超临界循环流化床锅炉氧化皮清理的实践研究

李 鹏

(江苏省能源投资有限公司，江苏 徐州 221000)

0 引言

截至2021年底，全国已有50多台超临界循环流化床锅炉机组投产，其中部分锅炉在启动初期就出现了过热器超温现象，导致机组被迫停运。由于流化床锅炉的过热器以挂屏形式布置在锅炉炉膛上部，为了防止受热面磨损，一般在过热器管屏外面焊接销钉并敷设耐磨浇注料。当过热器管屏出现超温后，无法像煤粉锅炉一样，采用射线或者磁性检测方法判断氧化皮的堆积量及位置，只能通过壁温异常判断大致区域，再通过割管及内窥镜进行检测。另外，由于耐磨浇注料硬度较高，若采用常规的局部割管的方式清理，工作量巨大且检修工期长，这也是业界关注的难题。对此，研究提出了一种基于闭式管道冲洗的氧化皮清理方法，该方法利用锅炉系统原有设备，不需要对过热器管道进行设计修改，可在保证安全的前提下获得很好的清理效果。

1 氧化皮堆积部位

超临界循环流化床锅炉的高温过热器管材为SA-213TP347H奥氏体不锈钢，其粗晶结构在高温水蒸气环境下极易产生氧化皮。高温过热器布置在炉内，呈L型挂屏形式，从锅炉前墙及顶棚穿出，上部配有集箱，通过弹簧吊架固定在大板梁上。

氧化皮的大面积剥落多发生在启停炉阶段，在垂直管中产生的氧化皮剥落后，在管屏中下落沉积，到达L型弯头处后，大量质量较重、尺寸较大的氧化皮沉积到弯头区域；一部分较小的氧化皮顺着管子继续向着集箱移动，并在集箱外让管弯头处沉积，由疏水携带进入集箱。沉积在弯头处的氧化皮逐渐形成类似“鸟巢”的结构，并将较小的氧化皮捕获，逐渐形成较为稳固的结构造成管道堵塞，导致管内蒸汽流量降低而管壁超温，从而进一步加快氧化皮的生成速度，形成恶性循环。通过对高温过热器管屏割管，采用内窥镜观察发现，管屏弯头处聚集了大量的氧化皮，是最容易造成堵塞的部位。

超临界流化床锅炉氧化皮堆积的位置不同于煤粉锅炉，前者为弯曲角度接近100°的下斜弯头处，后者为U型弯管处。经观察，高温受热面蒸汽侧氧化皮为层状结构，共分3层，最外层以Fe2O3为主，中间层为Fe3O4，内层FeO层，因FeO含量较多，故氧化皮较脆、易折断。因此，采用有压水正反向冲洗或者压缩空气吹扫，有可能将“鸟巢”结构中的长条状或片状氧化皮击碎，破坏堵塞物的力学结构，利用水流或气流的携带作用，将细碎的氧化皮带出弯管，达到有效清除积存氧化皮的目的。

2 氧化皮吹扫冲洗试验

在停炉检修阶段，将超温的屏式受热面上下部割管，下部管口采用滤袋绑扎，用于捕捉氧化皮；采用内径30 mm、长度20 m的压缩空气软管，接厂用压缩空气，压力0.5～0.8 MPa，从上部管口插入受热面管内进行吹扫。为加强吹扫效果，采用木质堵头将下部管口堵塞、放开，产生气流扰动。吹扫约30 min，用内窥镜观察吹扫效果，发现有部分残留物，主要是较重的金属屑。

采用有压水进行冲洗，下部管口用滤袋绑扎，从上部管口注入有压除盐水，压力0.5 MPa左右，冲洗约10 min，用内窥镜观察，可以看到有效的氧化皮冲洗效果。

基于上述试验，采用压缩空气或者水冲洗都能将氧化皮冲出，但冲洗前需要进行割管，由于高温过热器穿出上顶棚的距离有限，大约只有1 m，且换管焊接尺寸有严格要求，割管长度约150 mm以上，频繁割管、换管会导致焊缝累加，最后无法再进行割管，并且多次割管将造成对母材的损伤。此外，换管工作量较大、费用较高、周期较长，不利于机组快速、经济的检修目标，因此，需要考虑采用其他更为简便、可靠的方案。

