國能神福（龍巖）發(fā)電有限公司 史雙偉

某發(fā)電公司2×640MW 燃煤發(fā)電機組，其鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1900/25.4—II2型超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π 型鍋爐。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量1960t/h；鍋爐(B-MCR)燃煤量239.1t/h(設計煤種)，設計煤種為甘肅華亭煙煤與陜西黃陵煙煤2:1混煤。鍋爐爐膛寬22.12m、深15.5m、高62m，容積熱負荷79.9kW/m3，斷面熱負荷4.36MW/m2，燃燒器區(qū)域壁面熱負荷1.63MW/m2。爐膛下部冷灰斗水冷壁和中部水冷壁均采用螺旋膜式管圈，爐膛上部水冷壁均采用垂直管屏。

鍋爐燃燒系統(tǒng)采用前后墻對沖布置的旋流燃燒器，燃燒器采用HT-NR3低NOx燃燒器。燃燒系統(tǒng)共布置有16只燃盡風噴口，36只HT-NR 燃燒器噴口，共52個噴口。燃燒器分前后墻各三層布置，每層共6只；在前后墻距最上層燃燒器噴口一定距離處各設有6個主燃盡風噴口，2個側燃盡風噴口。HT-NR3燃燒器燃燒的空氣被分為三股，它們是直流一次風、直流內二次風和旋流外二次風。煤粉及其輸送用風（即一次風）經(jīng)煤粉管道、燃燒器一次風管、文丘里管、煤粉濃縮器、燃燒器噴嘴后噴入爐膛；二次風經(jīng)大風箱、燃燒器內、外二次風通道噴入爐膛；其中內二次風（兼作停運燃燒器冷卻風）為直流，通過手柄調節(jié)套筒位置來進行風量的調節(jié)；外二次風為旋流，依靠氣動執(zhí)行器進行風量的調節(jié)。單只燃燒器內、外二次風的風量分配通過調節(jié)各內二次風套筒開度和外二次風調風器開度來實現(xiàn)。

制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配六臺中速磨煤機，燃燒設計煤種及校核煤種時，五臺運行、一臺備用。磨煤機編號與燃燒器編號一致，前墻從上往下A、B、C，后墻從上往下D、E、F，鍋爐點火裝置為等離子點火燃燒裝置，布置在后墻F 層、共6臺。油燃燒器2013年進行了改造，拆除了啟動油槍，僅保留了C、F層12只點火油槍，作為鍋爐輔助點火裝置。每臺鍋爐煙風系統(tǒng)配置2臺動葉可調軸流式送風機，2臺雙級動葉可調軸流式引風機，2臺雙級動葉可調軸流式一次風機和2臺三分倉回轉式空氣預熱器。圖1中X為離前墻的距離，Y 為離爐膛底部的距離，Z 為離左側墻的距離。

圖1 鍋爐燃燒器及燃盡風布局圖

1 水冷壁存在問題

兩臺機組分別于2006年底和2007年中投產(chǎn)，2009年10月#6機組停運檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐兩側墻煙氣側水冷壁（主燃燒區(qū)域）出現(xiàn)了嚴重高溫腐蝕。水冷壁管高溫腐蝕位置在A、B 側墻中間位置，高度在第一層燃燒器至燃盡風上部，標高21.5米至39.5米，寬約7米。針對上述問題當時采取如下措施：對兩側墻腐蝕嚴重區(qū)域的壁厚低于5mm 水冷壁部分管段進行換管，共換500多根，面積約120m2；對未更換的水冷壁管進行噴涂處理。水冷壁管采用超音速電弧噴涂，絲材為45CT 鎳鉻合金絲材。噴涂區(qū)域為：A、B 側墻中間位置，標高20m 至45m，寬約10m，面積500m2。

2011年2 月，#6機組停運檢查發(fā)現(xiàn)兩側墻水冷壁從標高23.0m～38.5m 區(qū)域水冷壁煙氣側出現(xiàn)不同程度的高溫腐蝕。此后幾年每年對兩臺鍋爐水冷壁高溫腐蝕情況進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題不斷蔓延，甚至冷灰斗位置也存在高溫腐蝕現(xiàn)象且存在未燃盡煤粉顆粒及灰分粘附在管壁上。檢查發(fā)現(xiàn)管道壁厚最薄為2.0mm，管壁腐蝕速度約1.2mm/年，每次機組A、B 級檢修更換500～900根壁厚減薄超標的水冷壁管，并在換管后對高溫腐蝕區(qū)域水冷壁管表面進行了防腐噴涂處理，但一直未能從根本上解決左右燃燒器區(qū)域側墻水冷壁高溫腐蝕嚴重的問題，嚴重影響機組安全運行。

