超臨界循環(huán)流化床鍋爐氧化皮清理的實(shí)踐研究

李 鵬

(江蘇省能源投資有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

截至2021年底，全國已有50多臺超臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組投產(chǎn)，其中部分鍋爐在啟動初期就出現(xiàn)了過熱器超溫現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)。由于流化床鍋爐的過熱器以掛屏形式布置在鍋爐爐膛上部，為了防止受熱面磨損，一般在過熱器管屏外面焊接銷釘并敷設(shè)耐磨澆注料。當(dāng)過熱器管屏出現(xiàn)超溫后，無法像煤粉鍋爐一樣，采用射線或者磁性檢測方法判斷氧化皮的堆積量及位置，只能通過壁溫異常判斷大致區(qū)域，再通過割管及內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢測。另外，由于耐磨澆注料硬度較高，若采用常規(guī)的局部割管的方式清理，工作量巨大且檢修工期長，這也是業(yè)界關(guān)注的難題。對此，研究提出了一種基于閉式管道沖洗的氧化皮清理方法，該方法利用鍋爐系統(tǒng)原有設(shè)備，不需要對過熱器管道進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，可在保證安全的前提下獲得很好的清理效果。

1 氧化皮堆積部位

超臨界循環(huán)流化床鍋爐的高溫過熱器管材為SA-213TP347H奧氏體不銹鋼，其粗晶結(jié)構(gòu)在高溫水蒸氣環(huán)境下極易產(chǎn)生氧化皮。高溫過熱器布置在爐內(nèi)，呈L型掛屏形式，從鍋爐前墻及頂棚穿出，上部配有集箱，通過彈簧吊架固定在大板梁上。

氧化皮的大面積剝落多發(fā)生在啟停爐階段，在垂直管中產(chǎn)生的氧化皮剝落后，在管屏中下落沉積，到達(dá)L型彎頭處后，大量質(zhì)量較重、尺寸較大的氧化皮沉積到彎頭區(qū)域；一部分較小的氧化皮順著管子繼續(xù)向著集箱移動，并在集箱外讓管彎頭處沉積，由疏水?dāng)y帶進(jìn)入集箱。沉積在彎頭處的氧化皮逐漸形成類似“鳥巢”的結(jié)構(gòu)，并將較小的氧化皮捕獲，逐漸形成較為穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)造成管道堵塞，導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽流量降低而管壁超溫，從而進(jìn)一步加快氧化皮的生成速度，形成惡性循環(huán)。通過對高溫過熱器管屏割管，采用內(nèi)窺鏡觀察發(fā)現(xiàn)，管屏彎頭處聚集了大量的氧化皮，是最容易造成堵塞的部位。

超臨界流化床鍋爐氧化皮堆積的位置不同于煤粉鍋爐，前者為彎曲角度接近100°的下斜彎頭處，后者為U型彎管處。經(jīng)觀察，高溫受熱面蒸汽側(cè)氧化皮為層狀結(jié)構(gòu)，共分3層，最外層以Fe2O3為主，中間層為Fe3O4，內(nèi)層FeO層，因FeO含量較多，故氧化皮較脆、易折斷。因此，采用有壓水正反向沖洗或者壓縮空氣吹掃，有可能將“鳥巢”結(jié)構(gòu)中的長條狀或片狀氧化皮擊碎，破壞堵塞物的力學(xué)結(jié)構(gòu)，利用水流或氣流的攜帶作用，將細(xì)碎的氧化皮帶出彎管，達(dá)到有效清除積存氧化皮的目的。

2 氧化皮吹掃沖洗試驗(yàn)

在停爐檢修階段，將超溫的屏式受熱面上下部割管，下部管口采用濾袋綁扎，用于捕捉氧化皮；采用內(nèi)徑30 mm、長度20 m的壓縮空氣軟管，接廠用壓縮空氣，壓力0.5～0.8 MPa，從上部管口插入受熱面管內(nèi)進(jìn)行吹掃。為加強(qiáng)吹掃效果，采用木質(zhì)堵頭將下部管口堵塞、放開，產(chǎn)生氣流擾動。吹掃約30 min，用內(nèi)窺鏡觀察吹掃效果，發(fā)現(xiàn)有部分殘留物，主要是較重的金屬屑。

采用有壓水進(jìn)行沖洗，下部管口用濾袋綁扎，從上部管口注入有壓除鹽水，壓力0.5 MPa左右，沖洗約10 min，用內(nèi)窺鏡觀察，可以看到有效的氧化皮沖洗效果。

基于上述試驗(yàn)，采用壓縮空氣或者水沖洗都能將氧化皮沖出，但沖洗前需要進(jìn)行割管，由于高溫過熱器穿出上頂棚的距離有限，大約只有1 m，且換管焊接尺寸有嚴(yán)格要求，割管長度約150 mm以上，頻繁割管、換管會導(dǎo)致焊縫累加，最后無法再進(jìn)行割管，并且多次割管將造成對母材的損傷。此外，換管工作量較大、費(fèi)用較高、周期較長，不利于機(jī)組快速、經(jīng)濟(jì)的檢修目標(biāo)，因此，需要考慮采用其他更為簡便、可靠的方案。

