摘 要：本文介绍了300mw循环流化床锅炉受热面磨损情况，分析了磨损发生的原因，提出了有效的磨损控制治理措施。Www.11665.coM
关键词：磨损；炉膛；外置床；防磨
秦皇岛发电有限责任公司5、6号机组采用东方锅炉股份有限公司与法国alstom公司合作设计的300mw 亚临界机组循环流化床锅炉，型号为dg1025/17.4-ii1，是国内首批投运的300mw循环流化床锅炉。
循环流化床锅炉与传统的煤粉锅炉不同，在循环流化床锅炉的运行中，含有燃料、燃料灰、石灰石及其反应产物的固体床料，在炉膛—分离器—回料器（—外置床）—炉膛这一封闭循环回路里处于不停的高温循环流动中；同时，炉膛内床料在重力作用下，不断地进行上、下往复循环运动；并且由于炉膛下部采用裤衩型一分为二，中间为浇筑水冷分隔墙，在分隔墙上部床料除做上、下往复运动外，还存在大量的水平流动。因此，在循环回路的相应部位会产生一定的磨损。
磨损不仅影响锅炉的安全运行，还可能限制循环流化床锅炉优势的发挥，使锅炉的运行维护费用增大，机组利用率降低，给企业生产带来损失。
因此，调查、研究循环流化床锅炉磨损原因，针对磨损现状采取必要的措施，对安全生产、提高机组运行效率、发挥循环流化床锅炉的优势等都有重要的现实意义。
1 现状分析
据调查，山东某发电公司465t/h循环流化床锅炉自2002年投产，经历了星期炉、半月炉等阶段，其中锅炉爆管导致机组非停占总非停次数85％以上，经过数年设备改造及治理，去年爆管3次，最长连续运行周期刚刚突破百日。国内首台1025t/h循环流化床锅炉投产当年就数次发生爆管事故。
我公司6号锅炉为2007年3月投产，机组调试期间发生1次水冷壁爆管，4月6日高温再热器爆管，5月20日水冷壁爆管，5号锅炉连续运行80天后，水冷壁大面积磨损减薄，最严重部位减薄为1.9mm，小修补焊百余处，防磨防爆工作形式严峻。
2 主要磨损区域
利用机组停运机会，通过对锅炉受热面磨损情况进行全面检查，发现我公司5、6号锅炉磨损部位，磨损量基本相同。磨损严重区域集中在水冷壁防磨凸台上部150mm和外置床固定管卡处，见图1与图2：
图1：外置床部分管排磨损检查照片
图2：水冷壁测厚照片
与同类电厂比较，云南红河电厂由于煤质较好，受热面磨损轻，水冷壁未发生泄漏，炉膛四角及防磨凸台上部有管壁减薄现象；外置床泄漏1次，均为固定管卡磨损。四川白马电厂水冷壁多次泄漏，泄漏部位均在炉膛四角及防磨凸台上部，且伴随管壁大面积减薄现象；外置床因安装工艺控制严格，未发生泄漏，个别固定管卡处有磨损。
通过停炉检查及对同类型锅炉磨损情况的调研结果，可以确定了300mw循环流化床锅炉三个重点防磨区域：炉膛水冷壁防磨凸台上部150mm处；炉膛四角水冷壁；外置床固定管卡附近。
3 原因分析
3.1 水冷壁防磨凸台上部磨损原因
循环流化床锅炉炉膛中心区域以上升流为主，四周边壁区以贴壁下降流为主，如图3所示：
图3：气固流动形式
按alstom设计，循环灰贴壁下落到水冷壁防磨凸台上部堆积，形成约45°的自然堆积角，剩余循环灰沿坡面下滑，避免冲刷水冷壁管，达到减小磨损的目的。在水冷壁防磨凸台上部过渡区内，由自然下落的循环灰在水平凸台上形成斜坡，称为“软着陆”区域，如图4所示。
由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，在局部产生涡旋流，使循环灰堆积角减小，“软着陆”区细颗粒较少，大颗粒偏多，导致“软着陆”效果欠佳，沿炉膛壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁管产生冲刷磨损。如图5所示：
