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1、 外置床受热面防磨技术及其在600MW CFB锅炉上的应用 关键词：外置床；磨损机理；防磨技术；600MW循环流化床锅炉 胡昌华 （四川白马循环流化床示范电站有限责任公司，四川内江，641005） 文 摘：针对300MW等级CFB锅炉机组外置床受热面存在的磨损、 爆管等现象，分析了外置床受热面的磨损机理及原因，提出了管 卡结构优化、监测外置床受热面管束出口汽温、热强度高的管子 绝热保温等防磨措施，介绍了600MW CFB锅炉机组外置床设计结 构，并将300MW等级CFB锅炉机组外置床的成熟防磨技术应用于 600MW等级CFB锅炉机组。 引言 外置床（外置式换热器）是循环流化床（CFB）锅炉的一
2、 部分，它是由一个或多个仓室构成的细粒子鼓泡流化床，布置 在高温灰循环回路中，位于分离器下部1。与不带外置床的 循环流化床锅炉相比，外置床使燃烧和传热分开，提高了床温 和汽温调节特性以及锅炉负荷调节的灵活性。对于锅炉设计来 说，它增加了锅炉及其受热面布置的灵活性，特别是方便了再 热器的布置，易于循环流化床锅炉的大型化2。 目前国内外大型CFB锅炉都采用在物料循环回路中布置受 热面来解决大型化后带来的受热面布置问题，如Lurgi公司的 CFB锅炉以及采用Lurgi公司循环流化床燃烧技术的原美国ABB- CE公司3、原法Stein公司4、法国ALSTOM公司等5，美国 Foster Wheeler
3、公司则采用“INTREX”流化床热交换器69 ，西安热工院开发研究了紧凑式分流回灰换热器1，东方锅 炉厂在国内首台600MW机组上设置了6台外置式换热器。 白马300MW CFB锅炉示范机组为国内首台投产的引进型 300MW等级大型CFB示范机组。该锅炉在炉膛两侧下部对称布置 了4台外置床，靠近炉前的2台外置床内布置高温再热器和低温 过热器，主要作用是用来调节再热蒸汽温度；靠近炉后的2台外 置床内布置中温过热器I和中温过热器II，主要作用是用来调节 床温。 经近7年的运行，白马引进300MW CFB锅炉的外置床内受热面 磨损问题逐渐暴露出来，主要表现为受热面管束爆管、个别管 子磨损和管夹与吊挂
4、管之间的磨损（如图1所示），影响了机组 的长期安全、稳定运行。本文结合该机组外置床的实际运行情 况，分析了外置床受热面的磨损机理及原因，提出了受热面防 磨方案，总结了取得的防磨效果，并将方案应用于600MW CFB锅 炉机组。 图1. 外置床磨损及爆管图片 1、外置床受热面磨损机理分析 CFB锅炉的外置床内主要存在颗粒对受热面撞击产生的 冲蚀磨损。冲蚀磨损存在两种基本类型，一种为冲刷磨损， 另一种为撞击磨损。对于冲刷磨损，颗粒与固体表面的冲击 角较小，甚至接近平行；颗粒对固体表面有一种刨削作用， 固体表面的磨损速率随时间增长变化不大。对于撞击磨损， 颗粒与固体表面的冲击角较大，或接近垂直，长期
5、、大量的 颗粒反复撞击使得固体表面疲劳破坏，随时间迁移，磨损速 率有增长的趋势，甚至变形层会脱落，最终导致磨损量突升 1。一般而言，颗粒对CFB受热面的磨损中撞击磨损非常小, 主要是冲刷磨损。但考虑到外置床内固体物料浓度高，使得 颗粒撞击受热面的频率相比于一般受热面较大，因而外置床 内撞击磨损的作用也很显著。 影响外置床内受热面磨损程度的因素很多，主要因素有 烟气速度及颗粒速度，灰粒的硬度、形状，灰粒的撞击频率 ，颗粒粒径和受热面管壁温度2。 大型循环流化床锅炉外置床运行在鼓泡床工况，流化风 速较低，约为0.30.5m/s，床内固体颗粒粒径较小，平均为300m 左右，因此，磨损问题虽然客观存在
