1 000 MW二次再熱塔式鍋爐塌灰原因分析及應(yīng)對(duì)措施

崔曉光

(國(guó)電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327)

0 引言

塔式鍋爐因適用多種煤種、爐內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布均衡、對(duì)流受熱面易疏水可酸洗等優(yōu)勢(shì)[1]，在已投產(chǎn)和在建的大容量鍋爐中占比日漸增大。但在應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷時(shí)，布置于爐膛正上方受熱面的積灰層形成較快，受到擾動(dòng)時(shí)積灰層可能大面積塌落，導(dǎo)致鍋爐火檢閃爍、喪失甚至觸發(fā)鍋爐主燃料跳閘(MFT)。因此，迫切需要探究影響受熱面積灰的主要因素和塔式鍋爐塌灰原因，并制訂出應(yīng)對(duì)辦法。

1 系統(tǒng)概況

某公司二期工程2×1 000 MW機(jī)組采用SG-2710/33.03-M7050型、超超臨界、二次再熱、單爐膛、四角對(duì)沖切向燃燒、變壓運(yùn)行塔式鍋爐。

該型鍋爐未設(shè)計(jì)后豎井，所有過(guò)、再熱器受熱面均水平布置在爐膛正上方，并且由于采用二次中間再熱，上部受熱面布置較為緊湊。自下而上依次布置了低溫過(guò)熱器、組合式高溫受熱面(高溫過(guò)熱器，一次/二次高溫再熱器的冷段、熱段)。接下來(lái)，分隔煙道隔墻將上部豎井分為前后兩部分，前豎井先后布置了一次再熱低溫再熱器和前煙道省煤器，后豎井布置了二次再熱低溫再熱器和后煙道省煤器。豎井頂部出口煙道拐角處設(shè)置了雙煙道煙氣擋板，調(diào)整流經(jīng)前后煙道的煙氣量，以平衡一次、二次再熱器汽溫。各受熱面布置示意圖如圖1所示。低溫過(guò)熱器和一次、二次再熱高溫再熱器冷段呈半輻射半對(duì)流特性，其余受熱面呈對(duì)流特性。

圖1 1 000 MW二次再熱塔式鍋爐對(duì)流受熱面布置示意

2 影響受熱面積灰的主要因素

受熱面積灰指的是低于灰熔點(diǎn)的灰粒聚集在受熱面管束的外表面，一般發(fā)生在對(duì)流受熱面。按照積灰層強(qiáng)度，可分為黏結(jié)性積灰和松散性積灰兩類。黏結(jié)性積灰的形成，是堿金屬硫酸鹽等活性顆粒黏附在管束外表面并與煙氣中某些成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)所致，其特性是隨著煙氣流速增大，質(zhì)地愈發(fā)堅(jiān)硬緊密，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到20 MPa，極難被清除；松散性積灰則是因?yàn)榧?xì)小的中性灰粒沉積在管束外表面，其過(guò)程為物理過(guò)程，灰層疏松，機(jī)械強(qiáng)度低，容易被清除[2]。因此，鍋爐塌灰一般是受熱面管束外表面上聚集的松散性積灰受到擾動(dòng)瞬間塌落形成的。

受熱面積灰過(guò)程主要受到煙氣流速、飛灰濃度、管徑、管束布置方式、管排數(shù)量等因素的影響。

2.1 煙氣流速

管子錯(cuò)列布置時(shí)積灰情況如圖2所示。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)，煙氣流速較低(5 m/s以下)時(shí)，在受熱面管子的迎風(fēng)面略有積灰；在管子的背風(fēng)面形成楔形積灰層，飛灰沉積較多；兩側(cè)的管壁受到飛灰沖刷作用，通常沒(méi)有積灰存在[3]。隨著煙氣流速的逐級(jí)增加，飛灰中粗灰顆粒的沖刷侵蝕降低了管壁迎風(fēng)面和背風(fēng)面的積灰層厚度。在煙氣流速一定的前提下，管子背風(fēng)面的渦流區(qū)內(nèi)，細(xì)灰沉積形成積灰層逐級(jí)與粗大灰顆粒沖刷破壞積灰層之間形成平衡時(shí)，積灰層厚度不再無(wú)限增加，存在最大值。

表1 對(duì)流受熱面不同負(fù)荷下煙氣流速 m/s

圖2 管子錯(cuò)列布置時(shí)積灰情況

表1為生產(chǎn)廠家提供的不同負(fù)荷時(shí)各受熱面的煙氣流速情況。由表1可以看出：一方面，沿爐內(nèi)煙氣流程，受熱面區(qū)域的煙氣流速逐級(jí)變緩，上部受熱面管束上更易形成大量積灰；另一方面，隨負(fù)荷降低，煙氣流速也隨之降低。在50%負(fù)荷及更低負(fù)荷時(shí)，各受熱面區(qū)域的煙氣流速不足5 m/s，此時(shí)各級(jí)受熱面管束上的積灰層增長(zhǎng)較快且灰層較厚。

