1、 1 / 33 目 录 目 录 1 第一章 绪论 2 第二章 省煤器的磨损 4 第一节 省煤器磨损的运行参数影响因素 4 第二节 省煤器磨损的结构影响因素 5 第三节 防止省煤器磨损的措施 6 第三章 膜式 省 煤 器8 第一节 膜式省煤器的耐磨机理 8 第二节 采用膜式省煤器应注意的问题 9 第四章 xxx 热电厂省煤器改造分析 10 第一节 xxx 热电厂省煤器改造背景 10 第二节 膜式省煤器改造计算 14 第三节 结论 19 第五章 结束语 20 参考文献 21 2 / 33 国产超高压锅炉省煤器改造 摘要： 本文从 xxx 热电厂省煤器运行中发生的问题出发，探讨了锅炉省煤器磨损的因素
2、和使用中遇到的问题，包括磨损、换热、布置和对锅炉烟气参数的影响。深入探讨了磨石省煤器的耐磨机理，对 xxx 热电厂省煤器提出改造方案设计。 第一章 绪论 我国是产煤大国，煤炭资源非常丰富，根据我国的能源政策，火力发电厂应以煤作为主要燃料，且动力用煤应尽量使用低品位劣质煤，加之现有的供煤和佩煤系统由许多不完善之处，电厂锅炉用煤煤质难以保证，锅炉燃煤多变且灰分不断提高，热值不断降低，燃煤总体 品味下降使锅炉受热面产生磨损、积灰、结渣、腐蚀等一系列问题，受热面使用寿命降低，锅炉爆管现象频繁。 根据 1992 年我国火电设备事故统计，当年锅炉事故占全部发电事故的 56%，而锅炉四管爆破事故占全部锅炉事
3、故的 64.2%，其中省煤器占 35.3%，过热器占 29.8%，水冷壁占 27.8%，再热器占 7.1%。产生事故的原因除管材和焊接质量问题外，主要是由于锅炉积灰、结渣、高低温腐蚀、磨损和振动引起 参考文献 9。 xxx 热电厂 4 台机组投产 16 年来由于省煤器泄漏造成的非计划停运每年都有至少 1 次，在石热电厂每年的非停指标 4 次的情况下，省煤器事故占有相当高的比率，造成了严重的经济损失。 国外对磨损、积灰、结渣、腐蚀和振动进行了大量的理论研究和实践探索，取得了丰富的研究成果和实践经验，国内有关大专院校和科研单位也正在积极开展研究，这些成果和经验散见于各专业杂志、3 / 33 鉴定资
4、料、论文研究报告中。 省煤器是利用锅炉排烟的热量加热锅炉给水的热交换设备，它装在锅炉尾部的垂直烟道中，是锅炉给水的重要加热受热面，在现代锅炉中起到不可忽视的重要作用。省煤器既能提高锅炉给水温度，改善汽包的工作条件；又能降低排烟温度，减少热能损失，提高锅炉热效率，节省 燃料。 但是由于省煤器受到含灰气流的冲刷，存在比较严重的飞灰冲蚀磨损。电站锅炉设备事故调整表明省煤器事故占整个锅炉事故相当大的比率，特别是当燃用含灰量较高的劣质燃料时，省煤器事故频繁发生。有资料表明，有的锅炉投产运行才 7000 小时就发生了省煤器爆管。省煤器的磨损爆漏已经成为当今威胁燃煤锅炉安全运行的主要问题之一。如何在设计、制
5、造、安装、运行等环节减轻磨损，对燃用高灰分煤的锅炉具有普遍的实际意义。 就目前而言，省煤器改造经常出现的类型有采用扩展受热面和安装低压省煤器。采用扩展受热面的主要方法是采用翅片管束或膜 式省煤器，主要用以减少省煤器管束的磨损；低压省煤器安装在空气预热器后，主要用以进一步利用锅炉排烟余热，提高锅炉效率。 xxx 热电厂 4 台 HG670/140-13YM 型锅炉，采用两组非沸腾式省煤器，每组有一个下联箱和两个上联箱，给水通过下联箱进入蛇行管组，加热后进入上联箱，再由 4X47 根悬吊管进入悬挂管上联箱，通过 2X8 根连接管将给水引入汽包。 额定负荷时省煤器出口水温为 271 C。 自投产运行