6、，但与传统的鼓泡床相比 要轻的多。同时，大型循环流化床外置床内主要布置过热器和 再热器，工质温度大于400，床内温度为400900，根据传 热学原理，金属壁面温度基本在400以上，这就使得一般常规 的受热面材质的抗磨损性能显著下降。因此，大型循环流化床 锅炉外置床内受热面材质，特别是高温仓内，要求很高，而低 温仓内，由于壁面温度不是太高，要求一般。长期运行过程中 ，由于外置床局部流化不良或者风帽磨损会引起布风板上局部 流化风速过高，这对外置床内个别管子，甚至管排的磨损加剧 。 外置床内除了冲蚀磨损，还可能发生一种特殊的微振磨损 2。微振磨损发生在与传热管支撑件相接触的传热管管壁。在 常温条件下
7、传热管与支撑件之间紧固，不产生相对运动。而在 高温环境下，传热管与支撑件之间由于膨胀不同可产生垂直运 动，因而发生微振磨损。以低温过热器发生过的微振磨损为例 ：大量蛇行管道与防振板相互磨损，管卡与吊杆相互磨损。 这两种磨损现象实为同一个问题引起。究其原因，外置 床内自由管卡在竖直方向没有限位，管排的振动带动对应的 管卡在竖直方向上下振动，管卡与吊杆之间出现相对运动， 随着时间的增长，管卡与吊杆之间相互磨损，管卡与吊杆间 的间隙增大，管卡对管道的约束逐渐减弱，管排的振幅进一 步加强，加剧了管卡的磨损，同时还造成自由管卡对应的管 子与紧邻管卡的防振板之间产生相对运动，由此引起自由管 卡与吊杆和自由
8、管卡对应的管子与防振板同步磨损，严重影 响机组安全、稳定运行。 2 、防止外置床受热面磨损的措施及其应用效果 针对前文提到的白马300MW CFB锅炉机组外置床受热 面出现的磨损问题，经过长时间的探索研究，我们分析提出 一系列改造方案。 2.1 管卡结构优化 外置床管卡在管排的连接中起到定位的作用，在传统的 外置床管排设计中，管卡与吊挂管（吊杆）之间未焊接固定 且存在一定的间隙，在机组运行过程中，管卡与吊挂管（吊 杆）在流化风的作用下，存在相对运动，进而造成了接触磨 损。在300MW CFB锅炉外置床内存在两种管卡固定管卡 和自由管卡，这两种管卡均会对管排造成磨损。 因此，对于所有固定管卡，我
9、们采取的措施是：将所有 管卡和管卡间的圆环焊接为一个整体，将最上端的管卡焊接 到吊杆的上限位环上，最下端的管卡与下限位环间留5mm的 膨胀间隙，如图2所示。对于自由管卡，直接将管卡的上 端焊接到吊杆上，以将两种管卡进行定位，如图3所示 图2. 固定管卡改进方案图 图3. 自由管卡改进方案图 2.2 监测外置床受热面管束出口汽温 在白马300MW CFB锅炉机组大修期间，分别对该机组 #101和#301外置床受热面管束出口安装壁温热电偶并严格 保温（见图4），测量出口管束壁面温度值，该处的温度值 代表了管内汽温。在锅炉稳定运行时进行现场试验，详细 了解了不同功能外置床内高温仓受热面（中过II、高
10、再） 管束出口蒸汽温度沿循环灰流动方向的变化规律。试验结 果表明：外置床管束出口温度沿循环灰流方向逐级降低。 #301外置床中过II管束出口温度沿灰流动方向温度偏差最 大可达120，#101外置床高温再热器沿灰流动方向温度偏 差最大可达110，表明外置床高温仓受热面管束出口汽温 偏差是客观存在的。从蒸汽管路系统上看， #101外置床和 #301外置床受热面管束均采用U型联箱布置，理论上流量不 均性较小，同时外置床高温室内管束结构布置基本相同， 因此外置床高温室管束温度偏差主要由于吸热不均引起。 图4. 外置床受热面管束出口安装热电偶图 外置床内受热面管束的吸热量多少将影响管壁温度， 管壁温度则
11、很大程度上影响到受热面材料的机械强度，从 而对磨损产生影响。金属壁面的耐磨性能与壁面氧化膜的 厚度及其硬度有密切关系。外置床高温仓内循环灰温度在 700900，颗粒温度低于软化温度，则温度变化将不影 响其硬度和形状，因此颗粒的本身磨损性能基本不变，然 而管壁温度超过400左右时，由于热应力存在，氧化膜 和金属热膨胀系数差别及高温腐蚀的作用，磨损较400 时有所增加，因此，外置床高温仓受热面（中过II、高再 ）内磨损较低温仓受热面（中过、低过）磨损严重，需 要重点监测。 同时，个别管子由于现场局部检修、更换，焊接点过 多，造成该管通流直径变小，阻力系数增大。在管束进、 出压降及热强度不变的前提下
