摘 要：连州发电厂420 t/h燃煤锅炉投产运行了两年多，其省煤器泄漏现象相当严重。为此，对省煤器泄漏的原因进行了分析，详细分析了烟气流速、飞灰浓度和受热面布置形式等对省煤器磨损的影响。根据发电厂的实际情况，对省煤器的改造进行了探讨，提出采用膜式省煤器可以较好地解决泄漏问题，并给出具体实施方案。
关键词：省煤器；磨损；泄漏；改造
连州发电厂一期工程共有2台420 t/h燃煤锅炉，哈尔滨锅炉厂制造生产，分别于2000年3月和2000年8月投入生产，运行了两年多，其低温省煤器磨损泄漏现象严重，加上管子布置不合理，坏管无法更换或检修，严重危及锅炉的安全运行，因此很有必要彻底解决这两台锅炉低温省煤器的磨损泄漏问题。
1省煤器原始结构
连州发电厂420 t/h锅炉原低温省煤器，采用光管式、错列布置在锅炉尾部烟道。在迎气流方向的第1排、第2排管子的上方均装有Q235A材料的防磨罩，其主要参数为：管子规格ø32mm×4；横向节距90 mm，纵向节距33 mm；横向37排，纵向24排；对流受热面积1 394 m2；进口和出口水温240 ℃，进口和出口烟温346 ℃；进口水速0.5 m/s，平均烟速7 m/s。
2省煤器泄漏及磨损原因分析
21省煤器泄漏原因分析
引起省煤器泄漏的主要因素有：防磨装置损坏；给水品质不合格，造成省煤器管受腐蚀；飞灰磨损；管材或焊接质量不合格；水垢、焊渣或其他杂质堵管，使部分管子出现过热损伤；给水温度变化大，或点火升压过程中补充水温度不高，使管子受到不正常的应力；省煤器再循环门使用不当；吹灰器安装不正确，使管子受到冲刷损坏等［1］。连州发电厂2台锅炉的低温省煤器磨损严重，1号炉7次检查中发现72根管严重磨损，2号炉5次检查中发现53根管严重磨损。1号炉投产一年半低温省煤器因磨损爆管3次，2号炉低温省煤器因磨损爆管1次，共造成机组4次非计划停机。连州发电厂低温省煤器泄漏的主要原因是飞灰磨损。
2.2省煤器磨损原因分析
飞灰气流横向冲刷省煤器管壁表面而产生的磨损过程是一种非常复杂的物理过程，就磨损最严重的区域看，磨损是因灰颗粒的冲击与切削作用引起的，尤以后者为主。省煤器的飞灰磨损程度决定于烟速、烟气温度、烟道的漏风量、烟气中的飞灰浓度、飞灰的含碳量、飞灰颗粒的硬度和强度、飞灰的几何形状、沿烟道截面的速度场与飞灰浓度场的不均匀程度，以及管束的几何形状和管材的抗磨性等因素。若不考虑锅炉运行工况的影响，它们之间的关系可表示为［2］：
式中：δmax——管子的最大磨损厚度；
α——飞灰磨损性系数，与煤灰的磨损性及管束的结构特性有关；
η——飞灰的管壁撞击率，试验结果表明它与飞灰的颗粒大小、气流粘性、气流速度以及管子直径有关；
m——金属抗磨性系数，碳素钢为1.0，合金钢为0.7；
κ——飞灰浓度；
βκ——飞灰浓度场分布不均匀系数；
βw——烟气速度场分布不均匀系数；
t——时间；
w——飞灰速度，可视为等于烟气流速。
2.2.1烟气流速的影响
