火電廠鍋爐受熱面吹損原因分析及優(yōu)化措施

國家能源集團(tuán)山西神頭第二發(fā)電廠有限公司 盧文俊

在當(dāng)前新時期背景下，能源在世界各國中的地位不斷提升，其在推動社會經(jīng)濟建設(shè)方面承擔(dān)著重要作用。我國在實際發(fā)展過程中也不斷加強對能源安全的重視程度，在傳統(tǒng)火力發(fā)電的同時，積極加大對水電、風(fēng)電等新能源的開發(fā)與利用力度，然而在多種因素影響下，火電依然是當(dāng)前我國電力資源的主要供應(yīng)源頭。由此，確保火電廠運行平穩(wěn)性成為當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展中的重要工作內(nèi)容。

火力發(fā)電主要通過燃燒煤炭的方式進(jìn)行，這就使得煤炭燃燒后產(chǎn)生灰塵等會沉積在鍋爐受熱面上，此時就需要利用吹灰器對其進(jìn)行清潔，然而在設(shè)計、安裝、維護(hù)以及使用過程中的多種因素影響下，鍋爐受熱面存在受損的可能，進(jìn)而導(dǎo)致電力供應(yīng)穩(wěn)定性受影響。由此，探究鍋爐受熱面吹損問題形成原因并對其進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化成為行業(yè)內(nèi)重點研究內(nèi)容。

火力發(fā)電過程中，煤炭燃燒后產(chǎn)生的灰渣等不可避免地會沉積在鍋爐表面，導(dǎo)致受熱面導(dǎo)熱效率被大幅削弱，進(jìn)而使得鍋爐熱效率降低，最終對發(fā)電作業(yè)穩(wěn)定性造成影響，此時就需要利用吹灰器對其進(jìn)行處理。該設(shè)備的主要原理即是利用高速噴射氣流對受熱面附著的灰渣進(jìn)行直接沖刷，進(jìn)而達(dá)成清潔鍋爐受熱面的目的[1]。

當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的吹灰器為蒸汽吹灰器，其主要分為長行程伸縮式吹灰器以及短行程伸縮性吹灰器，分別設(shè)置于尾部煙道高溫過熱器部分以及低溫再熱器、高溫省煤器、低溫省煤器部分。其實際運行過程中，電機會帶動行走小車將吹灰槍旋入鍋爐內(nèi)部，隨后開啟蒸汽提升閥，直至碰到前端限位開關(guān)，然后電機反轉(zhuǎn)帶動行走小車后退將吹灰槍旋出，當(dāng)吹灰槍快要到達(dá)原始位置時，關(guān)閉提升閥、切斷蒸汽，吹灰槍繼續(xù)后退直至碰到后端限位開關(guān)，吹灰結(jié)束。

1 案例概述

為深入探究鍋爐受熱面吹損問題產(chǎn)生原因，本文在研究中將結(jié)合案例進(jìn)行具體分析。案例工程為某地區(qū)2×500MW燃煤機組，鍋爐BMCR出力為1650t/h，為亞臨界帶有中間再熱的單爐膛半塔式布置，固態(tài)排渣。蒸發(fā)段為一次上升管屏，爐墻為垂直上升管屏的全焊接氣密性膜式壁，下降管中裝有強制循環(huán)泵的低倍率復(fù)合循環(huán)鍋爐[2]。在爐膛豎井內(nèi)依次懸掛著省煤器、再熱器、過熱器，這些設(shè)備均由內(nèi)懸管懸吊；受熱面的入、出口聯(lián)箱均由外部懸吊管懸吊。

該機組燃燒器采用爐膛錯列對沖式，燃燒系統(tǒng)由原24臺擾動式煤粉噴燃器改造為：4臺微油燃燒器、20臺低氮燃燒器錯列對沖布置在前后墻上，整個爐膛由64臺水力吹灰器組成水力吹灰系統(tǒng)以保證在運行中蒸發(fā)段不結(jié)焦或積灰。長桿吹灰器是螺旋傳動式長桿吹灰器，型號為HXSL-52。每臺鍋爐現(xiàn)在安裝36臺長桿吹灰器。布置方式為爐左右墻（102米～68米）共六層，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 蒸汽吹灰器性能參數(shù)

