杜文堯
(大唐清苑熱電有限公司,河北 保定 071000)
2021年4月,某300 MW機(jī)組鍋爐供熱期后檢修期間發(fā)現(xiàn)水冷壁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象,部分水冷壁管腐蝕減薄至3.5 mm,嚴(yán)重影響了鍋爐安全。因而,分析鍋爐高溫腐蝕發(fā)生的機(jī)理,確定造成鍋爐高溫腐蝕的原因,并制定防范高溫腐蝕的對策,成為保證鍋爐安全運(yùn)行最為迫切的任務(wù)。
該300 MW機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的SG-1025/17.5型亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、燃煤汽包爐。鍋爐設(shè)計燃用煤種為70%陽泉煤+30%昔陽煤的混煤,校核煤種為70%晉中煤+30%陽泉煤的混煤,采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐燃燒器采用水平濃淡強(qiáng)化著火煤粉噴嘴,分A、B、C、D、E 5層四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器,燃燒器假想切圓直徑1100 mm,一、二次風(fēng)間隔排列,二次風(fēng)與一次風(fēng)夾角15°,形成“風(fēng)包粉”設(shè)計。燃燒器配風(fēng)采用大風(fēng)箱結(jié)構(gòu),共有二次風(fēng)擋板18組,其中分離式燃盡風(fēng)3組,緊湊型燃盡風(fēng)2組,油風(fēng)室3組,二次風(fēng)室4組,煤粉周界風(fēng)室5組。供熱期,該鍋爐基本為滿負(fù)荷運(yùn)行。
該爐于2014年進(jìn)行了燃燒器低氮改造,在大、小修過程中均未出現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象。2021年4月檢修過程中,發(fā)現(xiàn)在水冷壁緊湊型燃盡風(fēng)至最下層分離器式燃盡風(fēng)處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象。
高溫腐蝕主要分硫酸鹽型和硫化物型2種[1]。其中硫酸鹽型的多發(fā)生于過熱器、再熱器中,硫化物型的多發(fā)生于鍋爐水冷壁。當(dāng)爐內(nèi)供風(fēng)不足時,煤中的硫分除了生成SO2、SO3外,還會由于缺氧生成H2S。H2S可直接與水冷壁中的Fe反應(yīng)生成FeS,進(jìn)而造成鍋爐高溫腐蝕。
該鍋爐設(shè)計煤種揮發(fā)分為17.99%,著火溫度為770 ℃,鍋爐設(shè)計爐膛容積熱負(fù)荷為120 kW/m3,較鍋爐選型導(dǎo)則推薦上限值高出20 kW/m3,鍋爐爐膛熱負(fù)荷偏高[2],且設(shè)計煤種硫分偏高,存在高溫腐蝕或結(jié)焦風(fēng)險。
煤質(zhì)不過關(guān)是造成鍋爐高溫腐蝕的主要原因之一。調(diào)查表明,在山東已投運(yùn)的300 MW機(jī)組中,燃用貧煤且采用四角切圓燃燒方式的鍋爐,都或多或少存在高溫腐蝕現(xiàn)象[3]。同煙煤比,貧煤揮發(fā)分低,著火和燃燒困難、燃盡度差,表現(xiàn)在對高溫腐蝕的影響上則是煤粉火焰拉長,大量未燃盡煤粉在水冷壁附近聚集,形成還原性氣氛。另外,煤中硫分對高溫腐蝕的影響也呈正相關(guān)性。
該鍋爐盡管設(shè)計為貧煤爐,但在開展深度配煤摻燒的背景下,歷年來鍋爐均有摻燒一定比例的煙煤。統(tǒng)計3個供熱期鍋爐入爐煤參數(shù)見表1。
表1 近3個供熱期鍋爐入爐煤質(zhì)參數(shù)
由表1可見,2020—2021年供熱期鍋爐入爐煤揮發(fā)分同比下降6.62%,揮發(fā)分已接近于設(shè)計煤種,煙煤摻燒比例同比下降了25%。結(jié)合鍋爐較高的爐膛熱負(fù)荷設(shè)計,在供熱期鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行的情況,燃用大量接近于設(shè)計煤種的貧煤,使鍋爐高溫腐蝕風(fēng)險大幅上升。
鍋爐低氮改造后,爐內(nèi)空氣分級燃燒,主燃燒區(qū)二次風(fēng)量占比減少,鍋爐嚴(yán)重缺氧燃燒,是造成近年來鍋爐高溫腐蝕加劇的重要原因之一[4]。統(tǒng)
