循环流化床锅炉水冷壁磨损探讨
1概述
厦门瑞新热电厂3台锅炉系杭州锅炉集团公司生产的NG-220/9.8-M24型高温高压循环流化床锅炉(配2台46MW的汽轮发电机),于2006年起陆续投入运营。该型锅炉由一个膜式水冷壁炉膛、两个蜗壳式汽冷旋风分离器和一个尾部竖直井烟道三部分组成,水冷壁管材设计材料为20G,规格为φ60×5,管数为前后墙各111根,左右墙各75根,水冷壁直管间分2层焊缝对接,下层焊缝距下部防磨浇注料约5米。
2炉膛水冷壁易发生磨损的部位
3台锅炉运行两年多来(三台锅炉累计运行时数均未超过10000h),先后利用6次机组检修机会对水冷壁进行检查,发现三台炉水冷壁以下部位均出现较为严重的磨损现象:
2.1下层焊缝及焊缝下水冷壁,特别是焊缝余高打磨不平滑或上下管子对接错口较为明显的地方。此部位磨损管数最多,磨损面主要为平面形,3台炉每次检查均出现过多根磨至2.5mm左右;
2.2炉膛四角水冷壁靠角落的第一根管子,此部位磨损面主要为沟槽形;
2.3两侧墙测温点方向朝上防磨瓦与水冷壁管的过渡区域;
2.4水冷壁管与下部防磨浇注料之间的过渡区域;
2.5部分防磨浇注料或防磨涂层脱落的部位;
2.6原水冷屏取消后,在密相区遗留的浇注料凸台上部与水冷壁的过渡区域。
3原因分析
3.1燃烧因素
在循环流化床的炉膛内,燃料、石灰石和高温床料混合进行燃烧和脱硫。从流化床炉内动力学观点来看,流体结构为环——核结构,在内部核心区,燃料产生的高温烟气夹带着物料垂直向上流动,此区域固体颗粒浓度较稀,而在水冷壁附近的外部环状区,固体颗粒浓度较大,并沿水冷壁向下回流磨损管壁(在向下流动过程中,物料固体颗粒浓度成指数增加,流速也加快)。
近年来,由于燃煤供应紧张,煤质下降,煤种变化频繁。而煤质的好坏对水冷壁磨损的影响关系巨大,煤质差,颗粒粗大,硬度也较高,磨损就较为严重,因为燃料颗粒过粗,粗颗粒的数量就增多,为了保持流化,须加大流化风速,这样床内颗粒向悬浮空间溅射的动能就增大,磨损率也会随之加大。根据实验得出的流化床锅炉受热面磨损经验关系式:
E=f1×f2×C×V3.5
式中,E为磨损量;
f1为灰粒特性系数;
f2为受热面布置型式及冲刷方式系数;
C为飞灰浓度;
V为烟气速度。
从上述关系式可以看出,当煤种和受热面结构形式一定时,受热面磨损量与飞灰浓度成正比,与烟气流速的3.5次方成正比,烟气流速越快,飞灰浓度越高,则磨损量越大。
3.2设计、安装因素
3台流化床锅炉结构型式属杭州锅炉集团公司在全国首次试验型锅炉,其水冷屏因设计结构不合理,在首台锅炉开炉96h试运行期间就发生2根管子在同一时间发生过热爆管,后进行改造,取消水冷屏(包括后2台锅炉也一并取消水冷屏),水冷屏上部切口在前后墙顶棚
水冷壁下部,下部切口在前后墙的密相区,造成前后墙上下各有10个约0.4m×1.0m浇注料凸台。另外,由于安装人员安装责任心不强,部分水冷壁管对接安装错口明显,或焊缝余高磨除没有达到较为理想的状态,在此部位形成凸台(如图1所示)。当沿水冷壁向下流动的物料颗粒流到凸台部位时,一方面冲刷磨损管壁,另一方面部分颗粒反弹,加之炉内向上的固体物料流影响,在此部位产生局部涡流,再次对管壁进行斜冲刷磨损。凸台越大时,磨损越严重,范围也越大,反之则较小。焊
