对锅炉尾部受热面防磨的分析

来源：职称驿站所属分类：机械论文发布时间：2012-08-06 09:25:54浏览：次

　　摘要:本文分析了电厂锅炉尾部受热面运行中存在的问题及治理措施,从而减轻飞灰磨损,提高锅炉效率,延长锅炉使用寿命。
　　关键词:锅炉；尾部受热面；磨损原因；治理措施
　　燃煤锅炉受热面，由于内部是高温高压、超高压的工质一汽、水在流动，使其承受很大的工作压力和各种温差应力；外部是带有固体颗粒或腐蚀成分的高温烟气在冲刷磨损，其工作环境较为恶劣，导致设备健康状况日趋恶化。特别是燃烧灰分大的燃煤锅炉，其尾部受热面处烟气温度比较低，烟气中灰粒相对较硬，发生磨损尤为突出。携带有灰粒和未完全燃烧燃料颗粒的高速烟气通过受热面时，粒子对受热面的每次撞击都会剥离掉极微小的金属，从而逐渐使受热面管壁变薄。烟速越高，灰粒对管壁的撞击力就越大；烟气携带的灰粒越多(飞灰浓度越大)，撞击的次数就越多，其结果都将加速受热面的磨损。导致“四管”泄漏事故发生，对电厂安全运行和经济效益受到很大影响。因此，通过锅炉尾部受热面的冲击磨损机理，提出有效的防磨措施。
　　1、磨损的机理
　　锅炉受热面管壁金属的飞灰磨损,是由于高温烟气携带的飞灰颗粒具有的动能所引起,飞灰颗粒冲击受热面金属表面时,消耗了动能并对金属表面产生冲击和切削作用,也就是锅炉烟气中的飞灰在一定温度下有足够硬度和动能,对受热面管子产生磨削作用造成的。
　　1.1受热面管磨损位置
　　飞灰颗粒冲击到金属壁面时的情况可分为正向冲击和斜向冲击二种,而斜向冲击根据力学原理可以分为切线和法线二个方面,切线方向的切向力可使管壁金属产生磨损。气流中的飞灰颗粒对管壁金属的作用力包括法线方向的冲击力和切线方向
　　的切削力,而对管壁金属磨损起主要作用的则是切向力,因此当飞灰颗粒的冲击角逐渐减少时,切向力逐渐增大,磨损逐渐严重,当冲击角为30°~50°时,由于冲击力和切向力的双重作用达到最大值,所以磨损也最为严重。当飞灰颗粒的冲击角再继续减少时,切向力和冲击力综合结果所造成的磨损又逐渐减少。
　　1.2磨损机理和影响因素
　　飞灰颗粒对于金属表面的磨损主要是机械作用,即由于飞灰颗粒的冲击作用和切削作用所引起,而其中又以切削作用为主。
　　管壁金属表面的最大磨损量见以下公式。磨损主要取决于以下一些因素:
　　
　　式中Emax——管壁金属表面的最大磨损量,g/m2;
　　a——烟气中飞灰的磨蚀系数,与煤种有关;
　　M——受热面管材的抗磨系数;
　　µ——飞灰浓度;
　　T——锅炉运行时间,h;
　　kµ——横断面烟气中飞灰浓度不均匀系数;
　　kv——横断面烟气速度分布不均匀系数;
　　Vg——烟气速度,m/s;
　　R90——在90µm筛子的飞灰剩余量,%;
　　kD——设计烟气速度与平均运行负荷下烟气速度的比值;
　　S1——受热面横向节距,mm;
　　d——受热面直径,mm。
　　受热面磨损主要与烟速、飞灰浓度、灰粒特性、管束结构、烟气温度等有关。
　　1.2.1飞灰速度w
　　由上述公式可知,烟速若增加一倍,磨损量将增加10倍。烟气流速对受热面磨损的影响最为严重,因此,对于燃用高灰分燃料的锅炉,不宜采用过高的烟气流速,在设计布置受热面时,更应避免局部的烟气流速增大。对于布置在尾部竖井进口处的再热器、省煤器,在靠近前后墙和两侧墙处的管子,最易发生剧烈的磨损,因为这些地区最容易发生局部烟气流速增大,一般可比平均流速高3~4倍,这样由于局部烟气流速增高而引起的局部磨损可增大几十倍,而且在这些局部烟气流速增大的区域,飞灰浓度也随着烟气流速的增大而相应增加,因此磨损情况就更为严重。