连州发电厂低温省煤器的磨损是大面积的磨损，且是在锅炉运行一年后发生的，烟气流速按7 m/s设计，照理说低温省煤器的磨损是不会如此严重的。为了分析低温省煤器大面积严重磨损的原因，进行了尾部烟道的烟气分布特性试验。试验数据表明，锅炉低温省煤器中间部分的烟气流速仅为3～5 m/s，靠近前、后墙的烟气流速偏高，达10～11 m/s［1］。烟气流速呈不均匀分布，局部烟气流速过大，根据式(1)，管壁磨损厚度与烟气流速的3次方成正比，故前、后墙第1至第5排管的磨损特别严重。由于第1层管子上方装有防磨罩，故第1层管基本没有出现磨损，但部分防磨罩已被严重磨薄。经第1层管的防磨罩阻挡后，烟气流向发生了变化，直接冲刷第2层、第3层管子的侧面，使侧面严重磨损，而安装在第2层管子正上方的防磨罩基本上不起作用。
2.2.2飞灰浓度的影响
连州发电厂燃烧的煤主要是湖南临武、宜章的无烟煤，原煤的灰分高达30%～40%，导致尾部烟道的飞灰浓度较高，飞灰浓度越高，对管壁的磨损就越严重。由于低温省煤器靠近前、后墙的烟气流速偏高，高速烟流卷吸灰粒，使前、后墙附近的飞灰浓度进一步增大，加快了前、后墙附近管子的磨损速度。
2.2.3受热面布置的影响
连州发电厂低温省煤器采用错列布置，设计每列横向节距为90 mm，前、后墙第1排管与炉墙的距离为80 mm。实际上由于安装不当，每列横向节距极不平均，部分管子横向节距很小，有些甚至紧靠在一起，而另外一部分管横向节距大于90 mm，前、后墙第1至第5排管及中间个别管的横向节距为120～150 mm。前、后墙第1排管与炉墙的距离为200～250 mm，由此引起烟气流速的不均匀，造成个别管磨损特别严重。
3改造方案的探讨
3.1改变受热面布置方式
由错列布置改为顺列布置，这样虽然可以减少磨损，但要增加受热面，并且容易产生积灰。
3.2加装飞灰分离装置
在省煤器前加装飞灰分离装置，减少飞灰浓度，但要实现必须有足够大的烟道空间。
3.3改善受热面的结构特性
改善受热面的结构特性，降低烟气流速，减少飞灰尤其是大颗粒飞灰的撞击率。但烟速降低意味着传热系数的降低，为了保持省煤器的吸热量不变，就必须增加传热面。增加传热面的方法很多，结合改善受热面的结构特性，可考虑采用的省煤器主要有鳍片管省煤器、肋片管省煤器和膜式省煤器。
采用鳍片管省煤器可以在占用空间变化不大的情况下，大量地增加传热面积，有效地减少轻管壁的磨损，但积灰比较严重，特别是使用高灰分煤及低负荷运行时，以及在有粘结性积灰的场所［3］。连州发电厂燃煤灰分高达30%～40%，属于高灰分煤种。肋片管省煤器的现场焊接工作量比较大，因此不易采用鳍片管或肋片管省煤器。
对于膜式省煤器，国内外都进行了大量的试验研究。与光管式省煤器进行比较，在同样条件下，膜式省煤器的金属耗材比光管式省煤器少10%左右，烟气流速低72%以上，磨损速度为光管式省煤器的08倍以下，即可以延长使用寿命25%以上。另外同肋片管省煤器一样，膜式省煤器可以在管排高度变化不大的情况下，增加烟气流通截面积，降低烟气流速，使防磨效果更好，而且其沾污程度比肋片管省煤器低得多。正因为如此，国内外许多发电厂都将光管式省煤器改造成膜式省煤器，如锦州电厂、佳木斯电厂和通辽电厂等都先后进行了改造，运行效果很好。
4膜式省煤器防磨机理
膜式省煤器相对于光管式省煤器增加了膜片，相当于增加了受热面，因此可以减少管排数，在相同的烟道截面下，降低烟速。