图4：设计工况 图5：实际工况
同时，300mw循环流化床锅炉为双炉膛设计，中部为浇筑水冷分隔墙，分隔墙两侧物料不停交换，形成动态平衡，始终维持两侧炉膛物料量基本相等。这样，在分隔墙上部存在物料大量横向流动的现象，形成横向冲刷磨损。如图6所示：
图6：分隔墙上部物料横向流动现象
3.2 外置床管壁磨损原因
外置床运行在鼓泡床工况，由于运行风速略高于临界流化速度，同时床内很少有燃烧发生，因此磨损问题与炉内受热面相比要轻得多。外置床主要由于微震磨损而造成的管壁的磨损。在常温下传热管与支撑件（固定管卡）之间紧固，不产生相对运动。而高温下传热管与支撑件之间可产生垂直运动，因而产生微震磨损，从而导致管壁的磨损。
根据停炉检查结果，外置床内管壁磨损严重区域全部在管卡安装处，原因为管卡与管壁松动，产生微振磨损。另外固定管卡、支撑导向件脱落，导致管子发生位移，也使相邻固定管卡磨损量增大。
3.3 炉膛四角水冷壁磨损原因
循环流化床锅炉中，炉膛四角区域水冷壁磨损比较严重，其原因是角落区域内沿壁面向下流动的固体物料浓度比较高，同时流动状态也受到破坏。另外汇集于直角区域的颗粒比在一侧水冷平壁边的颗粒对金属表面碰撞造成冲击磨损的机会大也是主要原因。
4 防磨措施
影响循环流化床锅炉受热面磨损的因素较多，主要有燃料特性、床料特性、物料循环方式、运行参数、受热面结构与布置方式等，而防磨措施也应从这几个方面入手。
4.1 运行防磨
循环流化床锅炉床料颗粒组分、床层分布、返料量、烟气粒子浓度等都有交互影响，进而会对整个锅炉系统的各受热面及内衬材料的磨损产生巨大影响，这也是运行防磨之所以重要的原因。
炉内金属磨损主要为冲蚀磨损。之所以产生磨损，关键在于灰粒具有动能，颗粒动能与其速度的平方成正比。不但如此，磨损还与灰浓度、灰粒的撞击频率和灰粒对被磨损物体的相对速度有关。若近似认为烟气速度和颗粒速度相等，则磨损量就将和烟气速度的3次方成正比。烟气速度的提高，会促使上述有关因素的作用加强，从而导致冲蚀磨损的迅速增加。研究和试验结果证明：金属壁面的磨损速率与颗粒速度呈立方关系，与颗粒直径呈平方关系，即有：
δ＝kup3d2
式中：δ —— 磨损速率；
k —— 系数；
up —— 颗粒速度；因此，运行防磨主要从降低烟气速度、降低灰浓度、使用低磨损燃料、减小床料粒径、改善床料构成等方面着手。
4.1.1 降低烟气流速
300mw循环流化床锅炉入炉风量包括一次风、二次风、高压流化风。一次风主要作用是流化床料，同时为燃料中挥发分燃烧提供氧气；二次风分两级进入炉膛，起助燃作用，实现分级燃烧；高压流化风主要提供回料器、外置床、冷渣器流化风。通过合理配风，降低烟气流速的同时还应保证燃烧效率。
1）降低一次风量
一次风量占炉膛总风量45％左右，它不仅影响烟气流速，还影响循环物料量和循环物料颗粒度。所以，在所有入炉风量中，一次风量对磨损速率影响最大。同时，一次风量的大小与锅炉流化状态、床温、密相区的燃烧份额、燃烧效率、脱硫效率、脱硝效率有直接关系。一次风量过低会影响流化质量，导致各种效率降低，严重时还会导致床温过高甚至炉膛结焦等严重后果，影响锅炉安全运行。因此，我们每次锅炉启动前都进行流化质量试验、最小流化风量试验。图7是我公司6号锅炉2007年3月在料层厚度分别为1000mm和1200mm时，最小流化风量试验曲线，从中可得出6号锅炉最小流化风量为80km3/h。
