电厂锅炉省煤器爆管的原因分析与处理措施

摘要：针对省煤器结构特点以及布置方式，着重分析了磨损、腐蚀以及振动等因素引起省煤器超温爆管的内在机理。并且根据磨损、腐蚀、振动的机理提出了一些解决省煤器超温爆管的具有实用价值和借鉴意义的措施。

关键词：电站锅炉；省煤器；超温爆管；解决措施

1 省煤器超温爆管机理分析
省煤器超温爆管的原因非常复杂，主要由磨损、腐蚀以及振动引起。以下主要就这三方面探讨省煤器超温爆管的机理。

1.1 磨损
由磨损导致的爆管中，飞灰磨损是主要原因，影响的因素包括飞灰浓度、烟气流速、飞灰的磨损性能等方面；另外，省煤器的结构也会磨损。
1.1.1 飞灰浓度
飞灰浓度大，表明烟气中含灰量多，灰粒撞击受热面的次数增多，引起磨损加剧。我国煤种的多样性和电厂用煤的不确定性，使当前许多电厂的燃煤含灰量大天设计值。有的燃料灰分高达40。煤质变差，灰分增加，燃煤量也增加，造成烟气中飞灰浓度剧增，增加了省煤器的磨损。
1.1.2烟气流速
烟气流速是影响受热面磨损的最主要因素。一些研究表明，磨损量与烟气流速的2.3次次方成正比。烟气流速越高，则省煤器的磨损越严重。磨损量甚至能与烟气速度成n（n＞3）次方关系。原因可以解释为：冲蚀磨损源于灰粒具有动能，颗粒动能与其速度的平方成正比。磨损还与灰浓度（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。若近似地认为vp≈vg时，磨损量就将和烟气的三次方成正比。烟气速度的提高，会促使上述原因的作用加强，从而导致冲蚀磨损的迅猛发展，所以烟气流速越大时，n值也就越大。另外，由数值实验表明，当颗粒直径较小时，n值将较大。最后应该指出的是，虽然锅炉热力计算标准中所推荐的n值为3.3。但我们认为用直径分档的方法，先求出各档颗粒直径下的冲蚀磨损量，然后加权平均较为准确。
1.1.3省煤器结构的影响
所选省煤器的型式和结构不同，其磨损程度不同。
（1） 在相同条件下，光管、鳍片管、膜式管束其抗磨性能依次减弱；
（2） 省煤器管束顺列布置比错列布置磨损要轻；
（3） 错列布置磨损最严重的为第二排管子，顺列布置磨损最严重的则在第五排之后；
（4） 鳍片管省煤器的鳍片越高，磨损越严重。当鳍片高度较小（h=3㎜）时与光管的磨损程度较为接近。故加装小高度鳍片对防磨有利；
（5） 膜式省煤器错列布置时，大管径比小管径的管子磨损要轻。
在设计或改造省煤器时，应对省煤器所采用的型式和结构进行综合考虑。
1.2腐蚀
1.2.1省煤器腐蚀的类型
省煤器的腐蚀包括管内腐蚀和管外腐蚀。
管内腐蚀属于氧腐蚀，也叫吸氧腐蚀，是指锅炉给水虽然经过处理，但仍含有一定量的氧，而氧的化学性质很活泼，能与钢铁设备的铁元素发生反应，造成钢铁设备的腐蚀，生成铁的氧化物Fe2O3和Fe3O4，便是日常所说的铁锈。
根据上述氧腐蚀原理，在给水流经省煤器管内时，由于温度较高，极易发生省煤管内氧腐蚀，在管内壁上形成溃疡状腐蚀坑陷，危及省煤器的安全使用。省煤器的管内氧腐蚀通常是高温段轻于低温段，这是给水中的氧被逐步消耗的结果。
管外腐蚀属于硫酸腐蚀，也叫低温腐蚀，是指锅炉烟气在通过省煤器段时，由于省煤器管壁温度较低，烟气中的硫酸蒸汽便凝结成酸液而附着在省煤器外管壁上，从而造成对省煤器的酸腐蚀。省煤器的管外腐蚀通常只发生在低温段。
1.2.2 原因分析
电站锅炉省煤器中面临最为严重的是管外低温腐蚀，因而着重探讨该腐蚀内在机理。燃料中的硫烧生成二氧化硫，其中一小部分还会生成三氧化硫，而三氧化硫与烟气中的水蒸汽会形成硫酸汽。烟气中的硫酸蒸汽在得到冷却温度下降到酸露点后，就会凝结成液酸，液酸与烟气中的飞灰粘合便附着在冷却点的管壁上，从而给此处的钢管造成酸腐蚀。酸露点随着烟气中酸汽浓度的增大而升高，当烟气中酸汽的含量为0.005%时，酸露点可达130~150℃，实践证明酸露点越高，对省煤器的腐蚀越大，有时甚至还会危及到高温段省煤器。
1.2.3省煤器低温腐蚀的影响因素
