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        90t/h煤氣鍋爐省煤器泄漏分析及改進

        2014-12-06 09:29:12
        冶金動力 2014年9期
        關鍵詞:煙氣設計

        劉 浪

        (攀鋼釩公司能源動力中心,四川攀枝花 617062)

        1 前言

        攀鋼能源動力中心有一臺型號為CG-90/3.82-Q、自然循環(huán)、膜式壁單爐膛、全鋼架懸吊結構“п”型布置的全燒煤氣鍋爐。該鍋爐于2006年1月投產。

        1.1 鍋爐主要參數(shù)參數(shù)

        額定蒸汽流量:90 t/h

        額定蒸汽壓力:3.82 MP(表壓)

        額定蒸汽溫度:450℃

        給水溫度:140℃

        冷空氣:20℃

        鍋爐出口煙氣設計溫度:≤150℃

        鍋爐設計效率:≥87.5%

        燃料結構:焦爐煤氣:高爐煤氣=1:9(體積比)

        設計燃料成分見表1,鍋爐設計熱力計算數(shù)據(jù)匯總見表2。

        1.2 鍋爐省煤器概況

        鍋爐省煤器為上下級布置,與煙氣流向呈逆流方式的水平管圈組成,置于主煙道的低溫過熱器下方。一、二級均為焊接鰭片式省煤器,一級省煤器沿煙道寬度共有73排蛇形管,二級省煤器沿煙道寬度共有53排蛇形管,平行于側墻順列布置;蛇形管為φ32×3mm,材質為 20/GB3087-1999,焊接式鰭片為扁鋼20×3,材質為Q235-A.F;一級省煤器橫向管排間距35 mm,縱向間距120 mm,二級省煤器橫向管排間距45 mm,縱向間距120 mm。

        該鍋爐自投產以來,省煤器頻繁泄漏,截止到2012年12月,其中一級省煤器泄漏11次,二級省煤器泄漏16次,共堵管36根。對省煤器的泄漏位置、時間進行統(tǒng)計,未發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

        2 煤氣鍋爐省煤器泄漏原因分析

        煤氣鍋爐省煤器泄漏的原因是多方面的,下面對可能因素逐一進行分析:

        2.1磨損

        該鍋爐的燃料為高爐煤氣與焦爐煤氣,煤氣已經過嚴格除塵處理,煤氣中的粉塵濃度小于5 mg/m3,煤氣燃燒后生成的煙氣大致是煤氣體積的2倍,所

        表190t/h鍋爐設計燃料成分

        以煙氣中的粉塵濃度大致在2~3 mg/m3,根據(jù):

        表290t/h鍋爐設計熱力計算數(shù)據(jù)匯總表

        式中:K—磨損特性系數(shù),與灰的成分及管道的構造有關;

        μ—飛灰濃度;

        w—飛灰的速度,近似取煙氣速度;

        n—冪指數(shù),一般取3.3;

        δ—飛灰顆粒當量直徑;

        D—管道直徑。

        所以煙塵對省煤器管子磨損較小,且從省煤器管子的泄漏地點看,管子沒有磨損的痕跡。

        2.2 省煤器過熱、超壓

        泄漏的省煤器管子進行取樣檢查,未發(fā)現(xiàn)管內結垢及管外積灰的情況,而且對省煤器泄漏的地方進行查看,未發(fā)現(xiàn)爆口的跡象。從運行記錄中的給水壓力、蒸汽壓力、一級省煤器和二級省煤器的煙溫,都未出現(xiàn)過超溫、超壓現(xiàn)象。所以過熱及超壓不是省煤器泄漏的原因。

