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循环流化床锅炉管式空预器漏风原因的浅析和解决


循环流化床锅炉管式空预器 漏风原因的浅析和解决
摘 要 节能、降耗、减排成为社会的主题,如何解决充分利用设备的特性、提高能 源利用效率是发展的主要方向, 在这样的情况下, 研究如何保证和提高空预器充分利用热能, 减少热损失,保障其运行效率,是提高锅炉效率的主要手段。本文对渭河煤化工集团循环流 化床锅炉管式空预器漏风的现象、 原因的分析和改造技术的总结, 提供借鉴经验,

预防事故, 提高热能的利用率,保证锅炉长周期安全稳定运行。 关键词 循环流化床;空预器;管式空预器漏风 循环流化床锅炉具有: 可适用于任何煤种,燃烧效率高, 炉渣综合利用率, NOx 排放低, 能在燃烧过程中方便和廉价地进行脱硫, 以及体积小等优点。 但是通过对我国已投产循环流 化床锅炉试运行情况的多次调研,结果显示循环流化床锅炉在试运行中也反映出一系列问 题,如生产经验少,高温烧蚀,冲刷磨损,四管泄漏,床上大面积结焦,空预器漏风,耐火 耐磨材料脱落等问题。这些问题大多来自循环流化床锅炉的设计、制造、安装、调试、电站 系统设计和筹建方决策等方面, 进一步影响到循环流化床锅炉的发展与应用, 而循环流化床 锅炉大多采用的是管式空预器,管式空预器漏风影响循环流化床锅炉的长周期安全稳定运 行。 1 空预器的发展及我国的现状: 管式空预器开始应用于船用蒸汽锅炉,20 世纪 20 年代初期 CE 开始发展和生产板式空 气预热器应用于锅炉, 以提高锅炉热效率, 同时, 容克式空预器随着涡轮机车一起研制成功。 1923 年,瑞典人 Fredick Ljungstrom 对容克式空预器申请专利。此后,容克式空预器开始 正式成为锅炉的辅助设备。我国是 1952 年制造火力发电设备发展,空预器由最初的管式空 预器,发展至回转式和热管式等多种空预器,一般在 200 MW 及以下容量机组的锅炉,采用 管式空预器;在 300MW 及以上容量机组的锅炉,一般采用回转式空预器,主要是受热面转动 回转式空预器。目前,我国制造的最大回转式空预器是配置 600MW 机组的锅炉,其转子直径 为 15 米。 2 空气预热器的分类及作用 空预器按传热方式分为 3 大类: 导热式、 再生式和热管式。 管式空气预热器属于导热式, 烟气的热量通过管壁连续的传给空气。 在再生式空预器中烟气和空气是相互交替地流过受热 面(传热元件)进行交换。热管式空预器主要是通过热管式的液体的蒸发-凝结循环,将热 量从热管的热量的热段传给冷段。 空气预热器是利用烟气的热量来加热燃烧所需空气的热交换设备, 它装在锅炉垂直对流 烟道的尾部, 它是整个锅炉机组中金属温度最底的受热面, 也是锅炉沿烟气流程的最后一个 受热面。空气预热器是现代锅炉的重要组成部分。它有以下几个方面作用:(1) 进一步降低 排烟温度,提高锅炉效率。现代火力发电厂,给水在进入省煤器之前就已经具有相当高的温 度(150~250℃) 。这样,通过省煤器已无法将烟气冷却到合乎经济要求的温度,而加装空 气预热器后,由于其进口的冷空气温度较低,故可将排烟温度进一步降至 150℃以下,减少 了排烟热损失。 (2) 预热助燃空气温度, 能强化煤粉的着火和燃烧过程, 增强燃烧的稳定性, 降低了不完全燃烧热损失, 进一步的提高了锅炉效率。 (3) 高温空气进入炉内可以提高炉膛 烟气温度, 增强炉内辐射换热减少锅炉受热面的金属消耗。 (4) 热空气还可作为制粉设备系

统中煤的干燥介质,尤其燃用多水分的煤时更需要用高温空气进行干燥。 3 渭化循环流化床锅炉设备概况 3.1 设备状况 渭化现在使用的循环流化床锅炉是由无锡华光锅炉厂有限责任公司制造的 UG-220/10.8-M 型。锅炉为高温高压,单锅筒横置式,单炉膛,自然循环,全悬吊结构,全 钢架兀型布置。锅炉设计煤种为黄陵烟煤。具体设计参数见表 1。 表 1 渭化循环流化床锅炉概况
名称 设计数值

