崔二光

2 060t/h超超臨界電站鍋爐水冷壁高溫腐蝕的研究及防護(hù)措施

崔二光

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016）

針對(duì)2 060t/h超超臨界電站鍋爐OPCC型燃燒器附近水冷壁管發(fā)生的高溫腐蝕，明確腐蝕產(chǎn)物，分析高溫腐蝕機(jī)理；然后根據(jù)該電站鍋爐的實(shí)際情況，確定燃用煤質(zhì)差異、管壁高溫、前后墻對(duì)沖的燃燒方式和OPCC型燃燒器出口擴(kuò)錐角度是產(chǎn)生高溫腐蝕的主要原因。提出對(duì)OPCC型燃燒器進(jìn)行針對(duì)性改造、適當(dāng)調(diào)整摻配混煤粉細(xì)度、濃度、利用貼壁型側(cè)邊風(fēng)技術(shù)、增加噴涂工藝等防護(hù)措施。

電站鍋爐；水冷壁；高溫腐蝕；前后墻對(duì)沖燃燒；OPCC型燃燒器

1 案例

某廠2臺(tái)660MW燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為DG2060/26.15-II2型超超臨界直流電站鍋爐。鍋爐大體形式為露天布置的全鋼構(gòu)架懸吊Π型結(jié)構(gòu)，單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒（OPCC型）方式、一次中間再熱、尾部前后煙道布置、采用平行擋板調(diào)節(jié)再熱氣溫，固態(tài)排渣，平衡通風(fēng)。

該型爐的水冷壁和燃燒器布置如圖1所示，整個(gè)爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛下部為螺旋水冷壁，上部為垂直水冷壁。螺旋水冷壁管均為六凸、螺旋角度為60°的內(nèi)螺紋管，管子規(guī)格為Φ38mm×7.0/7.5mm，材料為15CrMoG/SA-213T2。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配6臺(tái)HP983型中速磨，燃燒器為某公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的OPCC型（外濃內(nèi)淡）低NOxOPCC型燃燒器，鍋爐燃燒器整體布置示意圖如圖2和圖3所示。

2015開(kāi)始運(yùn)行至2016年首次大修期，1號(hào)爐累計(jì)運(yùn)行10 102h，進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：最上層燃燒器水平高度及以上2m范圍內(nèi)左右墻水冷壁存在不同程度高溫腐蝕現(xiàn)象，高溫氧腐蝕產(chǎn)物為片層狀的剝落物。去除氧腐蝕產(chǎn)物后，水冷壁管母材表面有均勻磨損的平面，嚴(yán)重處，水冷壁管實(shí)測(cè)壁厚已經(jīng)小于理論壁厚，如圖4所示。

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，超聲波測(cè)厚儀厚度抽查腐蝕處左墻水冷壁剩余壁厚為6.0～7.0mm，右墻水冷壁剩余壁厚為5.7～7.1mm，此處管子規(guī)格Φ38.1mm×7.5mm，最嚴(yán)重處管子的剩余壁厚已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)最小需要的壁厚6.75mm，發(fā)生高溫腐蝕部位的水冷壁管的腐蝕速率很高，剩余壁厚已經(jīng)不能保證強(qiáng)度要求，水冷壁管隨時(shí)都可能發(fā)生爆管，嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行。

圖1 水冷壁及燃燒器總體布置圖

圖3 鍋爐爐膛前視圖

圖4 氧化物剝落后的管截面

2 水冷壁高溫腐蝕的機(jī)理

高溫腐蝕主要分為硫酸鹽腐蝕和硫化物腐蝕，前者多在電站鍋爐高合金受熱面管如過(guò)熱器和再熱器等部件發(fā)生，后者多在爐膛燃燒器附近的水冷壁部件發(fā)生，所作腐蝕產(chǎn)物分析試驗(yàn)結(jié)果均表明爐膛燃燒器附近的水冷壁高溫腐蝕類型為高溫硫腐蝕。

高溫硫腐蝕產(chǎn)生的區(qū)域一般在燃燒器中心線位置標(biāo)高以上部位，也有部分腐蝕產(chǎn)生在以下部位，有結(jié)焦和不結(jié)焦的受熱面管均可能存在腐蝕。腐蝕區(qū)域的水冷壁表面有較多的灰、焦、垢等沾污。這種OPCC型燃燒器出口附近的溫度為1 400～1 600℃，煤中的礦物質(zhì)及雜質(zhì)等成分極易揮發(fā)出來(lái)，且該區(qū)域煙氣中的H2S、SO2、H2等腐蝕性氣體成分較多，就造成該區(qū)域持續(xù)處于還原性氣氛中。通過(guò)與運(yùn)行人員交流發(fā)現(xiàn)，一般情況下，鍋爐腐蝕嚴(yán)重的水冷壁，其腐蝕區(qū)域的煙氣中均存在含量較高的H2S氣體和還原性氣氛。

