基于330 MW亞臨界燃煤鍋爐吹灰器技術改造的研究

陳曉龍，吳 炬，宋大勇，段祺友

(1.國家能源集團科學技術研究院有限公司,江蘇 南京 210046；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

在全球儲煤量減少、煤價上漲的現狀下[1]，火電企業為降低運行成本，嘗試探索多煤混燃發電運行的新途徑。通過積極調整煤種變化組成配比，使發電總成本最優化，進而提升企業經濟效益[2-3]。褐煤因其價格低廉成為火電廠摻配燃燒方案中主要的煤種，其煤質特點是水分含量大、揮發分高、發熱量低，同時大多數褐煤還具有低灰熔點和易結渣的物理特性，這種易沾污特質將使發電企業的鍋爐燃燒和安全運行面臨巨大挑戰。褐煤混燒會導致各受熱面污染指數增加，造成主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度偏低[4-6]，及排煙溫度高等運行問題，使鍋爐出力和效率明顯下降，而且沾污會導致鍋爐受熱面換熱不均，可能引發爆管停爐事故。因此對鍋爐受熱面的有效和及時清掃，對機組安全高效運行至關重要[7-10]。

目前，電站鍋爐安裝的吹灰設備種類繁多，技術在不斷變革和創新。每種吹灰方式在不同的工況環境下都有各自的優勢和局限。文章探討了在330 MW機組鍋爐中聲波吹灰器改蒸汽吹灰器的實際應用情況，總結了使用蒸汽吹灰器的弊端，并對機組鍋爐技術改造存在的問題提出建議，其研究成果可為330 MW亞臨界燃煤鍋爐吹灰技術改造提供參考。

1 技術改造背景

吉林市某330 MW 供熱發電機組1號鍋爐型號為 HG1100/17.5-HM ，采用亞臨界技術。配套5臺MPS 200-HP-IIB型中速磨煤機、20臺等離子燃燒器，為一次再熱，原設計配置58支蒸汽式吹灰器和66支聲波式吹灰器。

鍋爐在運行中，存在排煙溫度偏高、主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度偏低等問題，嚴重制約了設備的帶負荷能力。通過鍋爐性能試驗和燃燒調整試驗[11]，發現鍋爐運行上4層燃燒器，負荷在250 MW時空預器入口煙溫已超過400 ℃，比設計值379 ℃高出20 ℃，排煙溫度已接近160 ℃，比設計值130 ℃高出30 ℃，嚴重影響了空預器與布袋除塵器的運行安全，同時還發現鍋爐在吹灰前后，蒸汽參數、煙氣參數變化較小。

此外，研究人員還對電廠燃煤進行了樣品分析，并對煤的特性分析數據進行了總結，如表1所示。由表1中所列當時廠內燃用煤質情況來看，燃煤灰熔點偏低，各煤種DT值均低于1200 ℃，并且FT值與DT值之差均小于100 ℃，說明入爐煤具有嚴重的結焦沾污傾向[12]。

表1 煤質特性參數

通過對1號鍋爐受熱面積灰沾污狀況的現場檢查，發現水平煙道受熱面存在較明顯的大面積沾污現象，尾部豎直煙道受熱面存在著一定程度的上下相鄰管子之間積灰搭橋的現象，如圖1所示。

結合以上試驗和檢查結果，分析認為聲波式吹灰的局限性是造成上述問題的原因之一。

(a)末級再熱器沾污情況

(b) 省煤器沾污情況圖1 鍋爐受熱面沾污情況

針對褐煤的沾污特性以及保障機組運行安全的考慮，電廠決定嘗試將原聲波吹灰器更換為伸縮式蒸汽吹灰器。

2 技術改造方案

2.1 蒸汽吹灰器原理與設計

伸縮式蒸汽吹灰器是采用高壓蒸汽作為介體進行動能型清污，其主要部件是開設有2個文氏管噴嘴的噴頭。當吹灰器從停止狀態啟動后，噴頭先向前運動至預設定的吹掃位置；同時蒸汽閥門自動打開，噴頭按邏輯指令的角度、圈數和方向旋轉吹掃。噴頭旋轉吹掃完畢后，吹灰器的蒸汽供給被關斷，最后噴頭回退到墻箱中的原始位置。蒸汽式吹灰能夠適用于水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器等多個部位的吹灰作業，特別是對爐內結渣和粘性灰質清理效果顯著，伸縮式蒸汽吹灰器結構見圖2。