过热蒸汽流量 t/h 过热蒸汽出口压力 MPa(g) 过热蒸汽出口温度℃ 给水温度℃ 排烟温度℃ 锅炉计算热效率% 锅炉保证热效率(设计煤种,低位发热量)% 燃料消耗量 t/h 石灰石消耗量 t/h 一次热风温度℃ 二次热风温度℃ 一、二次风量比
3

220 10.8 525 215 138 90.71 ≥90 24.3 1.8 207 202 60:40 7000 25~30 70 ≥80

最低流化一次风量 M /h 循环倍率 锅炉飞灰份额% 脱硫效率(钙硫摩尔比为 2.3 时)%

3.2

燃烧特性 表 2 煤质元素分析
名称 碳% 氢% 氧% 氮% 硫% 灰% 水份% 设计煤 67.00 3.80 7.10 1.00 1.00 17.12 4.20 25.10 校核煤 68.49 3.66 9.87 0.94 0.71 14.56 6.00 27.68

收到基低位发热量 MJ/kg

注:煤的入炉粒度要求:粒度范围 0~10mm,50%切割粒径 d50 =2mm。 石灰石的入炉粒度要求:粒度范围 0~1mm,50%切割粒径 d50 =0.25mm。 3.3 空预器的结构 (1)在省煤器后布置 4 组空气预热器, 分别加热一次风和二次风。 中间两组为二次风空 预器, 上、 下两组为一次风空预器, 采用卧式顺列布置。 两组之间均留有 800mm 以上的空间, 便于检修和更换。 (2)空气预热器管子迎风面前三排管子采用 Φ42×3.5 的厚壁管。 (3)每级空气预热器及相应的连通箱均采用全焊接的密风框架,以确保空气预热器的 严密性。 (4)在冬季运行时为防止低温腐蚀,锅炉空气预热器末级采用了考登管。

4 管式空气预热器的结构、设计及计算 4.1 管式空气预热器的结构 管式空气预热器在布置上有立管式和横管式两种方式。管式空气预热器是由许多 互相平行的有缝簿壁的钢管组成。管子两端分别焊接在上、下管板上形成立方形管箱。 管 箱外面装有空气连通罩,导流板和密封用的墙板。为了增强传热,采用有在管子外表面加焊 肋片和管内加工螺旋槽行表面。 立管式空预器烟气由上向下从管子流过, 空气在管外横向流 动; 而横管式则空气在管内流动, 烟气通过管壁加热空气。 锅炉运行中, 空气预热器的管子, 外壳及锅炉构架,由于受热情况和材料的不同,其膨胀量也不同。因此,在上管板和外壳之 间,外壳和锅炉构架之间装有簿钢板制成的波形膨胀节,用以补偿各部分的相对膨胀量,保 证各部分的相对位移和连接处的密封,该厂锅炉采用组合安装方式,为了便于运输和安装, 管式空气预热器一般都做成若干个管箱, 燃后组装成空气预热器整体。 为防止空气经过相邻 管箱之间的间隙漏到烟气中去。 4.2 管式空预器的设计及计算 空预器的设计,是根据给定的锅炉容量、参数和燃料特性,确定空预器的结构型 式、布置方式、传热面积、吸热量、介质温度和速度等。 4.2.1 管式空预器的设计要求: (1)空预器受热面传热温差小,致使空预器消耗的钢材量很大,因此,合理布置好受 热面。 (2)空预器结构上不宜太高,过高不好布置。 (3)空预器设计时要考虑积灰、磨损和低温腐蚀等。 4.2.2 管式空预器的设计步骤与计算:在已知管式空预器的出入口烟温、风温和吸热量, 可按下列步骤设计管式空预器: (1)选定烟气流速 WY, 决定管数。选定烟气流速,按下式计算管子根数为: n=(1+θ/273)*Bj*Vy/(3600*0.785dnwY) (3-1) 式中 Bj—计算燃料消耗量,㎏/h 3 Vy—烟气容积,Nm /㎏ dn—管子内径,m; θ—烟气平均温度,℃; (2)决定节距:决定 S1,S2,求出△值。按下式及相应图形求解。并根据尾部烟道的宽度及 深度排列管子,使能在此面积上以合理的管距排列好。 S1=2 S2* S2/d-d/2 (3-2) (3)决定传热面积:假定空气流程的高度,决定受热面面积。面积按平均管径计算,然后 用热平衡方程和传热方程式进行热力计算判断是否能传过应传的热量, 对不符合的,改变 空气流程的高度重新计算,至到二者相符或误差小于正负 2%。 (4)校核空气流速。 校核空气流速是否是烟气流速的 45%--55%范围内,如有偏差,则通过改变流程数或改变 节距来使空气流速符合要求。 管式空预器漏风原因、危害、机理及预防措施 5.1 管式空预器漏风的原因:材料强度不高或安装检修工艺不合格,产生裂纹; 空预器管束的长期磨损;由于烟气中 SO2 与水蒸气形成硫酸蒸汽,当受热面的壁温 低于硫酸蒸汽的露点温度时,而产生低温腐蚀等。 5.2 管式空预器漏风的危害 (1)一次风量不足,风压低,负荷下降,若保持同负荷,必须增加一二次风机的送风量, 增加电耗。 (2)排烟流量增加,引风机功率增加,电耗增加。 (3)排烟热损失增加,降低锅炉热效率。 (4)如果漏风量大,流化不好。造成局部床温升高等,局部结焦。 5

