吴长勤
上海大屯能源热电厂 江苏 徐州 221600
摘要：从工业化的程度来说，循环流化床锅炉（CFB）技术的洁净煤燃烧程度更高。其具有大容量和高参数的特点，但其水冷壁磨损导致锅炉泄漏使机组非停仍然是一个重要话题，通过严控安装质量，精心操作调整，采取水冷壁喷涂、防磨梁和其他全面的防磨技术有效地减慢了水冷壁的磨损，以达到防磨防爆效果。关键词：循环流化床锅炉（CFB）；水冷壁；防磨防爆；防磨喷涂
一、概述
1.1循环流化床锅炉
循环流化床锅炉（CFB）技术是1970年代开发的一项新技术，其清洁煤燃烧技术的工业化程度较高。循环流化床锅炉对燃料有广泛的适应性，对低煤燃料适应性强，可掺烧煤泥、污泥、生物质及工业废料，其脱硫效率高，床温低具备低氮燃烧特点，污染控制成本低，负荷调整间隔大等优点。近年来，循环流化床锅炉已经很好地解决了热力学、力学、材料科学和锅炉膨胀、煤耗、受热面过热等基本问题。循环流化床锅炉向着大容量和高参数迅速发展。截止到2020年底，超临界循环锅炉350MW级别已有45台投入使用。
1.2机组情况
上海大屯能源热电厂建有两台DG1146/25.4-II1型循环流化床机组，是东方锅炉股份有限公司自主研发的350MW超临界循环流化床锅炉。该锅炉采用单水冷风室、单分布板，单炉膛，M型布局，平衡通风，一次加热，循环流化床燃烧法，固态排渣和高温冷却旋风分离器，用于气固分离。单个的布风板布置在炉子的底部，并且在布风板下方是一个水冷的风室，该水冷的风室被水冷壁管包围。燃料从炉子前面的进煤口进入炉子，后壁和尾部烟道受热面之间装有3个汽冷旋风分离器。每个旋风分离器都配备有一个回料器，水冷壁后墙布置有6台滚筒式冷渣器。[1]
二、循环流化床锅炉水冷壁磨损分析
2.1磨损危害
循环流化床燃烧方法是在鼓泡流化床燃烧技术中发展起来的，它运用了流化化燃烧技术。主要结构包括燃烧室和物料循环回路。一次风以适当的速度均匀地通过锅炉底部的布风板风帽，使煤呈现流化状态。燃烧在整个炉膛内进行。中心区域的床料浓度较低，通常向上运动，边缘区域的颗粒浓度较高，“环-核”流总体向下运动[2]。向下的燃料颗粒贴着水冷壁管向下流动，因此，贴壁流造成水冷壁的磨损非常严重，随着水冷壁管壁厚的整体磨损减薄，将严重影响锅炉的正常使用寿命。另外，根据相关技术监督报告，2019年因水冷壁漏水而导致的“非计划”锅炉停产占不间断机组的27％以上。
2.2磨损机理和影响因素
流化床循环锅炉水冷壁的消耗机理分为两类。一是撞击磨损。颗粒的运动方向与材料表面之间的夹角相对较大或接近垂直，并以一定速度撞击材料表面，导致其几乎没有塑性，变形或微裂纹，磨损反复碰撞过程中塑性变形层逐渐脱落引起的。另一种是冲刷磨损。颗粒的运动方向与材料表面之间的角度相对较小，甚至接近平行。垂直于材料表面的颗粒的部分速度导致颗粒进入材料的表面并沿着固体表面滑动起到“刨削作用”。“锋利”的效果会切碎小块的材料，并且材料的表面会出现明显的磨损。当冲击角为20°?30°时，消耗更为严重，循环液体锅炉水冷壁上的消耗主要是“刨削”涂层。涂层的量与烟气速度的三次方成正比。当水冷壁管的外表面的硬度低于燃料颗粒的硬度时，涂层量降低。进入窑内的物料粒径大，均匀性差，消耗量增加。耐磨铸造性能和结构也会影响水冷壁的磨损[3]。
2.3锅炉运行方式对磨损的影响
入炉煤的颗粒度过大，为了维持流化状态，需要加大一次风量，导致烟气流速增大，携带颗粒的能力提高，燃料煤入炉后大部分颗粒未来得及在密相区充分燃烧便被抛向床层上方，使稀相区颗粒浓度增加。上二次风开度较小时，不能压制上升烟气，且稀相区的氧化气氛燃烧区被破坏，许多应该在稀相区燃尽的物料不能完全燃烧，随水冷壁边壁流回的物料增加，稀相区得不到有效保护，炉膛稀相区水冷壁的磨损增大。