2.2 飛灰濃度

在受熱面結(jié)構(gòu)和煙氣流速等條件一定的前提下，受熱面飛灰沉積層的厚度存在一個(gè)最大值，而煙氣中飛灰濃度的大小只是影響了達(dá)到該最大值的時(shí)間長(zhǎng)短。因此，針對(duì)入爐煤種所含灰分的高低，需要及時(shí)調(diào)整吹灰時(shí)間間隔。

2.3 受熱面布置結(jié)構(gòu)

受熱面管排錯(cuò)列布置時(shí)，管排間煙氣流向受阻發(fā)生改變，管子背部受到?jīng)_刷，積灰特性減弱，若此時(shí)管束間縱向間距減小，管子背部受到的沖刷將更強(qiáng)。受熱面管排順列布置時(shí)，煙氣對(duì)第1排管子的背部和后續(xù)管排的沖刷較弱，積灰特性增強(qiáng)，若此時(shí)管束間縱向間距減小，管子受到的煙氣沖刷將進(jìn)一步減弱，飛灰更容易將管束之間的間隙填滿。管排間橫向間距一般設(shè)計(jì)值較大，對(duì)積灰沒(méi)有太大影響。針對(duì)該鍋爐而言，各受熱面采用順列布置，縱向間距設(shè)計(jì)較小(65～95 mm不等)，在入爐煤灰分較大時(shí)，低負(fù)荷時(shí)段，煙氣流速下降，各受熱面更易積灰。

3 受熱面塌灰原因及應(yīng)對(duì)方法

由上面分析可知，受熱面在低負(fù)荷時(shí)更易積灰，隨著時(shí)間推移和煙氣飛灰濃度的增加，受熱面的積灰會(huì)逐級(jí)達(dá)到峰值。根據(jù)計(jì)算，如果鍋爐受熱面管束間積灰形成搭橋，填滿管屏內(nèi)部間隙后，積灰體積可達(dá)數(shù)十立方米。和Π型鍋爐相比，塔式鍋爐各受熱面均布置在爐膛上部，各受熱面沉積的灰層一旦塌落，將全部落至下方爐膛，對(duì)爐內(nèi)的燃燒進(jìn)程產(chǎn)生極大擾動(dòng)。

3.1 受熱面塌灰原因

鍋爐塌灰一般是受熱面管束外表面上聚集的松散性積灰受到擾動(dòng)瞬間塌落形成的。促使松散性積灰積聚形成沉積層的作用力主要是熱泳力、靜電力和氣態(tài)擴(kuò)散作用等，破壞飛灰沉積的作用力主要是灰粒重力、氣流的沖刷剪切力和飛灰對(duì)積灰顆粒的碰撞力[2]。當(dāng)受熱面的積灰層達(dá)到一定程度，遇到機(jī)組加負(fù)荷或進(jìn)行吹灰時(shí)煙氣流速突然變大，促使積灰層積聚的作用力不足以對(duì)抗破壞積灰層沉積的作用力時(shí)，受熱面積灰脫落。受熱面管排間的大量積灰受擾瞬間向四周灑落，進(jìn)一步加劇煙氣流場(chǎng)擾動(dòng)，形成雪崩式的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。積灰在從上部受熱面向下方滑落的過(guò)程中，動(dòng)量增加，從而帶動(dòng)下方受熱面的積灰層整體塌落，形成塌灰。當(dāng)積灰大量塌落時(shí)，灰粒遮擋鍋爐火焰檢測(cè)器前的光線、吸收煙氣熱量，影響煤粉穩(wěn)定燃燒，造成檢測(cè)到的火焰強(qiáng)度閃爍，甚至火檢信號(hào)失去，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)跳閘，并可能引發(fā)鍋爐MFT。

