流化床鍋爐屏式過熱器磨損爆管分析

李天光,張香春，吳軍蓮

（1.華電國際電力股份有限公司,山東 濟南 250011；2.山東沾化熱電有限公司，山東 沾化 256800；3.華能濟寧運河發電有限公司，山東 濟寧 272100）

1 鍋爐概況

某電廠4號鍋爐系哈爾濱鍋爐廠制造的HG-465/13.7-L.PM7型循環流化床鍋爐，為高參數、單鍋筒、一次中間再熱自然循環蒸汽鍋爐，采用循環流化床燃燒方式，高溫分離技術。燃燒室內的雙面膜式水冷壁將中上部爐膛分為獨立的A、B兩室，靠近前墻沿爐寬間隔布置有8片屏式二級過熱器和6片屏式高溫再熱器。屏式過熱器的結構布置如圖1所示，每片屏由26根管子組成，屏下部敷有耐磨耐火澆鑄料，可以防止受熱面的磨損。燃燒室和尾部對流煙道之間布置有2個高溫絕熱分離器。鍋爐主要參數為:額定蒸發量465 t/h，主蒸汽壓力13.7 MPa,主蒸汽溫度540℃，給水溫度244℃，再熱蒸汽溫度540℃，熱空氣溫度243℃，排煙溫度138℃，鍋爐效率90.5%。設計燃料為貧煤。

該爐在投入商業運行后剛剛半年，就發生了分隔屏過熱器的爆管事故被迫停爐。檢查發現，爆管發生在過熱器第8屏第26根管（由爐前向爐后數）在27 m標高左右距下部耐火耐磨澆鑄料約2.5 m的位置發生爆管，爆口約150 mm長、30 mm寬,爆口處管壁壁厚較薄，爆口處有明顯的磨損痕跡。屏過爆管后還將附近側墻水冷壁管沖刷泄漏。

圖1 爐膛B室內屏式過熱器布置示意圖

2 爆管原因分析

由于爆管位置在屏式過熱器的入口，此處汽溫較低，額定負荷下屏式過熱器的入口汽溫僅為397℃,遠遠小于12 Cr1MoV的氧化溫度580℃，且爆口附近沒有明顯的氧化現象，因此可以排除超溫過熱爆管。

進一步檢查二級過熱器第8屏爆口附近管子，發現第19～26根管子均有不同程度磨損減薄，第19根壁厚減薄1 mm，第26根減薄4 mm并爆管，磨損由內向外逐步加重，管屏磨損情況如圖2所示。根據管屏磨損減薄的情況，可以認為爆管是磨損造成的。

圖2 屏過管子磨損爆破位置示意圖

2 磨損原因分析

循環流化床鍋爐內的固體物料濃度為煤粉鍋爐的幾十倍到上百倍，爐膛內的受熱面和耐火材料受到大量固體物料的不斷沖刷，爐內受熱面的磨損爆管的事故時有發生，但是以往的報道多是關于水冷壁管和密相區埋管的磨損［1］，對于布置在稀相區的屏式受熱面磨損爆破的報道極少，大多認為屏式受熱面的磨損較輕，只會發生受熱管的磨光磨亮現象。檢查爐膛內其它屏式受熱面也未發現明顯的磨損痕跡，因此第8號屏式過熱器在短時間內發生磨損爆管不是一種正常現象。

仔細觀察爆管管屏的情況，發現該屏在標高25 m至29 m的區段向水冷壁方向拱出，壓縮了流道，形成了一個迎風面。在標高27 m附近測量了流道寬度變化情況，如表1所示。由表可見，在2 m的高度上，第8屏的變形最大達到了180 mm。由于變形主要在標高25～29 m的范圍內發生，因此變形的最大值要大于300 mm。當管屏發生變形后，其迎風面就成為突出部分，在此處氣流轉彎，但是灰粒由于慣性作用會撞在迎風面上，造成磨損。

表1 第8屏變形情況測量參數

造成管屏變形的主要原因是管屏膨脹不暢。由于屏式過熱器為“L”型，下集箱在前墻穿出，因此前墻處為膨脹死點，在熱態條件下，水冷壁向下膨脹，但由于屏式受熱面溫度高于水冷壁管，膨脹量較大，使管屏只能向上膨脹，管屏的上聯箱采用恒力吊架懸吊在爐頂，在調整不當的情況下部分集箱和管屏的重量會作用在管屏上造成變形。管屏與爐墻的密封金屬膨脹節也必須有足夠的預壓量，保證滿足管屏向上膨脹的自由；在鍋爐安裝時，管屏穿出爐頂的耐火保溫材料時必須預先澆灌瀝青以保證在熱態條件下二者之間的摩擦力較小，使管屏能夠向上自由膨脹。以上環節不能滿足，則熱態下管屏就會變形，且變形程度要大于冷態測量值。管屏變形后第8屏與側墻水冷壁之間的流道變化如圖3所示。