6、以来多次发生泄漏，早期的泄漏以安装缺陷为主因，多由于焊接工艺、安装工艺问题造成的未焊透、错口、咬边等缺陷在4 / 33 运行中逐渐 成为薄弱环节。最近 5 年的泄漏则以磨损和冲刷为主要原因。 参考文献 15 随着近两年开始的煤炭市场供应紧张局面，特别是最近一年的时间里， xxx 热电厂燃煤品种已经完全无法保证在最初设计的大同和小峪烟煤煤种 参考文献 14，来煤渠道由几个矿变成了近百个矿，应用基灰份由基本保持设计灰分的 27%变成从 25%到近 40%变化，平均的灰分在 35%左右，这大大加剧了锅炉对流受热面的磨损，最近两年里发生的两次省煤器部分泄漏停炉均是磨损造成的。 为此 xxx 热电厂拟对
7、省煤器进行改造，重新设计和布置受热面以提高省煤器的耐磨性和使用寿 命。 本文从运行参数和结构两个方面简要分析了省煤器磨损的影响因素和防止磨损的一般性措施。重点探讨了膜式省煤器的耐磨机理，提出了 xxx 热电厂省煤器改造的初步设计方案。 5 / 33 第二章 省煤器的磨损 第一节 省煤器磨损的运行参数影响因素 影响省煤器磨损量的运行参数有很多，下面逐一论述。 1 烟气速度。飞灰磨损量和烟气速度成 n 次方成正比。实验结果表明，冲蚀量与烟气速度 Vg 存在下述关系， E Vgn 其 n 值大小与灰粒的性质、浓度和粒度有关，有关各类试验资料表明n3，在 9-40m/s 范围内， n=3.3-4.0，
8、低速时可取 n 值下限。磨损量和烟气速度成的 n 次方的关系可解释为：冲蚀之所以产生，关键在于灰粒具有动能，颗粒动能与其速度的平方成正比，不但如此，磨损还和灰浓度（灰浓度又与速度的一次方成正比）、灰粒撞击频率因子和灰粒对被磨损物体的相对速度有关，因而可以近似认为磨损量与烟气速度的 3 次方成正比，烟气速度的提高，会促使上述有关因素的作用加强，从而导致磨损的迅速发展。 参考文献 9 2 气流湍流度。气流绕过管子后，形成强烈的尾迹漩涡区，因此气流的湍化更加强烈了，尾迹内的湍流强度比来流的湍流强度高得多，气流的脉动速度 增加从而增大了颗粒湍流扩散的作用，致使一部分本应和壁面碰撞的颗粒受湍流脉动的影响
9、而远离壁面，所以碰撞因子下降，冲蚀磨损量也随之减少。 参考文献 10 3 管子倾斜布置。当管子的倾斜角增大时，管子的飞灰磨损量是先增大后减小的；其磨损量最大值出现在倾斜角为 38时，之后逐渐降低，至 60时已和不倾斜管一样，当倾角 60时磨损量变得比不倾斜时还要低。 4 灰粒直径。灰粒直径增大时，管子的磨损量增加，但当灰粒直6 / 33 径达到某一临界值后再增大，管子的磨损量变化趋于缓慢。一般认为在相同的颗粒浓度下，颗粒的直径越大， 单位体积内颗粒数越少，虽然大颗粒冲击管壁的磨损能力较大，但由于冲击到壁面的总的颗粒数降低，故材料的磨损量仍然变化不大。 5 管壁材料。被磨材料的磨损不仅与颗粒的硬
10、度有关，也与被磨材料的硬度和 HD 与灰粒硬度 HP 的比值，当 HD/HP 0.5 0.8 时，增加被磨材料的硬度，磨损量会迅速下降。 6 烟气温度的影响。烟气温度的变化在灰粒软化温度以下时对飞灰本身的磨损性不产生影响。但是在不同的温度范围，金属表面的氧化膜组成会发生变化，不同的氧化膜的厚度和硬度不同，只有当烟速大于某个临界速度后，飞灰颗粒的作用足 以破坏氧化膜层后，金属表面才开始产生磨损。临界速度随金属强度和氧化膜组成的变化而变化。氧化膜的厚度还将随着时间的增加而增加，因此，当管子氧化膜的形成速度大于飞灰对于管壁的磨损速度时，则对流受热面的磨损仅磨掉了氧化膜。 7 烟气成分的影响。由于烟气
