锅炉高温省煤器出口管超温原因分析及处理措施

2022-04-20王晓明韩元培何志强潘景福葛沛沛

河南化工 2022年3期

王晓明，李琦，韩元培，何志强，刘相，潘景福，葛沛沛

(1.开封龙宇化工有限公司，河南开封 475200 ； 2.河南省聚甲醛基新材料工程技术中心，河南开封 475200 ； 3.鹤壁龙宇新材料有限公司，河南鹤壁 458000)

锅炉在运行中，高温省煤器部位靠近锅炉烟道后侧的省煤器管超温发红，使用便携式远红外测温仪测量其温度520 ℃，相邻管温度320 ℃左右，其他各管道温度175～187 ℃，在正常范围。锅炉面临停炉的窘迫局面。省煤器高温段超温曝管是锅炉运行中的一个常见问题，严重影响了锅炉的安全运行。

1 锅炉概况

本锅炉是太原锅炉集团制造的TG-45/1.27-M型高温分离、低循环倍率循环流化床锅炉，单锅筒、自然循环、∏型结构。省煤器分低温省煤器和高温省煤器两部分，均为卧式支撑，沸腾式。省煤器管径Φ32 mm×3 mm，材质20G。其中高温省煤器受热面积198.9 m2，管子18排。

2 运行情况

2.1 锅炉现场情况

前期锅炉给水溶解氧超标，出现氧腐蚀，造成省煤器弯头，特别是高温省煤器出口弯头处冲蚀穿孔。2018年底，弯头泄漏，对高温省煤器靠近烟道后侧3根省煤器管进行了切断封堵。紧邻封堵管的两根高温省煤器管依次出现520 ℃高温和320 ℃的超温。

2.2 锅炉运行数据

通过查阅事故炉的前期数据，对相近似负荷状态下，与原始开车期间的事故前数据相比，高温省煤器出口烟温升高，温差也由原133 ℃减少至71 ℃左右。

表1 事故前后锅炉参数对比

2.3 锅炉给水参数

对当前给水水质和近一年来给水水质进行确认(见表2)。符合给水指标，给水溶解氧符合指标，管内无结垢现象。

表2 事故前后水质参数对比

2.4 停炉后的内部检查情况

停炉后对锅炉进行检查，发现高温省煤器靠近烟道后侧的3根已封堵的省煤器管被烧蚀蠕变，塌向炉墙前侧。高温省煤器与烟道后墙间距明显增大，平均间距25 cm左右，最大间距已超过30 cm，且上下贯通。通过对省煤器管进行切管确认，管内壁无结垢现象。

3 原因分析

根据停炉检查情况，结合锅炉运行时的现象，可以得出如下结论：前期因省煤器弯头泄漏而进行了切断封堵的3根烟道后侧省煤器管因长期处于高温环境中，产生蠕变，且向前侧倒塌，与烟道竖井后墙间距逐渐拉大且上下贯通，形成明显的烟气走廊[1]。大量的高温烟气使烟气走廊处省煤器内给水特别是高温省煤器处给水处于过沸腾状态，产生“气阻”现象而使高温省煤器管过热。其过程分两个阶段。

3.1 切断封堵的3根烟道后侧产生蠕变而倒塌

20G试验钢在550 ℃时效754.75 h后，试验钢中的珠光体已经出现球化现象，但仍以片状为主。而在550 ℃蠕变后，片状结构消失，珠光体主要为球状，在750 ℃时效0.18 h后，碳化物主要沿铁素晶界呈弥散分布，珠光体与铁素体的边界不明显，在750 ℃蠕变后，沿晶界仍可见少量珠光体组织。试验钢的Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)为722 ℃，在Ac1附近保温过程中，片状碳化物会发生球化。在750 ℃下试验钢会发生奥氏体相变。结合企业锅炉情况可知，该锅炉高温省煤器入口烟温770 ℃，被封堵的省煤器管温度高于发生奥氏体相变温度750 ℃，蠕变长时间积累，造成严重塌缩形变，与烟道后墙之间形成较大间隙。

3.2 烟气走廊使高温省煤器管过热

烟气走廊一般出现在锅炉尾部烟道中，在尾部烟道中，布置的过热器、省煤器等受热面在与尾部烟道墙之间或者其内部间隙不均匀，造成烟气形成短路，直接通过较大间隙间流通。这种导致烟气短路的区域叫做烟气走廊。