由于膜式省煤器的膜片将烟道分割成一个个完全独立的曲径小烟道，小烟道两侧墙均为冷却面，热烟会流经其中。首先得到冷却的是靠近两边的烟气，中间烟气靠对流传热，冷却较慢，这样形成的烟气温度场为中间高、两边低。在曲径小烟道中流动的烟气由于受到壁面摩擦力的影响，靠近膜片与管子的气流速度降低，远离管子和膜片的气流速度增大。图1为膜片省煤器的烟气流动示意图。在管子上下部及膜片附近是涡流、环流区，再往中间依次是层流区、过渡区和紊流区。在涡流区和层流区分界处，烟中灰粒浓度和粒度发生变化，10～30 μm的灰粒大都被涡流卷走，而涡流对30 μm以上的灰粒卷吸力不够，因此这部分被高速的紊流烟气所挟走，从而导致烟气流中灰粒浓度分布为中间高两边低，且50 μm以上较粗灰粒都分布在小烟道中间部位。这种高速烟气流卷吸灰粒的速度效应，减少了省煤器的受损机会。
5建议改造方案
由光管式省煤器改造为膜片式省煤器，必须选择合适的膜片规格和烟气流速，并对锅炉省煤器进行热力计算，以便确定膜式省煤器的受热面积、管排数和管组高度。在考虑留有足够的检修空间的条件下，确定各级联箱的位置，另外还要进行管内工质的流动阻力校核计算和支吊部件的强度核算。
5.1选择改造方案的基本原则
由于前次锅炉改造时对上级省煤器进行了改造，因此本次改造只能针对下级省煤器，原则上保持改造前后的下级省煤器进、出口烟温和水温等参数不变，空预器位置、支吊方式不变，同时保证排烟温度在现运行条件下不再提高。
需全面考虑改造对锅炉稳定运行的不良影响因素和设计布置的具体情况，改造后原下集箱位置下移约300 mm，省煤器支撑梁相应下移。吹灰孔、人孔及相应平台位置不变，以减少改造工作量。
5.2主要参数的选取
通过相关计算，确定改造后省煤器的主要参数如下：管子规格32 mm×4；横向节距105 mm，纵向节距45 mm；横向31.5排，纵向24排；受热面积2 767 m2；鳍片厚度3 mm或4mm，鳍片高度29 mm；烟气通道面积45.37 m2，水通道面积0.228 m2；进口水温240℃，出口水温261 ℃；进口烟温346 ℃，出口烟温297 ℃；燃料耗量计算值57.784 t/h；水流速0.6 m/s；烟气流速6.5 m/s。
5.3结构设计参数的确定
改造后低温省煤器质量增加29.4 t，经下梁支撑载荷核算，原设计承荷裕量已满足，原有的省煤器支撑梁不变，下集箱固定结构不变，上集箱吊梁利用原有的结构改接，上部吹灰孔和人孔门上移300 mm，下部人孔门不变，平台楼梯不变。
低温省煤器采用钢梁支撑和吊挂相结合的形式安装，管子下部由下梁支撑，为了使运行后管子仍能保持间距均匀，根据现场的具体情况上部采用吊挂方式或固定装置安装。
5.4其他防磨措施
在省煤器管子弯头和未焊接鳍片处设防磨罩及盖板，材料用耐热、耐磨的SA309S不锈钢板。膜式省煤器常规设计管束前为扁钢鳍片，对上层管束仍有一定的磨损，为防止局部磨损，在省煤器管束前加装假管，并在假管前加装鳍片。
6结束语
低温省煤器磨损泄漏，将危机发电厂锅炉的安全运行。上述对连州发电厂锅炉省煤器的建议改造方案，将于2003年的机组大修过程中实施，相信将使连州发电厂的低温省煤器磨损程度大大降低。
参考文献
［1］广东省电力试验研究所. 连州发电厂1号机组性能试验报告汇编(锅炉专业)［R］. 广州：广东省电力试验研究所，2001.
［2］ 南京工业大学，西安交通大学热能动力热能教研室. 电厂锅炉原理［M］. 北京：电力工业出版社，1980.
［3］ 巴布克科ˉ威尔科克斯公司. 蒸汽的发生与应用［M］. 北京：兵器工业出版社，1990.
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