11、中常有一些腐蚀性气体如 SO2、 SO3、H2S等，在 250 C以下烟温时这些腐蚀性气体会对壁面产生腐蚀作用，即使在 300 C 以上壁温时，烟气中的 O2、 SO2 和壁面的氧化铁层作用仍会产生 SO3，并腐蚀管壁，这些腐蚀产物容易被灰粒冲掉，有关实验材料表明，在有腐蚀性气氛 的烟气中比中性烟气的磨损速度快4-5 倍，但我没有找到更多的定量研究材料。 第二节 省煤器磨损的结构影响因素 工程上对省煤器飞灰磨损影响比较大的结构因素为：管束相对间距，受热面布置，烟气走廊，烟气流向，管束布置方式。 7 / 33 1. 管束相对间距 当管节距与管径之比 S1/d 减小时，灰粒在管间流动的平均速度与进
12、入管束前的平均速度之比 Vp/Vp0 增大，也就是说灰粒在流入管束后，随着向前流动不断被加速，而且， S1/d 越小，灰粒被加速得越强烈。 根据锅炉热力计算标准中推荐使用的管壁磨损公式可知： E=aM k (kvvg)3.3R902/3(1/2.85 kD) 3.3(S1-d)/S12 (a 为考虑灰的磨损特性系数，通常取 a=14*10-9mm*s3/（ gh）；为飞灰浓度 g/m3； k 和 kv为飞灰浓度场和烟气速度场的不均匀系数，型布置的锅炉 k =1.6， kv=1.6，为管子的运行周期； kD 为在锅炉铭牌出力下的烟气计算速度； R90位在 90 m 筛子上的飞灰剩余量； M 为管
13、材的抗磨系数，对于碳钢 M=1； vg为最窄截面上的烟速。 ) 2. 烟气走廊 烟气在走廊里是加速运动的，根据石热电厂 1998 年对低温再热器和省煤器处烟气走廊流速初步测试发现省煤器出口处的烟速达到了入口烟速 1.8 倍。 参考文献 13 烟气走廊中的烟气既来自走廊进口断面，也来自横向流动烟气，而烟气走廊中的速度增长率取决于横向流动。为了改善烟气走廊对飞灰磨损的影响，就需要从改善走廊进口条件和横向流动两方面入手，降低烟气走廊的宽度和进口断面流速的不均匀程度，降低管束与烟气走廊之间产生的静压差可减轻飞灰磨损。 3. 烟气流向 烟气由上而下流动时由于烟气中的颗粒受重力作用不断加速，从而加剧了对受
14、热面的冲蚀磨损。相反，烟气由下 而上流动时受重力的反作用颗粒的速度会有所降低，降低了碰撞速度，所产生的飞8 / 33 灰磨损要轻。 4. 管束布置方式（错列管束与顺列管束） 在布置省煤器管束时，管排布置方式有两种，即顺列布置和错列布置。顺列管束的第一排管在相同条件下与单管的飞灰磨损量相差不大，而对于顺列管束的第二排管束来说，由于第一排管束的阻挡作用，第二排管子的飞灰磨损较之第一排管要轻。当飞灰颗粒直径增大时，和第二排管子碰撞的颗粒就增多，顺列管束各排管的飞灰磨损量是增加的。 对于错列管来说，由于第一排管束对第二排管束起不到保护作用， 而且通过第一排管束的引拽，灰粒在流经第一排管束而撞击达到第二
15、排管束之前速度又有所增加，对于小颗粒来说较少和第一排管子相碰撞但是几乎全都和第二排管子相碰撞，所以错列管束第二排管的飞灰磨损量比第一排管束大的多。 在相同的条件下，错列管束与顺列管束第一排管的飞灰磨损规律基本一致，在同一来流速度下颗粒越大磨损越大，而当来流速度一定时，颗粒越大则磨损量也越大。错列管束的第二排管子磨损量大于第一排管子。 实践证明，在 xxx 热电厂省煤器发生的磨损爆管现象中，很大一部分比例是由于第二排以下的管子变形出排形成错列布置而被冲刷 减薄爆管的。 第三节 防止省煤器磨损的措施 根据上述影响省煤器磨损的因素，一般有以下对策： 1 设计合理的烟速 根据设计要求，通常希望管子有
