鍋爐水冷壁防腐蝕技術(shù)研究與應(yīng)用

張磊

(華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng)　453635)

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鍋爐水冷壁防腐蝕技術(shù)研究與應(yīng)用

張磊

(華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng)453635)

摘要：分析了大型電站燃煤鍋爐水冷壁腐蝕的發(fā)生原理及影響因素，研究針對性改造措施，創(chuàng)新地提出了矩陣布置方式的風(fēng)帽型貼壁風(fēng)系統(tǒng)防腐蝕技術(shù)，并在660 MW超臨界機組墻式燃燒鍋爐上實施應(yīng)用，取得了良好的防腐蝕效果。

關(guān)鍵詞：鍋爐水冷壁；預(yù)防；高溫腐蝕；風(fēng)帽型貼壁風(fēng)裝置

表2　灰樣的能譜分析　%

1技術(shù)背景

自2010年開始，華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司(以下簡稱新鄉(xiāng)發(fā)電公司)在機組大修時發(fā)現(xiàn)鍋爐兩側(cè)墻螺旋水冷壁有明顯的大面積腐蝕減薄情況。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近年來因水冷壁腐蝕造成的泄漏事故較多，特別是同類型的前后墻對沖旋流燃燒器鍋爐，水冷壁側(cè)墻腐蝕情況尤其嚴(yán)重。有些電廠為減少水冷壁泄漏造成的非計劃停機，每年都大量換管，不僅費用高，而且并不能杜絕因水冷壁腐蝕造成的泄漏事故。水冷壁腐蝕問題已成為威脅電廠鍋爐安全運行的一大隱患，在這種情況下，新鄉(xiāng)發(fā)電公司對水冷壁腐蝕的原因、影響因素和防范技術(shù)進(jìn)行了研究，以確定科學(xué)有效的水冷壁高溫防腐技術(shù)方案，有針對性地采取措施，避免或減緩水冷壁的高溫腐蝕，對水冷壁的腐蝕情進(jìn)行有效監(jiān)督和掌控，從而避免水冷壁在運行中發(fā)生泄漏。

2水冷壁腐蝕原因分析

2.1取樣化學(xué)分析

對水冷壁管樣(典型單邊腐蝕管子上片狀腐蝕物)和灰樣進(jìn)行電鏡、能譜分析。

(1)管樣腐蝕產(chǎn)物層形成時的組成元素主要是S和Fe，其物質(zhì)的量的比在 1∶1左右，是典型的FeS化學(xué)計量比，可確定腐蝕原理為還原性硫腐蝕。電鏡觀察結(jié)果如圖1所示，能譜分析見表1。

(2)灰樣能譜分析見表2，根據(jù)能譜分析可知，灰樣中K，Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和超過1.0%，具備氧化性硫腐蝕的高腐蝕趨勢堿金屬含量條件。

圖1　片狀腐蝕產(chǎn)物電鏡觀察和能譜分析取樣點

%

2.2腐蝕過程分析

根據(jù)水冷壁腐蝕部位、形態(tài)和檢測結(jié)果判斷：燃燒器標(biāo)高區(qū)域水冷壁腐蝕屬于還原性硫腐蝕，吹灰器區(qū)域蒸汽起到加速剝落腐蝕層和形成局部還原性氣氛的作用，管子受還原性硫腐蝕與吹灰蒸汽物理作用疊加而腐蝕。

高負(fù)荷下，鍋爐長期低氧量運行，爐膛呈還原性氣氛，側(cè)墻中部區(qū)域存在高質(zhì)量濃度的CO與H2S，釋放出原子態(tài)S，與水冷壁管發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成FeS，形成了高溫S腐蝕。該腐蝕與管壁溫度相關(guān)，溫度越高，腐蝕速度越快。

在吹灰器區(qū)域，吹灰器的定期投入清理了管壁外覆蓋的灰層，并使腐蝕產(chǎn)物破碎、剝離，同時，高溫下蒸汽進(jìn)入爐內(nèi)加強了還原性氣氛，在物理沖刷與化學(xué)腐蝕的雙重作用下，管壁迅速減薄。