從上述試驗(yàn)可以看出，水沖洗較之壓縮空氣的吹掃效果更加明顯，并且便于實(shí)現(xiàn)壓力均勻分配，因此可以對鍋爐汽水系統(tǒng)進(jìn)行改造形成封閉回路，采用水泵注水進(jìn)行循環(huán)沖洗，同時(shí)加裝濾網(wǎng)以便將氧化皮取出。

3 氧化皮閉式?jīng)_洗方案

超臨界鍋爐的過熱系統(tǒng)為超高溫、超高壓系統(tǒng)，因此，保持該系統(tǒng)長期運(yùn)行的安全性尤為重要。氧化皮閉式?jīng)_洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需盡量避免在過熱系統(tǒng)管道上增加三通、閥門、堵頭等臨時(shí)敞開點(diǎn)，確保高溫過熱器出口連接管兩端均設(shè)有堵閥，用于鍋爐水壓試驗(yàn)時(shí)隔離鍋爐與汽機(jī)之間的汽水系統(tǒng)，可利用堵閥作為沖洗管道的接入口及出口，采用獨(dú)立的沖洗管道與泵連接，在沖洗泵的進(jìn)口位置設(shè)置濾網(wǎng)，便于取出氧化皮。

氧化皮閉式?jīng)_洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可參照建筑業(yè)采用的“大管道閉式循環(huán)沖洗技術(shù)”，采用閉式循環(huán)沖洗管道原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1 啟動速度計(jì)算

式中：V0為氧化皮的啟動速度，m/s；h為管道液柱高度，m；d為氧化皮的當(dāng)量直徑，m；γs為氧化皮的平均重度，N/m3；γ為水的重度，N/m3。

3.2 移動速度計(jì)算

式中：Vs為氧化皮在水中的移動速度，m/s；g為氧化皮重力加速度；dmax為氧化皮最大當(dāng)量直徑，m。

3.3 懸浮速度計(jì)算

式中：Vg為氧化皮在流體中的懸浮速度，m/s；λ為阻力系數(shù)。

3.4 最小沖洗速度計(jì)算

式中：Vmin為最小沖洗速度，m/s；f為氧化皮與管壁的靜摩擦系數(shù)。

3.5 確定最小沖洗速度

比較上述四種速度，即啟動速度、移動速度、懸浮速度、最小沖洗速度，將最大速度作為最小沖洗速度。

3.6 最小沖洗流量計(jì)算

式中：Q為最小沖洗流量，m3/s；D為管道公稱內(nèi)徑，m。

3.7 沖洗泵壓頭確定

沖洗泵主要克服靜壓頭，還需考慮沿程阻力損失、局部阻力損失。

式中：H為泵的揚(yáng)程；ΔH為泵與沖洗管道的靜壓差；Hf為沿程阻力損失；H局為局部阻力損失。

3.8 沖洗流程

氧化皮閉式?jīng)_洗分為正向、逆向沖洗，正向沖洗流程為：沖洗泵→出口一次閥→管道1→爐左堵閥前二次閥→爐左高溫過熱器→爐左二級中溫過熱器→一級中過出口集箱→爐右二級中溫過熱器→爐右高溫過熱器→爐右堵閥前二次閥→沖洗管道2→沖洗泵，逆向流程則相反。通過反復(fù)沖洗，一般正反向沖洗兩次清理一遍濾網(wǎng)，可通過觀察濾網(wǎng)中的氧化皮數(shù)量來判斷沖洗效果。

4 方案效果

氧化皮閉式?jīng)_洗系統(tǒng)加裝后，在啟、停爐過程中，通過觀察高溫過熱器管壁溫度變化趨勢，確定壁溫異常部位，在停爐管壁溫度恢復(fù)正常后開啟閉式?jīng)_洗系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)沖洗。350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的多次實(shí)踐表明，通過閉式?jīng)_洗可全部清除剝落積存在彎管部位的氧化皮，有效避免啟爐過程中出現(xiàn)的高溫過熱器管壁超溫現(xiàn)象，提高了鍋爐一次啟動成功率，減小了屏式過熱器的壁溫偏差。

5 結(jié)束語

上述方法改造量少，利用堵閥作為連接口，不破壞過熱系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行安全性高，并且沖洗效果較好，便于運(yùn)行操作，可為同類機(jī)組提供參考。不過，閉式?jīng)_洗無法清除管面上已生成但尚未脫落的氧化皮，可考慮研究在閉式水沖洗的基礎(chǔ)上，引入壓縮空氣進(jìn)行擾動，從而進(jìn)一步提升氧化皮的清洗效果。