　　锅炉运行时,随着锅炉负荷的增加,烟气流量及流速相应增加,飞灰磨损加快。对于负压燃烧的锅炉,烟道漏风量增大时,因烟气容积增大,流速相应增高,磨损也将加快。
　　当受热面管处锅炉本体存在漏点,则该处灰粒的速度远高于该断面的设计烟速,因为热烟气遇冷风后,由于温度的骤降,体积将收缩,进出口压差加大,导致烟气速度加大,灰粒速度也将随之骤增。同时,烟气的流动方向发生骤变,这个方向是烟气的垂直流向与漏入冷风的水平方向的合成,这样会造成有规律的局部磨损,见图1。
　　
　　图1有冷风时烟气流冲刷锅炉管束
　　在布置锅炉对流管束时,因为管束不能碰到炉墙或中隔墙,所以管束和炉墙(或中隔墙)之间应留有一定的间隙,该间隙即所谓的烟气走廊。在烟气走廊中的气流因阻力较小,其速度将逐渐增大。
　　通常用kv来考虑横断面速度分布的不均匀性。当气流转弯90°时,kv=1.25,而转弯180°冲刷时,kv=1.6;kv由1增加为1.25,磨损量将增加一倍以上。
　　对管束和炉墙之间存在着间隙(即所谓烟气走廊)时,kv值可由此间隙的大小而定,如表1所示。
　　表1烟气走廊间隙L和kv值的关系
　　
　　1.2.2飞灰浓度µ
　　磨损量与飞灰浓度µ的一次方成正比。飞灰浓度越高,对锅炉受热面的磨损亦越强烈,燃用高灰分燃料的煤粉锅炉,尾部烟道中的受热面管,磨损情况严重。
　　问题更严重的是由于运行和结构上的原因,如因设计安装不妥而在烟道局部地区形成飞灰浓度集中,例如烟道中存在着烟气走廊或烟气流的急剧转弯等使灰粒分布不均匀,使飞灰浓度在某处局部增大而引起局部磨损加剧。kµ表示其增加的倍数,当转弯90°时,kµ=1.2,而转弯180°时,kµ=1.6。
　　1.2.3飞灰撞击率η
　　飞灰撞击管壁的机率与多种因素有关,主要与飞灰的粒径、浓度有关,还与烟速、烟气粘度有关。η越大则η越高。直径越大,撞击的几率也高,因此大灰粒对磨损起了主要作用。
　　1.2.4灰粒特性
　　影响磨损量的灰粒特性主要有灰粒的粒径、硬度、粒颗形状。粒径越大,磨损越严重;硬度越高,磨损越严重;具有锐利棱角的灰粒比球形灰颗磨损严重。
　　表2判别灰粒磨损性的等级界限
　　
　　1.2.5管束的结构特性
　　烟气横向冲刷管束比纵向冲刷严重,冲刷错列布置管束比冲刷顺列管束严重得多。
　　1.2.6烟气的温度
　　烟气温度对许多影响因素都起决定性作用。烟气温度越低,则灰颗粒的硬度越高,对管壁的磨损越严重。另外,如热烟气突然遇到冷空气,温度急降,导致烟气体积收缩,飞灰浓度增加,同时,也增加了其进、出口的压差,使其流速加快,从而加重磨损。
　　2、影响磨损的因素
　　受热面磨损受飞灰速度、飞灰浓度、灰粒特性、管束的结构特性和飞灰撞击率等影响。磨损分布是不均的，带有局部的性质。管子金属被灰粒磨去的量正比于冲击管壁的灰粒的动能及冲击次数。灰粒的动能与烟气流速的二次方成正比，而冲击次数在烟气浓度一定时与烟气流速的一次方成正比，因而管子磨损量与烟气流速的三次方成正比。锅炉尾部受热面磨损速度可用下列公式估算：磨损率（nm/year）=57.2×磨损系数×（%灰份/%含碳量）×流速3.3/烟气温度K。
　　3、锅炉尾部受热面易受磨损部位磨损原因分析