2.4磨损位置及现象
循环流化床锅炉磨损区域主要有水冷壁、耐磨耐火材料层，包括密相区、密相区与水冷壁管交界处的过渡区、炉膛四角区域、炉膛中部水冷壁管、炉顶受热面、高温过热器及高温再热器的穿墙区域以及压力、温度测点、门孔口区域、旋风分离器、炉膛风帽、落渣管进口等处。
三、采取的防磨防爆措施
由于该厂为所在地区唯一工业热源，担负着重要的工业供汽、市区冬季供暖任务，机组发生非计划停运后除对自身影响外，还对地区社会经济效益有巨大的影响，确保机组“零非停”、供热不中断的目标任务艰巨。在锅炉设计阶段采取了一定的防磨防爆措施，如采用炉膛让管技术、炉膛低烟气速度技术，在密相区的受热面、炉膛出口、旋风分离器、水冷壁开孔、各测点等部位安装有耐磨耐火浇注料等，在设计上解决了一定的磨损问题。该厂根据同类型机组的先进经验及机组运行以来的摸索的磨损规律，采取了一些防磨措施，较好地解决了水冷壁磨损情况，现介绍如下。
3.1严格过程控制、质量验收，提高基建期安装施工质量
超临界CFB锅炉水冷壁存在管屏大、管径小（Φ31.8×6.5）、管屏易弯曲等情况，在厂家制造、货物运输、组合对口及焊接热应力等的影响下，焊口区域极易发生弯折现象。
如果管子组合焊缝没有打磨光滑，在焊缝上下特别是焊缝上部易造成严重磨损，该厂在锅炉水冷壁监造和现场安装过程中严格要求制造厂家及施工单位严格制造工艺及现场施工质量管控，对组对焊口及鳍片焊缝进行打磨，要求焊口与母材齐平，避免形成涡流磨损水冷壁。
基建安装过程水冷壁吊装时，因四周水冷壁与中隔墙水冷壁鳍片宽度不同，存在吊耳焊接在鳍片上及割开鳍片安装吊耳两种施工工艺。双面水冷壁吊耳一般直接焊接在鳍片上，其为安装后期水冷壁鳍片施工遗留物的打磨带来较大工作量。四周水冷壁采用切割鳍片，制作吊装孔的吊装工艺，工作量较小，鳍片恢复方便，但在鳍片切割过程中一定要谨慎施工，避免割伤管子。该厂在168小时试验前锅炉吹管过程中，发现一起标高26米层水冷壁泄漏事件，分析原因为在吊装孔切割过程中将管子割伤未及时处理，随着压力升高，水冷壁管子强度不足发生泄漏。
通过严把设备监造关、施工质量关，尽最大可能消灭基建问题，不将基建问题带入生产阶段。
3.2精心操作、优化运行参数，控制入炉煤的颗粒度
运行参数是影响CFB锅炉水冷壁磨损的重要因素，通过控制床料厚度，保持合理的一次风速，调整上、下二次风门的开度，调整二次风量，合理保持上二次风压制作用，可有效减轻水冷壁的磨损，增加运行周期，提高锅炉热效率。做好耐磨耐火材料养护与烘炉工作，控制停炉后冷却速度，防止发生急冷现象。成立防磨防爆工作小组，区域到人、责任到人，坚持“逢停必查、逢停必修”，重点对水冷壁磨损、耐磨材料磨损情况进行检查，建立设备技术档案，摸索锅炉磨损规律、速度，及时采取相应的技术措施减轻水冷壁磨损。
CFB锅炉燃料入炉前必须有合适的粒径以达到设计要求，该厂锅炉设计入炉煤颗粒度dmax=20mm,d50=2.2mm,9mm以上燃料要求小于8%，两台锅炉经两年来的运行经验表明，入炉煤颗粒度不适当，会严重破坏锅炉的物料循环，影响正常燃烧，导致炉膛风帽及水冷壁的急剧磨损。为保证锅炉运行的安全性和经济性，必须严格控制入炉煤颗粒度，该厂加强对破碎筛分系统的维护和保养，根据入炉煤粒度，判断细碎机锤头磨损情况，合理调整反击板与锤头间隙，并及时更换锤头，保证破碎筛分设备的可靠性。同时每次上煤后检查筛条是否堵塞并及时清理，保证筛分系统稳定出力。经过一系列精心维护，入炉煤粒度得到有效改善，为锅炉的安全稳定运行提供了必要保障。