水力吹灰器性能參數(shù)：安裝位置在水冷壁，設(shè)備型號為伸縮式XSL-5，數(shù)量64，有效行程1.15m、吹灰半徑2.5～4m、水壓力1.5～2.0MPa（設(shè)計）、動作/噴射時間120s。

2 鍋爐受熱面吹損問題及原因

2.1 鍋爐受熱面吹損問題

從實際層面分析，四管泄漏是電廠運行過程中面臨的主要安全隱患之一，導(dǎo)致該問題出現(xiàn)的主要原因包括掉焦砸傷、超溫、吹灰磨損等。案例電廠2009年至2016年期間，原因為吹灰磨損導(dǎo)致的受熱面爆管達(dá)6次，吹灰磨損在所有事故原因中占40%以上，該問題主要產(chǎn)生于低溫再熱器以及二級過熱器之間部分，爐膛水冷壁水吹灰器吹灰半徑內(nèi)。該問題主要產(chǎn)生于低溫再熱器及二級過熱器之間部分。

通過對1號以及2號機組歷年檢修記錄進(jìn)行分析可知，因吹灰磨損導(dǎo)致的受熱面減薄嚴(yán)重問題共出現(xiàn)5次，其中比較有代表性的案例為2015年對1號爐進(jìn)行A級檢修過程中，運維人員發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)低溫再熱器管壁厚吹損減薄問題較嚴(yán)重，問題最嚴(yán)重區(qū)域管壁已減薄至2.0mm，相較于原管壁厚度其減薄量達(dá)到1.5mm左右，且表面呈現(xiàn)出明顯的凹凸不平情況。這種情況說明，案例電廠中鍋爐受熱面吹損問題極為嚴(yán)重，已成為安全隱患，需立即對其處理。

2.2 鍋爐受熱面吹損問題產(chǎn)生原因

技術(shù)人員在實際工作過程中，依托于電廠運行實際情況對鍋爐受熱面吹損問題形成原因進(jìn)行分析，并總結(jié)出設(shè)備問題、運行模式及氣流場不均勻是導(dǎo)致該問題產(chǎn)生的主要原因，其中三方面有單獨作用、也存在共同作用，其在導(dǎo)致的問題表現(xiàn)也存在較大差異性，具體表現(xiàn)在以下方面：

受焊接處理、熱處理以及設(shè)計方面的漏洞，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)電廠所用的2臺鍋爐再熱器中存在較為顯著的管勾脫落問題，且數(shù)量超過200余處，導(dǎo)致部分懸吊管撕傷嚴(yán)重，設(shè)備運行過程中管子穩(wěn)定性不足，同時管子排列存在錯列，導(dǎo)致部分管子存在吹損、換管等情況；二級過熱器和低溫再熱器的吹灰道上，其受熱面處的吹損量較大，尤其是沿壁處，主要原因在于此部分直接面對氣流的旋渦因而受到較大的沖擊。而導(dǎo)致此主要問題出現(xiàn)，管道襯套的長度不夠，無法完全遮住容易被侵蝕的管道。

