1000MW锅炉侧墙水冷壁防止高温腐蚀解决方案研究

2016-03-14魏道君

综合智慧能源 2016年2期

关键词：侧墙水冷壁氧量

魏道君

（华电莱州发电有限公司，山东莱州 261441）

1000MW锅炉侧墙水冷壁防止高温腐蚀解决方案研究

魏道君

（华电莱州发电有限公司，山东莱州 261441）

分析了华电莱州发电有限公司＃2锅炉水冷壁侧墙高温腐蚀的情况及生成原理，提出了在各燃烧器层两侧增加侧壁风，以削弱和预防侧墙水冷壁还原性气氛的生成，进而达到防止水冷壁侧墙高温腐蚀的目的。改造后进行了侧壁风门开度试验，根据试验结果确定不同负荷下侧壁调门开度，并总结了该方案的优点及注意事项。

低氮燃烧器；水冷壁；高温腐蚀；还原性气氛；侧壁风；热一次风；负荷

1 问题的提出

华电莱州发电有限公司一期工程2×1 000MW超超临界机组为DG3000／26.15－Ⅱ1型锅炉，为高效超超临界参数变压直流炉，采用单炉膛、一次中间再热、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。制粉系统为正压直吹式，配6台中速辊式磨煤机。锅炉燃烧方式为旋流对冲，燃烧器为HT－NR3型旋流燃烧器（又称低氮燃烧器）。

2013年＃2机组大修防磨防爆检查中发现，在锅炉左、右侧墙水冷壁高温区存在高温腐蚀现象［1］，腐蚀深度最高达1.2mm，腐蚀区域（灰色部分）如图1所示。

图1 水冷壁高温腐蚀示意

经分析，水冷壁高温腐蚀的主要原因为燃烧器区域存在还原性气氛。

还原性气氛造成高温腐蚀的原理为：在还原性气氛中，由于缺氧，使炉膛壁面处于含有还原性气体（CO，H2）和腐蚀性气体（H2S）的烟气中，煤质中含有的FeS2受热分解出S，没有完全燃烧的游离S和SOx与金属管壁发生反应，引起管壁高温腐蚀，如S在高温下与Fe发生反应，生成FeS［2－3］；FeS缓慢氧化生成含磁性的Fe3O4，对金属进行腐蚀。其反应式为［4］

研究表明，烟气中CO质量浓度越大，高温腐蚀就越严重；H2S的体积分数大于0.01%时，烟气会对钢材产生强烈的腐蚀作用；当O2体积分数大于2%时，基本上不会发生高温腐蚀。

2 解决方案

在侧墙水冷壁区域增加侧壁风，侧壁风风源取自空气预热器（以下简称空预器）出口热一次风，目的是通过较高的风压、风速保证侧壁风的刚性，使其顺利到达腐蚀区域。

侧壁风改造如图2所示。在锅炉前、后墙水冷壁标高21.50，27.50，33.00m，距离侧壁0.85m的位置对称开设12个ø0.33m的人孔（每层2个，共3层，单侧6个）。为检测炉内燃烧情况，做好数据分析，在侧壁鳍片上开设取样检查孔30个，每侧15个，分3层布置，作为侧墙水冷壁附近烟气分析取样孔。

从热一次风空预器出口（标高27m）引出2根DN 800mm管道（ø820mm×4mm，Q235B钢），从锅炉两侧引至炉前。在锅炉前、后设置2根联络管以便平衡风量（投运后发现，在热一次风停止对侧壁风供风后，联络管因炉膛内左、右侧墙负压而存在烟气压差，进而形成环形旁路，造成管道积粉，在高温烟气作用下着火烧损坏风管，后在联络管内加装堵板），在2根主管道上各设置1个气动调节蝶阀。

图2 侧壁风示意

炉膛前、后墙的侧壁风从联络管引出，在锅炉四角分别引出3路支管，分别接至之前炉墙开设的12个人孔，在各支管上分别设置1个手动碟阀。

3 锅炉运行后的侧壁风门开度试验

3.1 试验目的

在保证有效降低炉膛水冷壁侧墙高温腐蚀的前提下，尽量降低一次风机电耗和对炉膛燃烧气氛的干扰程度。

3.2 参考数据及测量方法

在上、中、下3层燃烧器层的斜下方左、右侧墙水冷壁处布置3组测量孔，每组5个，由于高温腐蚀现象出现在燃烧器对应的中上层侧墙，故主要针对中上层中间测量孔进行测量。试验中，因测得的CO质量浓度均大于10 000mg／m3，所以以下数据以O2的体积分数来判断侧壁风对高温腐蚀的预防效果。

3.3 测量中各侧壁风支管分门的开度

顶层侧壁风支管分门开度为10%，中间层侧壁风支管分门开度为50%，底层侧壁风支管分门全开。

3.4 测量数据

（1）满负荷下左墙A3孔（炉膛27.5m层左侧墙中间的测量孔）氧量统计见表1，因A3孔处于前、后墙侧壁风保护的末端（高温腐蚀区域的中间位置），若此区域氧量充足，则其他区域更能满足侧壁风的氧量保护调节条件。试验阶段省煤器出口A，B侧O2的体积分数均值分别为2.721%，1.643%。

