燃气锅炉省煤器泄漏原因分析及对策.doc

评审论文

燃气锅炉省煤器泄漏原因分析及对策

马大元
能动中心设备室

【摘要】省煤器是锅炉设备中最重要的换热设备之一，本文通过对90 t/h煤气锅炉省煤器泄漏频繁的原因进行分析，提出了解决问题的对策并实施，取得了良好的效果，为解决锅炉省煤器故障提供一种新的思路，对煤气锅炉设计使用和维护具有一定的参考作用。
【关键词】 锅炉 省煤器 低温腐蚀 沸腾率
1 前言
攀钢能源动力中心现有三台纯烧煤气锅炉，一台CG-90/3.82-Q中压锅炉，两台DG240/9.82-M高压锅炉，均为自然循环、采用四角切圆布置的气体燃烧器。锅炉相继从2006年1月至2011年2月投产。锅炉自投产以来，省煤器泄漏故障较多，特别是90 t/h中压锅炉省煤器频繁泄漏，到2015年1月，一级省煤器泄漏15次，二级省煤器泄漏21次，导致锅炉故障停炉次数较多，给生产造成较大影响。通过对省煤器的泄漏位置、时间进行统计，未发现规律，所以找出该锅炉省煤器泄漏的原因并处理显得极其重要。
1.1 锅炉主要参数
额定蒸汽流量：90t/h
额定蒸汽压力：3.82Mpa
额定蒸汽温度：450℃
给水温度：140℃
锅炉出口烟气设计温度：≤150℃
锅炉设计效率：≥87.5%
燃料结构：焦炉煤气：高炉煤气=1:9（体积比）
设计燃料成分见表1，锅炉设计热力计算数据汇总见表2：
表1 90t/h锅炉设计燃料成分
燃气名称
发热值
KJ/Nm3
CO
(%)
CO2
(%)
H2
(%)
CH4
(%)
N2
(%)
O2 (%)
CmHn
(%)
高炉煤气
3372.9
25.26
16.7
1.005
0.2
56.59
0.2
/
焦炉煤气
15334
8.15
2.18
62.56
20
4.81
0.28
2

表2 90t/h锅炉设计热力计算数据汇总表
名称
符号
单位
炉膛
凝渣管
高过
低过
二级省煤器
二级预热器
一级省煤器
一级预热器
烟气入口温度
q1
℃

894
868
787
628
428
353
205
烟气出口温度
q2
℃
894
868
787
628
428
353
205
150
烟气平均速度
Wy
m/s

7.36
10.5
12.83
12.62
17
11.1
12.5
工质平均速度
W
m/s

20.4
20.2
1.03
7.5
0.8
6
工质入口温度
t1
℃
255
255
362
255
228
170
140
20
工质出口温度
t2
℃
255
255
450
389
294.6
380
228
170
温压
Dt
℃

