現集中控制，系統如圖3。

圖3 流量體積在線檢漏系統圖

3 泄漏預防措施

3.1 流場優化

根據以上泄漏現象分析，造成低溫省煤器泄漏諸因素中最多的是磨損泄漏，而磨損泄漏的最主要原因在于氣流分布不均勻。為了提高低溫省煤器使用壽命，必須對低溫省煤器進出口及內部流場進行優化。由于大部分低溫省煤器屬于改造項目，其入口煙道短，氣流經過多次變徑及轉向，存在較多渦流，因此產生的煙道內積灰又導致氣流與顆粒流分布更加不均勻；低溫省煤器入口斷面局部最高風速達到15～20m/s，不僅影響換熱管換熱效率，還大幅增加換熱管磨損的幾率。

流線型煙道是一種新型流場優化技術，該技術流場優化能力強，對低溫省煤器入口煙道的空間要求相對較小，容易實現塵流均布，同時能減小煙氣阻力。如圖4所示，對換熱器前煙道導流板進行流線型優化設計，消除了煙道入口處大范圍的渦流；相比常規導流板布置，低溫省煤器上游彎頭處的速度有所提高，有利于減輕煙道內的積灰問題；低溫省煤器入口斷面速度分布均勻性得到改善，局部最高風速由15～20 m/s下降到10～12 m/s，并實現顆粒流大體均布，從而有利于降低磨損速率、提高換熱效率。

圖4 某項目低溫省煤器改造常規導流板與流線型導流板流場速度云圖

3.2 運行優化

盡可能減少低溫省煤器受熱面的積灰。隨著鍋爐負荷的變化，應調整吹灰器的工作頻率，例如低負荷時煙氣流速低應加強清灰。對于燃燒含灰量大的煤質，應采用吹灰性能好，吹灰過程不影響低溫省煤器正常工作的聲波吹灰器，避免使用蒸汽吹灰器。對于吹灰器的空間布置應合理，吹灰面盡可能覆蓋換熱器內管束，避免死角的出現。

在脫硝設備運行過程中，氨逃逸達到一定程度會導致下游設備硫酸氫銨粘附堵塞和腐蝕。由于造成氨逃逸率高的原因主要是催化劑活性降低、NOx和NH3濃度場分布不均勻以及氨過噴，所以需要針對性的采用高效改性催化劑、噴氨量控制優化、氣流優化等措施降低氨逃逸。

對于有條件的機組，應采用優質燃煤，從而降低燃煤煙氣中的粉塵量、硫化物。

3.3 選型設計及安裝

(1)根據低溫省煤器工程應用情況，在設計方面首先要做到避免煙氣走廊的形成，對于現場安裝導致的煙氣走廊也需要特別關注與控制。

(2)據統計，換熱管泄漏主要集中在迎風面前6排，其中又以前3排居多。鑒于此，考慮將前6排的換熱管排設計成可拆卸式的結構，便于檢修更換；同時，前6排結構與采用耐磨材質或防磨涂料的措施協同考慮，以達到最優防磨效果。

(3)對于托板對管排的磨損影響，在設計時將翅片布置與托板布置結合起來，避免局部煙氣走廊。低溫省煤器膨脹側縫隙導致積灰腐蝕問題，采用可靠的材料對膨脹縫進行填充密封，同時注意停機檢查時的沖洗維護。

4 結語

低溫省煤器換熱模塊泄漏主要原因為磨損及腐蝕。磨損主要位置為迎風面前段中下層模塊、背風面后段下層模塊，中托板及側板部位等位置。磨損原因主要為導流板射流、氣流分布不均、煙塵大顆粒下沉、煙氣走廊、換熱器局部設計不合理等因素造成。腐蝕主要是局部硫酸氫銨粘附換熱面，以及在膨脹端的彎頭區域煙氣流短路等原因造成。

針對低溫省煤器泄漏問題，從多個方面提出防泄漏措施以預防泄漏的發生；另外，本文還提出了在線泄漏檢測的方法，以便及時發現泄漏，將低溫省煤器泄漏所帶來的風險降至最低，保障機組設備的正常運行，為類似工程提供參考。