2 高溫腐蝕原因分析

經(jīng)過對公司采購煤炭的成分及燃燒調整實驗對水冷壁煙氣成分統(tǒng)計分析，認為公司水冷壁高溫腐蝕主要原因是硫腐蝕，還與腐蝕位置煙氣存在的較高濃度還原性氣氛CO 氣體以及H2S 氣體有關，個別嚴重位置還存在煤粉刷墻現(xiàn)象[1]。

入爐燃煤品質差是造成水冷壁高溫腐蝕的主原因。公司地處不產(chǎn)煤地區(qū)，采購的煤炭品種較多，煤質波動較大，偏離設計煤種，入爐的摻燒煤硫分含量偏高（低硫煤含硫量約0.8%左右；高硫煤含硫量約2～3%）。高硫煤燃燒時產(chǎn)生的大量H2S、SO2、SO3、原子硫[S]，破壞了管壁的Fe2O3保護膜后侵蝕管子表面，使金屬管壁不斷快速減薄，如不及時發(fā)現(xiàn)處理就會造成爆管。在使用揮發(fā)分較低的煤種時，因著火點溫度相對較高、燃燒困難，容易產(chǎn)生不完全燃燒，在金屬壁面附近形成CO 以及H2S 氣體還原性氣氛，增加對管壁的腐蝕性。

表1 改造前檢測#6機組鍋爐水冷壁還原性氣氛（600MW O2=3.1%）

磨煤機分離器調節(jié)性能差。通過公司燃燒調整實驗結果對制粉系統(tǒng)調節(jié)分析，針對神華煤種，推薦值R90在18%，但通過煤粉管道取樣，發(fā)現(xiàn)各別磨煤機煤粉細度實測值R90在26%。較粗的煤粉顆粒質量重、慣性大，在對沖氣流影響下沖刷側墻水冷壁；而且煤粉的顆粒越大也就越不易燃盡，比較容易形成還原性氣氛，產(chǎn)生高溫腐蝕。同時，顆粒越大對壁面的磨損也越嚴重，也會破壞了水冷壁管外氧化保護膜，使煙氣中腐蝕介質直接與管壁金屬發(fā)生反應，加劇腐蝕[2]。

配風方式不合理，為追求低NOx、燃盡風比例過大，現(xiàn)場檢查燃盡風小風門拉桿開度均位于最大值，致使燃盡風占比過高，導致主燃燒區(qū)域缺氧嚴重，煤中的硫由于缺氧生成H2S，此外SO2和SO3也會轉變?yōu)镠2S，從而加劇了水冷壁高溫腐蝕；燃燒器存在缺陷。冷態(tài)檢查燃燒器存在變形，損壞；燃燒器外二次風氣動門不嚴密，導致燃燒器外二次風固定角度改變，最終導致當燃燒器開度一致時每個燃燒器進風量不一致。

燃燒器結構影響。公司采用的是HT-NR3燃燒器，它的外二次風導流筒擴散角較大、約為45°，較大的氣流擴展角易導致氣流飛邊、煤粉刷墻貼壁，從而加劇了水冷壁的高溫腐蝕。F 層燃燒器是等離子點火層，無煤粉濃縮器，燃燒器結構的發(fā)生改變導致輸送煤粉的一次風剛性強、射流長，容易脫離二次風包裹，托底風不足煤粉掉落到冷灰斗。燃燒調整試驗期間，試驗停運F 層燃燒器，其冷灰斗處無煤粉且煙氣氣氛較好。

3 防止水冷壁高溫腐蝕的治理措施

由于公司通過對水冷壁管減薄超過壁厚30%以上的水冷壁管進行換管處理，并對產(chǎn)生腐蝕的水冷壁及相鄰區(qū)域進行防腐噴涂處理，未能從根本上解決水冷壁高溫腐蝕的問題。通過對公司煤質、燃燒情況的分析，結合公司生產(chǎn)經(jīng)營實際，公司對煤炭采購提出了嚴格“控硫分”要求，加強入爐煤粉細度監(jiān)測，對鍋爐進行了貼壁風改造改善側墻燃燒狀況，同時進行燃燒調整[3]。