在該機(jī)組調(diào)試階段，進(jìn)行鍋爐帶壓放水、熱爐上水操作時(shí)曾發(fā)生過(guò)受熱面塌灰。分析結(jié)果表明，鍋爐帶壓放水前，螺旋管水冷壁溫度低于該壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，工質(zhì)為液態(tài)，而垂直管水冷壁溫度仍較高，工質(zhì)為氣態(tài)，在進(jìn)行鍋爐放水操作時(shí)，工質(zhì)發(fā)生氣態(tài)向液態(tài)的轉(zhuǎn)變，形成氣液兩相流動(dòng)，導(dǎo)致中間聯(lián)箱、三叉管等部位產(chǎn)生激振力，引起鍋爐中間聯(lián)箱附近的螺旋管和垂直管水冷壁大面積振動(dòng)，傳導(dǎo)至上部受熱面，造成受熱面積灰受擾塌落；而熱爐上水時(shí)與之類似，鍋爐上水時(shí)給水溫度較低，省煤器管壁溫度仍然較高，工質(zhì)汽化引發(fā)水擊，造成省煤器管束振動(dòng)，省煤器區(qū)域的積灰受擾掉落，引起自上而下的大面積塌灰。由于當(dāng)時(shí)鍋爐處于悶爐狀態(tài)，風(fēng)煙系統(tǒng)擋板關(guān)閉，在這樣的密閉空間內(nèi)部，積灰受擾塌落，導(dǎo)致局部區(qū)域壓力瞬間下降，形成卷吸作用，使得冷空氣與灰粒一同下落。在下落過(guò)程中，冷空氣被溫度仍較高的受熱面管束和管束間沉積的灰顆粒、渣塊加熱，氣體體積迅速膨脹，爐膛內(nèi)部壓力瞬間上升，造成結(jié)構(gòu)薄弱部位如煙道膨脹節(jié)等受損。

3.2 受熱面塌灰的應(yīng)對(duì)方法

對(duì)于燃煤鍋爐，由于煙氣中含有大量的飛灰顆粒，無(wú)可避免地會(huì)造成各級(jí)受熱面積灰。對(duì)于預(yù)防受熱面塌灰，抑制積灰層的過(guò)量和過(guò)快沉積是解決問(wèn)題的優(yōu)先選擇。

3.2.1 及時(shí)進(jìn)行吹灰

適時(shí)進(jìn)行吹灰是預(yù)防受熱面塌灰最實(shí)用的方法。一般在鍋爐連續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行24 h后，應(yīng)及時(shí)吹灰，如果燃用煤種灰分較高，應(yīng)適當(dāng)增加吹灰頻率。在吹灰初期可能會(huì)有少量塌灰，造成鍋爐火檢閃爍，但如果因此中斷吹灰，受熱面積灰層會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，待高負(fù)荷再吹灰時(shí)，煙氣流速增加對(duì)積灰層的自吹灰效應(yīng)與吹灰汽流擾動(dòng)相疊加，極易引發(fā)受熱面的大面積塌灰。吹灰時(shí)，可采取降低吹灰蒸汽壓力、先投下層吹灰器再投上層吹灰器、先投中間吹灰器再投兩側(cè)吹灰器、吹灰器單根投入的方法減少煙氣流場(chǎng)擾動(dòng)，來(lái)防范受熱面塌灰的發(fā)生。新機(jī)組調(diào)試階段，吹灰系統(tǒng)首次投入時(shí)也可采用上述方法來(lái)減少受熱面塌灰?guī)?lái)的擾動(dòng)。

3.2.2 受熱面積灰在線監(jiān)測(cè)

鍋爐受熱面積灰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)分散控制系統(tǒng)(DCS)采集、分析受熱面各區(qū)域工質(zhì)溫升、蒸汽流量、煙氣入口溫度等參數(shù)，計(jì)算出各級(jí)受熱面的灰污特征參數(shù)，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)反映受熱面積灰程度[4-5]。在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)受熱面灰污特征參數(shù)的變化，有針對(duì)性地投入積灰嚴(yán)重區(qū)域的吹灰器，并監(jiān)測(cè)吹灰器投用后的效果，避免盲目投入吹灰器導(dǎo)致過(guò)度吹灰或吹灰效果未達(dá)預(yù)期，從而有效預(yù)防受熱面塌灰的發(fā)生。

3.2.3 改善入爐煤質(zhì)

受熱面的積灰特性與入爐煤的煤灰性質(zhì)有關(guān)，主要影響指標(biāo)有灰分、煤灰軟化溫度、堿金屬含量、硅鋁比等[2]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)受熱面易積灰或預(yù)計(jì)節(jié)假日期間長(zhǎng)期帶低負(fù)荷時(shí)，應(yīng)調(diào)整入爐煤種，降低入爐煤灰分，燃用堿金屬含量低的煤種或配煤時(shí)摻加不易積灰的煤種，來(lái)改善受熱面積灰狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

二次再熱機(jī)組具有更高的效率，因此得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文以某二次再熱塔式鍋爐為研究對(duì)象，分析了塔式鍋爐受熱面塌灰的原因，提出了優(yōu)化受熱面吹灰方式、調(diào)整煤種等方法，避免受熱面大面積塌灰，保證了鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。