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0、引言
    循環(huán)流化床鍋爐具有高效、低污染、煤種適應(yīng)性廣、爐渣綜合利用率高等特點(diǎn)，近年來在電站和熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目上廣泛應(yīng)用，但由于循環(huán)流化床鍋爐獨(dú)特的流態(tài)化燃燒方式，在煙氣沖刷水冷壁管時(shí)，在灰粒的沖擊力和剪切力的作用下，管表面金屬會受到磨損，逐漸變��；在達(dá)到一定程度時(shí)，管內(nèi)高壓給水會使磨損部位破裂，以至于頻繁發(fā)生泄漏爆管事故，嚴(yán)重影響電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
    晉田熱電廠2臺220t/h循環(huán)流化床鍋爐，采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，分別于2002年11月29日和2003年4月29日投產(chǎn)以來，到2007年底僅僅累計(jì)運(yùn)行約2×104h，水冷壁磨損嚴(yán)重，引起多次停爐事故，嚴(yán)重影響了電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。從2006年9月開始進(jìn)行燃燒調(diào)整，并從多方面采取措施，減緩磨損速度，收到明顯的效果。
    本文根據(jù)電廠運(yùn)行的實(shí)際情況，從運(yùn)行、制造、燃用煤質(zhì)等多方面進(jìn)行了分析總結(jié)，另外與其他容量基本接近的鍋爐從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)水冷壁的磨損速度與鍋爐的設(shè)計(jì)也有很大的關(guān)系，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
1、設(shè)備簡介
1.1鍋爐整體布置
    鍋爐主要由爐膛、汽冷旋風(fēng)分離器、自平衡“U”形回料閥和尾部對流煙道組成。燃燒室蒸發(fā)受熱面采用膜式水冷壁，水循環(huán)采用單汽包，自然循環(huán)。采用水冷布風(fēng)板，大直徑鐘罩式風(fēng)帽。燃燒室內(nèi)布置4片翼墻式水冷屏來增加蒸發(fā)受熱面和4片屏式過熱器（Ⅱ級過熱器）。鍋爐采用2個(gè)直徑約5m的汽冷旋風(fēng)分離器，布置在燃燒室與尾部對流煙道之間，外壁由膜式壁制成，并作為過熱器的一部分，分離器上部為圓筒形，下部為錐形。汽冷旋風(fēng)分離器回料腿下布置1個(gè)非機(jī)械型回料閥，回料系統(tǒng)為自平衡式，流化密封風(fēng)用高壓風(fēng)機(jī)單獨(dú)供給。
    以上三部分構(gòu)成了循環(huán)流化床鍋爐的核心部分，即物料循環(huán)回路。煤與石灰石在燃燒室內(nèi)完成燃燒及脫硫反應(yīng)。
    經(jīng)過分離器的煙氣進(jìn)入尾部煙道，尾部對流煙道中布置Ⅲ級、工級過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器。過熱蒸汽溫度由在過熱器之間布置的兩級噴水減溫器調(diào)節(jié)，減溫噴水來自鍋爐給水。
1.2設(shè)計(jì)煤種要求
    本鍋爐設(shè)計(jì)煤種的低位發(fā)熱量為19.7mj/kg，校核煤種的低位發(fā)熱量在15. 91～23. 87MJ/kg。其中燃煤粒度要求嚴(yán)格，最大粒度要求不大于6mm，粒度平均直徑為1.3～1.5mm，粒度小于100um的不大于10%。煤的元素分析與工業(yè)分析見表1。
2水冷壁磨損情況
2.1檢修中水冷壁磨損普查情況
    在2006年6月到9月中旬，短短的3個(gè)月1號和2號鍋爐各有三次水冷壁磨損泄漏事故。2006年9月15日2號爐后墻中間標(biāo)高17 m處發(fā)生水冷壁泄漏后轉(zhuǎn)為C級檢修，對水冷壁進(jìn)行了全面的摸管外觀檢查、側(cè)厚檢查和割管檢查，發(fā)現(xiàn)磨損2.5mm左右的水冷壁達(dá)272根，總長度為607.65 m。
2.2磨損泄漏特點(diǎn)
  a)磨損速度快。1號、2號鍋爐分別于2002年底和2003年初投運(yùn)，截至2006年10月31日分別僅運(yùn)行了19 832 h和19 781 h，就有270多根水冷壁磨損厚度超過2 mm，其中比較嚴(yán)重的超過3 mm，見圖1。