图7：料层阻力曲线
根据最小流化风量试验结果，结合公司燃煤情况、燃烧调整试验结果，综合考虑床温调节、燃烧效率、脱硫效率，加上一定的安全系数，制定了我公司300mw循环流化床锅炉一次风量调节曲线。图8为实际运行风量与设计风量的对比：
图8：一次风量对照图
2）其它风量的调整
300mw循环流化床锅炉二次风分上下两层，上层风量主要补充氧气，增强二次风穿透力，减小炉膛中部缺氧区域，提高燃尽率，对燃烧效率有较大影响；下层风量对循环物料量有一定影响。二次风量控制依据为飞灰可燃物、炉膛出口氧量、风机电耗。为保证燃烧效率，我们在降低一次风量同时，应略微增加了二次风量。
高压流化风影响流化质量，且回料器、冷渣器等处风量总和只占总风量3％左右，外置床风量稍大，根据外置床流化试验，也做了相应调整。
通过多次风量调整试验，我们得出了最佳配风方案，表1为我公司5、6锅炉风量调整前后对照：
表1：配风对照表
设计值
实际运行值
上外二次风量（nm3/h）
178946
200000
上内二次风量（nm3/h）
63340
72000
下二次风量（nm3/h）
123130
138000
外置床风量（nm3/h）
63800
60000
空预器前氧量
3.25％
2.4％
4.1.2 降低灰浓度
循环灰浓度即循环物料量，是影响炉内传热、床温、蒸发量、蒸汽温度的重要参数，同时对磨损也有很大影响。300mw循环流化床锅炉衡量灰浓度的指标为炉膛上部差压。降低循环灰浓度手段为降低一次风量、降低炉膛差压、合理控制入炉煤及床料粒度。
1) 降低炉膛差压
炉膛差压是衡量炉膛内部床料量的指标，差压高，床料多，燃烧稳定性、经济性高，炉膛各部温度均匀，底渣可燃物低；差压过低可能导致炉膛下部床温偏高，底渣可燃物偏高，经济性差。按设计，炉膛差压根据负荷变化范围为17kpa（100％bmcr）～21.95kpa（50％bmcr），根据风量调整试验结果，确定按如下差压运行既可保证燃烧安全性、经济性，又能有效降低循环灰浓度，从而达到减少磨损的目的。如图9所示：
图9：差压调整对照图
2）控制床料粒度
通过摸索和试验，确立包括来煤控制、初选控制、细碎间隙控制、入炉煤粒度筛分制度、细碎定期调整等一整套措施，解决入炉煤粒度控制问题。另外，每次停炉后置换合格床料也是控制床料粒度重要的手段。图10为我公司入炉煤粒度筛分曲线：
图10：入炉煤粒度筛分曲线
3）降低一次风量
一次风量大意味着更多的床料达到终端沉降速度，参与循环，使循环倍率提高，烟气中灰浓度提高，不同区域循环灰粒度也相应增大，这些因素都会使磨损加剧。
一次风量的调整前文已述，不再赘述。
4.1.3 使用低磨损燃料、床料
1) 燃煤选择
公司5、6号机组试运及投运前3个月均燃用山西烟煤，而后改用阳原褐煤，停炉检查发现水冷壁磨损面积和磨损深度大大减轻，而云南红河电厂运行情况也证明了燃用褐煤对减轻循环流化床锅炉水冷壁磨损的作用是明显的。
2) 启动床料控制
锅炉启动前需要加入近600t床料，称为启动床料，其粒径、形状、硬度、成分直接影响磨损状况。首先启动床料入炉前应筛分，并取样做筛分试验，验证其粒度是否符合床料粒度级配要求；其次，优先选用炉渣作启动床料。一般来说，启动床料可以选用炉渣或河沙，但不同成分的床料其硬度是不同的。河沙虽然粒度均匀，但si和al成分较高，对受热面的磨损性强。