圖3 屏過變形后的流道

3 數值模擬

為了進一步說明磨損形成的機理，采用大型商業軟件CFX對爐膛內的氣固兩相流動進行了數值模擬。計算時，氣相流動的湍流模型采用Launder&Spading［2］等提出的，在工程上廣泛采用的 k－ε 雙方程湍流模型，其在直角坐標系下封閉的偏微分方程組可表示成如下的通用形式：

式中：準分別代表速度u、v、w、湍流動能k和湍流動能耗散率 ε，當 準=1時，式（1）為連續性方程，S準為氣相和顆粒相引起的源項，其具體的形式參見文獻［3］。

煤粉顆粒運動采用拉格朗日隨機顆粒軌道模型（stochastic tracking），顆粒運動方程如下：

右式第一項為顆粒所受應力，第二項為顆粒本身重力，第三項為附加質量力。

方程離散采用控制容積法，交錯網格，對流項采用一階迎風差分，壓力修正采用SIMPLEC算法。

數值計算取爐膛的一半（爐膛B室）為計算對象，爐膛的詳細尺寸如圖1所示。計算時取雙面水冷壁下集箱處的水平面（標高20.63 m）作為入口，取B旋風分離器入口作為出口。假設第8屏變形程度為300 mm，變形發生在標高25～29 m之間。假定爐膛內煙氣溫度為900℃，計算得到滿負荷條件下入口煙氣流速為5 m/s，入口灰粒直徑取為1 mm、0.8 mm、0.6 mm、0.4 mm、0.2 mm 五種， 灰粒入射位置在側墻水冷壁和第8屏之間，距離第8屏100 mm，入射寬度覆蓋了整個屏的寬度且在屏兩側各超出300 mm。計算采用的網格數為34×27×40（寬×深×高）。

模擬得到正常流道內和變形流道內靠近第8屏的灰粒運動軌跡如圖4所示，顯然，在變形前灰粒可以在流道內通暢通過，不會發生沖刷壁面的情況，而屏過變形后灰粒的軌跡在變截面處中斷，說明發生了灰粒沖刷壁面的情況，會造成磨損。同時圖4（b）還表明，灰粒在沖刷壁面前會向外略有偏轉，這也是圖2中管子只有一側發生磨損的原因。

灰粒偏轉的原因是由于流道截面縮小，造成屏間部分氣流偏轉沖出屏間流道造成的，圖5（a）（b）給出了正常流道和變形流道沿爐膛深度方向速度分量分布，由圖5（b）可見，變形后由于流道變窄，在變形最嚴重的區域，迎風面上向爐后發生了明顯的加速現象，且沿爐膛深度方向的速度分量越靠近屏外側越大，表明磨損速度越大，磨損越嚴重，最終造成最外側的管子減薄最嚴重首先發生爆管，這和實際情況是符合的。

圖4 屏過變形前后灰粒運動軌跡比較

圖5 屏過變形前后沿爐寬方向速度分量比較

4 結論及建議

綜上所述，認為鍋爐屏式過熱器外側管爆管的主要原因是管壁磨損減薄造成的。造成屏式過熱器磨損的原因是由于屏式過熱器發生嚴重變形，改變了流道結構，使含灰氣流沖刷屏式過熱器造成的。

根據磨損機理，應采取以下措施防止：

（1）檢查并調整屏式過熱器的恒力吊架、密封盒的金屬膨脹節預壓量，保證屏式過熱器能夠向上自由膨脹，減少分隔屏的變形程度，消除磨損源頭。

（2）在已經變形的屏式過熱器的迎風面上進行超音速防磨噴涂，提高其耐磨程度。

（3）注意鍋爐運行時總風量不要過大，同時要盡量保證鍋爐左右兩側的物料和風量均勻，防止局部風速過大加重磨損。

（4）控制一次風量不要過大，以控制合適的上部爐膛顆粒濃度，防止上部爐膛顆粒濃度過大加重磨損。

［1］岑可法，倪明江，駱仲泱，等.循環流化床鍋爐理論設計與運行［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［2］陶文銓.數值傳熱學［M］.西安：西安交通大學出版社，1988：431-439.

［3］Fan Jianren,Qian Ligeng,Ma Yinliang,etal.Computational modeling of pulverized coal combustion processes in tangentially fired furnaces［J］.Chemical Engineering Journal,2001,81(2):261-269.