    b)磨損范圍廣。循環(huán)流化床鍋爐磨損比較嚴(yán)重是各電廠的共性問題，但一般在標(biāo)高比較低的密相區(qū)和稀相區(qū)交界區(qū)域或下部四個(gè)角比較嚴(yán)重。該電廠2臺爐在整個(gè)爐內(nèi)水冷壁面都發(fā)生了嚴(yán)重的磨損，從外表面看被摩擦得非常光亮，在標(biāo)高27—38m的高位稀相區(qū)水冷壁也發(fā)生嚴(yán)重磨損，這種情況比較少見。
    c)斜向磨損嚴(yán)重。從稀相區(qū)的磨損痕跡看存在著斜向的磨損。以2個(gè)旋風(fēng)分離器入口煙窗之間的中心為界線，存在氣流從西墻一南墻一南煙窗逆時(shí)針螺旋向上，和從西墻一北墻一北煙窗順時(shí)針螺旋向上的氣流運(yùn)動痕跡，其中南側(cè)墻磨損的比較嚴(yán)重。
    對于循環(huán)流化床鍋爐由于內(nèi)部有大量的物料存在，爐膛中心是煙氣夾帶著物料自下向上運(yùn)動，在水冷壁四周是比較大的顆粒沿壁面附近由上向下的內(nèi)循環(huán)物料。由于二次風(fēng)速的不均勻、煙窗效應(yīng)、水冷壁焊口、水冷壁壁面不平整、爐內(nèi)水冷屏和屏過布置的不對稱、兩旋風(fēng)分離器阻力的不均勻等因素，使得顆粒沿爐膛高度分布不均勻，并產(chǎn)生局部的渦流，在該爐設(shè)計(jì)爐膛速度較高和爐內(nèi)循環(huán)物料比較大的情況下，形成了很嚴(yán)重的局部斜向磨損。
3、水冷壁磨損原因分析
    流體或固體顆粒以一定的速度和角度對水冷壁表面的沖擊磨損，包括沖刷磨損和撞擊磨損。一般在循環(huán)流化床鍋爐受熱面的磨損中，床料顆粒與受熱面的沖擊角度在0�！�904，因此循環(huán)流化床鍋爐受熱面的磨損是上述兩類磨損基本類型的綜合結(jié)果。水冷壁的磨損與固體物料的濃度、速度、顆粒特性和流道的幾何形狀等密切相關(guān)。
3.1爐膛截面積設(shè)計(jì)偏小
    風(fēng)速的大小對水冷壁的磨損影響很大，磨損量與煙氣速度成n(>3)次方的關(guān)系，其原因在于顆粒動能與其速度的平方成正比，磨損還與灰濃度（灰濃度與速度的1次方成正比）、灰粒度撞擊頻率因子和灰粒對磨損物體的相對速度有關(guān)。在運(yùn)行總風(fēng)量一定的情況下，截面積越大，流化風(fēng)速和爐膛風(fēng)速就越小。表2是國內(nèi)幾個(gè)220～240t/hCFB鍋爐的爐膛截面積尺寸，盡管引起磨損的因素很多，但從表2中可明顯看出，爐膛截面積的大小與水冷壁磨損有著明顯的對應(yīng)關(guān)系。該爐膛截面積大約是其他鍋爐的75%左右，爐膛煙氣速度最高，z若按3.3計(jì)算，平均磨損速度大約為其他爐型的2倍，其中局部速度就快，所以該爐膛截面積偏小是水冷壁磨損嚴(yán)重的主要原因之一。由于二次風(fēng)管阻力隨風(fēng)量的增加而顯著增大，最大的二次風(fēng)量只能在12萬Nm3／h左右，由于床溫較低的因素，一次風(fēng)量也不能多給，正常運(yùn)行中氧量普遍較低，一般空氣預(yù)熱器入口在2%左右，進(jìn)入爐內(nèi)的總風(fēng)量并不多。
3.2燃用煤種發(fā)熱量偏低
    循環(huán)流化床鍋爐具有許多煤粉爐沒有的優(yōu)勢，其中之一就是循環(huán)流化床鍋爐有很強(qiáng)的燃料適應(yīng)性，所用燃料可以是各種各樣的煤，包括煤矸石。因?yàn)槠涞撞看嬖谝粋�(gè)物料濃度較大的密相區(qū)，爐膛運(yùn)行溫度一般在850～950℃之間，是一個(gè)很大的“蓄熱池”，不同的燃料投入爐內(nèi)都能較好地著火燃燒。但在強(qiáng)調(diào)燃料適應(yīng)性的同時(shí)，往往忽視這個(gè)特點(diǎn)是針對循環(huán)流化床鍋爐燃燒方式而言。對于循環(huán)流化床鍋爐，不同燃料在鍋爐設(shè)計(jì)上有較大的差異，一種型號的鍋爐只能適應(yīng)一定范圍的煤種。對于已經(jīng)運(yùn)行的鍋爐，當(dāng)燃料變化偏離設(shè)計(jì)值較大時(shí)，鍋爐的運(yùn)行特性會發(fā)生很大變化。因此鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)需要考慮煤種的影響，尤其是爐膛高度應(yīng)能保證燃料在爐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，這與燃煤的揮發(fā)分有直接的關(guān)系，而爐膛截面積要與燃料的發(fā)熱量相對應(yīng)。