3.1 嚴格控制采購煤炭的含硫量

公司明確規(guī)定采購煤炭的含硫量不得高于1.2%。

3.2 優(yōu)化制粉系統(tǒng)，嚴格控制入爐煤粉細度

煤粉的粗細程度也會影響到燃燒的情況，如煤粉顆粒較粗燃燒的就不夠完全，難以燃燒的煤粉將會腐蝕或是磨損管壁。由于公司采購煤種不一致，其高硫煤哈氏可磨性系數(shù)108、容易破碎，煤粉細度能夠滿足最佳值R90=13%，神華煤哈氏可磨性系數(shù)59、不易破碎，且前后墻最底層燃燒器對應的F、C磨煤機分離器折項擋板調節(jié)性能差，煤粉細度很難達到最佳值R90=18%，且磨煤機出力越大煤粉細度越難控制，根據(jù)公司實際情況對運行規(guī)程進行明確規(guī)定：如果不是影響機組負荷，給煤機最大給煤量不超過42t/h。制定煤粉細度監(jiān)測制度，定期開展煤粉細度檢測，對不合格的及時調整磨煤機分離器折向擋板，使煤粉細度達到要求標準。

3.3 對F 層和前后墻其他層兩側燃燒器進行改造

對F 層和前后墻其他層兩側燃燒器進行改造，并消除原有燃燒器存在的缺陷，并開展燃燒調整試驗，根據(jù)實驗結果調整燃燒參數(shù)[4]。

對兩側燃燒器進行改造，針對#1、#6 燃燒器將燃燒器外二次風導流筒擴散角從45°改成35°，降低二次風擴散范圍，使一次風與二次風提前混合，強化風包粉，弱化燃燒器區(qū)域還原性氣氛；將F 層燃燒器增加煤粉濃縮器，形成外濃內淡煤粉分布，弱化一次風剛性，減小一次風射流強度，強化風包粉效果。

增大主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)。由于燃盡風的存在，導致鍋爐主燃燒區(qū)域存在缺氧燃燒，其過量空氣系數(shù)一般在0.75～0.9。為減小燃盡風進風量，增大主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)，控制主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)在0.9左右；提高鍋爐整體氧量，根據(jù)燃燒調整實驗結果，580MW 推薦省煤器出口氧量3.0%，480MW 省煤器出口氧量3.5%，370MW 省煤器出口氧量4.6%。

3.4 開展水冷壁貼壁風改造

2019年4 月，#6機組B 修期間對減薄超標水冷壁管道進行了更換、燃燒器區(qū)域水冷壁進行了防腐噴涂處理，尤其是開展了水冷壁貼壁風改造，增加兩側墻氧量，降低兩側墻水冷壁區(qū)域還原性氣氛。設計為改造后鍋爐效率沒有降低，爐膛兩側墻水冷壁近壁區(qū)煙氣中O2濃度大于1%，爐膛兩側墻水冷壁近壁區(qū)煙氣中CO 濃度小于3000ppm，兩側墻水冷壁近壁區(qū)煙氣中H2S 濃度小于100ppm。改造方案如下：

在兩側墻各布置三層貼壁風，每層對應布置四個貼壁風噴口，噴口采用割除水冷壁鰭片與水冷壁讓管形成，能有效覆蓋水冷壁壁面區(qū)域，防止鍋爐水冷壁管的高溫腐蝕。在前后墻布置兩層高速射流貼壁風，與側墻貼壁風相互補充，實現(xiàn)對側墻水冷壁的全覆蓋。新增設的貼壁風噴口位置見圖2；貼壁風系統(tǒng)改造后爐膛出口過量空氣系數(shù)維持原設計值不變，貼壁風風率不大于鍋爐入爐總風量的5%；側墻貼壁風風道經(jīng)側墻的熱二次風箱取風，通過小風道與側墻水冷壁相連接；前后墻貼壁風取自空預器出口熱一次風母管，上層插入側燃盡風層，下層插入第三層燃燒器層[5]。

圖2 貼壁風技術改造方案示意圖

結論：公司在進行媒質優(yōu)化、貼壁風改造和燃燒優(yōu)化調整后，經(jīng)試驗測量，除冷灰斗處、其余位置有較好煙氣氣氛，水冷壁大部分近壁區(qū)煙氣中CO濃度小于3000ppm。2020～2022年連續(xù)三年檢查水冷壁高溫腐蝕情況明顯好轉，沒有發(fā)生大面積水冷壁管減薄超標情況，降低了水冷壁高溫腐蝕速度，進而有效延長水冷壁的使用壽命，提升了機組的可靠性，同時減少水冷壁檢修工作量，降低檢修費用，縮短檢修工期，獲得了良好安全效益的和經(jīng)濟效益。