圖2 蒸汽式吹灰器結構

2.2 改造實施方案

a.吹灰器替換

將爐膛上部、水平煙道、尾部受熱面部分的66臺聲波吹灰器更換為36臺長伸縮式和6臺半伸縮式蒸汽吹灰器，同時增加改造相應平臺。加上鍋爐爐膛水冷壁上原有的58支蒸汽式吹灰器，改造后1號鍋爐內總計設置有100支蒸汽吹灰器。當鍋爐運行時吹灰器和鍋爐有7%～8%的疏水斜度，以便吹灰槍管和內管的冷凝水從噴頭處揮發，避免將冷凝水吹向受熱面，并保證吹灰槍管的干燥而延長其壽命。

b.蒸汽來源改造

原設計吹灰器噴射汽源引取于末級過熱器進口，壓力17.5 MPa，溫度490 ℃，屬于直接做功的一次汽源，壓力、溫度等參數遠高于吹灰器要求，經多次降溫降壓后用于吹灰，熱耗極大，極不經濟。同時因壓差較大，從17.5 MPa調整為0.8～1.2 MPa，管路、閥門損壞幾率大，閥門沖刷磨損較重，改造后汽源取自墻式再熱器出口，壓力3～4 MPa，溫度390～420 ℃，足夠滿足吹灰器350 ℃、0.8～1.2 MPa的參數要求。管路壓差變小，閥門及管路安全可靠性提高，設備損壞幾率變小，節能降耗的同時節省維護費用，原汽源調整為備用汽源。

c.受熱面防磨保護措施

在吹灰器噴射吹掃半徑500 mm范圍內布置防磨瓦或進行強化耐磨噴涂。對受熱面金屬噴涂防磨施工后，減緩飛灰及吹灰蒸汽對受熱面管材的沖刷磨損，保證鍋爐四管安全穩定運行，防止鍋爐四管磨損爆破造成機組的非計劃停運。

3 改造效果分析

3.1 運行參數分析

改造后，研究人員對機組進行技改后性能評估試驗和吹灰器投運優化試驗，試驗條件與改造前摸底試驗相同。試驗前鍋爐設備經歷熱控裝置和保護系統全部投入的條件下運行7天以上的考驗，試驗期間機組解除AGC及一次調頻控制，運行方式為純凝，按試驗要求嚴格進行系統隔離，保證試驗熱力系統嚴格按照設計熱平衡圖規定的熱力循環進行，汽輪機背壓為4.9 kPa，機組補給水率為零。改造前后鍋爐參數對比曲線如圖3所示。

(a)修正后排煙溫度

(b)主蒸汽溫度

(c)再熱蒸汽溫度

(d)鍋爐熱效率圖3 改造前后鍋爐參數對比曲線

鍋爐吹灰系統經過技術改造后，其排煙溫度、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和鍋爐熱效率均略好于改造前指標參數，排煙溫度平均降低3.05 ℃，主蒸汽溫度平均升高約3.32 ℃，再熱蒸汽溫度平均升高約4.76 ℃，鍋爐熱效率平均升高0.13個百分點。節能分析結果匯總如表2所示，根據機組改造后性能試驗計算，鍋爐吹灰系統經過技術改造，合計降低機組供電煤耗約1.26 g/kWh。試驗發現，中低負荷時各指標參數與設計值仍有巨大差距。表現在改造后主蒸汽溫度比設計值平均低11 ℃，再熱蒸汽溫度比設計值平均低21 ℃，排煙溫度比設計值平均高24 ℃，鍋爐熱效率比設計值平均低0.6個百分點，因此機組節能降耗工作仍有調整改造空間。

通過吹灰器投運優化試驗了解到，鍋爐全面吹灰一次后排煙溫度降幅在5～7 ℃，在吹灰器投運結束10 h后，排煙溫度、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度即恢復到吹灰前的水平，如此印證了褐煤沾污指數較高的特性。

