易新建(永清環(huán)保股份有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410005)

循環(huán)流化床鍋爐作為一種新型高效低污染燃燒技術(shù)，相對(duì)于煤粉爐,具有燃料適應(yīng)性廣，負(fù)荷調(diào)節(jié)比大，燃燒效率較高，污染物排放濃度低等優(yōu)點(diǎn)[1]，在動(dòng)力配煤質(zhì)量下降，環(huán)保要求日益嚴(yán)格的情況下，循環(huán)流化床鍋爐得到迅速發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐達(dá)到兩千多臺(tái)，300MW的亞臨界循環(huán)流化床鍋爐也已投入商業(yè)運(yùn)行[2]。但循環(huán)流化床鍋爐的等效可用系數(shù)總體低于煤粉爐，受熱面的磨損相對(duì)嚴(yán)重。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：水冷壁管磨損泄漏引起的停運(yùn)次數(shù)占總停運(yùn)次數(shù)的30%[3]，水冷壁管磨損泄漏成為鍋爐等效可用系數(shù)降低的主要原因之一。因此，通過(guò)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損泄漏機(jī)理及影響因素的分析，有利于采取相應(yīng)的預(yù)防措施，提高鍋爐運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損泄漏等典型故障，應(yīng)用故障樹(shù)診斷法進(jìn)行由果到因的逐層演繹推理，可達(dá)到快捷有效的效果。

一、水冷壁管磨損機(jī)理分析

循環(huán)流化床鍋爐存在明顯的底部密相區(qū)和上部稀相區(qū)，密相區(qū)與稀相區(qū)流動(dòng)特性的差異，決定了密相區(qū)與稀相區(qū)水冷壁管的主要磨損機(jī)理存在不同。

1.密相區(qū)水冷壁主要磨損機(jī)理

循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)固體顆粒濃度很高，達(dá)400～700kg/m3，床內(nèi)氣固兩相處于激烈的湍動(dòng)狀態(tài)。流化氣體穿過(guò)床層時(shí)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡運(yùn)動(dòng)非常劇烈，氣泡聚并與破裂的頻率極高，在氣泡破裂時(shí)，固體顆粒獲得初速度被拋向四周，對(duì)爐膛壁面產(chǎn)生沖擊，引起撞擊磨損。同時(shí)，顆粒在流化氣體曳力的作用下以一定的速度流動(dòng)，造成沖刷磨損。在鍋爐密相區(qū)，設(shè)計(jì)有入爐煤（石灰石）給料口，返料器返料口等，物料被氣體輸送至爐膛內(nèi)。物料流動(dòng)過(guò)程中對(duì)給料口周?chē)乃浔诠芤矔?huì)產(chǎn)生沖刷磨損。同時(shí)，在給煤口附近,氧化和還原性氣氛交替作用，一方面直接使水冷壁管金屬表面腐蝕剝落，另一方面破壞金屬表面的氧化物保護(hù)層，加劇沖刷磨損，導(dǎo)致磨損問(wèn)題特別突出。因此，密相區(qū)水冷壁管泄漏主要是沖刷磨損與撞擊磨損綜合作用的結(jié)果。由于密相區(qū)磨損非常嚴(yán)重，通常在密相區(qū)敷設(shè)防磨耐火材料來(lái)提高水冷壁的防磨性能。

2.稀相區(qū)水冷壁管主要磨損機(jī)理

循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)顆粒濃度相對(duì)較小，為5～50kg/m3，氣固兩相流之間的滑落速度大，在爐膛中心區(qū)域流化風(fēng)速較高，而在水冷壁附近流化風(fēng)速較低，顆粒團(tuán)隨著氣流向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，固體顆粒也向水冷壁方向滑移聚集，并且沿爐壁向下流動(dòng)，呈現(xiàn)環(huán)-核流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水冷壁管表面光滑，無(wú)凸起或凹陷時(shí)，向下流動(dòng)的固體顆粒沖刷管壁產(chǎn)生沖刷磨損，但當(dāng)沿壁流動(dòng)的固體顆粒遇到凸起或凹陷時(shí)，如水冷壁管與密相區(qū)高溫耐火材料的分界面或水冷壁管凸出的對(duì)接焊縫時(shí)，就會(huì)形成局部渦流區(qū)，向下流動(dòng)的固體顆粒改變方向，以較大的沖擊角撞擊附近的水冷壁管表面，造成撞擊磨損。循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管一般為低碳鋼或低合金鋼，其經(jīng)受低攻擊角顆粒沖刷磨損的能力要強(qiáng)于受高攻擊角顆粒撞擊磨損的能力[4]。因此，水冷壁管光滑壁面處的磨損量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于凸起或凹陷附近處的磨損量。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明：循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管凸起1～2m是鍋爐水冷壁管磨損泄漏的主要部位[5]。

二、水冷壁管磨損影響因素分析

本文從設(shè)計(jì)安裝質(zhì)量、運(yùn)行等方面分析影響水冷壁管磨損的因素：

1.設(shè)計(jì)安裝質(zhì)量對(duì)磨損的影響

爐膛內(nèi)水冷壁管設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到人孔、測(cè)量?jī)x表孔、給料口、風(fēng)口等因素，部分水冷壁管必須采用彎管，彎管處是水冷壁管局部磨損比較嚴(yán)重的部位。水冷壁管焊縫連接處的凸起，光滑程度對(duì)磨損影響較大。水冷壁管與防磨耐火材料分界面轉(zhuǎn)折區(qū)的厚度增加，附近區(qū)域的水冷壁管的磨損速率增加，轉(zhuǎn)折區(qū)角角度越小，顆粒團(tuán)改變方向帶來(lái)的沖量越小，磨損程度相應(yīng)減輕[6]，設(shè)計(jì)安裝時(shí)應(yīng)特別注意。