    設(shè)計(jì)煤種的低位發(fā)熱量為19. 679MJ/kg，根據(jù)2006年9月初由山西省煤炭地質(zhì)研究所化驗(yàn)的數(shù)據(jù)，實(shí)際運(yùn)行中大約在14～16 MJ./kg，設(shè)計(jì)煤種的灰分在32.02%，實(shí)際運(yùn)行中在40%—53%．隨著煤種灰份的增加，爐內(nèi)循環(huán)灰的濃度也增加，同時(shí)水冷壁磨損的速度也加快。
3.3入爐煤細(xì)顆粒比例偏多
    為了解電廠入爐的燃煤篩分特性，對進(jìn)入鍋爐的燃煤粒徑分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，小于1mm的比例為34. 977%，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)中不大于10%的要求。
    在燃用煤種特性和運(yùn)行特性一定時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率對爐內(nèi)物料的循環(huán)倍率有很大關(guān)系，很顯然，效率越高循環(huán)倍率也就越大。從飛灰和循環(huán)灰的粒徑分布進(jìn)行了試驗(yàn)，鍋爐飛灰的質(zhì)量平均粒徑為43. 324um，左右旋風(fēng)分離器循環(huán)灰的質(zhì)量平均粒徑分別為72.8um和72.9um。可看出，旋風(fēng)分離器對粒徑小于50um的基本上不能捕捉到，而對于粒徑大于64um的分離效率很高�？偟貋碚f，該鍋爐分離器的分離效率比較高。
    給煤中細(xì)顆粒的比例偏多，較高的分離器效率，使得鍋爐的循環(huán)倍率很高，即爐內(nèi)循環(huán)物料的量很大，加快了水冷壁的磨損。
3.4灰顆粒表面棱角度大且硬度高
    隨著燃用煤種發(fā)熱量降低，煤矸石的比例也增加，煤矸石及形成的灰的表面棱角度大、硬度高，而高熱值煤及形成的灰的表面光滑且硬度低，對水冷壁的磨損大不一樣。
3.5二次風(fēng)速不均勻
    從就地風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢查，發(fā)現(xiàn)有的開關(guān)銷脫開，有的門銷焊口開裂，有的風(fēng)門全開，有的風(fēng)門全關(guān)，二次風(fēng)出口速度嚴(yán)重不均勻，最小的只有8 m/s左右，最大的超過50 m/s，熱態(tài)工況下差值更大。由冷態(tài)風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果表明，二次風(fēng)速的不均勻，導(dǎo)致煙氣和循環(huán)物料嚴(yán)重?cái)_動，從爐內(nèi)的磨損痕跡也可得到印證。
3.6爐底兩側(cè)床料粒度大小不均勻
    爐底兩排渣口位置不一樣，排渣容易的一側(cè)排渣次數(shù)多，床料粒度比較細(xì)且大顆粒較少。相反，另一側(cè)床料粒度比較粗且大顆粒較多，形成爐內(nèi)煙氣中灰濃度不均勻。
3.7水冷壁變形及焊接錯(cuò)口
    該爐曾發(fā)生過打炮爆管事故，爐膛有一定的變形、水冷壁焊接錯(cuò)口，水冷壁面的不平整以及凸凹平臺的存在，形成局部渦流區(qū)的磨損。
4、防止磨損的對策
    根據(jù)該鍋爐的爐膛截面積偏小的實(shí)際特點(diǎn)，減緩水冷壁的磨損速度，延長運(yùn)行壽命，采取如下措施，以便把水冷壁的磨損速度控制在最小的程度。
    a)把燃用煤種的發(fā)熱量盡量與本鍋爐設(shè)計(jì)煤種的低位發(fā)熱量為19.7MJ/kg基本接近，考慮到煤源緊張的實(shí)際情況，當(dāng)煤值較差時(shí)要適當(dāng)降低鍋爐出力。從煤源上把好關(guān)，防止在入爐煤中加入熱值很低的煤矸石和石子，嚴(yán)格控制入爐煤中大顆粒的數(shù)量。電廠從煤源上加大了管理力度，嚴(yán)格考核。表4是從2007年11月到2008年4月的期間燃用煤種的平均低位發(fā)熱量，與設(shè)計(jì)值比較接近。發(fā)熱量平均值達(dá)到了18 532MJ/kg。
