350MW循環流化床鍋爐受熱面爆管分析研究

山西國金電力有限公司 王智慧

1 引言

循環流化床因良好的環保性和較廣的燃料適應性被廣泛應用在熱電行業，具備非常強的負荷運行調節能力。爆管是循環流化床鍋爐較常發生的生產事故，鍋爐受熱面一旦發生爆管，需要停機一周以上進行故障處理，對熱電企業的經濟效益和安全生產會造成較大的影響[1]。本文從鍋爐受熱面爆管事故的起因著手，對爆管后事故處理情況與改善措施進行全方位分析，總結經驗，防止熱電行業該類事故的再次發生。

2 350MW循環流化床鍋爐設備簡介

鍋爐具有循環流化床燃燒方式、超臨界直流燃煤鍋爐、單爐膛、M 型布置、一次中間再熱、半露天島式布置、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊等結構。前爐膛內布置6片高溫過熱屏、6片中溫二過熱屏和6片高溫再熱屏、5片水冷屏。管屏采用膜式壁結構，垂直布置。主要參數：最大連續蒸發量為1215t/h，過熱器出口額定壓力25.5MPa，過熱器出口額定溫度571℃，再熱蒸汽流量995t/h，再熱蒸汽進/出溫度571℃/333℃。高溫再熱器（以下簡稱高再） 管屏受熱面管規格Φ76x6mm，材質為SA-213TP347H。鰭片材質為06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼。

3 引起循環流化床鍋爐爆管的原因

本廠高再管屏2017 年共發生5 次高再泄漏，2019 年發生2 次高再泄漏，泄漏位置全部為上半屏的高溫區域。低再管道從2015年開始，發生4次泄漏，3次發生在中隔墻處固定裝置彎管處，1次發生在后爐膛前墻處固定裝置彎管上。結合本廠鍋爐受熱面爆管與其他350MW鍋爐受熱面爆管對比分析，引起鍋爐爆管事故發生的深層原因有以下幾點。

3.1 鍋爐設計原因

3.1.1 爐型設計不夠理想

我國煤產資源豐富，但煤中含有較多的堿性金屬，還存在易結焦易玷污、灰熔點低的特征[2]。本廠配備的鍋爐受熱面主要分布于爐膛內部，煤燃燒生產過程中會產生大量的固體循環物料，這些物料對管道受熱面不斷進行沖刷，以此提高煤的熱效率，避免床溫過高，床層出現結焦，水冷壁發生物料玷污的情況。此爐型在運行過程中設計缺點帶來的不利影響比預想得更為嚴重，集中表現為鍋爐爐膛內部過熱、器再熱器、蒸發管等部件的受熱面在循環物料的不停沖刷之下爆管事故頻發。

3.1.2 管排設計存在缺陷

爐內管屏存在同屏管道之間溫差大（中間管道溫度偏高）、熱應力集中、不同管屏間溫差大的問題（#3、#4、#5管屏溫度偏高）。因為進出口聯箱選取不合理，流量分配不均，節流圈布置不合理，流速分配不均勻；可布置位置不合理管屏受熱不均。從高再屏變形嚴重，可以發現高再存在較大熱應力。高再屏跨度大，最長距離26m，呈L 型布置，爐前墻34m 處固定點運行中隨鍋爐向下膨脹，上部穿60m 標高爐頂向上膨脹，與水冷屏存在156mm 膨脹差，運行中工作環境相對惡劣。

從泄漏現象分析，爆口多發生在焊接處。原因為高再屏是整體焊接，寬4.5m，運行中同一屏的管道溫度偏差達40℃左右，同屏管間膨脹量不同產生應力集中，特別是啟停爐或斷煤時，爐膛內溫度變化大，易導致鰭片拉裂管材。根據鍋爐廠方案改造后減小了集中應力，延長了機組運行時間，但泄漏事件說明未徹底解決應力集中問題，這是造成高再泄漏的主要原因。穿墻管再熱器固定裝置設計不合理，固定裝置與低再管彎頭處焊縫開裂，是造成低再泄漏的直接原因。

