蓝佳雄
福建华电可门发电有限公司
【摘 要】锅炉水冷壁四角飞灰磨损及掉焦砸伤历来是锅炉四管防磨防爆的重要防治之一。本文介绍了可门发电公司在600MW锅炉冷灰斗水冷壁四角防磨损、防砸伤装置上进行了一系列研究，提出了加装防砸钉的措施，较好的解决了此类隐患。
【关键词】冷灰斗 防磨损装置 防砸伤装置
一、设备概况
可门发电公司4台机组锅炉均为上海锅炉厂设计生产的超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉、露天布置燃煤锅炉。近年来，由于煤价上涨，公司经营发展需要，大量掺烧高灰分、低灰熔点煤种，使得机组运行过程中，因燃煤各项指标偏离设计煤种、校核煤种较大，锅炉燃烧工况较设计产生偏差，导致炉膛温度最高的屏式过热器受热面上结焦挂焦严重。当焦块发展到一定体积重量，受重力及烟气扰动作用，或在机组大幅度负荷升降过程中，因膨胀不均，从受热面上脱落掉落，砸在位于炉膛正下方的冷灰斗水冷壁上，导致冷灰斗水冷壁减薄甚至失效。如何防止锅炉掉焦导致水冷壁磨损甚至砸伤失效就成为亟待解决的问题。
图1 水冷壁管因减薄砸伤大面积更换
二、实施背景、原理及方法
由在现有外部经营环境及机组运行条件下，锅炉受热面结焦、掉焦难以避免。因此公司着手从如何减少掉焦对冷灰斗区域水冷壁受掉焦的磨损，防止冷灰斗区域水冷壁受热面被掉焦砸伤，导致管壁减薄失效入手，开展创新研究。
在锅炉运行过程中，布置在炉膛正上方的屏式过热器因直接接受炉膛火焰辐射换热，炉膛内受热面该区域温度最高，因此屏式过热器受热面外部结焦挂焦最为严重。根据设计图纸，屏式过热器底部至冷灰斗水冷壁落差达46.5m，在不考虑空气阻力的情况下，依照自由落体运动末速度计算公式，Vt=（式中Vt为焦块掉落至冷灰斗水冷壁受热面时的末速度，g为重力加速度，h为掉落高度），可计算出从屏式过热器掉落的焦块砸在冷灰斗水冷壁时的速度将达到30m/s（108km/h）。根据冲量公式Ft=mv1-mv2，在焦块掉落的末速度以及焦块同受热面的接触时间均无法改变的情况下，可以通过改变冲击在水冷壁受热面上的焦块质量，减小水冷壁所受的冲击力。
根据这一思路，提供了一种创新方案：在水冷壁鳍片上焊接一种“防砸钉”，使掉落的大焦块首先接触到防砸钉，大焦块破碎成体积、质量较小的焦块，以减少焦块对冷灰斗水冷壁受热面表面的冲击，从而避免了水冷壁管的砸伤和磨损减薄。
三 实施内容及方案
3.1安装位置的选择
锅炉前后墙水冷壁在标高20312mm与水平成55°的夹角形成冷灰斗，冷灰斗下倾至标高8600mm处形成深度为1220mm的出渣口，并与渣斗装置相接。防砸钉安装区域位于水冷壁下集箱进口水平段至上方标高2米处，水平方向距离左、右侧墙中心线3米。由于锅炉四角切圆作用，从上方屏式过热器管屏受热面上掉落的大焦块被切圆风旋转带至炉膛四角，因此位于锅炉底部四角区域的冷灰斗水冷壁管受掉焦砸伤、冲刷减薄严重。该区域也在历次机组检修以及封停必查的四管防磨防爆检查过程中，发现存在大量掉焦导致的水冷壁受热面管壁磨损减薄严重，以及砸伤情况，反应了该区域因结构设计原因以及运行工况原因存在以上问题隐患。
图2 冷灰斗水冷壁四角区域
图3 冷灰斗水冷壁四角区域磨损减薄情况
图4 冷灰斗水冷壁砸伤情况
3.2 外形设计和材料选择
锅炉冷灰斗水冷壁受热面管材质为15CrMoG,管径为38.1mm、节距为54mm，管间用扁钢（鳍片）焊接形成完全气密封炉膛，鳍片宽度为15.9mm。根据上述特征，所设计的防砸钉外形尺寸为：高度60mm、直径8mm，两端均为45°切削面，使用材质为304不锈钢。具体尺寸参数及材质选用原因如下。
（1）防砸钉直径设计为8mm，其直径为鳍片宽度的一半，采用焊接安装在水冷壁鳍片上，该尺寸设计可有效避免防砸钉焊接安装时与受热面直接接触，同时确保防砸钉有足够的安装空间；
（2）防砸钉上、下两端45°角的加工设计在加工时即保证了上端的破焦效果，也保证了下端焊接时需要的坡口空间，同时也保证了下端的焊接强度；
