基于燃烧试验的水冷壁高温腐蚀诱因分析

2018-12-20陈石凌付金龙董光明朱伟雄

设备管理与维修 2018年23期

郭光，陈石凌，付金龙，董光明，朱伟雄

（杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州 310015）

0 引言

某电厂4#锅炉为SG-420/140-M415型煤粉直流燃烧锅炉，1984年投产。运行3 a后发生首次水冷壁爆管故障，爆管位置位于北墙水冷壁，半个月后，北墙水冷壁第二次爆管，南墙水冷壁也发生爆管。更换水冷壁后恢复正常。运行12 a后西墙出现第一次爆管，之后又开始换至东墙。至今已多次发生爆管现象，每次小修时都要更换大量水冷壁，检修工作量大，影响锅炉运行的经济性和安全性。

爆管的水冷壁管均由高温腐蚀引起，高温腐蚀的水平位置都在一次风火焰的向火侧，垂直位置在燃烧器下两层一次风偏上位置。

为从根本上解决高温腐蚀问题并达到锅炉低负荷稳燃的要求，对燃烧器及其燃烧系统进行改造。为了解4#炉存在的问题，提出合理的改造方案，配合某大学燃料利用研究所对4#炉进行热态试验，同时为便于比较，对5#炉进行对比试验。

1 4#锅炉主要参数

（1）锅炉设计参数。额定出力420 t/h，过热器出口蒸汽压力13.72 MPa，过热蒸汽温度540℃，再热蒸汽流量350 t/h，给水温度240℃，再热蒸汽进口压力2.5 MPa，再热器出口蒸汽压力2.4 MPa，热风温度345℃，冷风温度20℃，排烟温度135℃，锅炉设计效率91.06%。

（2）燃料特性。碳含量54.62%，氢含量3.38%，氧含量5.64%，氮含量1.1% ，硫含量0.45%，灰分27.81% ，全水分含量7%，干燥无灰基挥发分21%，低位热值20 930 kJ/kg。

（3）燃烧器特性。燃烧器为直流式4角布置，下两层一次风集中布置。从下到上喷口布置分别为二、一、一、二、一、二、二、三次风（图1），3层一次风喷口都设计有周界风（平时运行基本不开周界风）。4角燃烧器为双切圆布置，1#，3#角燃烧器假想切圆直径200 mm，2#，4#角燃烧器假想切圆直径800 mm（图2）。

图1 燃烧器喷口布置

2 试验结果及分析

2.1 4#炉和5#炉对比试验

某电厂5#炉与4#炉为同型号锅炉，但5#炉基本没有高温腐蚀。5#炉与4#炉的主要区别：①采用了上下布置的浓淡燃烧器；②锅炉运行中开周界风；③中下二次风正偏17°。

图2 4角切圆示意

为深入了解4#炉高温腐蚀的原因，为改造提供依据，在各种不同的工况，对5#炉在相对4#炉发生高温腐蚀同样的位置（上一次风燃烧器向火侧）进行测量（表1），锅炉运行工况为负荷125 MW，双磨运行，开周界风。4#炉上、下一次风燃烧器区域水冷壁附近烟气分析见表2，运行工况为锅炉负荷125 MW，双磨运行，关周界风。

分析表1、表2数据可知，水冷壁附近还原性气氛很强是水冷壁高温腐蚀的主要原因。5#炉2个燃烧器背火侧的O2达到10%以上，2个燃烧器向火侧的O2也达6%以上，同时H2S在背火侧和向火侧都只有（1～2）mg/m3，因此基本不会产生高温腐蚀。而4#炉燃烧器背火侧O2达15.8%，H2S为9.06 mg/m3，因此也不会发生高温腐蚀，但在燃烧器向火侧O2只有0.9%，H2S达65.45 mg/m3，同时CO高达3.9×10-2，强烈的还原性气氛生成了水冷壁管高温腐蚀的条件。4#炉和5#炉在燃烧器附近测出的温度比较接近并且在正常范围，说明炉温对高温腐蚀的影响不大。

表1 5＃炉上一次风燃烧器区域水冷壁附近烟气分析

表2 4＃炉上、下一次风燃烧器区域水冷壁附近烟气分析

4#炉的烟气分析数据（表2）显示，在上层1#，3#角燃烧器的背火侧氧量较大（分别为17.6%和15.8%），CO2和H2S含量都很低，而燃烧器向火侧氧量非常小（上层为0.3%和0.8%，下层为1.36%和 4.57%），同时 CO 浓度很高（2#角高达 5.5×10-2，4#角高达4.8×10-2，存在很强的还原性气氛，同样是向火侧，2#角的H2S含量（21.24 mg/m3）远大于 4#角（0.57 mg/m3）,在实际运行中 2#角的高温腐蚀也大于4#角。因此，不仅CO等还原性气氛生成了水冷壁高温腐蚀的条件，其中H2S含量影响高温腐蚀的速度。对4#角下层一次风燃烧器向火侧烟气分析表明，下层燃烧器向火侧虽然氧量很低、CO很高，但H2S含量不高，因此4#角下层燃烧器向火侧水冷壁高温腐蚀不严重。

2.2 制粉系统启停对炉内气氛的影响

表3为5#炉2#角向火侧（上排一次风）试验数据，试验中保持炉膛出口氧量基本不变。表4为4#炉4#角向火侧（上排一次风）试验数据。由于测量仪器CO量程只有2×10-3，因此试验中超过2×10-3时测不到具体数值。

试验结果表明，制粉系统的启、停对炉内气氛有一定影响，但影响不大。其原因是虽然停磨后三次风量要由二次风加大风量代替，然而原来三次风中的煤粉量也要由一次风加大给粉量来补充。因此，燃烧的氧量变化不大。5#炉停磨后O2增加2.4%，CO下降3×10-4，4#炉停磨后O2增加1.3%，CO的变化受仪表量程限制没有测出。

2.3 周界风对炉内气氛的影响

表5为4＃炉4＃角向火侧（下排一次风）试验数据，表6为5＃炉2＃角向火侧（上排一次风）试验数据。测量结果显示，周界风的开、关对炉内气氛有一定的影响。如4＃炉开周界风后在测点处O2增加2.5%，5＃炉关周界风后测点处O2减少2.6%，说明高负荷运行时开周界风有利于减弱水冷壁附近还原性气氛，减轻水冷壁高温腐蚀。

表3 5#炉的2#角向火侧（上排一次风）试验数据

表4 4#炉4#角向火侧（上排一次风）试验数据

表5 4#炉4#角向火侧（下排一次风）试验数据

表6 5#炉2#角向火侧（上排一次风）试验数据

2.4 一次风率、二次风率、三次风率分析

根据锅炉效率和入炉煤煤质分析以及炉膛过剩空气系数，计算出锅炉给煤量68.69 t/h，取炉膛漏风系数为5%，得出4#炉在额定负荷时总风量为426 235.7 m3/h，实际运行测出的一次风率r1=22.56%，二次风率r2=57.43%，三次风率r3=20.32%。风量分配与原设计参数相差不大，（原设计r1=23.58% r2=60.92%r3=15.5%）。三次风量略大，燃用煤种基本合理。