缝涡流炉膛内向上物料流
沿壁面下行
物料流
图13.3炉膛四角影响
炉膛四角区域由于是2个水冷壁面的交汇处,物料相互叠加,其浓度也就相对较高,物料流动状态容易受到破坏,加上四角区域密封鳍片在安装时内表面粗糙,如鳍片交界密封焊缝有较大几何尺寸的不规则变化或密封不严产生漏风,就会造成局部严重磨损,这是因为不规则的变化或漏风对物料局部的流动特性造成较大扰动,物料流会改变流向集中向某个方向流动,形成局部方向物料流,最终在水冷壁管上冲刷成沟槽。
3.4运行因素的影响
厦门瑞新热电厂属热电联产企业,担负着厦门市杏林工业区绝大多数用热企业的供热任务,而用热企业在节假日热负荷变化频繁,造成锅炉负荷变化相对频繁,而负荷变化时,给煤量和空气量都会随之变化。根据床料密度的关系式:
ρ床料=ρs(1—ε)
式中,ρ床料为床料密度;
ρs为颗粒密度;
ε为空隙率。
研究表明,当床料密度在8~10kg/m3时,床内细颗粒就会聚成大颗粒子团,团聚后的粒子团由于重量增加,体积加大,以较大相对速度沉降并具有边壁效应,使流化床中气——固流动形成近壁处很浓的粒子团,斜下切向运动,颗粒之间、与水冷壁之间进行频繁的撞击和摩擦,致使水冷壁管受到严重磨损。
另外,运行人员对一、二次风的调整配比,上、下二次风的调整配比,床料和煤粒的筛分比,煤、风配比,以及上述配比调整变化速度,床温、燃烧工况、物料循环倍率偏离等也会对水冷壁的磨损造成重大影响。
4处理及防范措施
4.1对于焊缝及其下水冷壁磨损处,由于连续运行时间均不长就发生大量磨损,如果进行换管处理,一方面工作量较大,另一方面此部位会从1个焊口增至2个焊口,增加易磨损部位,且按照此种磨损速度估算,日后在此部位可能经常要进行换管处理。综合各种因素后,决定将磨损部位清理干净后,先用J50焊丝进行氩弧焊堆补,后用D127耐磨焊条进行堆焊处理(管子与鳍片同时堆焊),堆焊区域为原焊缝上下各约50mm,堆焊后打磨,使管子与堆焊层之间平滑过渡,过渡区域长度约20~25mm。
目前部分电厂在该部位采用喷涂防磨涂层处理,但一般防磨涂层与基材的结合达不到冶金结合的强度,加上涂层与管材膨胀系数的差异及热阻的存在,防磨涂层容易形成分层鼓包脱落,进而在脱落处形成磨损,另外,防磨涂层也给该区域磨损后焊接修补等处理带来极大的不便。
4.2对于炉膛四角第一根水冷壁管子容易磨损的特点,采用夹角第一根水冷壁管两侧鳍片焊上Y型抓钉,再用防磨浇注料将夹角两侧第一根水冷壁管包缚处理。当然,此种方法会使炉内容积稍微减小,受热面对流、辐射传热量减小,锅炉热效率会受到一定的影响,但总的来说还是利多弊少。
4.3防磨浇注料应选择既耐磨又具有较强结合强度的材料,浇注应请有资质的专业施工队伍进行,严格按照要求保养,避免快速升温升压而降低其性能,检查发现有局部浇注料脱落时,应将原来浇注料尽量打掉,使之露出抓钉,对缺少抓钉的部位先进行补焊抓钉后再进行浇注料修补。
4.4运行人员应不断总结经验,合理配风,保持适当床压,减少超负荷超煤量运行,使各项参数处于合理的范围内。
4.5检修维护人员要增强责任心,加强停炉检查,发现问题及时按工艺要求进行处理,尽可能将事故消除在萌芽阶段。