（3）使用304不锈钢性价比高，加工工艺成熟，耐高温性能好，材料硬度与鳍片材质接近，防止掉焦作用在防砸钉上时，对鳍片造成损伤，避免了鳍片拉裂的隐患；
（4）采用钉状结构，一是减少了安装过程中的焊接工作量，同时也减少了安装过程的焊接风险，避免安装过程损伤水冷壁受热面。二是钉状结构同片状结构相比，不会形成灰渣冲刷通道，导致冷灰斗水冷壁局部磨损加剧。
图5 冷灰斗防砸钉设计图
图6 防砸钉破焦效果
3.3 破焦效果
防砸钉设计为60mm的长度，保证了垂直焊接安装在水冷壁鳍片上时，可在垂直方向上高出下方水冷壁最高点至少40mm，高出上方水冷壁最高点至少20mm，确保掉焦首先接触防砸钉并被破碎，有效保证水冷壁不被砸伤，同时避免了长度过长导致的强度不足；
图7 防砸钉安装示意图
3.4整体受力情况分析
防砸钉在同根水冷壁鳍片上延鳍片长度方向的安装间距为80mm，相邻鳍片安装水平间距为40mm，使每4颗防砸钉形成近似等边菱形，焦块掉落时，区域受力均匀，破焦效果均匀。
四 技术要点
（1）使用钉状焊接工作量小、可有效避免安装过程损伤母材，同时可有效防止形成烟气走廊造成水冷壁受热面减薄。
（2）304不锈钢经济性高，硬度略高于水冷壁材质15CrMoG，同时加工工艺成熟，便于加工。加工长度60mm，可保证顶尖高处水冷壁顶部至少40mm，确保破碎效果。切割为45°角即保证了破碎效果，也保证了根部的焊接强度。
（3）安装时，每根防砸钉垂直向上，下部焊接在水冷壁鳍片上，同鳍片防砸钉水平距离80mm，相邻绪片防砸钉水平距离40mm，使每4颗扎钉形成的防砸区域面积均匀，确保大焦破碎效果。根本解决了掉焦砸伤水冷壁的问题。
五 实施效果
冷灰斗水冷壁加装防砸钉后，在机组调停检修期间的四管防磨防爆封停必查过程中，对比历次冷灰斗水冷壁受热面管壁测厚数据，磨损情况大幅减缓，未发现冷灰斗水冷壁管外壁存在掉焦导致的机械损伤情况。取得了如下经济效益、安全效益。
5.1 经济效益
（1）投入费用
设备购置费及施工：1.2万元（每台机组安装防砸钉600个，每根防砸钉材料采购及加工费用5元，共4台机组）；
人工安装费用：0.8万；
合计：2万元；
现场实际安装过程中，可根据需求扩大安装区域。
（2）实施后年避免更换冷灰斗水冷壁受热面弯头120根，计算如下：
避免因冷灰斗水冷壁因掉焦磨损、砸伤，导致壁厚减薄超标，每年可减少更换冷灰斗水冷壁受热面弯头120根，节约检修费用27万：冷灰斗水冷壁弯头采购费用12万元；冷灰斗水冷壁弯头更换人工费用15万元；同时因避免机组运行过程中发生掉焦砸伤冷灰斗水冷壁导致受热面失效泄漏，从而造成机组非计划停运对公司少发电量、电量考核、机组启停的经济影响，因涉及因素较多，无法详细评估，暂不列入统计。保守每年避免经济损失400万元。
5.2安全效益
在冷灰斗四角斜坡段水冷壁增加水冷壁防扎钉，能有效的减小掉焦对水冷壁管的损害，不锈钢防砸钉的加工制作成本低，加工技术难度小，使用效果显著，现场施工焊接量较小，施工难度低，焊接时也不易损伤水冷壁管。根据冷灰斗四角斜坡段水冷壁的磨损特点，采用此水冷壁防砸伤装置改造法，首先使用效果显著，其次改造的成本较低，现场施工焊接难度低。
该技术实施后，解决了可门发电公司频繁出现的冷灰斗水冷壁受掉焦磨损、砸伤严重的难题，消除了该疑难杂症带来的不良影响，提高了可门发电公司机组设备安全可靠性。为可门公司四台机组全年四管零泄漏、零非停的目标实现打下了良好的基础。该方法适合国内同类型机组的使用，可在行业全面推广。
参考文献：
（1）《可门电厂锅炉产品说明书》.上海锅炉厂；
（2）王宏军、武鸿浩等.《管理创新在锅炉“四管”泄露治理中的应用》.2019年（第三届）电力企业设备智能化管理技术研讨会
（3）段学农, 李文军, 王新,等. 四角切圆锅炉冷灰斗局部结焦异常分析与对策[J]. 华中电力, 2010(05):34-36.