2.3煙氣成分影響試驗

為研究高溫腐蝕的影響因素，給防止或減輕腐蝕對策的制訂提供依據(jù)，新鄉(xiāng)發(fā)電公司在鍋爐側(cè)墻易發(fā)生高溫腐蝕區(qū)域加裝測量孔，對鍋爐水冷壁側(cè)墻煙氣溫度及成分進(jìn)行取樣測試(測孔布置在爐膛側(cè)水冷壁上，穿過水冷壁管間鰭片，測點分為5層，每層布置3個，共15個)，對鍋爐在不同煤種、不同運行方式和工況下側(cè)墻處煙氣成分進(jìn)行研究分析，其結(jié)果如下。

(1)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，正常情況下煙氣中H2S體積分?jǐn)?shù)很低，一般小于0.003%，但當(dāng)煙氣中還原性氣氛較強時，H2S體積分?jǐn)?shù)往往也大幅上升，當(dāng)壁面O2的體積分?jǐn)?shù)<1%，CO的體積分?jǐn)?shù)>0.9999%時，H2S的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)0.02%以上，試驗中最高測得H2S體積分?jǐn)?shù)達(dá)0.14%以上，此時H2S對水冷壁產(chǎn)生較強烈的硫腐蝕。

(2)從不同試驗工況數(shù)據(jù)分析，每層都曾測出有較強還原性氣氛的測點，側(cè)墻均具備造成較強硫腐蝕的H2S體積分?jǐn)?shù)、煙氣溫度等條件，且中間部位更容易出現(xiàn)，對應(yīng)的中間層燃燒器側(cè)墻中間部位測點在不同試驗工況下均發(fā)現(xiàn)煙氣有較強還原性氣氛，整個試驗中測得H2S體積分?jǐn)?shù)最高點也位于該處。

(3)從試驗數(shù)據(jù)也可看出，高負(fù)荷時由于控制氧量低，更容易出現(xiàn)部分區(qū)域缺氧，形成強還原性氣氛。

(4)壁面處煙氣溫度變化較大，最低僅780 ℃，實際緊貼水冷壁面處溫度可能更低。

2.4腐蝕原因分析

(1)設(shè)計上的原因。鍋爐截面熱負(fù)荷和單燃燒器熱負(fù)荷設(shè)計值偏高，2臺鍋爐設(shè)計的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)的截面熱負(fù)荷為5.48 MW/m2，并且采用了單臺磨煤機4只煤粉燃燒器，單只燃燒器熱功率達(dá)到252.4 MJ/h，無論是截面熱負(fù)荷還是單燃燒器熱負(fù)荷，設(shè)計值都在國內(nèi)同等級同類型鍋爐中偏高，這也是高溫腐蝕的一個影響因素。

(2)燃料的原因。實際燃煤硫分遠(yuǎn)大于設(shè)計燃煤硫分(設(shè)計燃煤硫分為0.31%，實際硫分見表3)，從2010年起，硫分開始明顯升高，并摻燒高硫煤(最高達(dá)3.5%以上)，煙氣中SO2體積分?jǐn)?shù)大大提高，在還原性氣氛下爐內(nèi)燃燒形成腐蝕性H2S氣體。

表3　入爐煤平均硫分統(tǒng)計　%

(3)缺氧燃燒。其原因一是引風(fēng)機出力嚴(yán)重不足，高負(fù)荷下機組缺風(fēng)運行，整個爐膛呈還原性氣氛，側(cè)墻中部位置還原性氣氛最強；二是運行方式不合理，如高負(fù)荷運行時燃盡風(fēng)擋板開度過大，造成燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)過小，缺氧嚴(yán)重，煙氣呈強還原性氣氛，提高了高溫腐蝕速率。

