超超臨界塔式爐省煤器磨損分析及治理

徐州華潤電力有限公司 劉新超

1 設備概況

工廠5號、6號機組為1000MW 超超臨界機組，鍋爐型號為SG-3044/27.46-M535，為上海鍋爐廠制造的超超臨界參數、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、四角切圓燃燒直流塔式鍋爐。

表1 鍋爐容量和主要參數（BMCR 工況）

爐膛寬度21480mm，爐膛深度21480mm，鍋爐上部沿著煙氣流動方向依次分別布置有一級過熱器、三級過熱器、二級再熱器、二級過熱器、一級再熱器、省煤器。來自汽水分離器出口的4根蒸汽管道引入2根一級過熱器進口集箱，經由爐內懸吊管從上到下引到爐膛出口處的一級過熱器，進入一級過熱器出口集箱。一級過熱器進口集箱分出來89片管屏，每屏7根管子，這些管子作為懸吊管，支吊省煤器、一級再熱器、二級過熱器、二級再熱器、三級過熱器、一級過熱器出口段等受熱面。省煤器布置在標高96145mm～103875mm，為順流布置，省煤器BMCR 工況進口煙溫507℃，出口煙溫379℃，該處煙氣設計流速7.1m/s。

省煤器管子規格為Φ42×6.5，管材為SA-210C，沿著爐膛寬度方向從左到右布置有178排管屏，每排管屏8根管子，管排橫向節距120mm，縱向節距80mm。

2 主要問題

2.1 穿墻管磨損

5號、6號鍋爐出口段穿墻管均發現磨損情況，尤其5號爐在靠近前墻的省煤器出口段穿墻管磨損情況較普遍，磨損嚴重位置在從上向下數第 7、8 根穿墻管，且此處位置由于空間狹小，測厚數據無法保證測到最低點，后通過割除省煤器出口聯箱對應的水冷壁鰭片進一步檢查，發現從爐左往爐右數1到37排、第89到178排管排均為從上向下數第8根管迎風面磨損最嚴重，壁厚磨損量均超過30%，已達換管標準。

圖1 省煤器管磨損部位

2.2 讓位懸吊管磨損

靠近吹灰器通道的懸吊管都加裝了防磨瓦，但部分靠近省煤器蒸汽吹灰器的讓位懸吊管，防磨瓦長度不夠，無防磨瓦處磨損減薄嚴重。

2.3 管卡處磨損

與爐內懸吊管管卡接觸的省煤器管排部分有明顯的碰磨痕跡，在迎風面還呈現出與穿墻管類似的磨損平面凹溝。檢查發現爐后第7排懸吊管區域省煤器托塊部位，從右墻向左墻數第1到24排的省煤器管迎風面均存在磨損情況（1～2mm），從左墻向右數1到24管排磨損情況類似。

3 原因分析

3.1 飛灰磨損機理

攜帶固態灰粒的煙氣以一定的速度流過受熱面時，由于灰粒的撞擊和沖刷作用，致使受熱面管壁逐漸變薄，這種現象稱為飛灰磨損。飛灰磨損有沖刷磨損和撞擊磨損兩種基本類型。

沖刷磨損是灰粒相對管壁的沖擊角較小，甚至接近于平行。灰粒垂直于管壁表面的分離使它楔入被沖擊的管壁，而灰粒與管壁表面相切的分力使灰粒沿管壁表面滑動，兩個分力合成的結果起到一種對管壁表面切削的作用，如果管壁經受不起合力的切削作用，就有金屬顆粒脫離母體而流失。在大量飛灰長期反復切削作用下，管壁表面將產生磨損。

撞擊磨損是指灰粒響度與管壁表面的沖擊角度較大，或接近于垂直，以一定的運動速度撞擊管壁表面，使管壁表面產生微小的塑性變形或顯微裂紋。在大量飛灰長期反復地的撞擊之下，逐漸使塑性變形層整片脫落而形成磨損。

一般在鍋爐受熱面的磨損中，飛灰對受熱面的沖擊角度范圍為0°～90°，因此鍋爐受熱面的磨損是上述兩類磨損綜合作用的結果。鍋爐受熱面管排受煙氣磨損的最大磨損量可按以下經驗公式近似計算：

式中，Emax表示管壁最大磨損量，α 表示磨損系數，kμ表示飛灰濃度不均勻系數，kω表示飛灰速度不均勻系數，μ 表示煙氣中的飛灰濃度，ω 表示平均煙氣流速，s1表示管束橫向節距，d 表示管子外徑，kD表示額定負荷與運行負荷下煙速的比值τ 表示鍋爐運行時間，R90表示飛灰細度，η 表示灰粒碰撞管壁的頻率因子。

從上述式子可看出，管壁磨損量與煙氣流速的3.3次方成正比，與灰粒飛灰濃度成正比，飛灰細度越大，灰粒越粗，磨損也越大[1]。

3.2 省煤器出口段穿墻管位置影響

省煤器進口煙溫為507℃，出口煙溫為379℃，煙氣溫度相對較低，煙氣中灰粒相對較硬，使省煤器的管子易于磨損。省煤器出口段穿墻管上方除一級過熱器進口段穿墻管外，無其他受熱面管束布置，且兩者高度約2.7m，形成較明顯的煙氣阻廊，煙氣流速高，而管壁磨損量與煙氣流速的3.3次方成正比，故此處穿墻管磨損嚴重。