626.1
416
375.8
261
95.8
81.9
69.7
传热系数
K
W/m2℃

68.85
64.9
70.25
81.9
21.75
72.43
20.2
受热面积
H
m2
651.1
38.82
176.3
369
553.3
2194
1437
2358
传热量
Q
KJ/Nm3
1400
72
204.3
418
507.6
196.4
365.9
143
1.2 锅炉省煤器概况
省煤器处于锅炉的尾部烟道，其主要作用是利用锅炉燃烧后产生的高温烟气，对省煤器蛇形管内的水进行加热，降低尾部烟温，提高锅炉热效率。锅炉省煤器为上下级布置，与烟气流向呈逆流方式的水平管圈组成，置于烟道的低温过热器下方。一、二级省煤器均为焊接鳍片式省煤器，一级省煤器沿烟道宽度共有73排蛇形管，二级省煤器沿烟道宽度共有53排蛇形管，平行于侧墙顺列布置；蛇形管为φ32×3mm，材质为20G，焊接式鳍片为扁钢20×3，材质为Q235-A.F；一级省煤器横向管排间距35mm，纵向间距120mm，二级省煤器横向管排间距45mm，纵向间距120mm。
2 燃气锅炉省煤器泄漏原因分析
燃气锅炉省煤器泄漏的原因是多方面的，通过故障现象并结合运行操作和设备结构本身上面从以下几方面分析省煤器泄漏的原因：
2.1 飞灰磨损
该锅炉的燃料为高炉煤气和焦炉煤气，煤气经过清洗过滤后，煤气中的粉尘浓度小于5mg/Nm3，煤气燃烧后生成的烟气大致是煤气体积的2倍，所以烟气中的粉尘浓度大致在2~2.5 mg/Nm3，烟尘对省煤器管子磨损较小，且从省煤器管子的泄漏地点看，管子没有磨损的痕迹。
2.2 省煤器超压、过热
对泄漏的省煤器管子进行取样检查，未发现管内结垢及管外积灰的情况，而且对省煤器泄漏的地方进行查看，未发现爆口的迹象。从运行记录中的给水压力、蒸汽压力、一级省煤器和二级省煤器的烟温，都未出现过超温、超压现象，所以超压及过热不是省煤器泄漏的主要原因。
2.3 省煤器腐蚀
2.3.1 省煤器的低温腐蚀
焦炉煤气在燃烧过程中会生产一定数量的SO2，二氧化硫在高温环境下，进一步氧化生成三氧化硫，当烟温低于200℃时，SO3会与水蒸气结合生成硫酸蒸气，尽管烟气中的SO3含量极少，但降至酸露点以下时，冷凝于受热面上的硫酸溶液具有很高的浓度，使受热面产生明显的腐蚀。该锅炉设计给水温度为140℃，实际给水温度只有100℃左右，导致一级省煤器下段烟气温度低，管壁温度仅有120-130℃，此温度恰好位于凝结酸量与腐蚀速度最大范围内，出现严重的低温腐蚀，当管子腐蚀到一定程度时，就会发生泄漏。从现场查看一级省煤器下段管子的情况：管子上粘附有大量的积灰，用水冲洗后，其背风面露出厚度约为1.5mm的硬质灰层，这是烟气中的硫酸蒸汽凝结发生腐蚀时伴生的低温粘结性积灰，在硬质灰层覆盖的管壁上，管子被腐蚀得坑坑洼洼，检测冲洗管子排出的水的PH值为2~3，说明烟气中含有腐蚀性极强的酸性物质。
从以上情况说明，燃气中“硫”成分存在，排烟温度低导致低温腐蚀是一级省煤器下段泄漏的重要原因。
2.3.2 给水水质造成的腐蚀
该锅炉的给水溶解氧在5μg /L左右，给水PH值在9.0左右，给水电导在4.0us/cm左右（国家标准要求溶解氧≤15μg/L，PH值基本保持在8.8-9.3之间，导电度在10us/cm以下）。从以上的给水指标看，给水水质不会造成省煤器腐蚀。
2.4 省煤器吸热量大，沸腾率高
由表2可以看出一级省煤器设计受热面积为1437m2，二级省煤器设计受热面积为553.3m2，而根据省煤器的实际图纸（如图1）进行核算：
5420
100
联箱
联箱
36
3
φ32×3

图1 二级省煤器蛇形管布置及截面图
二级省煤器沿烟道宽度共有53排蛇形管，平行于侧墙顺列布置，蛇形管规格为φ32×3mm，焊接式鳍片为扁钢20×3，则根据上图可计算出二级省煤器光管面积为：
32/1000×3.14×5420/1000×16×53=461m2
由于该省煤器为鳍片式省煤器，根据扩展受热面计算公式：
S1=L[πd+4（h-0.002）]…………（1）
式中：L—管子长度；d—管子直径（外径），0.032mm；h—鳍片高度，0.02mm。
同长度的光管受热面积：
S2=Lπd…………（2）
由公式（2）÷（3）可以得出鳍片管与光管的受热面积比
K= L[πd+4（h-0.002）]/ Lπd=1.72
考虑到省煤器管子弯头处没有鳍片，所以取K=1.7，所以二级省煤器的实际受热面积为：
S=461×1.7=783.7m2
同理：一级省煤器的实际受热面积为2027.5 m2。
实际受热面积与设计值相比较，一级省煤器实际受热面积比设计面积大590.5m2，二级省煤器实际受热面积比设计面积大230.4 m2，省煤器受热面积增大，吸热增多，导致省煤器的沸腾率升高，原省煤器设计沸腾率为10.8%，根据省煤器的实际受热面及排烟温度可以算出省煤器的实际沸腾率达到24.39%（一般锅炉省煤器沸腾率不超过20%），由于沸腾率高，省煤器局部蛇形管发生膜态沸腾，导致传热恶化，蛇形管局部过热，使管子出现裂纹或爆管泄漏。
2.5 省煤器的制造缺陷
省煤器结构采用了纵向鳍片式，鳍片材质选择的是Q235-A.F，省煤器管子材质为20G，这两种材料含碳量及杂质含量低，焊接性好，因此鳍片管焊接内在质量容易保证，但省煤器管子较长、壁厚较薄，焊接后焊缝部位会产生很大的纵向残余拉应力，在省煤器受热或冷却后，部分应力表现尤为明显，引发泄漏；同时，经检查发现，焊缝收口处存在多处咬边现象，这也是省煤器泄漏的诱因。
2.6 省煤器的安装缺陷
按照省煤器的安装标准及图纸，对省煤器的联箱标高、水平度及膨胀间隙，蛇形管间距及水平度、管夹位置及间隙、吊架等情况进行复查，未发现超出安装标准及设计规范要求的情况，所以省煤器不存在安装缺陷。
3 省煤器泄漏的对策及实施
针对上述原因，控制煤气中的“硫”成分，目前工艺不具备条件，因此只能从锅炉设备及工艺上寻找方法。根据锅炉现有烟气的露点及锅炉效率，从新设定排烟温度为155±5℃、给水温度为130±5℃，按照现有锅炉的实际结构型式，过热器及空气预热器结构及面积不变，省煤器采用光管对省煤器的面积进行校核，经过上述校核后，确定为一级省煤器的面积为940m2，二级省煤器面积为455m2。按照参烧90%（体积比）高炉煤气的燃料进行校核计算，其热力计算汇总如下：
表3 校核改造热力计算数据汇总表
名称
符号
单位
炉膛
凝渣管
高过
低过
二级省煤器
二级预热器
一级省煤器
一级预热器
烟气入口温度
q1
℃