（1）电厂燃用煤所含硫分较高。硫分较高是引起省煤器腐蚀的一个重要因素。燃料中硫分、水分高，使燃烧生成的硫酸蒸汽份量多、浓度高，这就使得烟气中的酸汽露点（即凝结温度）相对增高，而代温段省煤器的管壁温度又偏低，所以酸汽极易凝结到低温省煤器管壁上，造成省煤器的腐蚀。
（2）给水温度低是造成省煤器腐蚀的一个主要原因。给水温度低，使得省煤器的管壁温度下降，低于烟气中的酸汽露点时，酸汽使凝结在省煤器管壁上与飞灰粘合在一起，形成对省煤器管的不断腐蚀。给水温度低对新装省煤器的影响最大。
（3）过量空气系数过大，表明烟气中的含氧量增加，这给燃烧中二氧化硫及三氧化硫的生成创造了有利条件，对省煤器的低温腐蚀也有一定的影响。
根据以上理论分析，一方面，给水温度低使省煤器管排壁温降低；另一方面，燃料中硫分大、水分大，再加上燃料的过量空气系数偏大，使烟气中的酸汽份额加大，引起酸汽露点升高。这两方面的不利因素综合，加剧了酸汽在省煤器管壁上的凝结，促成腐蚀。
1.3振动
1.3.1管束搬起石头砸自己的脚动的形式
根据气流中刷管束的流动，热交换器可以划分成三大类，即：（1）气流横向于管子中心线的（横向流动）；（2）气流平行于管子中心线的（平行流动）：（3）气流烟管子中心线呈S形流动的（S形流动）。
横向流动时，激发是由于Karman涡流在单根管子的脱离而造成的。在平行流动的情况下，气流中的涡流是导至激发的根源。当管子一开始搬起石头砸自己的脚动，附着在管子上的气流（因形成临界层）的路径便成为弯曲的了。于是，气流作用于管子一个离心力，致使管子更加弯曲。按此方式，在气流和管子之间产生自激振动。而在S形流动时，不仅在横向流动时的涡流脱离，且在平行流动时的涡流，都会激发管子振动。振动是由涡流脱离激发，又由涡流强化的。这种振动主要在热交换器中。
1.3.2省煤器的管束振动
省煤器的管束可以分成两种形式，即顺列和错列。振动事故大部分发发生在顺列布置中。例如，在国外一个火力发电厂过热器、省煤气烟道中振动的严重事故中，烟道壁上的振幅到了±0.211㎏/㎝2的数值，使烟道壁形成向外的永久变形。
（1）顺列管束省煤器
顺列式省煤器外流体自上而下不断流动，这样流体的温度以及介质的声速相应的不断变化。横谅管束的烟气的固有频率f/Hz为：
（1）
式中 b--特性宽度，m;
n--谐波次数；
c--烟气流速，m/s。
就一般规律而言，烟气的固有频率判别相对较小。另一方面，又由于烟气横掠管束时将背侧产生漩涡成对脱离现象（即卡门涡流）。由于旋涡交替脱离在物体表面形成交变的作用力，可能导致结构的疲劳失效；同时，旋涡脱离也是导致其它形成的振动发生的重要原因。当漩涡脱离频率和横向烟气固有频率重合时，将进一步加强振动，整个流体就会出现非常强烈的振动。省煤器也会受迫引起强烈的振动，于是强烈的噪声便向四周环境辐射出去。
（2）错列管束省煤器
对于错列管束省煤器，烟气的声振自频率主要与管组的自由宽度有关，可由下式求出：
（2）
式中 ƒi--第i个自振频率，Hz；
i--谐振阶序列号，i=1、2、3…；
T--气体温度，K；
L--管束组的自由宽度，
m。
　 就错列管束煤器而言，振动有其自身特点。也就是说，当漩涡脱离的频率相等时不一定会导致辞产让强烈的振动，主要由于在锅炉机组的烟道内，声能散射部分与激发能相比所占的份额很大。
2、省煤器超温爆解决措施
（1）合理控制烟气流速，降低煤质灰分，造当控制煤粉细度，尽量避免超负荷运行以及使用防磨涂料可发有效地防止省煤器磨损；
（2）选取合适省煤器弯头排数z和烟气走廊间隙，减少速度不均匀系数kv，以及加装梳形管和护瓦或护帘都可以很好改善烟气走廊影响；
（3）提高排烟温度，采用抗腐蚀材料，加装加热冷风设备以及改用其它类型省煤器，如回转式空气预热器，都可以避免或者防止省煤器受热面的腐蚀现象；
（4）使整个省煤器横向固有频率互不相同，可以改进管束的振动；
（5）光管改用螺纹翅片管，不仅可以改进流场，提高换热能力，而且可以有效地改良省煤器的积灰；
（6）运行上重视加强对过量空气系数的监控制，从而避免SO2以及SO3的生产，并且及时检修，也可以避免省煤器超温爆管。