1、锅炉设计特性及运行概况

    发电厂2 号锅炉( SG- 420/13.7-M419 型)是超高压、中间再热、自然循环、单汽包、固态排渣煤粉炉, 额定蒸发量420 t/h, 过热蒸汽压力13.7MPa, 过热蒸汽温度540 ℃, 空气预热器是采用2 级布置的管式预热器, 锅炉设计煤种为山西混煤( 33.3%无烟煤+66.7%贫瘦煤)。该锅炉于2012年8月投产发电。低温段下级空气预热器管箱堵灰严重, 堵灰面积接近整个管箱面积的19%, 并且出现大面积的腐蚀漏风现象, 漏风率20%以上, 送风机勺管开度100%也达不到通风出力, 进一步限制了锅炉负荷, 形成恶性循环, 检修周期缩短, 每年均需疏通空气预热器, 极大地影响了机组的安全性、可靠性和经济性, 因而改造空气预热器势在必行。

2、空气预热器腐蚀和堵灰的原因分析

    低温腐蚀和堵灰一般发生在受热面壁温最低的空气预热器低温段。当空气预热器壁温接近或低于烟气露点时, 烟气中的硫酸蒸汽将在壁面凝结而对壁面产生腐蚀, 同时烟气中的飞灰极易被壁面上的酸液粘附而形成沉积, 积灰中的金属氧化物与酸液反应会生成水硬性硫酸盐, 引起积灰硬化, 形成很难清除的低温粘积灰。空气预热器的低温粘积灰使空气预热器管道的通流面积不断减小从而使管壁腐蚀和积灰加剧, 局部烟速加快, 进一步加快了管壁的磨损, 产生恶性循环, 最终导致空气预热器产生严重金属腐蚀和堵灰, 使烟气通流阻力增加, 局部磨损加剧, 通风不足, 直接影响了锅炉运行热效率、可靠性和空气预热器的使用寿命。

3、热管空气预热器的特点

3.1 彻底解决漏风问题

    热管是一根密封的管子, 由多根热管组成的热管空气预热器冷、热源中间用隔板隔开, 相互不会泄漏, 即使烟气侧的热管被腐蚀或磨穿后, 由于管子空气侧一端是完好的, 空气不会漏到烟气侧。即使系统和中隔板焊接或密封不严, 运行中可能会有少量漏风, 但漏风不会随着时间增加而加剧, 因而热管具有良好的防漏风性能。

3.2 减轻和控制腐蚀

    管式空气预热器的烟气在管内流动, 向外传热,因此烟温不断降低, 这就使得低温预热器底层管箱都在最大腐蚀区工作。热管空气预热器管壁温度逐排变化, 在烟气温度较高区可以有相当一批热管在酸露点温度以上工作, 只有部分管子可能处于严重腐蚀区。

3.3 具有良好的防堵灰性能

    热管空气预热器运行中积灰较轻。堵灰和磨损、腐蚀是紧密相关的, 如果管壁温度高于烟气露点温度, 则附着于管外表面的灰呈干燥和疏松状,设计采用鳍片结构和较大的管排纵向节距, 并选择合理的烟气流速, 则可使烟气有自吹灰作用, 而又不造成磨损、始终仅保持一层簿灰垢, 从而避免了灰的不断堆积或堵塞, 如果再配上某种清灰装置,则效果更佳。

4、低温段下级热管空气预热器的设计及安装

    发电厂1号锅炉低温段下级空气预热器管箱因腐蚀、漏风严重, 于2013年大修时进行了更换,但是排烟温度一直偏高, 排烟损失较大。同时鉴于2号锅炉高温段空气预热器和低温段上级空气预热器运行良好, 无明显的堵灰和漏风现象, 仅低温段下级空气预热器管箱堵灰、腐蚀、漏风严重, 考虑无修复价值, 决定将2 号炉低温下级空气预热器改造为热管空气预热器。

       项     目                            参数
基管直径/mm                                  32
肋片高度/mm                                  14
肋片厚度/mm                                  1.5
肋片间距/mm                                7/8/10
纵向管排数                                   22
烟气流量/(m3·s- 1)                          142
空气流量/(m3·s- 1)                          112
烟气平均流速/(m·s- 1)                       8.6
空气平均流速/(m·s- 1)                       7.9
传热系数( 折算为光管) /(w·(m2·k) - 1)      20.5
烟气流阻/Pa                                  404
烟气流阻/Pa                                  496

4.1 严格控制排烟温度

    要解决低温段空气预热器严重腐蚀、堵灰和漏风的问题, 必须保证空气预热器最低管壁温度在烟气露点以上。按照锅炉原设计排烟温度135 ℃对热管进行设计和制造, 经过热力计算, 热管最低管壁温度为109 ℃, 低温段下级空气预热器入口烟气温度为193 ℃。同时要求热管空气预热器出口风温不应低于98.6 ℃, 否则易造成次下级空气预热器管壁温度降低而结露堵灰。

4.2 采用镍基渗层钎焊螺旋翅片管

    热管采用电厂锅炉常用的重力钢水热管。换热元件采用螺旋肋片热管, 基管材质为20 号无缝钢管, 肋片材质为低碳钢, 加工工艺为高温钎焊镍基渗层。镍基渗层钎焊螺旋翅片管就是通过高温钎焊工艺把普通螺旋翅片管的翅片焊到基管上, 并在其表面形成一层光亮、高硬度的渗层。焊料添满翅片和基管之间的缝隙, 完全消除了接触热阻, 比高频焊翅片管换热效率提高15%～20%。经过镍基渗层钎焊处理的热管具有表面硬度高、耐磨损、耐腐蚀、换热强度高和减轻积灰等优点。