所以，启动床料应优先使用筛分过的炉渣。
3) 改变燃料的磨损特性
试验证明，在循环流化床锅炉中加入石灰石后，床料中caso4含量升高，床料平均硬度下降，对受热面冲蚀磨损速率明显降低，因此，投入石灰石，改变床料成分，对减轻磨损是有一定作用的。
4.2 设备治理与改造
4.2.1 加高防磨凸台
炉膛水冷壁磨损较严重区域为防磨凸台上部150mm处，特别是靠近中间水冷隔墙区域及四角区域，根据这些磨损实际情况，应提高中间水冷隔墙及四角区域水冷壁隔墙高度。炉膛中间隔墙与膜式壁交界处磨损原因为床料在两侧炉膛间翻滚，区域为凸台上部150 ～200mm，因此，此处防磨浇筑高度提高300mm，即可达到减少磨损的目的。
炉膛四角水冷壁磨损原因是粒子浓度高，为防止磨损，须将凸台上升到粒度浓度较低区域，为此，可将凸台提高3米，使四角区域凸台进入稀相区。
4.2.2 金属表面处理
金属表面处理主要包括两方面的工作：表面打磨和喷涂。金属表面打磨费时费工，但对减小炉内受热面冲蚀磨损效用显著，因此每次水冷壁补焊后都应认真打磨焊缝，直至焊补部位光滑平整。
喷涂技术是一项有效的防磨措施，它能防止磨损和腐蚀的原因为：涂层的硬度较基体的硬度更大；涂层在高温下会生成致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层，且氧化层与其基体的结合更牢。
4.2.3 外置床防磨
外置床受热面磨损的解决关键在于安装、检修质量。机组检修时，必须更换、恢复所有变形、脱落的管卡和支撑件，严格管件安装工艺，拆除个别安装位置不合理管卡，并且清理外置床内杂物，包括脱落的管卡。这些措施的实施，能有效防止外置床磨损的发生。
4.2.4 安装泄漏监测装置
受热面泄漏处理的关键在于及时发现，减小损失及检修时间，而循环流化床锅炉由于运行环境噪音较大，多数受热面外敷耐磨、保温浇筑料，泄漏发生后不易发现。因此在炉膛、尾部烟道和外置床受热面安装泄漏监测装置，为及早发现受热面泄漏、防止泄漏事故扩大提供了一个有效的手段。
4.2.5 改变水冷壁管的几何形状
水冷壁防磨凸台上部是受热面磨损最严重的区域，主要的防磨措施有：加防磨护板、加局部挡板或导流板、提高防磨凸台高度、圆滑防磨凸台等，但实施效果并不明显。
目前已有部分改进设计的135mw循环流化床锅炉采取水冷壁外弯管形式，去除防磨凸台，防磨效果显著，如图10所示。
135mw锅炉解决磨损问题都是在锅炉设计环节，对于改造来说，难度很大，因此300mw循环流化床锅炉改造方案与135mw锅炉有所区别，如图11所示。此方案将有望从根本上解决水冷壁防磨凸台上部的磨损问题。
图10：锅炉防磨设计 图11：300mw锅炉改造方案
5 结束语
公司5、6号锅炉今年前三个月发生受热面泄漏3次，通过多种防磨措施的实施，自3月20日至今，未发生一启受热面泄漏事故，其中5号机组已连续运行超过110天，完成了采用相同技术的135mw循环流化床锅炉用了5年时间才达到的目标。
公司两台300mw循环流化床锅炉磨损严重的形势已得到根本改善，提高了锅炉运行的安全性、稳定性，为公司带来了良好的经济效益。在电网负荷紧张的供电形式下，5、6号机组的安全、稳定运行有效保证了电网安全和正常供电，同时也为300mw循环流化床锅炉长周期运行提供了很好的解决方案，促进了环保型大容量机组在国内的发展。
参 考 文 献
[1]李烁，循环流化床锅炉设计调试运行与检修实用手册.长春：吉林科技出版社，2005.
