超臨界循環流化床鍋爐氧化皮清理的實踐研究

李 鵬

(江蘇省能源投資有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

截至2021年底，全國已有50多臺超臨界循環流化床鍋爐機組投產，其中部分鍋爐在啟動初期就出現了過熱器超溫現象，導致機組被迫停運。由于流化床鍋爐的過熱器以掛屏形式布置在鍋爐爐膛上部，為了防止受熱面磨損，一般在過熱器管屏外面焊接銷釘并敷設耐磨澆注料。當過熱器管屏出現超溫后，無法像煤粉鍋爐一樣，采用射線或者磁性檢測方法判斷氧化皮的堆積量及位置，只能通過壁溫異常判斷大致區域，再通過割管及內窺鏡進行檢測。另外，由于耐磨澆注料硬度較高，若采用常規的局部割管的方式清理，工作量巨大且檢修工期長，這也是業界關注的難題。對此，研究提出了一種基于閉式管道沖洗的氧化皮清理方法，該方法利用鍋爐系統原有設備，不需要對過熱器管道進行設計修改，可在保證安全的前提下獲得很好的清理效果。

1 氧化皮堆積部位

超臨界循環流化床鍋爐的高溫過熱器管材為SA-213TP347H奧氏體不銹鋼，其粗晶結構在高溫水蒸氣環境下極易產生氧化皮。高溫過熱器布置在爐內，呈L型掛屏形式，從鍋爐前墻及頂棚穿出，上部配有集箱，通過彈簧吊架固定在大板梁上。

氧化皮的大面積剝落多發生在啟停爐階段，在垂直管中產生的氧化皮剝落后，在管屏中下落沉積，到達L型彎頭處后，大量質量較重、尺寸較大的氧化皮沉積到彎頭區域；一部分較小的氧化皮順著管子繼續向著集箱移動，并在集箱外讓管彎頭處沉積，由疏水攜帶進入集箱。沉積在彎頭處的氧化皮逐漸形成類似“鳥巢”的結構，并將較小的氧化皮捕獲，逐漸形成較為穩固的結構造成管道堵塞，導致管內蒸汽流量降低而管壁超溫，從而進一步加快氧化皮的生成速度，形成惡性循環。通過對高溫過熱器管屏割管，采用內窺鏡觀察發現，管屏彎頭處聚集了大量的氧化皮，是最容易造成堵塞的部位。

超臨界流化床鍋爐氧化皮堆積的位置不同于煤粉鍋爐，前者為彎曲角度接近100°的下斜彎頭處，后者為U型彎管處。經觀察，高溫受熱面蒸汽側氧化皮為層狀結構，共分3層，最外層以Fe2O3為主，中間層為Fe3O4，內層FeO層，因FeO含量較多，故氧化皮較脆、易折斷。因此，采用有壓水正反向沖洗或者壓縮空氣吹掃，有可能將“鳥巢”結構中的長條狀或片狀氧化皮擊碎，破壞堵塞物的力學結構，利用水流或氣流的攜帶作用，將細碎的氧化皮帶出彎管，達到有效清除積存氧化皮的目的。

2 氧化皮吹掃沖洗試驗

在停爐檢修階段，將超溫的屏式受熱面上下部割管，下部管口采用濾袋綁扎，用于捕捉氧化皮；采用內徑30 mm、長度20 m的壓縮空氣軟管，接廠用壓縮空氣，壓力0.5～0.8 MPa，從上部管口插入受熱面管內進行吹掃。為加強吹掃效果，采用木質堵頭將下部管口堵塞、放開，產生氣流擾動。吹掃約30 min，用內窺鏡觀察吹掃效果，發現有部分殘留物，主要是較重的金屬屑。

采用有壓水進行沖洗，下部管口用濾袋綁扎，從上部管口注入有壓除鹽水，壓力0.5 MPa左右，沖洗約10 min，用內窺鏡觀察，可以看到有效的氧化皮沖洗效果。

基于上述試驗，采用壓縮空氣或者水沖洗都能將氧化皮沖出，但沖洗前需要進行割管，由于高溫過熱器穿出上頂棚的距離有限，大約只有1 m，且換管焊接尺寸有嚴格要求，割管長度約150 mm以上，頻繁割管、換管會導致焊縫累加，最后無法再進行割管，并且多次割管將造成對母材的損傷。此外，換管工作量較大、費用較高、周期較長，不利于機組快速、經濟的檢修目標，因此，需要考慮采用其他更為簡便、可靠的方案。