(4)吹灰器工作時，高溫下蒸汽與煙氣中的C等物質(zhì)反應(yīng)，形成了局部強還原性氣氛。

影響水冷壁腐蝕速度的因素主要有入爐煤硫分的高低，腐蝕區(qū)域還原性氣氛的強弱，及鍋爐燃燒狀況、運行調(diào)整方式、氧量、溫度等。

3防腐蝕的技術(shù)方案

根據(jù)水冷壁腐蝕的原因，采取了以下措施：(1)在水冷壁側(cè)墻加裝風(fēng)帽型貼壁風(fēng)裝置；(2)引風(fēng)機增容改造，空氣預(yù)熱器堵灰治理；(3)進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗，確定合理的運行方式；(4)監(jiān)測水冷壁腐蝕狀況、管壁厚度，有效掌控水冷壁的腐蝕狀況和速度，及時換管；(5)水冷壁防腐蝕噴涂，提高耐腐蝕能力，延長水冷壁管使用壽命。以下重點闡述水冷壁側(cè)墻加裝風(fēng)帽型貼壁風(fēng)系統(tǒng)。

3.1設(shè)計理念

在前、后墻對沖布置的旋流燃燒方式的爐膛中，采用SOFA(分離燃盡風(fēng))燃燒系統(tǒng)時，由于對沖燃燒的影響，在主燃燒區(qū)以及還原區(qū)兩側(cè)墻水冷壁處容易形成較強的高溫腐蝕(該區(qū)域前、后墻有主燃燒器的貼壁風(fēng))，因此可以在側(cè)墻有組織地引入很小一部分二次風(fēng)，采用爐膛貼壁風(fēng)形式加以保護(hù)，增加該區(qū)域水冷壁管壁表面的氧含量，避免形成強還原性氣氛，防止該位置發(fā)生高溫腐蝕，同時兼顧經(jīng)濟性和安全性，盡可能減少保護(hù)風(fēng)對鍋爐燃燒的影響。

3.2研究的創(chuàng)新點和關(guān)鍵點

(1)風(fēng)帽結(jié)構(gòu)和布置方式設(shè)計獨特，采用耐火合金鋼制作，呈均勻矩陣分布，風(fēng)帽內(nèi)徑為6 mm,風(fēng)帽設(shè)計使保護(hù)風(fēng)射流與水冷壁基本平行，保護(hù)半徑為200 mm左右，能夠保證保護(hù)風(fēng)的均勻噴入，同時避免吹損水冷壁。風(fēng)帽布置如圖2所示，風(fēng)帽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(2)在水冷壁側(cè)墻外部新增貼壁風(fēng)風(fēng)道及靜壓小風(fēng)箱，實現(xiàn)小風(fēng)量(占二次風(fēng)風(fēng)量的0.7%)不影響燃燒，側(cè)墻貼壁風(fēng)噴嘴性能設(shè)計參數(shù)見表4。保護(hù)風(fēng)從熱二次風(fēng)大風(fēng)箱引入，避免對各層燃燒器產(chǎn)生影響，小風(fēng)箱分層獨立布置，能夠保證風(fēng)壓的穩(wěn)定。風(fēng)箱風(fēng)道設(shè)計補償節(jié)，充分考慮水冷壁、風(fēng)道及鍋爐的整體膨脹，風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及布置如圖4所示。

圖2　風(fēng)帽布置

項目參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)鍋爐燃燒總風(fēng)量/(kg·s-1)641.20貼壁風(fēng)風(fēng)帽個數(shù)/個2448單風(fēng)帽喉口面積/m26.36×10-7一次風(fēng)總風(fēng)量/(kg·s-1)108.70貼壁風(fēng)風(fēng)溫/℃352貼壁風(fēng)總風(fēng)量/(kg·s-1)4.52二次風(fēng)總風(fēng)量/(kg·s-1)340.14風(fēng)帽喉口風(fēng)速/(m·s-1)45.00貼壁風(fēng)占鍋爐總風(fēng)量比率/%0.7燃盡風(fēng)總風(fēng)量(含貼壁風(fēng)帽)/(kg·s-1)192.36風(fēng)帽噴口風(fēng)速(2噴口)/(m·s-1)14.09

圖3　風(fēng)帽結(jié)構(gòu)