        2.3 省煤器腐蝕

        2.3.1 省煤器的低溫腐蝕

        使用的焦爐煤氣中H2S含量約為3000 mg/m3,H2S經燃燒后形成SO2或SO3,焦爐煤氣燃燒后形成大量的水蒸汽,鍋爐煙氣中的水蒸汽含量約10%~12%(燃煤鍋爐一般在2%~5%),為硫酸的生產創(chuàng)造了條件。設計給水溫度為140℃,實際給水溫度只有96~100℃,導致一級省煤器下段煙氣溫度低,管壁溫度僅有120~130℃,此溫度恰好位于凝結酸量與腐蝕速度最大范圍內,出現(xiàn)嚴重的低溫腐蝕,當管子腐蝕到一定程度時,就會漏水。從現(xiàn)場查看一級省煤器下段管子的情況:管子上粘附有大量的積灰,用水沖洗后,其背風面露出厚度約為1.5 mm的硬質灰層,這是煙氣中的硫酸蒸汽凝結發(fā)生腐蝕時伴生的低溫粘結性積灰【1】,在硬質灰層覆蓋的管壁上,管子被腐蝕得坑坑洼洼,腐蝕最深有1.52 mm,背風面腐蝕最為嚴重,管壁厚度僅有0.81 mm。測得沖洗管子排出的水的pH值為2~3,說明,煙氣中含有腐蝕性極強的酸性物質。

        以上情況說明,燃氣中“硫”成分存在,排煙溫度低導致低溫腐蝕是一級省煤器下段泄漏的重要原因。

        2.3.2 省煤器的水側腐蝕

        90 t/h鍋爐的給水溶解氧基本維持5 μg/L、給水pH值維持在9.0左右,給水電導維持在4.0 μs/cm左右(國家標準要求溶解氧≤15 μg/L,pH值基本保持在8.8~9.3之間,導電度在10 μs/cm以下)。從以上的給水指標看,省煤器水側腐蝕不易發(fā)生。

        2.4 省煤器吸熱面積大,沸騰率高

        由表2可以看出一級省煤器設計受熱面積為1437 m2,二級省煤器設計受熱面積為553.3 m2,而根據(jù)省煤器的實際圖紙(如圖1)進行核算:

        二級省煤器沿煙道寬度共有53排蛇形管,平行于側墻順列布置,蛇形管規(guī)格為φ32×3mm,焊接式鰭片為扁鋼20×3,則根據(jù)上圖可計算出二級省煤器光管面積為:

        32/1000×3.14×5420/1000×16×53=461m2

        由于該省煤器為鰭片式省煤器,根據(jù)擴展受熱面計算公式:

        式中:L—管子長度;d—管子直徑(一般取外徑),0.032 mm;h—鰭片高度,0.02 mm。

        同長度的光管受熱面積:

        圖1 二級省煤器蛇形管布置及截面圖

        由公式(2)÷(3)可以得出鰭片管與光管的受熱面積比

        K=L[πd+4(h-0.002)]/Lπd=1.72

        考慮到省煤器管子彎頭處沒有鰭片,所以取K=1.7,所以二級省煤器的實際受熱面積為:

        S=461×1.7=783.7 m2

        同理:一級省煤器的實際受熱面積為2027.5。

        實際受熱面積與設計值相比較,一級省煤器實際受熱面積比設計面積大590.5 m2,二級省煤器實際受熱面積比設計面積大230.4 m2,省煤器受熱面積增大,吸熱增多,導致省煤器的沸騰率升高,原省煤器設計沸騰率為10.8%,根據(jù)省煤器的實際受熱面及排煙溫度可以算出省煤器的實際沸騰率達到24.39%(一般鍋爐省煤器沸騰率不超過20%),由于沸騰率高,省煤器局部蛇形管發(fā)生膜態(tài)沸騰,導致傳熱惡化,蛇形管局部過熱,使管子出現(xiàn)裂紋或爆管泄漏。

        2.5 省煤器的制造缺陷

        原為了擴展省煤器受熱面,選擇了縱向鰭片式,鰭片材質選擇的是Q235-A.F,省煤器管子材質為20#G鋼,這兩種材料含碳量及雜質含量低,焊接性好,因此鰭片管焊接內在質量容易保證,但構成鰭片管的管子及鰭片有長度大、壁厚小的特點,焊接后焊縫部位會產生很大的縱向殘余拉應力,所以對焊接要求高。經查,制造該臺鍋爐省煤器的過程中,焊接人員多,焊接順序不合理,焊接電流大小不等因素,導致管子縱向產生殘余應力【3】,在省煤器受熱或冷卻后,部分應力表現(xiàn)尤為明顯,引發(fā)泄漏;同時,經檢查發(fā)現(xiàn),焊縫收口處存在多處咬邊現(xiàn)象,這也是省煤器泄漏的誘因;另一方面,鰭片省煤器蛇形管與鰭片較長(5 m)焊成一個整體,受熱時鰭片和管子的溫升不同,膨脹量不等,本身內部存在一個很復雜的熱應力狀況,運行中對管子撕裂。

