四角燃烧锅炉水冷壁磨损的原因分析及防磨措施

电力18讯：    0　前言
　　在国产电站锅炉中采用四角布置直流燃烧器，一般情况下喷口附近的水冷壁管子容易发生局部磨损。其特征是：局部磨损面积比其它受热面(过热器、省煤器等)管子大；磨损面减薄后在管内高压炉水作用下翻开，呈开窗状泄漏点，造成大量炉水喷入炉膛。如果泄漏发生在上一次风喷口附近，则炉膛火焰马上被水浇灭；如果泄漏发生在下二次风喷口附近，也会因为锅炉保持不了水位而被迫紧急停炉。所以对于单元制机组来说，喷口附近的水冷壁磨损会造成停炉停机事故，给电网的安全带来威胁。

1　喷口附近水冷壁磨损实例
　　牡丹江第二发电厂HG410/1009型锅炉，四角切圆燃烧，在上二次风喷口右侧的水冷壁上发生过局部磨损曾引起泄漏，泄漏面积(长×宽)170mm×45mm，导致停炉停机事故。
　　水冷壁规格φ60×5mm，局部磨损发生在喷口右侧第4～8根水冷壁管子上；磨损长度在130～340mm范围内，离喷口较远的第8根管子磨损面积较大，反之则较小；除第8根管子爆管，其余4根管子磨损最深已达1.8～3.0mm；磨损面下线基本与上二次风喷口下倾角度线对应(见图1)。


图1　喷口附近水冷壁磨损示意

　　一、二次风喷燃器采用1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊制成，厂家设计的一、二次风速(冷态)分别为23～23m/s和44～46m/s。喷口检查：一次风喷口正常；二次风喷口上边左侧已经烧毁变形，并向下塌腰(最大约40mm)，喷口左侧钢板向水冷壁变形约10mm，喷口里面接口处的二次风管上下左右都已经变形，呈波浪状。

2　原因分析
2.1　喷口出口射流与水冷壁的夹角
　　直流喷燃器以一定角度布置在炉膛四角上，在炉内旋转气流的作用下，喷口出口射流两侧的补气条件是不一样的，形成作用于射流侧面的压力差，使射流向压力较低一侧偏转，因此喷口出口射流两侧与水冷壁之间的夹角，分为小角和大角。做炉内空气动力场试验，在设计工况下测得炉内实际旋转速度圆大小为φ5.50～6.25m，喷口出口大、小夹角分别约为31°和4～5°(见图2)。可见小角侧气流根部距水冷壁很近，如果操作不当或炉内旋转速度圆直径偏大，气流就要冲刷水冷壁。


图2　喷燃器出口大、小角示意

2.2　喷口处的温度
　　在锅炉额定负荷下，测试下二次风口的温度：测试探头在喷燃器内距喷口端面1m，热风门全开，测得温度为320℃；探头至喷口端面，热风门全开，温度为540℃，热风门全关，此时温度为832℃。炉膛最高温度在1600℃左右，上二次风喷口对应中心火焰位置。由此可见，如果锅炉在额定负荷下，上二次风门全关时，其喷口处温度将远远超过下二次风口的温度(估计在1000℃左右)。
2.3　喷口的材质
　　喷口采用1Cr18Ni9Ti炉用耐热钢板。根据现场经验处于温度相对较低的下二次风喷口，也经常发生烧变形的情况。可见1Cr18Ni9Ti只适用于温度在600℃以下的工作环境。
2.4　二次风气流主导作用
　　二次风射流喷出后，不断卷吸周围的空气，因为二次风风速较高，大约是一次风的2倍，所以也不断卷吸位于上下的一次风粉混合物。如果二次风刷墙，则卷吸的煤粉就会磨水冷壁，管子的磨损量与烟气流速成3次方，因此喷口附近水冷壁的磨损一般都发生在二次风附近。从水冷壁磨损的情况可以看出，磨损位于二次风射流的下边(再下面是上一次风)，其磨损面正确地反映了一次风中的部分煤粉被卷吸到二次风后所留下的痕迹。
2.5　喷口处水冷壁结构
　　HG410/1009型锅炉喷口处水冷壁的结构见图3a，其喷口出口端面深入炉膛仅100mm(与四角顶点的距离)，喷口气流的根部基本上是贴着水冷壁。当出现喷口变形、炉内切圆直径偏大以及操作等原因使气流偏转时，都可能造成水冷壁的磨损。可见HG410/1009型锅炉，喷燃器的布置不尽合理。




图3　锅炉燃烧器布置示意

3　防止水冷壁磨损的措施
3.1　采用耐热铸钢喷口
　　将1Cr18Ni9Ti喷燃器改为耐温为1000℃的耐热铸钢喷燃器，实践证明改进后的喷燃器，运行中不变形，寿命都在40000h以上。
3.2　加长喷燃器
　　将喷燃器出口端面深入炉膛100mm(与四角顶点的距离)改为200mm，若不考虑其它因素，经计算小角侧*第8根水冷壁管与喷口射流之间的距离可增加50mm左右。在实际运用中在二次风喷口*小角侧焊一块不锈钢板，由于钢板的导流作用，小角侧的喷口位置向炉内推进了一些，增加了射流与水冷壁之间的距离；在二次风气流的影响下，避免了一次风中的煤粉磨水冷壁，这种办法在锅炉检修中是一种临时措施，可解决一些问题，比较正规的方法是制作加长的耐热铸钢一、二次风喷燃器，将旧喷燃器全部更换；这种方法比较适用于旧炉改造，改造后喷口附近水冷壁检查可由一个小修期延长至一个大修期，可省却大量炉膛搭架子的工作。实践证明效果很好。
3.3　校正切圆直径
　　将炉内假想切圆直径减小，可增加小角侧射流与水冷壁之间的距离。国内对固态炉采用的假想切圆直径一般为0.05～0.10的炉膛宽、深的平均值。HG