試驗表明，當燃用或混燃具有沾污特性的劣質煤時，蒸汽吹灰器的合理吹掃有助于保障受熱面清潔，改善機組運行指標參數。

表2 節能分析結果

3.2 安全性分析

通過吹灰器及受熱面防磨技術改造，機組常規吹掃后受熱面未發現明顯結焦，大部分管束較清潔，機組運行穩定，未發生過四管泄漏事故。改造方案總體上是安全可靠的，但同時研究人員也發現了一些安全隱患。

a.部分受熱面發生吹損。通過對鍋爐爐膛水冷壁進行宏觀檢查及測厚檢驗[13]發現，部分吹灰器附近的管束存在明顯吹損減薄現象。對吹損最嚴重管束進行金相檢驗[14]，結果顯示，金相組織主要構成為鐵素體與珠光體，輕度球化。里氏硬度試驗[15]結果顯示受損管材的硬度有顯著下降趨勢。水冷壁檢測結果見圖4。受熱面吹損減薄可能引發鍋爐爆管，嚴重時會導致機組非停事故，造成企業巨大的電量損失和經濟損失[16-19]。

(a)宏觀檢查

(b)金相檢驗圖4 水冷壁檢測結果

b.吹灰有死角。蒸汽吹灰因設計原理所限，雖然對結渣性強、黏度高的灰吹掃有明顯的效果，但是介質吹掃面積有限，吹灰無法實現全覆蓋。經現場檢查，省煤器管束背風側的積灰現象尤為突出，局部積灰將阻礙鍋爐內煙氣流通，使煙氣流動阻力增加，造成風機出力增加，影響受熱面換熱，甚至可能發生爆管停爐事故[20-22]。

c.加劇管束熱疲勞[23-24]。熱疲勞是指在鍋爐啟停或斷續性蒸汽滯緩與驟冷時，引起周期性冷卻等交變熱應力作用，造成金屬管材的疲勞性損傷。雖然目前暫未發現爐內管束出現裂紋的現象，但現階段發電企業經常性參予調峰運行[25]，頻繁啟停和變負荷必然導致爐管產生低周熱疲勞，而使用蒸汽吹灰時，爐管金屬壁溫急劇下降，這種間斷性的脹縮將加劇管壁的熱疲勞。熱疲勞將大大縮短管材的使用壽命，增大了鍋爐發生爆管事故的潛在風險。

3.3 經濟性分析

本次技術改造總投入419萬元，其中包括更換吹灰器費用311萬元，受熱面防磨保護48萬元，汽源出口改造60萬元。改造后爐內共布置100支蒸汽吹灰器，平均每年運行成本為267萬元，與改造前(運行總成本約155萬元)相比增加了112萬元；改造后吹灰系統平均每年檢修成本約為10萬元，與改造前(約6萬元)相比增加了4萬元；降低供電煤耗約1.26 g/kWh，按照全年16.5億kWh發電量計算，1年節煤可產生145.5萬元的經濟效益[26-27]。另外，由于改造后的蒸汽壓力無法滿足深度調峰時吹灰器運行參數，最終電廠選擇繼續使用原汽源，所以此項改造投入沒有產生經濟效益。綜上所述，聲波吹灰器改造為蒸汽吹灰器后，機組運行成本遠大于其節煤效益，項目的經濟性較差。

4 結論

開展火電機組節能技術改造是提升機組經濟性和安全性的有力措施之一。在機組改造的過程中應結合企業自身特點，多方面兼顧考慮，避免盲目、過度改造。基于330 MW亞臨界參數鍋爐實施蒸汽式吹灰器技術改造的研究，對鍋爐吹灰器的技術改造選擇與開發意義深遠。

a.在機組燃燒或摻混燃燒低灰熔點褐煤時，使用蒸汽吹灰器有助于受熱面清潔，能小幅度降低鍋爐排煙溫度、提高鍋爐熱效率、提高主蒸汽和再熱蒸汽溫度。

b.受熱面做防磨處理能夠防止蒸汽吹灰器對管束的吹損，但如果監控不到位，仍會造成水冷壁管束不同程度的吹損，同時會加劇管束的熱疲勞。建議優化吹灰系統吹掃方式[28]，加強灰污監測手段，進而提高機組的安全性和經濟性。

c.吹灰范圍有限，蒸汽吹灰器無法立體、全方位吹掃受熱面。為防止爐內受熱面換熱不均勻引起爆管事故，有必要加強對受熱面積灰的監測[29]。

d.聲波吹灰器改蒸汽吹灰器經濟收益小，運行成本高，考慮到機械設備的折舊率、故障率以及未來燃用煤質的不確定性，此項技改工程的投資收益率較低。

e.企業技術改造應遵循科學發展規律，綜合論證全面分析，避免改而無用、改而不用、剛改就拆的現象出現。