4水冷壁風(fēng)帽型貼壁風(fēng)裝置應(yīng)用及推廣

2011年12月#2機組大修期間，新鄉(xiāng)發(fā)電公司首先在#2鍋爐高溫腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域加裝了側(cè)墻貼壁風(fēng)系統(tǒng)，兩側(cè)墻標(biāo)高30～36 m，即從上層燃燒器中心至燃盡風(fēng)的標(biāo)高，加裝位置如圖5所示。運行1年后，2012年12月#2鍋爐停爐檢查時發(fā)現(xiàn)，在安裝了貼壁風(fēng)風(fēng)帽的水冷壁管子區(qū)域，水冷壁測量管壁厚度與大修時相比沒有明顯減薄(測量最小壁厚為6.0 mm)，但標(biāo)高25～30 m未安裝貼壁風(fēng)的水冷壁區(qū)域腐蝕嚴(yán)重，中間腐蝕最重，測量壁厚在4.3～4.6 mm，沿前、后墻方向腐蝕程度有所減輕，距側(cè)墻中點2 m處測量壁厚為4.7～5.2 mm，25 m高度以下側(cè)墻水冷壁管壁厚均達(dá)到5.0 mm以上，再向下腐蝕程度逐漸減輕，檢查測量數(shù)據(jù)見表5。從檢查情況來看，水冷壁側(cè)墻加裝貼壁風(fēng)裝置后防腐蝕效果非常明顯，起到了良好的保護(hù)作用。水冷壁腐蝕情況對比如圖6所示。

圖4　風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及布置

圖5　貼壁風(fēng)加裝位置示意

表5　檢查測量數(shù)據(jù)

圖6　水冷壁腐蝕情況對比

由于#2鍋爐水冷壁側(cè)墻加裝風(fēng)帽型貼壁風(fēng)系統(tǒng)后效果良好，2013年5月#1鍋爐大修時，新鄉(xiāng)發(fā)電公司在#1鍋爐側(cè)墻也加裝了貼壁風(fēng)系統(tǒng)，并將加裝范圍擴大，向下方擴展到23.5 m(中層燃燒器標(biāo)高)。2014年#2鍋爐小修時，將#2爐貼壁風(fēng)范圍同樣向下擴展到23.5 m。

確認(rèn)效果良好后，該技術(shù)在同類型電廠引起了廣泛關(guān)注，多個電廠學(xué)習(xí)借鑒實施。該技術(shù)不僅在國內(nèi)是首創(chuàng)，在國際上也是首次被用來進(jìn)行防高溫腐蝕，對國內(nèi)各大電力公司的同類型鍋爐具有極高的推廣應(yīng)用價值，其經(jīng)濟及社會效益非常顯著。

5結(jié)束語

(1)通過對水冷壁腐蝕的原因、影響因素和防范技術(shù)進(jìn)行研究，確定了科學(xué)有效的水冷壁高溫防腐技術(shù)方案，采取的防腐蝕措施能夠有效避免、減緩水冷壁的高溫腐蝕，取得了良好成效。

(2)根據(jù)高溫腐蝕的發(fā)生原理，提出了矩陣布置方式的風(fēng)帽型貼壁風(fēng)系統(tǒng)防腐蝕技術(shù)，并在660 MW超臨界機組墻式燃燒鍋爐上實施應(yīng)用。2年的運行實踐表明，該技術(shù)對防水冷壁腐蝕作用明顯，并有效減緩爐內(nèi)結(jié)渣。

(3)該技術(shù)可有效緩解水冷壁高溫腐蝕，減少鍋爐因泄漏而導(dǎo)致的非計劃停機，提高機組運行的可靠性、經(jīng)濟性，具有廣闊的應(yīng)用前景。風(fēng)帽型貼壁風(fēng)結(jié)構(gòu)為國內(nèi)首創(chuàng)，具有技術(shù)創(chuàng)新性，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

(本文責(zé)編：弋洋)

收稿日期:2015-05-21；修回日期:2016-03-11

中圖分類號：TK 228

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)05-0018-04

作者簡介：

張磊(1972—)，男，安徽靈璧人，工學(xué)碩士，高級工程師，從事火力發(fā)電方面的工作(E-mail:zhanglei14211@126.com)。