(5)排烟温度低,引起低温腐蚀,电除尘烟气量增加,使电除尘过载运行,影响除尘效 率,还回使局部露点发生变化,造成极板腐蚀及引风机积灰和磨损。 5.3 管式空预器磨损的机理、因素及预防措施 1)磨损的机理 :高速烟气携带固体灰粒时,灰粒对受热面的每次撞击都会从受热 面削去级微小的金属屑,这是飞灰磨损过程。受热面受到撞击磨损和摩擦磨损两种。 研究表明烟气中飞灰磨损容易发生在烟速较大和浓度较大的地方,对空预器来说,最 容易发生在烟气的入口段。 2)影响磨损的因素:灰粒的形状、直径、密度等有关的粒度特性;飞灰的浓度越高, 磨损越大;管子的磨损与烟气速度的三次方成正比,烟速越快,磨损越大;运行中如 超负荷、烟道漏风等其他的因素;管束的排列与冲刷方式;空预器受热面的材质及设 计缺陷等。 3)预防措施:采用耐磨的材质;选择合理的气流速度;消除烟气走廊;加金属防磨盖 板和防磨瓦;采用防磨超音速电弧热喷涂技术如图 1。

图1

热喷涂 过程

5.4 管式空预器低温腐蚀的机理、因素及预防措施。 1)低温腐蚀的机理:烟气中的水蒸气与 SO3 在低于 110℃后全部生成硫酸蒸气,但 烟气在流过低于露点温度的受热面时,硫酸蒸气就在其上凝结成硫酸液。使金属氧化 膜被金属与电解液相互作用而发生化学腐蚀与电化学腐蚀。 2)影响低温腐蚀的原因:露点的影响、烟气含氧量、燃料中含硫量、燃料中含钙量、 低温受热面处烟气流速、烟气温度变化、锅炉负荷变动、纵向和横向冲刷、受热面布 置方式等的影响。 3)低温腐蚀的预防措施:用提高排烟温度和空气预热器入口风温等方法提高空气预 热器受热面的表面温度;采取空预器分段;在运行中通过采用低氧燃烧技术、控制炉 膛燃烧温度水平、加添加剂等防止低温腐蚀;采用如热管式空预器等新技术等。 6 渭化管式空预器漏风时运行工况及监护措施 6.1 管式空预器漏风时运行工况
名称 锅炉负 荷 (T/h) 给煤量 (T/h) 一次风 流量 (KNm /h) 正常运 行工况 漏风运 行工况 1 220 24.8 107 148 99 125 27 220 980 936 215 25 108 145 125 126 26
3

一次风 机电流 (A)

排烟温 度A (℃)

排烟温 度B (℃)

引风机 电流 (A)

空预器 出口烟 温 (℃) 217

炉膛差 压 (Pa)

床温 (℃)