12、，这将引起其质量流量下降 ，出口汽温升高，金属温度升高，最终使得管子超温和磨 损加剧。 2.3 针对个别热强度高的管子，进行绝热保温 在外置床运行过程中，曾出现局部管排过热的现象，其 中最为明显的即为吊挂管局部过热，为了保证外置床的安全 经济运行，降低机组非停次数，我们在热强度高的管子进行 了绝热保护（见图5），降低了受热面的热强度，延长了机组 的运行周期。另外，必须加强对焊接过多的管子出口汽温的 监测，必要时更换整根管子。 图5. 热强度高的管子采取绝热保护 2.4 应用后效果 改造前、后外置床的运行参数见表1。从表1可以看出，200MW 负荷条件下，锅炉主汽流量和压力仍能达到设计值。 运行
13、参数改造前改造后 中过的进口蒸汽参数（左侧）/385349 中过的出口蒸汽参数（左侧）/467468 高再的进口蒸汽参数（右侧） /420420 高再的出口蒸汽参数（右侧） /543538 减温水量/t/h83154.4 主蒸汽流量/t/h620644.3 主蒸汽压力/MPa13.4712.34 主蒸汽温度/538535 再热蒸汽压力/MPa2.232.33 再热蒸汽温度/543537 3 、防磨技术在600MWCFB锅炉上的应用 白马600MW 超临界CFB示范工程机组是世界上装机容量最 大的CFB锅炉机组，由东方锅炉厂设计，设置有6个外置床（见 图6），两两布置在炉膛左右侧，其中靠炉前的两
14、个外置床中 布置的是高温再热器（HTR），中间的两个外置床中布置的是 二级中温过热器（ITS2），靠炉后的两个外置床中布置的是一 级中温过热器（ITS1）10。通过总结、实践带有外置床的大 型循环流化床的外置床内防磨经验，我国自主研发的600MW超 临界CFB技术更加成熟。 外置床换热器中各级受热面均采用单侧引入，单侧引出的 方式，各受热面管屏均采用蛇形管平行于灰流动方向的布置方 式。相比于300MWCFB锅炉外置床内受热面布置方式，这有效地 避免了外置床内各管排的热负荷强度不均匀造成的局部过热和 磨损的加剧。外置床内受热面管屏的固定及吊挂方式均采用引 进型300MW CFB锅炉的成熟结构，即
15、热仓中采用两片管屏共用 两根吊挂管的结构，冷仓中采用两片管屏共用两根圆钢吊杆的 结构，吊挂装置的设计均考虑了管屏热态时的轴向膨胀，保证 两个吊点在各种运行工况下都能均匀受力。 图6.白马600MW CFB锅炉主视图 为消除受热面管夹与吊挂管的磨损，600WM CFB机组外 置床设计时充分考虑了管排之间的磨损，采用了引进300MW CFB锅炉改进后的外置床受热面防磨技术，竖直吊挂管与水平 蛇形管间距为5mm，如图7所示，将消除管夹与吊挂管由于外 置床内管排的振动而发生的微振磨损 图7. 600MWCFB锅炉外置床内管夹与吊挂管的相对位置示意图 另外，为了准确掌握外置床内的流动与传热特性， 在各个
16、外置床外的受热面出口均布置了多组壁面温度测点 ，用来监测外置床受热面的出口汽温。通过现场的监测， 能够在机组运行过程中，准确的获知各个管子的吸热状况 ，避免爆管的发生。 4 、结论 （1）、外置床使燃烧和传热分开，提高了大型CFB锅炉床 温、汽温、负荷调节的灵活性以及煤种适应性，易于CFB 锅炉的大型化； （2）、外置床受热面的磨损存在冲蚀磨损和微振磨损，这 两种磨损均可采取管卡结构优化、监测外置床受热面管束 出口汽温、热强度高的管子绝热保温等防磨措施达到防磨 效果。 （3）、采用优化的外置床的防磨结构，可以保证锅炉在一 个大修期内不发生磨损； （4）、国内首台600MW CFB锅炉机组采用了引进型