3.1.3 配套設施存在缺陷

因鍋爐長期運行生產，未定期對爐膛內吹灰器和吹灰管進行檢查，致使受熱面發生不同程度的變形而未及時整修，被迫停用后，設備長期不吹灰，讓細顆粒灰塵逐漸沉淀在受熱管壁上，部分地方發生堵塞問題，局部管道形成了煙氣走廊，加劇了管道其他部位的磨損情況，灰塵長期沉積易引發管道腐蝕。另一方面，SNCR 噴槍噴頭的霧化效果明顯下降，噴出的氨含量逐漸增大，容易集結硫酸氫銨，在爐膛內管壁上發生結塊現象，進而腐蝕內管壁。此外還發現1 臺U 型返料器存在密封不良的現象，致使鍋爐啟動前期發生設備短路問題。

3.1.4 制造安裝不夠嚴謹

膜式冷水壁與其周圍個別密封鱗片焊接時因咬邊過深，致使密封性能不夠均勻，降低了水冷壁的密封性。部分澆注料在布置時，較為松散，不夠牢固，導流板缺少澆注料造成煙道漏風。防磨設施與爐膛管壁的貼合度不夠，防磨效果甚微。

3.2 燃燒煤質的影響

3.2.1 煤粒度影響

當煤粒度較大時，煙氣帶入高溫絕熱式旋風分離器的物料相對較少，很難維持設備的正常返料量，致使床溫過高，煤燃燒不充分、煤渣量偏多、鍋爐熱效率降低等問題；當煤粒度較小時，高溫絕熱式旋風分離器所能捕捉的灰量減小，此時床溫過高，會讓細灰大量離開鍋爐，影響煤的燃燒進度，加大除塵阻力，降低鍋爐熱效率。經反復試驗發現，煤入爐較為合適的粒徑在0～10mm。當入爐煤粒徑為12mm，煙氣中會產生直徑較大的固體顆粒，加劇對爐內各項設備的磨損，當入爐煤粒徑小于8mm時，可以降低近一半的爐內設備磨損量。

3.2.2 一、二次風量影響

煤燃燒時輸送的一、二次風量分配比例，直接影響燃料在爐膛內部不同高度區域燃燒的效率，對沿爐高的固體粒子分布情況也有一定的影響，同時起到調節稀相去與密相區溫度分布的作用[3]。研究人員試驗發現，造成鍋爐內床溫過高、煙氣流速過大的主要原因是一次風量輸送過大，二次風量輸送不足。因此，想要降低設備的磨損應首先考慮優化風量配比，調節一次風的風速，風量。

4 解決循環流化床鍋爐爆管的措施

4.1 解決設計和安裝缺陷的措施

焊接質量需要控制，不得強行對口、不得加熱對口。焊縫余高要圓滑過渡到母材，焊縫表面不得有尖銳的溝槽。焊縫余高不超過2mm。焊接要多層多道，避免溫度疊加升高。每層焊接完畢后用噴霧狀純凈水急劇冷卻至室溫，方可進下層焊接。焊接速度要快，焊接填充厚度不能超過焊絲直徑，每根焊絲焊接長度不小于焊絲長度的50%。焊前采用不銹鋼專用砂輪打磨坡口面及周圍15mm 以上范圍呈金屬光澤，手工鎢極氬弧焊對接焊縫,高再一層打底，兩層填充，三次蓋面成型，高過一層打底，三次填充、一次蓋面成型。

鍋爐設計和安裝時，將熱工測點、人孔部位從原有分布位置，改成向爐外分布的鋼管，并使用集銷釘對其進行焊密處理。澆筑材料改為高耐磨的注澆料，利用堆焊技術焊接耐磨材料與終結點附件管子間的縫隙。按照行業執行標準重新密封返料器，將膜式水冷壁稀相區四個角的直角澆注料改為切角澆注料進行加固。穿墻管先進行一層加套管保護，再對其進行澆注料澆注施工，從而消除其漏風現象。

4.2 運行防范措施

4.2.1 啟動過程控制

鍋爐點火后，嚴格控制床溫升不超3℃/min，控制汽溫升不超2℃/min。投煤后，嚴禁煤量大幅波動，保證鍋爐各床溫測點溫升均勻。機組啟動過程中通過燃燒調整控制汽溫，嚴禁大量投入減溫水，如必須投入減溫水控制時，嚴格控制減溫器后溫度大于對應飽和溫度10℃以上，避免減溫水霧化不良，受熱面積水形成水塞，導致管道壁溫急劇升高。啟動過程中控制汽溫變化≤1.5℃/min，全程監視各壁溫測點的變化，相鄰屏間管壁或同屏各管壁溫差控制在20℃以內，發現管壁溫度異常升高或降低時，應穩定工況運行，停止升溫升壓。機組啟動時，蒸汽升溫、升壓應同步進行。控制鍋爐升壓率0.03～0.05MPa/min。鍋爐狀態要平穩，嚴禁反復轉態，造成受熱面溫度大幅波動。鍋爐并網前，嚴格控制鍋爐出口煙氣溫度不準超過560℃，防止再熱器管子超溫。在熱態啟動時，并網升負荷過程中，關閉旁路后，必須及時調整風量，防止管壁超溫。在升負荷過程中做好投入減溫水準備，及時投入再熱器減溫水，控制蒸汽溫度，防止管屏超溫。

