某60万火电机组发电厂锅炉省煤器的改造

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【摘 要】 作为锅炉低温受热面的省煤器，普遍存在积灰、磨损、振动及腐蚀等问题，尤其是在燃烧劣质煤的时候，更容易使省煤器发生爆管的事故。锅炉发生的省煤器爆管事故严重影响了锅炉的安全运行，使发电企业的经济效益受到影响。导致省煤器爆管的原因很多，主要包括炉型的选择、热力计算的准确性、省煤器严重积灰、管外飞灰磨损、管子内壁的腐蚀、省煤器结构布置的合理性、烟气流速、省煤器的材质选择、省煤器系统结构是否容易引起热偏差及流量不均、制造工艺、安装质量、锅炉运行状况、燃烧调整、维修检修质量等多方面的原因。本文对省煤器提出了最佳改造方案，在锅炉大修中按最佳方案实施了改造。改造后，从试验结果看，积灰情况得到了很大改善，排烟温度达到了设定值，使得锅炉的经济性及安全性得到了大幅提高，基本解决了锅炉爆管的隐患，提高了锅炉机组运行的经济性及可靠性，为省煤器改造和设计提供了理论指导及实践经验。

【关键词】 锅炉 省煤器 磨损 爆管

1 前言

近年来生态环境要求日益提高，煤炭的供需严重不平衡，电价成本大幅上调，这些都要求锅炉机组的污染控制要求、安全性及经济性都应该有所提高。但是，现行设备的老化、技术落后及煤质变差等使得传热方面及燃烧的问题逐年增加。该电厂3号锅炉主要存在以下问题：

（1）由于煤质变差，燃煤热值下降，相同锅炉出力下烟气量和流速增加，为了保证机组负荷，必须增加燃煤量，来增加烟气量，反而使得烟气流速增加，加快了省煤器管壁的磨损。另外煤质差的煤着火性能下降使得燃烧稳定性降低、锅炉灭火次数增多、机组煤耗增加、磨煤机出力增加、炉膛出口烟温偏差等问题更加严重。燃煤灰分增加，造成烟气中飞灰浓度增大，灰粒撞击受热面的次数增加，引起省煤器管壁的磨损加剧。（2）排烟温度高。为了治理污染物的排放增加了脱硫装置等。而保证脱硫装置安全经济运行就必须控制锅炉排烟温度在145℃以下，所以必须控制锅炉排烟温度在允许的范围之内。（3）积灰严重。机组初投产时，排烟温度比设定值要偏高一些，说明尾部蒸发受热面面积满足不了设计吸热量的要求；又因为煤的灰分增加、燃煤量的增多，使得尾部受热面严重积灰。这些均使得排烟温度上升，省煤器吸热量下降，锅炉热效率大幅下降，导致燃料浪费过多且高温废气大量排放使环境恶化。（4）锅炉的热效率较低。为了进一步达到节能降耗的目的，对锅炉的热效率及燃烧均提出了更高的要求，需尽可能地提高锅炉的传热效率，降低燃煤烧量，并且组织好燃烧，使得烟温偏差及炉膛水冷壁高温腐蚀的危害减少。（5）泄漏严重。由于累计运行时间较长，部分受热面已达到或超出了设计的运行寿命，泄漏逐年增加。再者设计的省煤器壁厚余量小，加工缺陷较多，泄漏日益严重。

总之，随着锅炉机组运行时间的增长，技术落后、锅炉设备日益老化、缺陷增加、再加上煤质变差，这些均导致锅炉的经济性和安全行降低。但是，随着环境保护及发电市场的需求，对锅炉的经济性和安全行要求更高，污染物排放要求也有所提高。在这种情况下，若按照一般的检修计划对上述锅炉存在的诸多问题逐个解决，资金方面及工期是一个难题。为了进一步达到减少污染物排放及节能降耗的目的，也为了适应当前煤炭市场的现状况，必须在有限资金的前提下解决上述问题。所以需要将3号炉的优化改造做为一项系统工程来完成。

2 省煤器的爆管原因分析

省煤器爆管的原因非常复杂，下面分别从设计因素、制造、安装和维修因素及运行状况因素三个方面来分析。

3.1 设计因素

（1）烟速设计不合理。若烟速设计值偏低，飞灰容易沉积在管壁上。若烟速设计值偏高，磨损较严重。因此，烟速的合理设计非常关键。一般烟速设计值在7-13m/s范围内进行选取；煤中灰份少的时候取值较高，灰份多的时候取值较低。经济烟速则在8-11m/s范围内进行选取。（2）省煤器的结构设计和布置不合理。省煤器和前墙平行布置时，只有靠进后墙的几排管受烟气的磨损比较严重，损坏后容易更换。省煤器和前后墙垂直布置时，对于π型布置的锅炉，当烟气从水平烟道进入竖井烟道的时候有一个转弯，在离心力的作用下，飞灰绝大部分集中于烟道的后墙壁，所以靠近后墙的每根管子都会受到烟气的磨损。（3）受热面系数选用不合理，使得炉膛出口实测烟温偏高于设计值。（4）锅炉设计不合理。四角切圆燃烧的炉内旋转上升气流由炉膛出口进入到对流烟道的时候，残余旋转非常强，将会使对流烟道两侧的烟温和烟速存在差值，烟道内热负荷分布不匀，烟气到达省煤器的时候，形成的烟气走廊导致省煤器发生爆管。

