胡 剛 汪瑞平 高延利

（陜西能源麟北發(fā)電有限公司）

0 引言

某電廠鍋爐是由東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)制造的350MW 超臨界循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐型號(hào)為DG1121／25.73-Ⅱ1型。鍋爐采用單布風(fēng)板、單爐膛、M型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、循環(huán)流化床燃燒方式。為避免爐膛內(nèi)高濃度煙灰的磨損，水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，爐膛四周水冷壁采用光管，中隔墻水冷壁采用內(nèi)螺紋管。爐膛內(nèi)前墻布置12片中溫過熱器管屏、12片高溫過熱器管屏、8片（16小片）高溫再熱器管屏，前墻布置了3片中隔墻水冷壁。管屏采用膜式壁結(jié)構(gòu)，垂直布置，在下部轉(zhuǎn)彎段、密相區(qū)及穿墻處的受熱面管子上均敷設(shè)有耐磨材料，防止受熱面管子的磨損。

1 水冷壁磨損的機(jī)理及影響因素

通過對(duì)同類型鍋爐的調(diào)研，超臨界循環(huán)流化床鍋爐由于鍋爐內(nèi)煙氣流速高、顆粒濃度大，燃用高灰分的劣質(zhì)煤種，加上局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)或安裝達(dá)不到要求造成受熱面的磨損，成為導(dǎo)致循環(huán)流化床鍋爐長期連續(xù)運(yùn)行不暢的主要原因［1］。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐來講，其磨損主要表現(xiàn)為物料磨損，物料磨損是指各種物料的顆?；蛲刮镌谂c零件表面相互接觸時(shí)，使表面材料發(fā)生損耗的現(xiàn)象，是由于硬顆?；蛲刮镒饔枚斐晌锪限D(zhuǎn)移所致［2-3］。通過對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行分析，歸納得出其受熱面典型磨損原因，詳見表1［4-6］。

表1 鍋爐受熱面典型磨損原因分析

1.1 原因分析

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損機(jī)理與煤粉爐有很大的不同，一方面大量煙氣和固體顆粒在上升過程中對(duì)水冷壁管進(jìn)行沖刷；另一方面由于內(nèi)循環(huán)的作用，大量固體顆粒沿爐膛四壁重新回落，對(duì)水冷壁管進(jìn)行劇烈沖刷。特別是在水冷壁管和耐火材料層過渡區(qū)的凸起部位，因沒有上行氣流，沿水冷壁管下來的固體顆粒形成渦流，對(duì)局部水冷管壁起到一種刨削作用，即切削磨損。

1.2 影響水冷壁磨損的主要因素

（1）煙氣流速的影響：煙氣流速越高磨損越嚴(yán)重，磨損量與煙氣流速的三次方成正比。一次風(fēng)量越大，磨損量越大。另外二次風(fēng)量越大，對(duì)爐內(nèi)燃燒的擾動(dòng)越劇烈，水冷壁磨損量也越大。

（2）物料濃度的影響：爐膛內(nèi)物料濃度越大，水冷壁磨損量越大。循環(huán)流化床鍋爐由于其特定的燃燒方式，爐內(nèi)的固體物料密度為煤粉爐的幾十倍到百倍不等。物料濃度越大，對(duì)管壁的撞擊和沖刷越強(qiáng)烈，磨損量也就越大。

（3）燃料性質(zhì)的影響：循環(huán)流化床鍋爐在摻燒煤矸石或其他高硬度燃料時(shí)，燃料顆粒硬度越大、粒徑越大，對(duì)水冷壁管的切削作用越強(qiáng)烈，磨損量越大。

（4）安裝及檢修質(zhì)量的影響：鍋爐安裝及檢修質(zhì)量不好，例如，受熱面鰭片沒有滿焊，大量顆粒外漏，造成對(duì)水冷壁管側(cè)面的磨損，或管屏表面留下大量焊接后的凸起部位，形成顆粒渦流加劇磨損。

（5）澆注料設(shè)計(jì)及施工的影響：循環(huán)流化床鍋爐的穿墻處、二次風(fēng)口都設(shè)計(jì)有澆注料，澆注料設(shè)計(jì)不合理施工不規(guī)范，都會(huì)形成凸臺(tái)，當(dāng)物料撞擊凸臺(tái)時(shí)形成撞擊和沖刷，造成澆注料附近水冷壁管磨損。

2 水冷壁熔敷技術(shù)的工程應(yīng)用

在本項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，就已經(jīng)意識(shí)到循環(huán)流化床鍋爐的磨損問題，通過大量的調(diào)研及工程實(shí)例考察，最終確定在鍋爐密相區(qū)澆注料以上3m、爐膛四角及爐膛出口至旋風(fēng)分離器入口處采用熔敷防磨技術(shù)。