3 該爐水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕的原因

3.1 實(shí)際煤種與設(shè)計(jì)、校核煤種不一致

①近年來(lái)，由于動(dòng)力煤炭資源供求不斷波動(dòng)，火力發(fā)電企業(yè)為了保證機(jī)組正常運(yùn)行，所以在燃料來(lái)源和品質(zhì)等方面的選擇比較被動(dòng)，一些高硫煤使用量不斷增加，這為高溫腐蝕的產(chǎn)生提供了條件。

②該鍋爐實(shí)際使用的是摻配混煤，其特點(diǎn)是硬度較大，不容易粉碎，著火較困難，燃燒延遲。部分揮發(fā)分含量小、灰分多的難燃煤，具有著火困難、易滅、著火推遲等特點(diǎn)［1］。這導(dǎo)致OPCC型燃燒器出口附近水冷壁管未燃盡的煤粉大大增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成此區(qū)域氧氣不足，因而產(chǎn)生腐蝕性氣體和還原性氣氛，為水冷壁管腐蝕的出現(xiàn)提供了條件。

3.2 水冷壁管壁溫度高

隨著近年來(lái)電站鍋爐裝機(jī)容量的增大（一般在600MW以上），壓力、溫度、材料及壁厚等不斷升級(jí)，水冷壁管溫度也較之前有較大提升（一般在420℃以上），且對(duì)此類鍋爐機(jī)組，鍋爐的斷面和容積熱負(fù)荷都比較大，這也為水冷壁管壁的高溫創(chuàng)造了前提。以一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明，對(duì)12Cr1MoVG鋼樣進(jìn)行試驗(yàn)，在300～500℃范圍內(nèi)，每升高10℃，其腐蝕速度增加0.3～0.4g/（m2·h）；在溫度為440℃和460℃時(shí)，分別達(dá)到3.5g/（m2·h）和4g/（m2·h）。另外，壁溫相差20℃的相鄰管子，腐蝕程度相差1倍以上。

3.3 燃燒方式的影響

該鍋爐采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，OPCC型燃燒器布置如圖1-3所示。前后墻兩側(cè)燃燒器出口的煤粉易偏向兩側(cè)墻水冷壁，隨著燃燒器出口旋流強(qiáng)度的增加，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重，最終，燃燒器出口的兩側(cè)墻一定范圍內(nèi)易形成還原性氣氛。在實(shí)際鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，由于一、二次風(fēng)機(jī)及給粉機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定、管路阻力過(guò)大等原因，靠?jī)蓚?cè)墻的旋流燃燒器可能出現(xiàn)風(fēng)少粉多或煤粉較粗等情況，在這種情況下，就更容易在兩側(cè)墻集中煤粉而形成缺氧還原區(qū)［2］。同時(shí)，隨著環(huán)保要求不斷提升，為了進(jìn)一步降低NOx的排放，該鍋爐使用了加裝頂部燃燼風(fēng)（OFA）和分級(jí)送風(fēng)等原理，使鍋爐爐膛內(nèi)中、下部風(fēng)量驟降，造成燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷大、燃燒器區(qū)域兩側(cè)墻附近小，更容易產(chǎn)生腐蝕性氣體和還原性氣氛，容易發(fā)生高溫腐蝕。

3.4 OPCC型燃燒器出口擴(kuò)錐角度的影響

電站鍋爐冷態(tài)試驗(yàn)、燃燒器計(jì)算機(jī)模擬等分析結(jié)果表明，鍋爐爐膛高溫腐蝕與燃燒器出口的氣流狀況有間接關(guān)系，其中，燃燒器出口擴(kuò)錐角度是引發(fā)鍋爐煤粉易偏向兩側(cè)墻的主要原因，燃燒器設(shè)備狀態(tài)（燒損、變形和脫落等）會(huì)進(jìn)一步加劇鍋爐爐膛還原性氣氛。由于設(shè)計(jì)燃燒器出口擴(kuò)錐角度偏大，上述問(wèn)題引起燃燒器出口流場(chǎng)擴(kuò)散偏大，火焰卷吸煤粉至燃燒器周邊區(qū)域沉積導(dǎo)致鍋爐爐膛高溫腐蝕，而燃燒器本身的燒損也會(huì)大大增加電站鍋爐爐膛內(nèi)高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

