HG1025t/h鍋爐四角噴燃器水冷壁磨損的原因分析及防磨措施

王洪強

（華電能源股份有限公司牡丹江第二發(fā)電廠鍋爐分公司，黑龍江 牡丹江 157015）

1 前言

在國產(chǎn)電站鍋爐中，采用四角布置直流燃燒器的比較多，HG1 025 t/h鍋爐就很具有代表性，它是典型的四角噴燃室燃煤粉爐，一般情況下，噴口附近的水冷壁管子容易發(fā)生局部磨損。其特性是：局部磨損面積比其他受熱面（過熱器、省煤器等）管子磨損面積大；磨損面減薄后，在管內(nèi)高壓爐水作用下翻開，呈開窗狀泄漏點，造成爐水大量噴入爐膛。如果泄漏發(fā)生在一次風噴口附近，則爐膛火焰馬上被水澆滅；如果泄漏發(fā)生在下二次風噴口附近，也會因為鍋爐保持不了水位而被迫緊急停爐。所以，對于單元制機組來說，噴口附近的水冷壁磨損會造成停爐停機事故，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來威脅。

華電能源牡丹江第二發(fā)電廠#8、#9號機組單機容量為300MW，裝用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-1 025/17.45-YM28型亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐為單爐膛四角布置擺動式燃燒器，切向燃燒、固態(tài)除渣、平衡通風，并與哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的N300-16.7/537/537型汽輪機相匹配，每臺機組采用5臺MPS190HP-II型中速磨煤機，正壓冷一次風直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐最大連續(xù)負荷（即BMCR工況）為設計參數(shù)，當機組電負荷為336.3 MW時，鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025 t/h；當機組電負荷為300 MW（即TRL工況）時，鍋爐的額定蒸發(fā)量為960 t/h。

2 主要設計特點

（1）燃燒器采用四角布置的切向擺動式燃燒器，按照爐膛尺寸的大小，選取適當?shù)娜紵鞒隹谏淞髦行木€同爐膛截面對角線的夾角△a，由此確定燃燒出口射流中心線和水冷壁中心線夾角分別為36°和43°。在燃燒器的高度方向上，考慮到燃燒器向下擺動，應保證火焰充滿空間和煤粉燃燒空間的設置。燃燒器采用CE傳統(tǒng)的大風箱結構，由隔板將大風箱分隔成若干室，在各風箱的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴，頂部燃盡室可作向上30°、向下5°擺動。一次風噴嘴可上下擺動各20°，二次風噴嘴可作上下各30°的擺動，每只燃燒器共有6種、15個風室、14個噴嘴。本系統(tǒng)設計供油總量為18 600 kg/h,油槍入口壓力3.5 MPa，油黏度1.2～1.67 E，吹灰蒸汽壓力為0.68～0.882 MPa，蒸汽溫度不低于250℃。供氣壓力0.49～0.686 MPa,伸縮機構推進動作時間3 s，在工作時間的氣耗0.3 Nm3/h。

（2）本廠爐配有兩臺半模式、雙密封、三分倉容克式空氣預熱器。入口煙氣溫度為346℃，出口煙氣溫度為128.3℃，入口空氣溫度為23℃。預熱器設置有徑向密封間隙、自動調(diào)節(jié)裝置，在運行中自動調(diào)節(jié)密封間隙，減少漏風系數(shù)。

（3）鍋爐裝有爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS），用于鍋爐的啟停、事故解列以及各種輔機的切投，其主要功能是爐膛火焰檢測和滅火保護，對防止爐膛爆炸和“內(nèi)爆”有重要意義。機組裝有集散控制系統(tǒng)（DCS），進行汽機與鍋爐之間的協(xié)調(diào)控制。機組的設計既可定壓運行，又可滑壓運行。