　　广东某电厂采用的是HG-1021/18.2–WM10型型锅炉，在多年的运行中，局部区域产生了较严重的飞灰磨损：a.烟井后部低温过热器出口联箱水平段靠近左、右侧包覆过热器处；b.省煤器下集箱靠近炉墙弯头处；c.省煤器下集箱靠近空气预热器入口水平段弯头处。a区域尤其是低温过热器靠近烟井左后角部分磨损最为严重，其原因是：当烟气由炉膛转向进入下行尾部烟道时，由于气流转弯时离心力的作用，飞灰被抛向烟道后墙附近，使这部分受热面周围飞灰粒子浓度增大，单位体积的烟气含灰量大，此时飞灰对受热面的磨损就大；b区域省煤器管束与烟井后墙存在间隙，形成烟气走廊，研究表明，烟气走廊进口处烟速大于截面平均烟速，而且沿烟气走廊烟气流速不断增加，在烟气走廊末端，烟速可加速至走廊入口烟速的1.5～2倍以上，而飞灰磨损量随烟速的3.3次方剧增，因此，烟气走廊处尤其是末端管壁的磨损远大于其他部位；b、c区域虽然属于不同类型的受热面，但都位于省煤器垂直段下部附近，其磨损的原因也是相同的，因此烟气走廊的烟气加速作用使这些区域磨损
　　较重；c区域下方的省煤器水平段对烟气具有导流作用，使烟气走廊的高速灰粒转向，撞击在水平弯头上，造成磨损。
　　另外，在对流受热面中，过热器蛇形管是顺列布置，所处烟温较高灰粒较软，磨损并不严重；空气预热器是立置的，烟气纵向冲刷，除管子进口2～3倍管径处局部磨损严重其余磨损也较轻；省煤器错列布置，烟温相对较低灰粒较硬烟气的冲刷较严重。而且尾部受热面各蛇形管排的弯头、边排管及联箱、穿墙管等部位，由于所在位置与周围均留有间隙，易产生烟气走廊；部分联箱由于体积相对较大，对烟气的导流作用会使附近烟速、浓度突增，并且联箱处焊口较多，焊接时易留下缺陷；管束、支架穿墙部位保温耐火材料易脱落，漏风会改变烟气流动方向。所以这些部位往往会造成烟气流场不均匀或产生较大的热应力而发生磨损泄漏的危险。
　　4、减轻锅炉磨损的措施
　　由于锅炉尾部受热面的磨损是多方面因素作用的结果，只有找到主要原因，通过消除发生磨损的根源或采取抑制措施，来降低磨损速度。减轻磨损的积极措施是控制烟气流速，尤其是烟气走廊区的烟气流速。如管子弯头与墙之间的距离尽量小，管子距离要均匀等。但是局部烟速过高是难免的，所以在易磨处加装防磨装置。
　　（1）为消除局部烟速过高产生的磨损，可加装烟气均流挡板，使烟气均匀流过受热面管子，消除烟气走廊。在不影响受热总面积情况下将错列布置管排改成顺列布置，利用顺列管束的绕流作用消除灰粒对后列管束的冲刷。
　　（2）对于易发生磨损的部位如尾部烟井后墙左右墙角区域、烟气走廊处、蛇形管排的弯头、固定卡子、管排交叉部位重点检查，对于脱落在管排间的支吊架、卡子、耐火砖等异物及时清除，防止这些异物对烟气产生导流作用而发生烟速局部变化，加快局部管束的冲刷。
　　（3）采用耐高温防磨涂料对易受磨损部位进行喷涂。喷涂层与管子粘贴力强，传热性好，致密耐磨，相比传统的防磨盖板或防磨罩而言，防磨涂层不妨碍烟气通流，不会增大烟速，又能有效提高受热面防磨能力。
　　（4）应严格控制锅炉尾部烟道的严密性，若负压燃烧室锅炉漏风严重，不但锅炉效率降低，而且使烟气流速提高，加剧受热面管子磨损，因此应及时发现并堵漏，并在运行中控制好炉膛负压，提高炉墙的保温密封质量。
　　（5）加强燃煤及运行管理。燃用煤种应接近设计煤种，且要相对稳定。若烧灰分高、水分大、热值低、挥发分少的劣质煤时，运行应适当提高煤粉细度，加强燃烧调整，应尽量使两侧引风机挡板开度均衡，避免两侧烟气流通量存在较大偏差，产生不均匀磨损。并且严禁锅炉超负荷运行。
　　5、结语
　　锅炉尾部受热面的飞灰磨损是一项较为复杂的技术问题，其影响的因素有很多，想要解决好这些问题，需要做大量的试验和实际应用，进一步探讨磨损的机理，研究防磨的措施，只有防磨技术研究有了进一步的提高，对设备的进一步完善，提高尾部受热面的使用寿命，达到锅炉长期安全经济运行。