循环流化床锅炉水冷壁磨损探讨
1概述
厦门瑞新热电厂3台锅炉系杭州锅炉集团公司生产的NG-220/9.8-M24型高温高压循环流化床锅炉(配2台46MW的汽轮发电机),于2006年起陆续投入运营。该型锅炉由一个膜式水冷壁炉膛、两个蜗壳式汽冷旋风分离器和一个尾部竖直井烟道三部分组成,水冷壁管材设计材料为20G,规格为φ60×5,管数为前后墙各111根,左右墙各75根,水冷壁直管间分2层焊缝对接,下层焊缝距下部防磨浇注料约5米。
2炉膛水冷壁易发生磨损的部位
3台锅炉运行两年多来(三台锅炉累计运行时数均未超过10000h),先后利用6次机组检修机会对水冷壁进行检查,发现三台炉水冷壁以下部位均出现较为严重的磨损现象:
2.1下层焊缝及焊缝下水冷壁,特别是焊缝余高打磨不平滑或上下管子对接错口较为明显的地方。此部位磨损管数最多,磨损面主要为平面形,3台炉每次检查均出现过多根磨至2.5mm左右;
2.2炉膛四角水冷壁靠角落的第一根管子,此部位磨损面主要为沟槽形;
2.3两侧墙测温点方向朝上防磨瓦与水冷壁管的过渡区域;
2.4水冷壁管与下部防磨浇注料之间的过渡区域;
2.5部分防磨浇注料或防磨涂层脱落的部位;
2.6原水冷屏取消后,在密相区遗留的浇注料凸台上部与水冷壁的过渡区域。
3原因分析
3.1燃烧因素
在循环流化床的炉膛内,燃料、石灰石和高温床料混合进行燃烧和脱硫。从流化床炉内动力学观点来看,流体结构为环——核结构,在内部核心区,燃料产生的高温烟气夹带着物料垂直向上流动,此区域固体颗粒浓度较稀,而在水冷壁附近的外部环状区,固体颗粒浓度较大,并沿水冷壁向下回流磨损管壁(在向下流动过程中,物料固体颗粒浓度成指数增加,流速也加快)。
近年来,由于燃煤供应紧张,煤质下降,煤种变化频繁。而煤质的好坏对水冷壁磨损的影响关系巨大,煤质差,颗粒粗大,硬度也较高,磨损就较为严重,因为燃料颗粒过粗,粗颗粒的数量就增多,为了保持流化,须加大流化风速,这样床内颗粒向悬浮空间溅射的动能就增大,磨损率也会随之加大。根据实验得出的流化床锅炉受热面磨损经验关系式:
E=f1×f2×C×V3.5
式中,E为磨损量;
f1为灰粒特性系数;
f2为受热面布置型式及冲刷方式系数;
C为飞灰浓度;
V为烟气速度。
从上述关系式可以看出,当煤种和受热面结构形式一定时,受热面磨损量与飞灰浓度成正比,与烟气流速的3.5次方成正比,烟气流速越快,飞灰浓度越高,则磨损量越大。
3.2设计、安装因素
3台流化床锅炉结构型式属杭州锅炉集团公司在全国首次试验型锅炉,其水冷屏因设计结构不合理,在首台锅炉开炉96h试运行期间就发生2根管子在同一时间发生过热爆管,后进行改造,取消水冷屏(包括后2台锅炉也一并取消水冷屏),水冷屏上部切口在前后墙顶棚
水冷壁下部,下部切口在前后墙的密相区,造成前后墙上下各有10个约0.4m×1.0m浇注料凸台。另外,由于安装人员安装责任心不强,部分水冷壁管对接安装错口明显,或焊缝余高磨除没有达到较为理想的状态,在此部位形成凸台(如图1所示)。当沿水冷壁向下流动的物料颗粒流到凸台部位时,一方面冲刷磨损管壁,另一方面部分颗粒反弹,加之炉内向上的固体物料流影响,在此部位产生局部涡流,再次对管壁进行斜冲刷磨损。凸台越大时,磨损越严重,范围也越大,反之则较小。焊