由于擋風(fēng)板的影響，位于鍋爐尾部的吹灰口內(nèi)的壁孔處其上的過熱器產(chǎn)生了空氣漩渦，從而使這一部位的壁面被吹薄；部分短吹進(jìn)汽管未設(shè)置疏水角度。在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中，吹灰器頭閥前進(jìn)氣管水平段以及吹灰器管部分應(yīng)分別設(shè)計5°的上揚角度以及下傾角度。而案例電廠在實際進(jìn)行安裝作業(yè)過程中明顯未能依照設(shè)計進(jìn)行，這就使得管路內(nèi)積水問題較為嚴(yán)重，極大地提升了吹灰磨損度；電廠工作人員未嚴(yán)格依照設(shè)計進(jìn)行安裝，導(dǎo)致部分?jǐn)啻祰姶稻嚯x與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值之間存在較大差異；受該電廠排煙溫度較高影響，空預(yù)器冷端部分低溫腐蝕程度相對較少，而技術(shù)人員在對1號爐以及2號爐進(jìn)行A級檢修過程中發(fā)現(xiàn)，其冷端換熱元件存在大量吹損問題，且遠(yuǎn)超于被腐蝕成分。

技術(shù)人員在對案例電廠鍋爐受熱面吹損問題形成原因進(jìn)行分析過程中還發(fā)現(xiàn)，因多種原因?qū)е麓祷掖螖?shù)大幅提升同樣是導(dǎo)致問題出現(xiàn)的主要原因，其具體主要包括以下五方面：

其一，案例電廠所使用的煤中CaO含量較高，而該廠粉煤灰細(xì)度相對較少，這就使得灰渣的沾污性大幅提升，其對鍋爐受熱面的影響也大幅提升，由此吹頻率也隨之增長。

其二，案例電廠所使用的機組過熱器比例相對較少，而煤的揮發(fā)份高且煤灰細(xì)度相對較低，這就導(dǎo)致過熱汽溫相對較低。相較于設(shè)計氣溫，機組實際運行高負(fù)荷情況下的氣溫會[3]。由此，為提升過熱汽溫，必須加大吹灰頻率，進(jìn)而導(dǎo)致受熱面吹損問題較為嚴(yán)重。而2號機組投產(chǎn)時間相對較晚，相較于1號機組其主汽溫度相對較高，吹灰頻率也有所下降，由此其未出現(xiàn)過受熱面爆管問題。

其三，夏天的負(fù)壓較小，全負(fù)載時機組的工作效率已經(jīng)達(dá)到或超出了BMCR工作條件。熱風(fēng)機組在BMCR條件下運行過程中，因其容易堵塞、壓力高、空氣壓力大、供氣容量大、供氣容量小等問題，導(dǎo)致BMCR條件運行中的含氧量偏低，通常在2%～2.5%之間。由于灰渣的熔點低，特別是在還原氣氛中的下降更為顯著，為了預(yù)防炭化必須加大吹灰量。

其四，煙氣的高溫容易使煙氣的熱量損耗增大，引起空氣的動、靜摩擦力。為了減少煙氣的排放，對水冷墻和節(jié)煤裝置進(jìn)行了強化；其五，火力發(fā)電廠在運行中沒有防范送風(fēng)產(chǎn)生的問題，采取了降壓措施，提高了高爐的氧氣和減少了煙氣的溫度，增加了空氣預(yù)熱器的吹灰率，達(dá)到了一班一次的水平，這就導(dǎo)致了冷端換熱器的局部吹傷問題。

3 電廠鍋爐受熱面吹損問題優(yōu)化建議

技術(shù)人員在總結(jié)案例電廠中鍋爐受熱面吹損問題產(chǎn)生原因后，提出以下優(yōu)化建議：

更換減薄幅度超過三分之一的管子，同時對存在減薄問題但未到更換標(biāo)準(zhǔn)的管子進(jìn)行加裝防磨瓦。對水冷壁、過熱器等部分的受熱面吹灰路徑進(jìn)行噴涂處理；利用檢修工作機會，對受熱面中成績的結(jié)渣、灰塵等進(jìn)行全面清理，降低吹灰頻次；考慮到電廠1號爐中二級過、低溫再熱器部分積灰量較大導(dǎo)致吹灰頻次較多的問題，技術(shù)人員在相應(yīng)部分的防磨板進(jìn)行加長處理，同時在豎直管道部分加設(shè)防磨板，最大限度地降低吹灰動作對管壁的磨損。