從上述試驗可以看出，水沖洗較之壓縮空氣的吹掃效果更加明顯，并且便于實現壓力均勻分配，因此可以對鍋爐汽水系統進行改造形成封閉回路，采用水泵注水進行循環沖洗，同時加裝濾網以便將氧化皮取出。

3 氧化皮閉式沖洗方案

超臨界鍋爐的過熱系統為超高溫、超高壓系統，因此，保持該系統長期運行的安全性尤為重要。氧化皮閉式沖洗系統設計，需盡量避免在過熱系統管道上增加三通、閥門、堵頭等臨時敞開點，確保高溫過熱器出口連接管兩端均設有堵閥，用于鍋爐水壓試驗時隔離鍋爐與汽機之間的汽水系統，可利用堵閥作為沖洗管道的接入口及出口，采用獨立的沖洗管道與泵連接，在沖洗泵的進口位置設置濾網，便于取出氧化皮。

氧化皮閉式沖洗系統設計，可參照建筑業采用的“大管道閉式循環沖洗技術”，采用閉式循環沖洗管道原理進行設計計算。

3.1 啟動速度計算

式中：V0為氧化皮的啟動速度，m/s；h為管道液柱高度，m；d為氧化皮的當量直徑，m；γs為氧化皮的平均重度，N/m3；γ為水的重度，N/m3。

3.2 移動速度計算

式中：Vs為氧化皮在水中的移動速度，m/s；g為氧化皮重力加速度；dmax為氧化皮最大當量直徑，m。

3.3 懸浮速度計算

式中：Vg為氧化皮在流體中的懸浮速度，m/s；λ為阻力系數。

3.4 最小沖洗速度計算

式中：Vmin為最小沖洗速度，m/s；f為氧化皮與管壁的靜摩擦系數。

3.5 確定最小沖洗速度

比較上述四種速度，即啟動速度、移動速度、懸浮速度、最小沖洗速度，將最大速度作為最小沖洗速度。

3.6 最小沖洗流量計算

式中：Q為最小沖洗流量，m3/s；D為管道公稱內徑，m。

3.7 沖洗泵壓頭確定

沖洗泵主要克服靜壓頭，還需考慮沿程阻力損失、局部阻力損失。

式中：H為泵的揚程；ΔH為泵與沖洗管道的靜壓差；Hf為沿程阻力損失；H局為局部阻力損失。

3.8 沖洗流程

氧化皮閉式沖洗分為正向、逆向沖洗，正向沖洗流程為：沖洗泵→出口一次閥→管道1→爐左堵閥前二次閥→爐左高溫過熱器→爐左二級中溫過熱器→一級中過出口集箱→爐右二級中溫過熱器→爐右高溫過熱器→爐右堵閥前二次閥→沖洗管道2→沖洗泵，逆向流程則相反。通過反復沖洗，一般正反向沖洗兩次清理一遍濾網，可通過觀察濾網中的氧化皮數量來判斷沖洗效果。

4 方案效果

氧化皮閉式沖洗系統加裝后，在啟、停爐過程中，通過觀察高溫過熱器管壁溫度變化趨勢，確定壁溫異常部位，在停爐管壁溫度恢復正常后開啟閉式沖洗系統進行反復沖洗。350 MW超臨界循環流化床鍋爐的多次實踐表明，通過閉式沖洗可全部清除剝落積存在彎管部位的氧化皮，有效避免啟爐過程中出現的高溫過熱器管壁超溫現象，提高了鍋爐一次啟動成功率，減小了屏式過熱器的壁溫偏差。

5 結束語

上述方法改造量少，利用堵閥作為連接口，不破壞過熱系統原有設計結構，運行安全性高，并且沖洗效果較好，便于運行操作，可為同類機組提供參考。不過，閉式沖洗無法清除管面上已生成但尚未脫落的氧化皮，可考慮研究在閉式水沖洗的基礎上，引入壓縮空氣進行擾動，從而進一步提升氧化皮的清洗效果。