燃燒器布置情況見圖1，鍋爐設計煤種及燃燒器設計參數(shù)如下：

設計煤質(zhì)材料（雞西混煤）：

燃燒器設計數(shù)據(jù)：

一次風口截面積：4×0.467 4 m2，一次風速23～25 m/s；

二次風口截面積：4×0.604 0 m2，二次風速44～46 m/s；

三次風口截面積：4×0.123 0 m2，三次風速54～56 m/s。

圖1 角式煤粉燃燒器平面布置圖

牡丹江第二發(fā)電廠HG1 025 t/h型鍋爐，四角切圓燃燒，水冷壁規(guī)格φ63.5×7 mm，一般局部磨損發(fā)生在噴口右側(cè)第4～8根水冷壁管子上；磨損長度在130～340 mm范圍內(nèi)，離噴口較遠的第7、8根管子磨損面積較大，其他則較??；磨損面下線基本與上二次風噴口下傾角度線對應，見圖2。

圖2 噴口附近水冷壁磨損示意圖

一、二次風噴燃器采用1Cr18Ni0Ti不銹鋼板焊制而成，廠家設計的一、二次風速（冷態(tài)）分別為23～23 m/s和44～46 m/s。噴口檢查：一次風噴口正常；二次風噴口上邊左側(cè)已經(jīng)燒毀變形，并向下塌腰（最大約40mm），噴口左側(cè)鋼板向水冷壁變形約10mm，噴口里面接口處的二次風管上下左右都已經(jīng)變形，呈波浪狀。

3 原因分析

3.1 噴口出口射流與水冷壁的夾角

直流噴燃器以一定角度布置在爐膛四角上，在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的作用下，噴口出口射流兩側(cè)的補氣條件不同，形成作用于射流側(cè)面的壓力差，使射流向壓力較低一側(cè)偏轉(zhuǎn)，因此噴口出口射流兩側(cè)與水冷壁之間的夾角分為小角和大角。作爐內(nèi)空氣動力場試驗，在設計工況下測得爐內(nèi)實際旋轉(zhuǎn)速度圓大小為φ5.50～6.25 m，噴口出口大、小夾角分別為 31°和 4°～5°（見圖3）?？梢姡〗莻?cè)氣流根部距水冷壁很近，如果操作不當或爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)速度圓直徑偏大，氣流就要沖刷水冷壁。

3.2 噴口處的溫度

在鍋爐額定負荷下，測試下二次風口的溫度：測試探頭在噴燃器內(nèi)距噴口端面1 m，熱風門全開，測得溫度為320℃；探頭至噴口端面，熱風門全開，溫度為540℃，熱風門全關，此時溫度為832℃。爐膛最高溫度在1 600℃左右，上二級風噴口對應中心火焰位置。由此可見，如果鍋爐在額定負荷下，上二次風門全關時，其噴口處溫度將遠遠超過下二次風口的溫度（估計在1 000℃左右）。

3.3 噴口的材質(zhì)

圖3 噴燃器出口大、小角示意圖

噴口采用1Cr18Ni9Ti爐用耐熱鋼板，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗處于溫度相對較低的下二次風噴口，也經(jīng)常發(fā)生燒變形的情況?？梢?，1Cr18Ni9Ti只適合于溫度在600℃以下的工作環(huán)境。

3.4 二次風氣流主導作用

二次風射流噴出后，不斷卷吸周圍的空氣，因為二次風風速較高，大約是一次風的2倍，所以也不斷卷吸位于上下的一次風粉混合物。如果二次風刷墻，則卷吸的煤粉就會磨水冷壁，管子的磨損量與煙氣流速成3次方，因此噴口附近水冷壁的磨損一般都發(fā)生在二次風附近。從水冷壁磨損的情況可以看出，磨損位于二次風射流的下邊（再下面是上一次風），其磨損面正確地反映了一次風中的部分煤粉被卷吸到二次風所留下的痕跡。