2.1 等離子弧熔滴熔敷的技術(shù)特點(diǎn)

熔敷防磨技術(shù)是利用熔敷熱源將具有一定性能的材料熔敷在基體（工件）表面上，形成冶金結(jié)合的一種熔敷工藝過程。等離子熔滴熔敷技術(shù)是基于等離子體原理，以被熔敷工件為陽極，以金屬熔絲為陰極，利用陽極和陰極之間產(chǎn)生的等離子弧作為熱源，將金屬熔絲熔化，產(chǎn)生金屬熔滴，再通過智能機(jī)械誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)（熔敷機(jī)器人）的甩滴功能將熔融的金屬熔滴甩附在工件上。熔敷后的水冷壁管如圖1所示。

圖1 熔敷后的水冷壁管

2.2 水冷壁熔敷的范圍

（1）爐膛下部水冷壁與耐火澆注料交界處19.126～22.125m區(qū)域；

（2）爐膛四角未敷設(shè)澆注料區(qū)域水冷壁，以邊角為基準(zhǔn)向兩邊各延伸200mm；

（3）爐膛旋風(fēng)分離器入口處澆注料四周1m區(qū)域內(nèi)的水冷壁；

（4）每臺(tái)鍋爐爐膛受熱面熔覆展開面積約566㎡（熔滴熔敷結(jié)算面積以現(xiàn)場測量為準(zhǔn)）。

2.3 熔敷應(yīng)用效果

2018年基建安裝期對(duì)兩臺(tái)鍋爐實(shí)施了等離子熔敷防磨，熔敷層厚度1.5～2mm，熔敷層硬度HRC50±5。2020年4月兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行一年后第一次C級(jí)檢修，對(duì)鍋爐水冷壁進(jìn)行全面檢查，等離子熔敷防磨效果明顯，熔敷區(qū)域基本沒有磨損痕跡。2021年至今，在每年機(jī)組等級(jí)檢修時(shí)對(duì)水冷壁進(jìn)行一次全面檢查，熔敷后的水冷壁區(qū)域得到了有效防護(hù)，防磨效果明顯，提高了鍋爐水冷壁的抗磨能力，為機(jī)組長期安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力保障，檢查圖片如圖2所示。河北某電廠2臺(tái)490t／h循環(huán)流化床鍋爐在采用等離子熔滴熔敷后，對(duì)鍋爐原磨損嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行檢查，沒有明顯磨損跡象，施工時(shí)的凹凸面基本保持完整。山西某電廠2臺(tái)350MW 循環(huán)流化床鍋爐在水冷壁磨損嚴(yán)重位置采用等離子熔滴熔敷技術(shù)，防磨效果顯著，提高了鍋爐水冷壁的抗磨能力。廣東某電廠2臺(tái)350MW 超臨界循環(huán)流化床鍋爐在2018年投產(chǎn)前在易磨損位置采用等離子熔敷防磨技術(shù)，2021年又在原熔敷基礎(chǔ)上擴(kuò)大了熔敷防磨面積，熔敷位置防磨效果顯著，既耐磨又不影響鍋爐熱效率，保障了鍋爐長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 水冷壁照片

3 格柵防磨技術(shù)在本工程的應(yīng)用

3.1 水冷壁局部磨損情況

2021年3月，1號(hào)鍋爐因后墻水冷壁與后墻雙面水冷交匯處磨損泄漏而停爐兩次。兩次對(duì)泄漏區(qū)域進(jìn)行檢查，泄漏點(diǎn)均在雙面水冷壁與后墻水冷壁交匯處（標(biāo)高21.6m），而且泄漏點(diǎn)位于熔敷區(qū)域內(nèi)。針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)兩次泄漏情況進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)后墻水冷壁與雙面水冷壁呈90°布置，該區(qū)域物料濃度高，存在貼壁流現(xiàn)象，屬于易磨損區(qū)域。雖然在工程期間已對(duì)該區(qū)域后墻水冷壁進(jìn)行熔敷防磨處理，對(duì)雙面水冷壁進(jìn)行澆筑防磨處理，但是高濃度物料順著雙面水冷壁向下流動(dòng)，在雙面水冷壁澆注料的凸臺(tái)處產(chǎn)生撞擊，流動(dòng)方向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)向后墻水冷壁，同時(shí)在該區(qū)域產(chǎn)生局部渦流，對(duì)后墻水冷壁沖刷磨損，造成后墻水冷壁爆管。經(jīng)過對(duì)鍋爐密相區(qū)現(xiàn)場磨損進(jìn)行分析及對(duì)同類型機(jī)組展開調(diào)研，決定在鍋爐密相和稀相過渡區(qū)域，采取格柵防磨方案?，F(xiàn)場磨損情況如圖3所示。