表1 满负荷时左墙A3孔氧量试验（2015年5月18日）

从表1可以看出，满负荷条件下，一次风压为8 kPa左右，侧壁风调门开度在20%以上时，左墙中间层O2的体积分数随风门开度变化明显。

（2）满负荷下右墙A3孔（炉膛27.5m层右侧墙中间的测量孔）氧量统计见表2。试验阶段省煤器出口A，B侧O2的体积分数均值分别为2.266%，2.123%。

从表2可以看出，在满负荷条件下，一次风压为7.2 kPa，侧壁风调门开度在30%以上时，右墙中间层O2的体积分数随风门开度变化明显，一次风压的大小直接影响高温腐蚀区的氧量。

（3）负荷在900MW以上时，将侧壁风支管分门底层全开，中间层右侧全开，左侧50%开度，左墙B3孔（33m层左侧墙中间的测量孔）氧量统计见表3，左墙A3孔氧量统计见表4。试验阶段省煤器出口A，B侧O2的体积分数均值分别为2.619%，2.098%。

从表3和表4可以看出：

1）侧壁风调门开度在30%以上时，侧壁风对中间层侧墙的氧量影响明显，对右墙影响不如左墙明显，但氧量产生明显变化时，侧壁风调门开度值基本一致；通过进一步试验测量，将侧壁风支管中间层右侧风门全开，左侧风门开度为50%，侧壁风对右墙氧量影响仍不大，故运行方式维持侧壁风支管分门底层全开，中间层50%开度，顶层10%开度。

2）试验时，将测点位置由中间层燃烧器（A层）改到上层燃烧器（B层），侧壁风产生影响的调门开度增大10%，即侧壁风门开度为40%时氧量变化明显。

3）其他负荷段的试验可根据左墙B侧中间孔的氧量值来判断侧壁风的影响。测量期间保持侧壁风支管分门底层全开，中间层50%开度，顶层10%开度。

（4）满负荷时右墙B3孔（炉膛33m层右侧墙中间的测量孔）氧量统计见表5，右墙A3孔（炉膛27.5m层右侧墙中间的测量孔）氧量统计见表6，试验阶段省煤器出口A，B侧O2的体积分数均值分别为2.359%，2.005%。

表2 满负荷时右墙A3孔氧量试验（2015年5月19日）

表3 负荷900MW以上时左墙B3孔氧量试验（2015年5月20日）

从表5和表6可以看出：在满负荷条件下，一次风压8.5 kPa时，侧壁风调门开度在35%以上时，右墙中间层氧量随调门开度变化明显。

（5）800MW负荷下右墙B3孔（炉膛33m层右侧墙中间的测量孔）氧量统计见表7，800MW负荷下左墙B3孔（炉膛33m层左侧墙中间的测量孔）氧量统计见表8，试验阶段省煤器出口A，B侧O2的体积分数均值分别为3.188%，2.957%。

从表7和表8可以看出，负荷800MW，一次风压7.5 kPa，侧壁风调门开度在20%以上时，左墙中间层氧量测点随侧壁风调门变化明显。

表4 负荷900MW以上时左墙A3孔氧量试验（2015年5月20日）

表5 满负荷时右墙B3孔氧量试验（2015年6月17日）

表6 满负荷时右墙A3孔氧量试验（2015年6月17日）

4 试验后确定的运行方式［5］

侧壁风进入炉膛后，从前、后墙到炉膛中间位存在几何式的衰减，通过试验测量比对可知，若中间测点O2的体积分数有0.2%～1.0%的波动，则靠近侧壁风口处氧的体积分数就已达到2%以上的波动。综合考虑测量数据、实际机组运行中一次风压、负荷、燃烧影响程度、节能及防高温腐蚀能力等因素，最终得出以下运行方式。

（1）侧壁风支管分门保持底层全开，中间层开度50%，顶层开度10%。

（2）负荷800MW以下时，保持A，B侧侧壁风调门开度10%。

（3）负荷800MW时，保持A，B侧侧壁风调门开度15%。

（4）负荷850MW时，保持A，B侧侧壁风调门开度20%。

（5）负荷900MW时，保持A，B侧侧壁风调门开度25%。

（6）负荷950MW及以上，保持A，B侧侧壁风调门开度30%。

表7 800MW负荷下右墙B3孔氧量试验（2015年6月29日）

表8 800MW负荷下左墙B3孔氧量试验（2015年6月29日）

5 该方案优点及其他不确定因素

（1）侧壁风风源原设计取自各层二次风箱，因目前送风机设计裕量较小，送风机快速减负荷（RB）时二次风量不足，风箱风压低，影响锅炉燃烧。将侧壁风风源改至热一次风后，可有效减少热二次风消耗量。

（2）侧壁风母管调门具有可调节和快开／快关功能，有效解决非一次风机50%RB时跳磨造成的一次风压突升问题，避免RB过程初期磨煤机出口一次风速过高，着火延迟，影响燃烧稳定。其中A，B侧热一次风至侧壁风气动调节门具体DCS逻辑实现为：送风机和引风机RB时，A，B侧热一次风至侧壁风气动调节门全开；A，B侧一次风机任一风机跳闸时联关A侧和B侧热一次风至侧壁风气动调节门。

（3）此方案存在不确定因素：侧壁风母管风压8 kPa时，全开侧壁风调门、手动门，风量约为150 t／h（侧壁风调门按规定开度10%～30%运行时，风量为35～60 t／h）。此风进入炉膛属于无组织风源，参与燃烧的比例具有不确定性，投入后省煤器出口氧量，特别是边侧氧量可提高0.5%左右，存在虚高的现象，因此应注意飞灰中碳的质量分数的变化。