計3個供熱期鍋爐燃燒配風(fēng)的變化見表2。
由表2可見,2020—2021年供熱期鍋爐主燃燒區(qū)平均二次風(fēng)速下降約5~6 m/s,分離式燃盡風(fēng)風(fēng)速提高約15 m/s,主燃燒區(qū)風(fēng)量比例下降約20%~27%,在主燃燒區(qū)二次風(fēng)量顯著減少的情況下,鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度仍同比上升較多。在較低的主燃燒區(qū)風(fēng)速下,一方面有可能產(chǎn)生較多的還原性氣體,另一方面有可能造成一、二次風(fēng)風(fēng)粉分離,2種因素均會加劇鍋爐高溫腐蝕。
表2 近3個供熱期鍋爐燃燒配風(fēng)參數(shù)
煤粉太粗,將導(dǎo)致火焰拖長,同時影響煤粉燃盡,未燃盡煤粉在水冷壁附近聚集,會加劇鍋爐高溫腐蝕。根據(jù)經(jīng)驗,貧煤的煤粉細(xì)度R90應(yīng)控制在8%~12%[5],以保證良好的燃燒經(jīng)濟(jì)性。
該鍋爐配套設(shè)計中速直吹式制粉系統(tǒng),為ZGM-
95N-1型磨煤機(jī),保證煤粉細(xì)度R90為15%~40%。據(jù)統(tǒng)計,該鍋爐煤粉細(xì)度R90最低為12%,最高達(dá)25%以上。在燃用大量貧煤情況下,鍋爐在此煤粉細(xì)度下燃燒,無疑會使燃燒工況惡化。
水冷壁內(nèi)部結(jié)垢,使水冷壁熱阻上升,影響水冷壁表面溫度上升。試驗表明,當(dāng)水冷壁管內(nèi)部垢量每上升100 mg/m3,水冷壁表面溫度上升40~50 ℃。水冷壁割管垢量統(tǒng)計見表3。
表3 鍋爐水冷壁割管垢量統(tǒng)計 單位:mg/m3
由表3可見,鍋爐水冷壁垢量逐年上升,當(dāng)垢量上升至250 mg/m3時,應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗工作,以降低鍋爐高溫腐蝕風(fēng)險。
a.根據(jù)鍋爐設(shè)計參數(shù)以及低氮改造情況,重新核定鍋爐適燒煤種,燃用煤質(zhì)應(yīng)綜合考慮煤粉細(xì)度、鍋爐NOx排放等因素,從根本上解決主燃燒區(qū)二次風(fēng)速偏低的問題,避免鍋爐主燃燒區(qū)嚴(yán)重缺氧燃燒。
b.利用機(jī)組檢修,檢查各燃燒器磨損、燒損情況,并進(jìn)行鍋爐冷態(tài)動力場試驗,保證鍋爐爐內(nèi)脫氮性能。
c.利用機(jī)組檢修,對水冷壁高溫區(qū)域進(jìn)行防腐噴涂。
d.按照化學(xué)監(jiān)督要求,做好鍋爐化學(xué)清洗工作,避免水冷壁嚴(yán)重結(jié)垢。運(yùn)行中,做好鍋爐排污工作,保證汽水品質(zhì)合格。
e.對制粉系統(tǒng)進(jìn)行一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平,避免鍋爐主燃燒區(qū)四角煤粉不勻,局部煤粉濃度過高,造成缺氧燃燒。
f.細(xì)化配煤摻燒工作,高負(fù)荷工況,避免高硫煤在相鄰層進(jìn)行摻燒;控制入爐煤熱值,避免爐膛熱負(fù)荷過高。
g.加強(qiáng)煤粉細(xì)度指標(biāo)監(jiān)督,當(dāng)煤粉細(xì)度過高時,及時分析原因,進(jìn)行燃燒調(diào)整,調(diào)整無效時,對磨煤機(jī)進(jìn)行檢修。
h.明確鍋爐各負(fù)荷段氧量限制,平衡好鍋爐燃燒與鍋爐的NOx排放,避免鍋爐主燃燒區(qū)嚴(yán)重缺氧。
經(jīng)過一段時間的運(yùn)行,在2021年10月鍋爐檢修過程中,檢查水冷壁,僅吹灰器附近有輕微的吹損減薄現(xiàn)象,高溫腐蝕現(xiàn)象基本消失。
通過對鍋爐設(shè)計參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)該鍋爐本身設(shè)計爐膛熱負(fù)荷偏高,配套中速直吹式制粉系統(tǒng)不利于煤粉細(xì)度的控制,且低氮改造后未重新界定設(shè)計煤質(zhì)參數(shù)。該鍋爐此次出現(xiàn)高溫腐蝕的原因為入爐煤煤質(zhì)發(fā)生改變,揮發(fā)分大幅降低,受限于鍋爐出口NOx排放限制,鍋爐主燃燒區(qū)嚴(yán)重缺氧燃燒。針對此原因,制定了防止鍋爐高溫腐蝕的對策,并取得了較好的效果。