        2.6 省煤器的安裝缺陷

        按照省煤器的安裝標準【4】及圖紙,對省煤器的聯(lián)箱標高、水平度及膨脹間隙,蛇形管間距及水平度、管夾位置及間隙、吊架等情況進行復查,未發(fā)現(xiàn)超出安裝標準及設計規(guī)范要求的情況,所以省煤器不存在安裝缺陷。

        3 改進措施及實施

        針對上述原因,根據(jù)鍋爐現(xiàn)有煙氣的露點及鍋爐效率,重新設定排煙溫度為155±5℃、給水溫度為130±5℃,按照現(xiàn)有鍋爐的實際結構型式,過熱器及空氣預熱器結構及面積(實際面積)不變,省煤器采用光管對省煤器的面積進行校核,經過上述校核后,確定為一級省煤器的面積為940 m2,二級省煤器面積為455 m2。按照參燒90%(體積比)高爐煤氣的燃料進行校核計算,其熱力計算匯總如表3。

        按照以上確定的省煤器的面積對省煤器進行改造:取消省煤器的鰭片,完全采用光管,省煤器的管徑及壁厚不變,將一級省煤器縱向排數(shù)由原來的73排減少至60排,二級省煤器縱向排數(shù)不變,各進出口聯(lián)箱的標高不變,蛇形管彎頭不變。

        省煤器的受熱面積減少,煙氣阻力與原來比略微減小,故煙風系統(tǒng)其他設備不需要改造;另一方面,由于省煤器的面積減小,省煤器的自重也減小,故原系統(tǒng)設計的載荷也能滿足改造要求。

        表3 校核改造熱力計算數(shù)據(jù)匯總表

        2013年6月停爐對以上方案進行實施,將原省煤器及聯(lián)箱、一級空氣預熱器進行拆除,按照新設計的省煤器及聯(lián)箱進行安裝,對一級空氣預熱器進行了原樣更換。

        4 改進效果

        按照相應措施改進施工后,于2013年8月10日點爐運行,通過調試,改造后高爐煤氣燒量為8.22萬m3/h、焦爐煤氣燒量為2.49 km3/h、給水溫度為138.2℃、蒸汽負荷90t/h的運行參數(shù),見表4。

        表4 改造后實際運行數(shù)據(jù)

        從表4可以看出:鍋爐在接近于設計工況下運行,鍋爐負荷可達到90t/h,排煙溫度能控制在150℃左右,二級空預器出口風溫基本達到設計要求。運行至2014年4月(連續(xù)運行8個月),未出現(xiàn)過省煤器泄漏現(xiàn)象,停爐對一級預熱器及省煤器進行檢查,未發(fā)現(xiàn)預熱器及省煤器管道上有結露及積灰現(xiàn)象;另一方面該鍋爐連續(xù)運行8個月后,一級預熱器及省煤器煙氣差壓基本未發(fā)生變化,說明省煤器及預熱器不再發(fā)生低溫腐蝕。

        5 結束語

        鍋爐縱向鰭片式省煤器雖然可以擴展受熱面,減少省煤器鋼材消耗,降低排煙溫度,但擴展受熱面不是越大越好,必須根據(jù)吸熱量的需求、排煙溫度要求、省煤器沸騰率等因素確定受熱面面積;且縱向鰭片式省煤器加工過程要求高,質量難以控制,會帶來焊接收口咬邊、焊接殘余應力等缺陷,引發(fā)省煤器的泄漏。通過對省煤器結構型式進行改造,減小受熱面積,使省煤器沸騰率在合理范圍內,在一定范圍內提高給水溫度及排煙溫度,能有效防止省煤器的泄漏。

        [1]樊泉桂等.鍋爐原理[M].北京:中國電力出版社,2004.8

        [2]王賀軍等.WG670/13.72-1型鍋爐采用H型鰭片式省煤器的設計和運行[J].電力科學與工程.2008.6.第24卷第4期

        [3]鄭德升,電站鍋爐省煤器暴漏原因分析及解決措施研究[J],華北電力大學,2004.5.

        [4]高強,鍋爐壓力容器安裝標準規(guī)范[M].吉林:吉林人民出版社,2001.7

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