    b)修復(fù)各二次風(fēng)門把柄和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過調(diào)整并結(jié)合理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最后確定上、中、下3層二次風(fēng)噴口的風(fēng)速比為3:2:2。并力求在同一層內(nèi)，各二次風(fēng)噴口的風(fēng)速基本一致。由于爐膛四周均勻送人的二次風(fēng)對由一次風(fēng)流化后的循環(huán)物料的作用相同，所以大大降低了循環(huán)物料在爐內(nèi)的饒流，物料對爐內(nèi)受熱面的沖擊磨損也隨之大大降低。同時(shí)，使得爐膛每一橫截面的物料分布更趨均勻，沿爐膛高度的物料濃度分布更趨合理，爐內(nèi)局部不會形成高流速、高濃度的礬力場，爐內(nèi)的局部磨損也就大大降低了。
    c)控制合理的床壓。爐內(nèi)床料量的多少，床壓的高低，直接影響著流化床鍋爐的配風(fēng)、換熱、爐內(nèi)各處溫度水平、鍋爐的燃燒效率及爐內(nèi)物料場的分布，從而不可避免地對鍋爐運(yùn)行和爐內(nèi)受熱面的磨損產(chǎn)生影響。床壓頻繁波動，會導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行不穩(wěn)，床溫忽高忽低，負(fù)荷時(shí)大時(shí)小，金屬在材料交變機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下會提前產(chǎn)生疲勞損壞。所以控制床壓在合理的范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，采取“少量多次”的排渣原則，盡量減少床壓的波動，以確保在目前間斷排渣的情況下盡量接近連續(xù)排渣的效果，并規(guī)定大負(fù)荷時(shí)維持床壓5—6kPa，小負(fù)荷時(shí)維持床壓4—5kPa。
    d)運(yùn)行中在保證流化的情況下控制一次風(fēng)量，適當(dāng)增大二次風(fēng)量以滿足燃燒所需的氧量，杜絕大風(fēng)量運(yùn)行，控制煙氣速度，并且及時(shí)根據(jù)來煤變化調(diào)整一、二次風(fēng)配比及風(fēng)、煤配比。
    e)加強(qiáng)檢修質(zhì)量。對于更換受熱管時(shí)應(yīng)將焊接口上下對齊，防止大的錯(cuò)口，焊接口一定要打磨光滑，確保受熱面的焊縫過渡處表面光滑平整。對壁厚已磨損30%的進(jìn)行徹底更換，大約總長度達(dá)610 m，包括相應(yīng)鰭片焊縫約2 500 m。并加強(qiáng)對爐內(nèi)防磨澆注料施工工藝的管理，在澆注料的開始和收尾處保證圓滑過渡。
    f)在爐內(nèi)后墻17 m標(biāo)高處加裝了防磨圈梁。防磨圈梁由可磨澆注料制成，在爐內(nèi)稀相區(qū)下部加裝防磨罔梁后能有效地減緩自爐膛上部沿水冷壁下行的內(nèi)循環(huán)物料的流速，減小內(nèi)循環(huán)物料對澆注料與水冷壁過渡區(qū)域受熱面的磨損。
    在采取上述措施后，自2007年10月31日啟動至4月16日供暖結(jié)束，長周期運(yùn)行達(dá)168 d，此間承壓受熱面、管道、聯(lián)箱等部位均未發(fā)生泄漏，停爐后對受熱面檢查，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)受熱面整體磨損程度較2006年大修時(shí)速度明顯減小，局部磨損范圍縮小，爐內(nèi)水冷屏、汽冷屏及水冷壁管子受橫向沖擊磨損的程度明顯減縵，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。
5、結(jié)論
    對于水冷壁的磨損問題，首先必須從設(shè)計(jì)上進(jìn)行全面考慮，才能根本解決或減緩，特別是爐膛的截面積的大小，應(yīng)引起高度的重視；其次要燃用與設(shè)計(jì)煤種基本接近的煤種，選用完善的原煤破碎設(shè)備和篩分裝置，保證人爐煤的粒度，控制細(xì)顆粒的比例；另外要進(jìn)行鍋爐冷態(tài)風(fēng)速試驗(yàn)，保證各二次風(fēng)速的均勻性，按照優(yōu)化的參數(shù)運(yùn)行；最后要加強(qiáng)安裝質(zhì)量，提高工藝檢修，富通新能源不但生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，而且大量銷售生物質(zhì)鍋爐燃燒專用的生物質(zhì)顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料主要由木屑顆粒機(jī)壓制生產(chǎn)而成。