圖3 1號(hào)鍋爐現(xiàn)場檢查圖片

3.2 格柵防磨原理

在爐膛受熱面沿水平方向和垂直方向裝設(shè)鑄造合金材料格柵板，形成格柵防磨網(wǎng)，疏導(dǎo)爐內(nèi)物料內(nèi)循環(huán)，優(yōu)化水冷壁表面流場，降低氣固兩相流沖刷水冷壁縱向和橫向的終端速度。極大地減小物料顆粒與水冷壁的摩擦力和碰撞的切削力，從而大幅降低氣固兩相流對(duì)水冷壁的磨損。格柵防磨原理及實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 格柵防磨原理及實(shí)物圖

3.3 格柵防磨的傳熱分析

格柵由單一的合金防磨板焊接后組成，因此對(duì)于防磨格柵的傳熱研究可以先考慮一片合金防磨板與爐膛間的換熱。在爐膛傳熱的過程中，由于合金防磨板焊接在水冷壁管的鰭片上，且其本身能起到降低煙氣流速的作用，因此單一合金防磨板與爐膛間的傳熱過程可以近似看做合金防磨板的輻射換熱。從實(shí)際上看，爐膛的整體尺寸遠(yuǎn)大于合金防磨板，所以滿足簡化模型的條件，一個(gè)表面積為A1、表面溫度為T1、發(fā)射率為ε1的物體被包圍在一個(gè)很大的表面溫度為T2的空腔內(nèi)，此時(shí)根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，可得該物體的輻射換熱量為：

式中，Φ為熱流量；ε1為合金防磨板的發(fā)射率；A1為合金防磨板的表面積；σ為斯特藩-玻爾茲曼常量，其值為5.67×10－8W／（m2·K4）；T1為合金防磨板表面溫度；T2為煙氣平均溫度。

合金防磨板的發(fā)射率近似取0.25，表面溫度近似水冷壁管壁溫，取外表面平均溫度450℃，煙氣平均溫度取900℃，由公式可得，單位面積的合金防磨板Φ＝22963W。

與傳統(tǒng)方法使用防磨梁及耐火澆注料相比，將該區(qū)域覆蓋的耐火澆注料改為防磨格柵后均可提升爐膛傳熱，不會(huì)影響蒸汽溫度及鍋爐出力，使用格柵防磨后，爐膛內(nèi)換熱得到一定程度的優(yōu)化。

3.4 各種防磨技術(shù)的對(duì)比

目前循環(huán)流化床鍋爐防磨方案對(duì)比見表2。

表2 循環(huán)流化床鍋爐防磨方案對(duì)比

3.5 格柵防磨應(yīng)用效果

格柵防磨技術(shù)適用于爐膛中不同高度不同部位的水冷壁防磨，尤其是對(duì)爐膛密相區(qū)、爐膛出口周邊、爐膛四角、水冷壁凹凸不平處等局部磨損重災(zāi)區(qū)域的防磨效果較為明顯，杜絕了因鍋爐水冷壁局部磨損而導(dǎo)致的泄漏、爆管事故。國內(nèi)大量350MW 超臨界循環(huán)流化床鍋爐也將金屬格柵作為主要防磨技術(shù)。陜西某480t／h循環(huán)流化床鍋爐安裝金屬格柵后，每個(gè)檢修周期內(nèi)實(shí)測磨損量僅為0.1mm；廣西某廠3臺(tái)350MW 循環(huán)流化床鍋爐在水冷壁標(biāo)高21.6m以上的整個(gè)爐膛安裝金屬格柵，安裝區(qū)域內(nèi)水冷壁管防護(hù)良好，未見磨損；河北某300MW 循環(huán)流化床鍋爐在將水冷壁上部爐膛防磨梁改裝成金屬格柵后，防磨效果良好且鍋爐帶負(fù)荷能力有所提升。

4 結(jié)束語

隨著循環(huán)流化床鍋爐參數(shù)的提高，煙氣流速的增加，加上爐內(nèi)屏式雙面水冷壁的面積的增加，超臨界循環(huán)流化床鍋爐的磨損問題非常突出。本工程在建設(shè)期間采取熔敷防磨技術(shù)，增加了熔敷區(qū)受熱面硬度，熔敷后的水冷壁區(qū)域得到了有效防護(hù)，提高了鍋爐水冷壁的抗磨能力。針對(duì)流化床鍋爐的局部磨損問題，本工程采用防磨格柵技術(shù)，降低煙氣在水冷壁管表面的流速和物料濃度，從而降低對(duì)水冷壁的磨損，取得了良好的效果。熔敷技術(shù)和防磨格柵技術(shù)為循環(huán)流化床機(jī)組長期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障，可為同類型機(jī)組的防磨改造提供參考。