4 降低爐膛內(nèi)水冷壁管高溫腐蝕的措施

4.1 對(duì)OPCC型燃燒器進(jìn)行針對(duì)性改造

針對(duì)使用OPCC型燃燒器的前后墻對(duì)沖燃燒方式的電站鍋爐，創(chuàng)新性地開(kāi)展冷態(tài)試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)方法建立在相似?；A(chǔ)上，采用飄帶示蹤的方式，觀察和測(cè)量了燃燒器出口的氣流形態(tài)、擴(kuò)散角的大小和回流區(qū)的形狀及大小，探討導(dǎo)致鍋爐高溫腐蝕的燃燒器設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行調(diào)整方面的原因，并分析各個(gè)因素對(duì)氣流形態(tài)、擴(kuò)散角和回流區(qū)的影響。根據(jù)燃燒器模擬結(jié)論，在燃燒器外二次風(fēng)上加裝新擴(kuò)錐，由此將燃燒器出口擴(kuò)錐角度減小至35°，有效改良了燃燒器氣流結(jié)構(gòu)，并參照日立HTNR3型燃燒器的設(shè)計(jì)理念，降低旋流強(qiáng)度并使燃燒器點(diǎn)火推遲，對(duì)OPCC型燃燒器出口擴(kuò)錐進(jìn)行改造，從而降低燃燒器噴口溫度。通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行來(lái)看，該項(xiàng)改造能有效降低爐內(nèi)出現(xiàn)的局部還原性氣氛，以減少硫化物型腐蝕。

4.2 各OPCC型燃燒器出口燃料分布要一致

鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，如果向各燃燒器輸送燃料不均勻，則各燃燒器出口附近爐膛內(nèi)的煤粉空氣配比就會(huì)不合理，易導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)水冷壁管附近區(qū)域出現(xiàn)局部缺氧、著火困難和燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象，最終使水冷壁管出現(xiàn)高溫腐蝕。優(yōu)化方法：首先，盡可能地降低彎頭數(shù)量、減少管道長(zhǎng)度，從而使輸煤管道阻力一致；其次，在輸煤管道內(nèi)裝設(shè)如十字形隔板、彎頭處的導(dǎo)流板等裝置，消除輸煤管道內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)和顆粒慣性分離。

4.3 控制好摻配混煤粉的細(xì)度

如果部分混煤的硬度大，不易粉碎，那么一些大顆粒煤粉會(huì)造成火焰沖刷水冷壁管、附近燃燒強(qiáng)度高、煤粉難于燃盡等，從而引發(fā)高溫腐蝕和沖刷。通過(guò)一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤粉細(xì)度為8.2%～13.8%時(shí)，水冷壁管附近的高溫腐蝕是煤粉細(xì)度為6.2%～8.0%時(shí)的數(shù)倍。此外，當(dāng)OPCC型燃燒器供粉不合理及燃燒器燒損時(shí)，更容易發(fā)生高溫腐蝕和沖刷。因此，要充分考慮每臺(tái)鍋爐自身的實(shí)際情況，控制好合適的摻配混煤粉細(xì)度，以滿足燃燒器的要求。

4.4 爐膛內(nèi)的水冷壁管增加噴涂手段

利用電弧噴涂在爐膛內(nèi)可能發(fā)生腐蝕的水冷壁區(qū)域噴涂防磨防腐材料，可最大限度地防護(hù)水冷壁管，使其在一段時(shí)間內(nèi)降低高溫腐蝕發(fā)生機(jī)會(huì)。該方法簡(jiǎn)單，涂層均勻且很薄，對(duì)水冷壁傳熱影響很小，但價(jià)格太高。目前，大部分發(fā)電企業(yè)采用等離子體噴涂水冷壁管，有效使用周期可達(dá)4～6年，基本滿足了鍋爐檢修周期的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

該臺(tái)電站鍋爐水冷壁管高溫腐蝕成因和防護(hù)的研究雖然取得了一些成績(jī)，為今后處理類似問(wèn)題積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但是，考慮到每臺(tái)電站鍋爐的自身差異和運(yùn)行情況較為復(fù)雜，因此，具體問(wèn)題還要具體分析，切不可生搬硬套，尤其在燃燒器的改造和治理措施方面。

［1］黃新元.電站鍋爐運(yùn)行燃燒調(diào)整［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［2］曾漢才.大型鍋爐水冷壁的高溫腐蝕故障分析［J］.華中電力，2001（4）：5-8.

Study on High Temperature Corrosion of Water Wall in 2 060t/h Ultra Supercritical Power Plant Boiler and Its Protective Measures

Cui Erguang
（The Boiler&Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016）

For the high temperature corrosion of the water-cooled wall tube near the OPCC-type burner of the 2 060t/h ultra-supercritical power plant boiler,the corrosion products were analyzed,and the mechanism of high temperature corrosion was analyzed.According to the actual situation of the power plant boiler,It was fond out the main reason for the high temperature corrosion that the difference of coal quality,the high temperature of the pipe wall,the combustion mode of the front and rear wall and the expansion angle of the OPCC burner.Some Protective measures were proposed∶targeted transformation for OPCC-type burner,Appropriate adjustment the fineness and the concentration of mixed-coal powder,the use of side wind technology,doing more spraying process

power plant boiler；water wall；high temperature corrosion；front and rear wall hedging combustion；OPCC burner

TK224.9

A

1003-5168（2017）09-0032-03

2017-08-02

崔二光（1979-），男，本科，工程師，研究方向：承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究。