16、10 万小时的运行寿命，省煤9 / 33 器的管子规格为 32x4mm，材料 20G，设计壁厚余量 2mm，年磨损量0.2mm/a。首先，确定飞灰的平均粒径 d。 假设在进入管束前烟气速度均布，用 vg0表示，进入管束后，由于横向节距的影响，烟气平均速度增加为： vg= vg0S1/(S1-d) 假定颗粒在进入管束前的平均速度为 vp0= vg0 vt, vt 为颗粒的终 端沉降速度。 设未撞到第二排管子上的颗粒速度为 vp1，撞到第一排管子反弹至第二排管子上的颗粒速度为 vp2，通常 vp2 vp1，撞击在第二排管子上的颗粒速度为 vpa，则 vpa 应由 vp1， vp2混合组成并和粒径、
17、节距 S1、S2有关，取 1= vp1 /vp2， 1可查图 参考文献 9。 当 S1/d 2时，最大局部磨损发生在错列第二排上，但是当 S1/d2 时，部分颗粒可能既没有碰到第一排管子也没有碰到第二排管子，有足够的加速时间，致使颗粒速度 vp vpa，从而引起最大局部磨损后退的结果， 2= vpa /vp， 随 S1/d 的变化可在相关文献里查到。 令 k= vp1 /vp0则根据允许的颗粒碰撞速度 vp（根据允许的磨损量计算公式求出）和 vg= vg0S1/(S1-d)可以求出管间允许的烟气流速为： vg= (vp 1 2/k vt) S1/(S1-d) 其中 ， k=1/mlg (S1/
18、 d)p 参考文献 9 如果知道允许的管子最大磨损厚度和要求的运行时间，则飞灰碰撞速度 vp不应大于： vp Emax/ (aM k CdC Ct )1/n kD /kv 参考文献 9 然后反求管间允许烟速。 10 / 33 2 减小烟气走廊，在省煤器前后加疏型板或疏形管，增加烟气走廊出入口阻力，降低进入烟气走廊的烟气数量。 3 降低速度不均系数和浓度不均情况。局部烟速过高的磨损使管子泄漏爆管，所以要改善磨损，一定要使速度场尽可能的均匀，也就是说要使烟气流动阻力均匀，否则，即使平均烟速降低对减轻磨损的作用也不大。因此，在烟道转弯处加装导向板。 4 增加 S1/ d。 5 对省煤器的弯头和第一排
19、管子加装护板或护套、假管等。 6 控制锅炉漏风、氧量和炉膛负压，控制煤粉细度。以降低尾部烟气流速、腐蚀速度。 7 减少管束阻力如：采用顺列管束、加大横向节距、加大管径等。 8 管子表面进行热处理、喷涂、堆焊等工艺或局部使用防磨涂料。 9 使用翅片管是一种简单有效的防磨措施。单翅管能防磨原因在于单翅管的传热性能优于光管，使用单翅管就有可能降低烟气流速，因此使用单翅管可以大大减轻飞灰对省煤器的磨损。翅片管的相对高度 h/d(翅片高度和管径的比值 )越大，使用翅片管的防磨效果就越好，而翅片的厚度对防磨的效果并无影响。翅片管存在着安装准确性以及积灰等问题。 10 采用膜式省煤器。膜式省煤器防磨原因： 6.1 膜式省煤器可以稳定气流，从而减轻灰粒对管束 的磨损； 6.2 膜式省煤器中气流在金属壁面将形成稳定的层流底层，从而起到保护管壁的作用； 6.3 金属膜片的存在，干扰了因烟气绕流而在管子背面所产生的局部负压的形成，使靠近管壁的灰浓度下降，减轻了管壁的积灰；