3.3采用电弧超音速喷涂技术防磨
电弧超音速喷涂技术是CFB锅炉的一种典型防磨技术，具有施工工艺简单、可大面积施工、成本较低、耐磨作用较长等优点。电弧喷涂使用两条连续喂入的金属线作为消耗电极，它们分别连接到直流电源的正电极和负电极。在电线的端部短路的时刻，由于电流的高密度，在接触点处产生高的热量，从而在两根电线之间产生电弧。在能源的作用下，电弧保持稳定燃烧，在雾化电弧点后面从喷嘴喷射的高速气流将熔融金属雾化成颗粒，然后将其喷洒到预处理过的金属表面上，形成涂层。喷涂时基材温度小于100℃，对基材性能不会有任何影响。超音速电弧喷涂会使粒子速度超过音速，从而使涂层具有更高的结合强度。有效防磨时间可达2~3年。电弧喷涂技术不会改变炉膛的平整度，不会破坏炉膛贴壁流场、传热效率，防磨效果非常好。
该厂在基建安装阶段就采用电弧超音速喷涂防磨技术，对锅炉水冷壁局部磨损严重的区域提前进行预防性维修，对水冷壁密相区耐磨耐火料截止线（标高为18.5m）上方2.5m区域、炉膛四角区域、标高27m焊缝区域等局部磨损严重处进行电弧喷涂。在随后的两年多运行过程中，又利用检修机会对有磨损迹象的后墙顶棚区域，后墙42米对口焊缝处进行了超音速电弧喷涂。锅炉运行两年来，水冷壁喷涂层基本完好，未见明显磨损现象。
3.4采用多阶防磨梁技术防磨
多阶防磨梁技术是近年来发展较成熟的典型防磨技术，是大批CFB锅炉进行水冷壁管防磨的标配。其具有安装简单、施工周期短、显著减轻水冷壁磨损、运行可靠等优点。根据水冷壁磨损机理研究，水冷壁的磨损速度与贴壁流下滑高度的1.8次方成正比，设置的多阶防磨梁可以破坏稳定的边壁区，贴壁颗粒灰向下流动到防磨梁上部时下滑速度降低至0，又重新开始下降，与水冷壁接触的颗粒浓度相应降低，因而设置数层的防磨梁，可有效缩短贴壁灰流颗粒的下滑高度，降低贴壁灰运动速度，改善磨损机理，减少“刨削”式磨损，水冷壁的磨损速度大大降低。该厂借鉴相同机组运行的现金经验，该厂在基建安装期对水冷壁加装多阶防磨梁，以水冷壁可塑料截止线标高18.5米向上，炉前墙水冷壁共设置标高20.5米、24.5米、31.8米三道可塑料防磨梁，炉后墙水冷壁共设置后墙标高20.5米、22.8米、24.5米、31.8米四道防磨梁，侧墙与后墙防磨梁位置、数量相同。制作的可塑料防磨梁宽80mm，借鉴凸台软着陆结构，避免物料落下后造成水冷壁根部的局部磨损，运行10000小时以来，对防磨梁下部水冷壁进行测厚，水冷壁基本没有壁厚减薄情况。局部增加防磨梁的方法也可用于炉膛水冷壁因安装、对口焊接等原因造成水冷壁变形向炉内局部突起部位的防磨。
四、效果
锅炉运行10000小时后，从水冷壁测厚情况来看，除水冷壁管子组合对口区域焊缝余高较高处及水冷壁局部变形向炉内凸出变形等处少许磨损外，其他部位基本上没有磨损；机组平均运行周期可达4-5个月，未因水冷壁磨损发生泄漏。
结语：
循环流化床锅炉与煤粉炉相比，水冷壁的磨损特别严重。但是，随着近年来循环流化床锅炉各种防磨技术的研究、实践与推广，350MW超临界循环流化床锅炉连续运行已超过300天，这坚定了CFB行业防磨防爆工作的信心，随着技术的发展与应用，必将不断提高大容量循环流化床锅炉的连续运行时间。
参考文献：
[1]2*350MW超临界机组锅炉说明书.东方电气集团东方锅炉股份有限公司.
[2]高琴.全燃石煤350MW超临界循环流化床锅炉关键技术及设计方案研究[J].锅炉技术,2020,51(04):33-37.
[3]王映奇.350MW超临界循环流化床锅炉床温偏差原因分析及调整[J].锅炉技术,2020,51(03):37-40.