1056

943

漏风运 行工况 2 漏风工 况3

200

21

80

151

80

120

28

218

860

925

168

16

75

153

70

123

20

175

450

830

标注:正常运行工况数据:2009-10-26 日。漏风运行工况 1 数据:2009-11-2 日 漏风运行工况 2 数据:2009-12-25 日。漏风运行工况 3 数据:2010-1-15 日。 根据以上表格得出一下判断: 1)2009 年 11 月 2 日排烟温度 A、B 温差约 30℃.一次风机电流、风量变化不大, 判断空预器轻微漏风。 2)2009 年 12 月 25 日一次风量已降至 80KN m 3 /h,锅炉负荷减至 200T/h, 排烟温度 A 已降至 80℃。 3)2010 年 1 月 15 日一次风量已降至 75KN m 3 /h,锅炉负荷减至 168T/h, 排烟温度 A 已降至 70℃,开始停炉检修,检查发现空预器入口段腐蚀断裂,更换一次风管 500 根。 6.2 管式空预器漏风时监护措施 1)针对 2009-12-25 日因空预器一次风泄漏,造成一次风量降低至 85KN m 3 /h,远低 于正常风量 110 KN m 3 /h。一次风机电流 154A(额定值 157A),不能再开风机挡板 调节风量,为保证锅炉安全稳定运行,特出一下特护措施:严密监视一次风量变化, 维护正常锅炉负荷运行;及时联系确认煤质情况比做好记录;严格控制炉膛出口负压 维持在 100Pa 稳定运行;床压维持在 10-11Kpa 运行,排渣采取少量勤排,维持低床 压运行,保证一次风量稳定;严格控制床温≦950℃,如床温高时及时汇报并采取降 低床温措施;如床温高于 950℃,立即控制床压在 9-10Kpa 运行,提高一次风量或申 请降负荷运行,防止床面结焦;经调整后床温急剧上升到 990℃,立即降负荷运行, 防止床温高高 1100℃联锁跳车;如果一次风量降低的到 80 KN m 3 /h,床温高无法控 制时,继续降负荷运行并及时汇报有关领导;通过调整二次风量调节氧量在正常范围 内。 2)由于运行的需要,在大修前如异常情况超出以下规定范围,采取措施无效时,申 请停炉。于 2010-1-7 具体规定如下:锅炉床温控制在 800-970℃;一次风量最低不 得小于 72 KNm 3 /h;床压维持 8500pa 运行,排渣采取少量勤排,最低不得小于 7500pa。炉膛差压维持大于 800pa 运行,最低不得小于 700pa。两侧返料温度不得 大于 970℃。做好流化床体及返料器内结焦的事故预想等。 7. 渭化管式空预器漏风原因及处理措施 渭化管式空预器漏风原因主要有(1) 由于煤的粒度、煤质灰分偏离设计值、运行中风速 过大等造成飞灰磨损严重。(2) 采用的材质 20 号锅炉钢,耐腐蚀性不好;由于早期暖 风器投用不正常、省煤器轻微泄漏,锅炉监护运行等造成低温腐蚀严重。因此从以下 两方面采取措施 1) 在防磨损方面采取:采取控制原煤的质量、选择合理的气流速度、 消除烟气走廊、加金属防磨盖板和防磨瓦、采用防磨超音速电弧热喷涂技术等。2)在防 低温腐蚀方面:将空预器管子由 20 号锅炉钢更换为耐腐蚀性好的考登管;正常投用 暖风器;发现省煤器轻微泄漏,及时停炉;调节好石灰石的比例、采用低氧燃烧技术、 控制炉膛燃烧温度水平等。 目前随着能源紧缺,节能降耗成为主题。在化工企业及电厂要求锅炉安全、经济、长周 期满负荷运行。 但对采用管式空预器的循环流化床锅炉, 空预器漏风即影响经济性又影响其 安全性。 本文对管式空预器的漏风的原因、 现象、 机理、 措施等及渭河煤化工集团公司 220T/h 循环流化床锅炉的管式空预器的漏风的分析和总结, 希望能提供借鉴经验, 是大家采取有利 措施,避免空预器漏风,使空预器发挥其重要作用,保证空预器安全,经济运行,尽可能地

降低排烟温度、提高传热效果,提高热效率,从而对保证锅炉的安全、高效、稳定、长周期 运行,提高能源利用率具有深远的意义。 参考文献 [1] 党黎军著. 循环流化床锅炉的启动调试与安全运行[M].北京:中国电力出版社,2002 年版. [2] 国家电力公司电力机械局,中国华电工程公司,中电联标准化中心.电站锅炉空气预热 器[M].北京:中国电力出版社,2002 年版. [3] 220t/h 高压循环流化床锅炉说明书,无锡华光锅炉股份有限公司[B].2002年版. [4] 卢啸风著.大型循环流化床锅炉设备与运行[M].北京:中国电力出版社,2006 年版. [5] 潘效军著.锅炉改造技术[M].北京:中国电力出版社,2006 年版. [6] 姚文达、姜凡著.火力厂锅炉运行及事故处理[M].北京:中国电力出版社,2006 年版. [7]蒋敏华.大型循环流化床锅炉技术[M].北京:中国电力出版社,2006 年版. [8] 郝卫平.循环流化床锅炉技术 600 问[M].北京:中国电力出版社,2006 年版. [9] 孙献斌.大型循环流化床锅炉技术与工程应用.[M].北京:中国电力出版社,2006 年版. [10]大屯煤电有限责任公司电力分公司 组编. 循环流化床锅炉实用技术问答[M].2005 年 版. 致 谢 (一)感谢对论文完成提供协助的动力车间技术组同仁; (二)感谢在论文完成后提出宝贵修改意见的各位同事


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