3.2 制造、安装和维修因素

（1）施工焊接不合格。焊口有非金属夹杂物或管子焊接时有折叠缺陷等。（2）管材质量差，本身存在缺陷。管子在生产过程中产生折叠缺陷，或者本身存在分层、夹渣等缺陷，运行时受温度和应力影响使缺陷进一步扩大而爆管。（3）安装不合格。安装时没有按照图纸进行，使弯管半径弯曲后变薄等。

3.3 运行状况因素

（1）燃烧煤种不合格。燃烧煤种不合格，灰分增加，使得省煤器严重积灰。若积灰得不到及时清除，最终会导致爆管。（2）受热面外部严重积灰导致省煤器换热不良，使得烟气对管子的腐蚀和磨损加重。（3）吹灰器不能正常工作或者吹灰器运行不当。目前，为了减轻锅炉积灰问题，大部分都装设了吹灰装置。但这些设备大都存在吹灰效果和可靠性差，能耗高等缺点。（4）管束振动导致永久变形。（5）给水品质不合格。当给水除氧不合格时，进入省煤器后受热放出的氧气吸附在管内表面，造成局部的结垢或点状腐蚀。

3 省煤器的改造

3.1 改进项目概况

某60万火电机组发电厂3号炉排烟温度治理，发电厂确定改进锅炉燃烧设备及尾部受热面，对省煤器结构进行改造，从而使尾部受热面的传热效果得到提高，使排烟温度得到降低；使省煤器积灰减少，提高其经济性，并防止其爆管。

3.2 省煤器工况

3号炉投运以来，影响其经济运行的一个重要因素就是排烟温度高。随着除尘设备性能的提高和脱硫装置的投运，这些均要求排烟温度能够降低。排烟温度高的原因除了燃烧方面外，还包括省煤器的严重积灰，现场检查管子的积灰主要集中在管子的背风面，影响了省煤器的传热效果。3号炉省煤器已经发生多次泄漏，严重影响了机组的安全运行。检查表明，该省煤器由于材料质量、原始缺陷、磨损和内部腐蚀等原因造成的泄漏和裂纹越来越多。

4 省煤器改造方案研究

4.1 省煤器改造前试验

大修前对省煤器进行了传热性能测试，基本摸清了省煤器的状况。省煤器出入口烟温差测试仅有80℃多，比设定值降低了约30℃。按照每公斤燃煤计算的省煤器吸热量仅有约930kJ/kg，比设定值减少了约20%。炉内省煤器虽然采用了清灰装置，但清灰效果不明显，省煤器积灰较严重。除了受热面设计偏少以外，省煤器积灰是其吸热少的主要影响因素。

4.2 省煤器改造方案的设计和对比

为了优化省煤器的改造设计，进行了多个设计方案的对比。考虑到清灰装置效果较差，改造方案主要通过提高省煤器自身的自清灰能力和增加受热面使得传热效果得到提高。省煤器原设计方案螺旋肋片管顺列排列，除第一排管子以外，烟气只能冲刷到管子的两侧，不能冲刷其余管子的背面及正面，因此，管子背面及正面积灰非常严重。

下面设计了2种改造方案进行比较。

改造方案1：将顺列管束改造成错列管束。因为错列管束纵向距离越小的时候，气流扰动则越大，气流冲刷管子背风面的效果就越好，自清灰能力越强，再者其传热系数高。具体的改造方案是每隔一排管圈下落50mm，纵向管排数由16排（4个管圈）增加到20排（5个管圈），使受热面增加约25%。改造后省煤器吊挂荷重增加22%左右，管圈荷重增加25%，尾部受热面悬吊管荷重增加3%左右。由于错列管束传热性能好，自清灰能力越强，因此，改造后虽然受热面积增加的比较少，但是可以使省煤器的烟温降提高18-22℃。

改造方案2：管束布置不变，仍采用顺列管束，而是使受热面增加35%左右。具体的改造方案是纵向管排数由16排（4个管圈）增加到24排（后部）及20排（前部）。改造后省煤器吊挂荷重增加35%左右，管圈荷重增加37.5%，尾部受热面悬吊管荷重增加5%左右。大修后清灰方式得到改善，改造后省煤器的烟温降能够提高15-20℃。

方案1虽然荷重较小，受热面增加比较少，但是下部检修空间得到了改善，传热效果及积灰现象都有所改善。该方案的主要缺陷是设备结构改动大，焊接质量要求高。所以在保证焊接质量的条件下，方案1是可行的。

方案2虽然受热面增加较多，但缺点主要有：（1）省煤器吊挂荷重增加比较多，使其安全性降低了；（2）检修空间不足，使得以后更换管圈及检修难度增加；（3）过多增加受热面，使得下部的受热面清灰效果大副下降，反而使受热面的利用系数减小。

综上所述，决定采用方案1对省煤器进行改造。

4.3 省煤器改造效果

通过省煤器的传热性能试验，当修正到设计工况的时候，省煤器的吸热量及省煤器区域的烟温降都和锅炉的初始设定值相接近，都满足改造设定值。运行实绩证明，发电厂3号炉省煤器改造效果非常明显。

参考文献：

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