从上述试验可以看出，水冲洗较之压缩空气的吹扫效果更加明显，并且便于实现压力均匀分配，因此可以对锅炉汽水系统进行改造形成封闭回路，采用水泵注水进行循环冲洗，同时加装滤网以便将氧化皮取出。

3 氧化皮闭式冲洗方案

超临界锅炉的过热系统为超高温、超高压系统，因此，保持该系统长期运行的安全性尤为重要。氧化皮闭式冲洗系统设计，需尽量避免在过热系统管道上增加三通、阀门、堵头等临时敞开点，确保高温过热器出口连接管两端均设有堵阀，用于锅炉水压试验时隔离锅炉与汽机之间的汽水系统，可利用堵阀作为冲洗管道的接入口及出口，采用独立的冲洗管道与泵连接，在冲洗泵的进口位置设置滤网，便于取出氧化皮。

氧化皮闭式冲洗系统设计，可参照建筑业采用的“大管道闭式循环冲洗技术”，采用闭式循环冲洗管道原理进行设计计算。

3.1 启动速度计算

式中：V0为氧化皮的启动速度，m/s；h为管道液柱高度，m；d为氧化皮的当量直径，m；γs为氧化皮的平均重度，N/m3；γ为水的重度，N/m3。

3.2 移动速度计算

式中：Vs为氧化皮在水中的移动速度，m/s；g为氧化皮重力加速度；dmax为氧化皮最大当量直径，m。

3.3 悬浮速度计算

式中：Vg为氧化皮在流体中的悬浮速度，m/s；λ为阻力系数。

3.4 最小冲洗速度计算

式中：Vmin为最小冲洗速度，m/s；f为氧化皮与管壁的静摩擦系数。

3.5 确定最小冲洗速度

比较上述四种速度，即启动速度、移动速度、悬浮速度、最小冲洗速度，将最大速度作为最小冲洗速度。

3.6 最小冲洗流量计算

式中：Q为最小冲洗流量，m3/s；D为管道公称内径，m。

3.7 冲洗泵压头确定

冲洗泵主要克服静压头，还需考虑沿程阻力损失、局部阻力损失。

式中：H为泵的扬程；ΔH为泵与冲洗管道的静压差；Hf为沿程阻力损失；H局为局部阻力损失。

3.8 冲洗流程

氧化皮闭式冲洗分为正向、逆向冲洗，正向冲洗流程为：冲洗泵→出口一次阀→管道1→炉左堵阀前二次阀→炉左高温过热器→炉左二级中温过热器→一级中过出口集箱→炉右二级中温过热器→炉右高温过热器→炉右堵阀前二次阀→冲洗管道2→冲洗泵，逆向流程则相反。通过反复冲洗，一般正反向冲洗两次清理一遍滤网，可通过观察滤网中的氧化皮数量来判断冲洗效果。

4 方案效果

氧化皮闭式冲洗系统加装后，在启、停炉过程中，通过观察高温过热器管壁温度变化趋势，确定壁温异常部位，在停炉管壁温度恢复正常后开启闭式冲洗系统进行反复冲洗。350 MW超临界循环流化床锅炉的多次实践表明，通过闭式冲洗可全部清除剥落积存在弯管部位的氧化皮，有效避免启炉过程中出现的高温过热器管壁超温现象，提高了锅炉一次启动成功率，减小了屏式过热器的壁温偏差。

5 结束语

上述方法改造量少，利用堵阀作为连接口，不破坏过热系统原有设计结构，运行安全性高，并且冲洗效果较好，便于运行操作，可为同类机组提供参考。不过，闭式冲洗无法清除管面上已生成但尚未脱落的氧化皮，可考虑研究在闭式水冲洗的基础上，引入压缩空气进行扰动，从而进一步提升氧化皮的清洗效果。