缝涡流炉膛内向上物料流
沿壁面下行
物料流
图13.3炉膛四角影响
炉膛四角区域由于是2个水冷壁面的交汇处,物料相互叠加,其浓度也就相对较高,物料流动状态容易受到破坏,加上四角区域密封鳍片在安装时内表面粗糙,如鳍片交界密封焊缝有较大几何尺寸的不规则变化或密封不严产生漏风,就会造成局部严重磨损,这是因为不规则的变化或漏风对物料局部的流动特性造成较大扰动,物料流会改变流向集中向某个方向流动,形成局部方向物料流,最终在水冷壁管上冲刷成沟槽。
3.4运行因素的影响
厦门瑞新热电厂属热电联产企业,担负着厦门市杏林工业区绝大多数用热企业的供热任务,而用热企业在节假日热负荷变化频繁,造成锅炉负荷变化相对频繁,而负荷变化时,给煤量和空气量都会随之变化。根据床料密度的关系式:
ρ床料=ρs(1—ε)
式中,ρ床料为床料密度;
ρs为颗粒密度;
ε为空隙率。
研究表明,当床料密度在8~10kg/m3时,床内细颗粒就会聚成大颗粒子团,团聚后的粒子团由于重量增加,体积加大,以较大相对速度沉降并具有边壁效应,使流化床中气——固流动形成近壁处很浓的粒子团,斜下切向运动,颗粒之间、与水冷壁之间进行频繁的撞击和摩擦,致使水冷壁管受到严重磨损。
另外,运行人员对一、二次风的调整配比,上、下二次风的调整配比,床料和煤粒的筛分比,煤、风配比,以及上述配比调整变化速度,床温、燃烧工况、物料循环倍率偏离等也会对水冷壁的磨损造成重大影响。
4处理及防范措施
4.1对于焊缝及其下水冷壁磨损处,由于连续运行时间均不长就发生大量磨损,如果进行换管处理,一方面工作量较大,另一方面此部位会从1个焊口增至2个焊口,增加易磨损部位,且按照此种磨损速度估算,日后在此部位可能经常要进行换管处理。综合各种因素后,决定将磨损部位清理干净后,先用J50焊丝进行氩弧焊堆补,后用D127耐磨焊条进行堆焊处理(管子与鳍片同时堆焊),堆焊区域为原焊缝上下各约50mm,堆焊后打磨,使管子与堆焊层之间平滑过渡,过渡区域长度约20~25mm。
目前部分电厂在该部位采用喷涂防磨涂层处理,但一般防磨涂层与基材的结合达不到冶金结合的强度,加上涂层与管材膨胀系数的差异及热阻的存在,防磨涂层容易形成分层鼓包脱落,进而在脱落处形成磨损,另外,防磨涂层也给该区域磨损后焊接修补等处理带来极大的不便。
4.2对于炉膛四角第一根水冷壁管子容易磨损的特点,采用夹角第一根水冷壁管两侧鳍片焊上Y型抓钉,再用防磨浇注料将夹角两侧第一根水冷壁管包缚处理。当然,此种方法会使炉内容积稍微减小,受热面对流、辐射传热量减小,锅炉热效率会受到一定的影响,但总的来说还是利多弊少。
4.3防磨浇注料应选择既耐磨又具有较强结合强度的材料,浇注应请有资质的专业施工队伍进行,严格按照要求保养,避免快速升温升压而降低其性能,检查发现有局部浇注料脱落时,应将原来浇注料尽量打掉,使之露出抓钉,对缺少抓钉的部位先进行补焊抓钉后再进行浇注料修补。
4.4运行人员应不断总结经验,合理配风,保持适当床压,减少超负荷超煤量运行,使各项参数处于合理的范围内。
4.5检修维护人员要增强责任心,加强停炉检查,发现问题及时按工艺要求进行处理,尽可能将事故消除在萌芽阶段。