圖2 煤器出口段穿墻管位置

3.3 蒸汽吹灰器吹損

由于新能源裝機容量不斷增加，燃煤機組深度調峰時長和頻率增加，伴隨著高灰分煤種摻燒比例的上升，本廠5號、6號鍋爐深調期間多次出現塌灰現象，導致運行磨組多火檢丟失，嚴重影響鍋爐低負荷安全運行。為防止積灰，省煤器區域的吹灰頻次明顯增加。而省煤器懸吊管中部分讓位懸吊管距離省煤器區域蒸汽吹灰器較近，且其防磨瓦長度未能有效覆蓋蒸汽吹損區域，造成長期蒸汽吹損，吹灰頻次的增加，加劇其吹損減薄。

3.4 入爐煤種的影響

受煤炭市場影響，本廠鍋爐摻燒低熱值、灰分大、可磨系數小等經濟煤種比例呈上升趨勢。管壁的磨損量與煙氣中的飛灰濃度成正比，與灰粒的直徑成正比，燃用灰分大、可磨系數小的煤種時，會造成煙氣的飛灰濃度大，灰粒粗，受熱面管子更易受到磨損。摻燒低熱值煤種時，相同負荷下總煤量增加，對應的煙氣量增大，導致煙氣整體流速升高，使得煙氣攜帶飛灰的動能增大，加劇了受熱面管子的沖刷磨損。

4 治理措施

4.1 穿墻管更換及加裝護瓦

省煤器管排布置密集，管排橫向節距120mm，縱向節距80mm，受熱面彎頭與前墻中心線距離150mm，省煤器出口穿墻管與下部彎頭距離為140mm，此次需更換的穿墻管均為從上往下數第8根管，檢修空間狹窄，對此穿墻管磨損管段直接切割換管及后續焊接、焊口檢測均不具備施工條件。考慮在盡可能減少因換管帶來的犧牲焊口數量及滿足現場施工的條件，采取最優方案：在省煤器第8根穿墻管對應的管子的爐后彎頭前的直管段上選取一個切割焊口A，從鍋爐前墻往爐外拉出需更換的穿墻管段至B 點，更換并加裝護瓦后再推入爐內原位置焊接，如圖3所示。

4.2 優化省煤器出口阻流板布置

結合制造廠家建議，將省煤器出口阻流板由原來的腰形孔阻流板更換為圓孔阻流板，阻流板寬度由300mm 增加至700mm，增加其調整區域，因阻流板寬度增加，考慮其整體效果，經制造廠家計算，同步將阻流板與省煤器管排的間距由300mm 增加至350m，如圖4所示。

圖4 省煤器出口阻流板樣式

4.3 讓位懸吊管防磨瓦加長，受熱面加裝聲波吹灰器

第一，利用檢修機會，將省煤器讓位懸吊管的防磨瓦加長，消除磨損防護盲區。原省煤器與一級再熱器區域吹灰器布置見表2。

表2 吹灰器布置統計表

第二，在一級再熱器與省煤器之間增加一層聲波吹灰器，適當降低省煤器區域蒸汽吹灰頻次，防止受熱面蒸汽吹損。聲波吹灰器布置如圖5所示。

圖5 加裝聲波吹灰器布置圖

第三，加強聲波吹灰器的維護。聲波清灰的原理是將一定強度和能量的聲波送入運行中的鍋爐內各種可能積灰結渣的空間區域，通過聲能量的作用使這些區域中的空氣分子與粉塵顆粒產生振蕩，破壞或阻止粉塵粒子在受熱面管子表面沉積，使之始終處于懸浮流化狀態，被煙氣帶走。而受熱面上結成的塊狀灰渣和硬灰垢，在聲波的作用下，尤其是在極高的加速度的外力策動下，會從受熱面斷裂、剝離，落入灰斗或被煙氣帶出煙道。為了確保聲波喇叭有一個適當的空氣壓力，以便正常工作，應定期檢查壓力表（每周一次）。這些壓力表在聲波喇叭工作期間顯示的壓縮空氣壓力應不低于0.4MPa，應定期清理過濾器，定期檢查電磁閥。

4.4 與省煤器懸吊管管卡結合處管排加裝阻流板

檢修期間對與省煤器懸吊管管卡結合處管排磨損、沖刷情況重點排查，對磨損區域管排敷設阻流板封堵，阻流板采用圓孔設計，選用SA204-A 材料，寬度距懸吊管中心前后各延伸496mm。

4.5 減小灰粒直徑

嘉峰煤等無煙煤摻燒比例上升，嘉峰煤揮發分含量低，著火困難，不易燃盡，屬低反應能力燃料。嘉峰哈氏可磨性系數約為38，可磨性較差，本廠磨組為中速輥式磨，設計哈氏可磨系數為65，對無煙煤等可磨系數低的煤種適應性較差。燃用嘉峰煤后，磨煤機內部磨損大，維護、大修周期縮短，且易導致磨組出力下降、石子煤量增大，易發生堵磨，影響燃燒，磨煤機容易發生振動等情況，只能控制磨組降低磨煤量。按照經驗，灰粒直徑越大，磨損也越大。燃用難磨煤種時，應及時化驗煤粉細度，根據化驗結果同步調整加倉方案和煤粉細度，防止灰粒過粗，加劇磨損。

4.6 減少煙道漏風

煙道漏風嚴重不僅會使鍋爐效率降低，還會使煙氣流速升高，加劇受熱面管子磨損。加強鍋爐嚴密性檢查，重點檢查穿墻管、人孔門、伸縮節等部位，發現漏風及時消除，提高爐墻的保溫密封質量[2]。

4.7 治理效果

省煤器穿墻管、管卡、讓位懸吊管等區域防磨盲區消除，優化了吹灰方式，調整加倉方式及控制煤粉細度，對吹灰及煤種帶來的影響進行了針對性防治，省煤器受熱面運行正常，未發生受熱面管子明顯減薄及泄漏。