当受热面中横向间距不均匀时，个别蛇形管片间或与尾部烟道墙之间有较大的烟气流通截面积，就形成了烟气走廊[2]。烟气走廊阻力小，烟气流速快，加强了对流换热，而且还具有较大的烟气辐射层厚度，也加强了辐射传热。因此，烟气走廊也加大了省煤器管壁超温的可能性[3]。依据省煤器壁温计算模型，省煤器管壁外表面温度高于工质温度，40～50 ℃，波动范围较小，处于安全状态。而根据现场检测结果可以判断，省煤器管壁外表面温度高于工质温度(330 ℃以上)，省煤器管处于非安全状态。

3.2.1烟气对流放热系数的变化

该锅炉原设计省煤器烟气平均流速为8.5m/s，对流放热系数为87 W/(m2·℃) ，现场测得烟气走廊处流速为原设计平均流速的2倍(17m/s)。根据省煤器烟气对流放热系数的公式计算，烟气走廊处的对流放热系数138.5 W/(m2·℃)，比原设计提高59%。

3.2.2烟气辐射放热系数的变化

锅炉原设计辐射放热系数5.6 W/(m2·℃)。由于该锅炉烟气走廊处烟温的增高，烟气平均温度956 ℃，加之烟气走廊处飞灰浓度的增加，使烟气中灰粒辐射加大，烟气走廊处的辐射放热系数大幅度增加。据计算烟气走廊处的辐射放热系数为13.5 W/(m2·℃)，比原设计提高141%。

3.2.3省煤器受热面污染系数的变化

该锅炉省煤器受热面污染系数原设计烟气流速为8.5 m/s时，根据锅炉热力计算标准中的计算图查得污染系数为0.004 6 (m2·℃)/W。烟气走廊处由于高速含灰烟气的冲刷，使受热面污染程度降低。烟气流速为17 m/s时，从计算图中查得受热面污染系数0.003 (m·℃)/W，比原设计降低34.8%，由于污染系数的降低，将增强烟气的传热过程。

3.2.4烟气传热系数的变化

影响烟气对省煤器的传热系数主要因素是对流放热系数、辐射放热系数以及受热面的污染系数。该锅炉原热力计算传热系数67.4 W/(m2·℃)，烟气走廊处的传热系数为104.3 W/(m2·℃)，比原设计值提高54.7%。

3.2.5省煤器出口水焓的变化

该省煤器原设计出口水焓为1 371.1 kJ/kg，但由于整个烟气走廊处传热系数的大幅度提高，根据新得出的K值计算烟气走廊附近的1～2排的省煤器蛇形管的出口水焓为1 652.9 kJ/kg，提高20.6%。

3.2.6省煤器管内工质沸腾度的变化

该锅炉省煤器为沸腾式省煤器，设计沸腾度在10%～20%，设计极限值为25%。如沸腾度太高，因为流体容积和速度的增大会使流体阻力急剧增加，工质的质量流量大幅度下降，使管壁得不到足够冷却，造成省煤器管超温。该锅炉原设计沸腾度为15.5%，比原设计值提高108%，已超过设计的极限值，使流动阻力加大，发生汽塞和汽水分层现象。由于烟气走廊处高温炉墙的辐射使邻近烟气走廊处蛇形管出口焓大幅度增加，使高温区蛇形管内工质的沸腾度大幅度提高，使蛇形管内工质全部蒸发成蒸汽，传热恶化，管壁温度上升。

3.2.7烟气走廊区炉墙及封堵管辐射传热系数的变化

烟气走廊处省煤器进口烟温增加，使烟气走廊处一侧炉墙温度逐步增高，由于辐射传热与温度的四次方成正比，烟气走廊处辐射传热系统发挥作用，使管内沸腾度接近或到达100%。管内工质由双相流变为单相流，甚至由饱和蒸汽变为过热蒸汽，使传热进一步恶化造成省煤器急剧升温。烟气走廊处已封堵事故管子在锅炉运行时处于干烧状态，管壁温度接近烟气温度。烧红的事故管子，加入烟气走廊辐射传热系统，直接辐射邻近的蛇形管，在不长时间内又使邻近的蛇形管爆破。如果处理不当，会连续按远近顺序加快超温爆管事故的发生，形成一个逐步扩大的超温区。

4 应对措施

在不停炉的情况下，应降低锅炉负荷，调整一、二次风量等锅炉工况，降低烟气温度，减轻锅炉负荷，防止省煤器内工质沸腾度大于极限沸腾度。对锅炉燃煤工况重新核定、调整，消除偏烧、偏磨现象。对超温管道进行确认，如已发生热蠕变就予以更换。对超温部分省煤器管采用耐高温不锈钢防磨瓦卷板，制作隔热措施，减少吸热，使之恢复到正常沸腾度范围内，同时减少烟气走廊处省煤器管的磨损。对受热面管排之间的间隙进行调整，对间隙过大部分使用管卡或抱箍进行固定调整。增加温度测点，加强对高温省煤器处的温度监控。