4.3 热管空气预热器的布置安装

    为便于安装和检修, 整体热管空气预热器分为14 个管箱, 甲乙两侧各7 个管箱, 热管换热元件的总长度为4 m, 共计4 158 根。热管空气预热器安装在原管式空气预热器位置, 采用2 点支撑, 管箱倾角为15°，热管与管板严格密封, 漏风率为零, 热管设计寿命不低于10 a。

5、热管空气预热器的测试与分析

    发电厂对2 号锅炉低温段下级空气预热器改造为热管空气预热器前、后的测试数据和计算结果如表所示。改造后测试是在距大修结束1 个月后进行, 因而管子表面的清洁程度处于正常运行状态。为便于横向比较, 又对1 号锅炉空气预热器进行了性能测试。

表 空气预热器改造前后测试参数值

     项       目             设计值    更换前   更换后   1 号锅炉
负荷/MW                       125       120      125      125
过热蒸汽流量/( t·h- 1)       420.0     380.0    415.5    410.0
过热蒸汽温度/℃               540       538      540      538
再热蒸汽温度/℃               540.00    525.45   540.50   539.00
热风温度/℃                   400.00    396.50   395.57   397.00
送风机电流/A                  118.8     90.5     77.8     81.2
送风机勺管开度/%                        100      62.2     67.0
引风机电流/A                  96.3      59.5     51.5     53.4
引风机勺管开度/%                        66.0     62.2     63.9
排烟温度/℃                   135.00    125.50   138.33   156.35
修正后排烟温度/℃                       118.37   128.22   144.01
送风温度/℃                   20.00     28.50    40.50    37.52
环境温度/℃                   20         32       38       38
预热器漏风率/%                7.21      21.62    5.23     7.63
发电煤耗/( g·( kW·h) - 1)             343.725  332.634  340.808

    在热管预热器运行后, 2014 年3月利用小修机会, 对发电厂2 号锅炉空气预热器进行全面检查。热管空气预热器积灰轻微, 只有下排四周有少量松散状积灰, 未发现腐蚀和磨损现象, 也未造成上级管式空气预热器堵灰和磨损。

5.1 改造后热管堵灰、漏风大幅度减小

    改造前由于磨损、腐蚀、穿孔、漏风严重, 漏风率高达21.62%, 改造后减小为5.23%。改造前测试,120MW负荷, 引风机电流59.5A, 送风机电流90.5A;改造后, 125MW负荷, 引风机电流51.5 A, 送风机电流77.8 A。锅炉每年运行6800h、上网电价0.58元/( kW·h) 计算, 2号锅炉年节电2.59 GW·h , 折合人民币150.22万元。

5.2 降低了排烟损失, 发电煤耗明显下降

    2号锅炉预热器改造后锅炉排烟温度为128.22 ℃,比改造前有所提高( 改造前排烟温度偏低主要是由
于大量冷风漏入烟气侧造成的) , 但比1号锅炉排烟温度144.01℃明显下降, 极大地降低了排烟损失。2 号
锅炉预热器改造后发电标准煤耗332.634 g/( kW·h) ,比改造前降低了11.091 g/( kW·h) , 比1号锅炉低
8.174 g/( kW·h) 。考虑到凝汽器真空对发电标准煤耗的影响( 受环境温度影响, 改造前、后做试验时的
凝汽器真空不一样) , 2 号锅炉预热器改造后实际发电标准煤耗比改造前降低了15.721 g/( kW·h) 。

5.3 机组恢复到额定出力运行

从预热器改造前后参数比较可看出: 预热器改造前送风机已达到最大出力, 但送风量不足, 氧质量分数偏低, 排烟温度偏低, 再热蒸汽温度低, 已不能维持满负荷出力运行; 预热器改造后, 由于漏风量减少, 送风量、氧质量分数均能满足锅炉燃烧要求, 再热蒸汽温度维持在538 ℃以上, 即使夏季锅炉仍能满负荷运行, 且有较大的余量。鉴于目前热管空气预热器制造成本较高及改造工程费用大的实际情况, 热管空气预热器的应用应以降低排烟温度为次要目的, 解决低温腐蚀为主要目的。在大修时加强对其他锅炉的空气预热器腐蚀
检查, 提出腐蚀分析报告及处理措施。对腐蚀程度较轻的低温预热器下组建议尽早加装前置式热管空气
预热器, 对腐蚀程度已较严重的管式空气预热器下组最好用热管式空气预热器进行替换。

6、结语

( 1) 发电厂2 号锅炉低温段下级空气预热器由管式改为热管式, 经过运行实践, 热管表面无堵灰和磨损现象, 成功地解决了该炉投运以来一直存在的严重腐蚀、堵灰和漏风问题, 提高了设备运行的可靠性, 减少了清灰的劳动强度, 降低了运行维护费用。同时, 减少了送、引风机厂用电率, 提高了锅炉效率。

( 2) 镍基渗层极大地提高了管材的表面硬度, 同时有效地增强了管子的抗氧化腐蚀能力。经过镍基渗层钎焊处理的螺旋翅片热管具有表面硬度高、耐磨损、耐腐蚀、换热强度高和减轻积灰等优点。

( 3) 为避免热管空气预热器积灰, 必须设置有效的吹灰器。在烟气阻力降允许的范围内, 尽可能提高烟气流动速度, 保证空气预热器有一定的自吹灰能力。

( 4) 热管空气预热器结构紧凑, 不易漏风, 流体阻力低; 单根热管损坏对设备的整体影响不大, 可以
通过调整冷热端换热面积, 控制管壁温度, 避免露点腐蚀; 同时易于清灰、吹扫、不易发生堵灰。热管空气
预热器作为一种新型换热装置, 用于电厂锅炉代替目前其他形式的低温段空气预热器是可行的, 具有较大的实用价值和推广意义。