955.59
929.07
817.41
645.9
433.79
345.13
220.4
烟气出口温度
q2
℃

929.07
817.41
645.9
433.79
345.13
220.4
150.3
烟气平均速度
Wy
m/s

6.65
10.27
12.16
11.82
15.02
9.1
11.65
工质平均速度
W
m/s

21.29
21.33
1.06
15.68
0.73
9.5
工质入口温度
t1
℃
255
255
365
258
206
178
147
20
工质出口温度
t2
℃
255
255
450
396
255
382
206
177
传热系数
K
W/m2℃

57.971
57.4049
59.5333
75.9667
21.1374
58.7597
19.8202
受热面积
H
m2
651.1
34.1
157
347
455
2265
940
2333
传热量
Q
KJ/Nm3
334.80
19.0421
58.73
117.01
140.68
57.53
79.31
43.87
根据以上确定的省煤器的面积对省煤器进行改造：取消省煤器的鳍片，完全采用光管，省煤器的管径及壁厚不变，将一级省煤器纵向排数由原来的73排减少至60排，二级省煤器纵向排数不变，各进出口联箱的标高不变。
省煤器的受热面积减少，烟气阻力与原来比略微减小，故烟风系统其他设备不需要改造；另一方面，由于省煤器的面积减小，省煤器的自重也减小，故原系统设计的载荷也能满足改造要求。所以需对省煤器进行从新设计，2015年8月定修时对新设计制造的省煤器及联箱进行了更换。
4 实施效果
省煤器改造后，通过调试，高炉煤气烧量为8.2万m3/h、焦炉煤气烧量为2.5km3/h、给水温度为136℃、蒸汽负荷90t/h的运行参数：
表4 改造后实际运行数据
名称
符号
单位
炉膛
凝渣管
高过
低过
二级省煤器
二级预热器
一级省煤器
一级预热器
烟气入口温度
q1
℃
——　
——
——
——
635.2
417.5
325.4
213.3
烟气出口温度
q2
℃
——　
——
——
——
417.5
325.4
213.3
149.7
工质入口温度
t1
℃
——　
——
——
——
——
145.7
138.2
30.7
工质出口温度
t2
℃
——　
——
——
——
251.7
357.3
——
145.7
从表4可以看出：锅炉在接近于设计工况下运行，锅炉负荷可达到90t/h，排烟温度能控制在150℃左右，二级空预器出口风温基本达到设计要求。运行至今未出现过省煤器泄漏现象，停炉对省煤器进行检查，未发现省煤器管道上有结露及积灰现象，说明省煤器不再发生低温腐蚀。
5 结束语
鳍片式省煤器虽然可以扩展受热面，减少省煤器钢材消耗，降低排烟温度，但扩展受热面不是越大越好，必须根据吸热量的需求、排烟温度要求、省煤器沸腾率等因素确定受热面面积；且纵向鳍片式省煤器加工过程要求高，质量难以控制等问题，引发省煤器泄漏。通过对省煤器结构型式进行改造，减小受热面积，使省煤器沸腾率在合理范围内，在一定范围内提高给水温度及排烟温度，能有效防止省煤器的泄漏。

参考文献
【1】 王引棣锅炉设备检修技术问答.北京：中国电力出版社，2003.11.
【2】 王贺军等，WG670/13.72-1型锅炉采用H型鳍片式省煤器的设计和运行，电力科学与工程，2008.6
【3】郑德升，电站锅炉省煤器暴漏原因分析及解决措施研究，华北电力大学，2004.5
【4】高强，锅炉压力容器安装标准规范，吉林人民出版社，2001.7