對二級過、低溫再熱器側(cè)包墻吹灰器穿墻孔的上、下擾流板處加裝了保護(hù)板。同時，對空預(yù)器吹損的冷端換熱元件進(jìn)行更換；降低吹灰壓力，降低其對受熱面的磨損力度。考慮到一級過、省煤器部分積灰問題較為嚴(yán)重，因此只對其進(jìn)行加設(shè)防磨板處理，未對此部分吹灰壓力進(jìn)行調(diào)整。在經(jīng)過試驗后，排樣溫度以及結(jié)渣情況并未產(chǎn)生明顯變化。具體如表2所示。

表2 調(diào)整前后吹灰壓力對比

依照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對吹灰器進(jìn)汽角度進(jìn)行調(diào)整。案例電廠中，在2013年對1號爐以及2號爐進(jìn)行檢修過程中分別對20臺不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的長吹分支管進(jìn)行疏水改造，確保其疏水角度在2‰以上，以降低管內(nèi)積水導(dǎo)致的吹灰蒸汽帶水引發(fā)的管道磨損嚴(yán)重問題。同時，該廠還在2014年以及2015年檢修過程中對1號爐以及2號爐的吹灰器管道進(jìn)行重點檢查，并重現(xiàn)焊接所有疏水角度不符合標(biāo)準(zhǔn)的管道。

對吹灰疏水加裝溫度測點，指導(dǎo)暖管時間，在進(jìn)行充分疏水的前提下又能夠保證節(jié)省時間和減少暖管用蒸汽量；案例電廠在實際工作過程中對因吹灰操作頻率過提高導(dǎo)致的吹灰器磨損嚴(yán)重，進(jìn)而使得外管斷裂并掉入水平煙道問題進(jìn)行總結(jié)，隨后確定了以半年為頻率對長桿吹灰器進(jìn)行金屬檢測的決定，同時在要求運維人員在每次檢修過程中將沿爐前向爐后方向?qū)Υ祷移魍夤苓M(jìn)行輪換，最大限度地降低吹灰器砸傷水冷壁或堵塞冷灰都問題出現(xiàn)。

為防止吹灰器銷子斷裂、卡澀、開關(guān)反饋故障等原因，使吹灰器在爐內(nèi)停留，造成受熱面吹損，制定嚴(yán)格的吹灰制度。要求運行人員加強對吹灰器的監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)問題。維修人員每天檢查、及時維護(hù)，24h有人值班，出現(xiàn)問題及時到位處理。

對吹灰器進(jìn)氣孔初始位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將原有設(shè)計中水平方向布置轉(zhuǎn)換為垂直方向布置，通過對吹掃部分進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整實現(xiàn)延長管子的使用壽命；對煤灰細(xì)度進(jìn)行調(diào)整，通過增大細(xì)度的方式使得火焰中心上移，同時調(diào)整燃燒器擺角下擺，以實現(xiàn)提升過熱汽溫目標(biāo)，最大限度地降低爐膛出口處的煙溫，以實現(xiàn)降低結(jié)渣機會的目標(biāo)。同時對空預(yù)器入口處煙溫進(jìn)行下調(diào)處理，以降低吹灰頻次。

綜上，在電廠鍋爐運行過程中，四管泄漏是影響其運行穩(wěn)定性的重要因素，由此其也是電廠治理的關(guān)鍵部分之一。通過對導(dǎo)致四管泄漏問題出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析可知，受熱面吹損在其中占據(jù)較大比重，由此電廠在實際運營過程中應(yīng)注意加強對此問題的重視程度。本文所研究的案例中，在采用上述方法進(jìn)行優(yōu)化后取得較好的成效，因此其工作經(jīng)驗可以為其他火電廠提供參考意見。需要注意的一點是，吹灰磨損治理是一項長期性的工作，電廠方面應(yīng)繼續(xù)加強對相關(guān)問題的研究力度，并提出更加有效地優(yōu)化方式。