4.2.2 運行過程控制

機組運行中升降負荷盡量平穩，負荷變化率不超6MW/min。運行人員及時了解當班燃燒煤種的變化，根據燃煤的情況做好燃燒調整工作。如入爐煤熱值發生大幅度變化，應提前控制，防止煙溫大幅度變化。為防止運行中斷煤、堵煤影響負荷大幅變化，捅煤隊伍應有足夠的經驗豐富的人員。輸煤運行人員應及時與燃供部溝通調整配煤。按時投入吹灰，預防結焦，受熱面表面清潔程度對超溫的影響很大，受熱面表面按時投入吹灰，預防結焦，受熱面表面清潔程度對超溫的影響很大，受熱面表面積灰、結渣、結垢等也會造成壁溫升高。如再器管壁超溫則加強對長吹的投入次數。防止或減輕高溫氧化腐蝕，嚴格按照鍋爐監察和金屬監督規程[4]，嚴禁超溫、超壓運行，加強爐水、蒸汽品質管理，把pH 值控制在要求的范圍內。停爐檢修期間，要采取妥善的防腐措施，需要熟悉掌握吹灰對溫度的影響，做到提前控制。

4.2.3 停運過程控制

減負荷速率控制在每分鐘1.5%BMCR 以內，主、再熱汽溫下降速率控制在1～1.5℃/min 左右，注意主、再熱汽溫及鍋爐金屬壁溫的監視和調整。鍋爐BT后，及時關閉風機動葉及出入口擋板，關閉鍋爐所有疏水、排空，進行悶爐。悶爐8h后，開啟煙氣擋板進行自然通風冷卻。悶爐24h 后方可啟動風機冷卻。緊急停爐后，開啟機側高旁、再熱器排空門進行降壓，降壓速率不大于0.03MPa/min。

4.3 解決煤和風量的措施

企業可以從原材料供應著手進行管理，控制煤質量，調整煤的配備比例，改善入爐煤粒徑與灰分情況，合理分配一次、二次風量提高煤的燃燒效率。

5 預防循環流化床鍋爐爆管的對策

5.1 控制入爐媒質

350MW 循環流化床鍋爐摻雜了矸石或其他劣質煤后，會加劇鍋爐的磨損。需要嚴格按照熱電行業標準控制入爐煤粒徑，使用直徑小于10mm 的其他劣質煤、直徑小于7mm的煤矸石和風氧化煤進行摻燒，以防入爐媒顆粒直徑過大，對鍋爐受熱面產生的大力磨損，從煤質控制方面實現對循環流化床鍋爐爆管問題的有效預防。

5.2 停爐期間及時檢查設備受熱面的磨損情況

循環流化床鍋爐停爐期間安排專業能力強的工作人員進入爐膛、尾部煙道內部，分別進行受熱面的磨損、破損、澆筑脫落等情況進行排查，采取分片責任制，將每片區域的檢查工作落實到個人，并要求每個檢查人員嚴格按照行業相關檢驗標準進行檢查，以防出現漏查、少查的情況，對重點部位可安排兩個人進行交叉檢查，以保證檢查的準確性，針對不達標的防磨設施應及時給予修補或替換，當管壁厚度磨損較為嚴重時，應及時對其進行修整。

6 結語

研究人員運用硬度測試、成分檢測等表征測試技術手段對鍋爐受熱面爆管的起因進行分析，發現管道磨損量非常大，出現破損或澆筑脫落問題，進而引發鍋爐受熱面爆管事故。在今后選擇管道材料時需要嚴格按照行業相關標準嚴格把控，同時控制好系統各項運行參數，定期對鍋爐管道進行質量檢修，確保循環流化床鍋爐技術在運行期的穩定性，促進熱電行業長足發展。