3.5 噴口處水冷壁結構

HG1 025 t/h型鍋爐噴口處水冷壁的結構見圖4，其噴口出口端面深入爐膛僅100 mm（與四角頂點的距離），噴口氣流的要部基本上是貼著水冷壁。當出現(xiàn)噴口變形、爐內(nèi)切圓直徑偏大以及操作等原因使氣流偏轉(zhuǎn)時，都可能造成水冷壁的磨損。可見，HG1025t/h型鍋爐，噴燃器的布置不合理。

圖4 鍋爐燃燒器布置示意圖

4 防止水冷壁磨損的措施

4.1 采用耐熱鑄鋼噴口

將1Cr18Ni9Ti噴燃器改為耐溫1 000℃的耐熱鑄鋼噴燃器，實踐證明，改進后的噴燃器在運行中不變形，壽命都在40 000 h以上。

4.2 加長噴燃器

將噴燃器出口端面深入爐膛100 mm（與四角頂點的距離）改為200 mm，若不考慮其他因素，經(jīng)計算小角側(cè)靠第8根水冷壁管與噴口射流之間的距離可增加50 mm左右。實際運用中，在二次風噴口靠小角側(cè)焊一塊不銹鋼板，由于鋼板的導流作用，小角側(cè)的噴口位置向爐內(nèi)推進了一些，增加了射流與水冷壁之間的距離。在二次風氣流的影響下，避免了一次風中的煤粉磨水冷壁，這種辦法在鍋爐檢修中是一種臨時措施。比較正規(guī)的方法是：制作加長的耐熱鑄鋼一、二次風噴燃器，將舊噴燃器全部更換。這種方法比較適用于將舊爐改造，改造后噴口附近水冷壁檢查，可由一個小修期延長至一個大修期，可省去大量爐膛搭加架子的工作，效果更好。

4.3 校正切圓直徑

將爐內(nèi)假想切圓直徑減小，可增加小角側(cè)射流與水冷壁之間的距離。國內(nèi)對固態(tài)爐采用的假想切圓直徑一般為0.05～0.10倍的爐膛寬、深的平均值。HG1025t/h鍋爐的假想切圓直徑為1m，經(jīng)計算，選用的是最大值，因此還有調(diào)整的余地。在檢查或矯正假想切圓直徑時，除了對一次風管道進行檢查，更重要的是要對二次風管道（包括噴燃器）進行拉線檢查和調(diào)整。

4.4 合理的噴口處水冷壁結構

對于四角布置切向燃燒器，國外技術的特點是：噴口端面深入爐內(nèi)較長。如引進的CE技術，噴口端面距爐膛斷面角頂點約350 mm。B＆WBHG1 025 t/h鍋爐采用美國B＆W技術，其噴口處水冷壁的結構也很獨特（見圖3），噴口深入爐膛750 mm，噴口端面與兩側(cè)水冷壁平行，小角側(cè)與噴口氣流對應的水冷壁管為第14根，噴口出口射流兩側(cè)與水冷壁的距離均較遠，已經(jīng)遠遠避開了容易磨損的第4～8根管區(qū)域。即使發(fā)生噴口變形、切圓直徑較大、運行操作不當?shù)葐栴}，煤粉氣流也沖刷不到水冷壁。

5 結論與建議

（1）四角布置切向燃燒器附近水冷壁的磨損，主要與噴口材質(zhì)、燃燒器布置的角度、噴口端面太靠近四角頂點及運行操作等因素有關。

（2）對于舊爐改造,采用耐高溫1 000℃的鑄鋼及加長噴口長度，是防止水冷壁磨損既經(jīng)濟又有效的措施。

（3）二次風風速較一次風大，能卷吸一次風中的煤粉，如果二次風噴口變形或角度布置偏大，將對水冷壁造成磨損。所以一般情況磨損都發(fā)生在二次風附近，因此，在進行水冷壁的檢查、噴口矯正和檢查爐內(nèi)切圓直徑等工作時，要特別重視對二次風燃燒器及附近水冷壁的檢查。

（4）實踐證明，四角布置切向燃燒器噴口端面距爐膛斷面角頂點為750 mm時，噴口附近水冷壁不磨損，鍋爐安全可靠性高。