2.運(yùn)行參數(shù)對(duì)磨損的影響

燃料煤中灰份的特性，如灰份的含量，灰份中的二氧化硅，三氧化二鋁，黃鐵礦等比水冷壁管材硬的礦物質(zhì)對(duì)磨損影響顯著，灰份中二氧化硅，三氧化二鋁，黃鐵礦等礦物質(zhì)的含量越高，磨損速率越快，且各種礦物質(zhì)對(duì)管壁的磨損作用是互相促進(jìn)加劇的[7]。燃料顆粒直徑對(duì)磨損的影響是兩方面的，大顆粒直徑的顆粒碰撞的總動(dòng)能大，與壁面沖刷時(shí)的接觸面積多，使磨損速率上升，但在循環(huán)流化床中，在相同風(fēng)速下，顆粒直徑增大，被氣流夾帶到稀相區(qū)的顆粒量減少，沿壁面下滑的顆粒濃度相應(yīng)降低，使磨損速率降低，并且只有當(dāng)燃料粒徑大于25μm時(shí)才考慮磨損。磨損速率還與顆粒的形狀有關(guān)，有角顆粒的磨損速率比圓角顆粒高[8]。不同脫硫劑特性對(duì)磨損速率的影響是不同的，有試驗(yàn)表明：磨損速率最高的脫硫劑比最低的高約100倍，有些脫硫劑的磨損速率比煤中灰份的磨損速率更大[9]，因此，在運(yùn)行中必須考慮脫硫劑的磨損速率。

磨損速率與顆粒撞擊速率成三次方關(guān)系，運(yùn)行風(fēng)速增加，床內(nèi)顆粒向四周濺射的動(dòng)能增加，顆粒與壁面的碰撞幾率加大，同時(shí)，攜帶顆粒的濃度增加，水冷壁管壁區(qū)顆粒回流濃度升高，因此運(yùn)行風(fēng)速越高，水冷壁管的磨損量越大。運(yùn)行中床溫影響燃料的燃燒速率，床溫較低時(shí)，未燃燼的顆粒量增加，煤顆粒的破裂程度減小，床層顆粒粒徑增加，磨損速率增加。鍋爐下渣能夠?qū)⑤^粗的床層顆粒及時(shí)排出，保證適當(dāng)?shù)牧蠈?，下渣不暢?huì)加劇顆粒分層，使?fàn)t膛料層粒度增加，導(dǎo)致水冷壁的磨損加劇。

三、水冷壁管磨損的故障樹(shù)建立與分析

以系統(tǒng)失效為頂事件建立故障樹(shù)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)函數(shù)寫(xiě)出數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，確定發(fā)生故障的最薄弱環(huán)節(jié)或必須修理的部件，制定系統(tǒng)故障診斷方案，提高故障診斷效率。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損機(jī)理研究及水冷壁管磨損泄漏影響因素的分析，以水冷壁管磨損泄漏為頂事件建立故障樹(shù)，如圖1、2所示：

以水冷壁管磨損泄漏為故障樹(shù)的頂事件，是由20個(gè)不同的獨(dú)立底事件構(gòu)成的故障樹(shù)，頂事件的狀態(tài)?完全由底事件的狀態(tài)xi(i=1,2,…20)的取值所決定，對(duì)系統(tǒng)和部件均只考慮存在失效和可用兩種狀態(tài)，這樣，底事件可以定義為：

或門(mén)結(jié)構(gòu)故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

在建立了故障樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用下行法得到水冷壁管磨損泄漏故障樹(shù)的全部最小割集的完整集合，最小割集的求解步驟如表1：

根據(jù)分析得出水冷壁管磨損泄漏的最小割集為19個(gè)，每個(gè)最小割集都是引起頂事件產(chǎn)生原因，由此得到了水冷壁管磨損泄漏的所有故障模式。

表1 水冷壁管磨損泄漏的最小割集

結(jié)論

1.本文分析了循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損泄漏的機(jī)理，對(duì)水冷壁管磨損的影響因素進(jìn)行了分析。

2.根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特點(diǎn)和相關(guān)輔助系統(tǒng)的特性，建立了水冷壁管磨損泄漏的故障樹(shù)，并進(jìn)行了定性分析。

3.分析結(jié)果有利于進(jìn)行水冷壁管磨損泄漏故障診斷，提高了故障診斷效率，豐富了循環(huán)流化床鍋爐故障診斷的知識(shí)庫(kù)，為故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的建立提供了支持。

[1]岑可法,倪明江,駱仲泱,等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M].北京:中國(guó)電力出版社,1998.

[2]張彥軍,李振宇,王鳳君,等.國(guó)產(chǎn)首臺(tái)300MW循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐[J].鍋爐制造,2006,4:10-13.

[3]盧剛.循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損特性研究[D].保定:華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,2005.

[4]鄧化凌,王勇,宋云京,等.循環(huán)流化床鍋爐快速磨損失效機(jī)理[J].中國(guó)電力,2007,40(1):48-51.

[5]張全勝,吳志.440t/h循環(huán)流化床鍋爐試運(yùn)行中暴露出的問(wèn)題及改進(jìn)方法[J].節(jié)能技術(shù),2006,24(137):270-275.