循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損機理分析與故障樹診斷

易新建(永清環(huán)保股份有限公司 湖南 長沙 410005)

循環(huán)流化床鍋爐作為一種新型高效低污染燃燒技術，相對于煤粉爐,具有燃料適應性廣，負荷調節(jié)比大，燃燒效率較高，污染物排放濃度低等優(yōu)點[1]，在動力配煤質量下降，環(huán)保要求日益嚴格的情況下，循環(huán)流化床鍋爐得到迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)已經(jīng)投運的循環(huán)流化床鍋爐達到兩千多臺，300MW的亞臨界循環(huán)流化床鍋爐也已投入商業(yè)運行[2]。但循環(huán)流化床鍋爐的等效可用系數(shù)總體低于煤粉爐，受熱面的磨損相對嚴重。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計：水冷壁管磨損泄漏引起的停運次數(shù)占總停運次數(shù)的30%[3]，水冷壁管磨損泄漏成為鍋爐等效可用系數(shù)降低的主要原因之一。因此，通過對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損泄漏機理及影響因素的分析，有利于采取相應的預防措施，提高鍋爐運行的可靠性。同時，對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損泄漏等典型故障，應用故障樹診斷法進行由果到因的逐層演繹推理，可達到快捷有效的效果。

一、水冷壁管磨損機理分析

循環(huán)流化床鍋爐存在明顯的底部密相區(qū)和上部稀相區(qū)，密相區(qū)與稀相區(qū)流動特性的差異，決定了密相區(qū)與稀相區(qū)水冷壁管的主要磨損機理存在不同。

1.密相區(qū)水冷壁主要磨損機理

循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)固體顆粒濃度很高，達400～700kg/m3，床內(nèi)氣固兩相處于激烈的湍動狀態(tài)。流化氣體穿過床層時產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡運動非常劇烈，氣泡聚并與破裂的頻率極高，在氣泡破裂時，固體顆粒獲得初速度被拋向四周，對爐膛壁面產(chǎn)生沖擊，引起撞擊磨損。同時，顆粒在流化氣體曳力的作用下以一定的速度流動，造成沖刷磨損。在鍋爐密相區(qū)，設計有入爐煤（石灰石）給料口，返料器返料口等，物料被氣體輸送至爐膛內(nèi)。物料流動過程中對給料口周圍的水冷壁管也會產(chǎn)生沖刷磨損。同時，在給煤口附近,氧化和還原性氣氛交替作用，一方面直接使水冷壁管金屬表面腐蝕剝落，另一方面破壞金屬表面的氧化物保護層，加劇沖刷磨損，導致磨損問題特別突出。因此，密相區(qū)水冷壁管泄漏主要是沖刷磨損與撞擊磨損綜合作用的結果。由于密相區(qū)磨損非常嚴重，通常在密相區(qū)敷設防磨耐火材料來提高水冷壁的防磨性能。

2.稀相區(qū)水冷壁管主要磨損機理

循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)顆粒濃度相對較小，為5～50kg/m3，氣固兩相流之間的滑落速度大，在爐膛中心區(qū)域流化風速較高，而在水冷壁附近流化風速較低，顆粒團隨著氣流向上運動的同時，固體顆粒也向水冷壁方向滑移聚集，并且沿爐壁向下流動，呈現(xiàn)環(huán)-核流動結構。當水冷壁管表面光滑，無凸起或凹陷時，向下流動的固體顆粒沖刷管壁產(chǎn)生沖刷磨損，但當沿壁流動的固體顆粒遇到凸起或凹陷時，如水冷壁管與密相區(qū)高溫耐火材料的分界面或水冷壁管凸出的對接焊縫時，就會形成局部渦流區(qū)，向下流動的固體顆粒改變方向，以較大的沖擊角撞擊附近的水冷壁管表面，造成撞擊磨損。循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管一般為低碳鋼或低合金鋼，其經(jīng)受低攻擊角顆粒沖刷磨損的能力要強于受高攻擊角顆粒撞擊磨損的能力[4]。因此，水冷壁管光滑壁面處的磨損量要遠遠小于凸起或凹陷附近處的磨損量。實際運行經(jīng)驗證明：循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管凸起1～2m是鍋爐水冷壁管磨損泄漏的主要部位[5]。

二、水冷壁管磨損影響因素分析

本文從設計安裝質量、運行等方面分析影響水冷壁管磨損的因素：

1.設計安裝質量對磨損的影響

爐膛內(nèi)水冷壁管設計時，考慮到人孔、測量儀表孔、給料口、風口等因素，部分水冷壁管必須采用彎管，彎管處是水冷壁管局部磨損比較嚴重的部位。水冷壁管焊縫連接處的凸起，光滑程度對磨損影響較大。水冷壁管與防磨耐火材料分界面轉折區(qū)的厚度增加，附近區(qū)域的水冷壁管的磨損速率增加，轉折區(qū)角角度越小，顆粒團改變方向帶來的沖量越小，磨損程度相應減輕[6]，設計安裝時應特別注意。

2.運行參數(shù)對磨損的影響

燃料煤中灰份的特性，如灰份的含量，灰份中的二氧化硅，三氧化二鋁，黃鐵礦等比水冷壁管材硬的礦物質對磨損影響顯著，灰份中二氧化硅，三氧化二鋁，黃鐵礦等礦物質的含量越高，磨損速率越快，且各種礦物質對管壁的磨損作用是互相促進加劇的[7]。燃料顆粒直徑對磨損的影響是兩方面的，大顆粒直徑的顆粒碰撞的總動能大，與壁面沖刷時的接觸面積多，使磨損速率上升，但在循環(huán)流化床中，在相同風速下，顆粒直徑增大，被氣流夾帶到稀相區(qū)的顆粒量減少，沿壁面下滑的顆粒濃度相應降低，使磨損速率降低，并且只有當燃料粒徑大于25μm時才考慮磨損。磨損速率還與顆粒的形狀有關，有角顆粒的磨損速率比圓角顆粒高[8]。不同脫硫劑特性對磨損速率的影響是不同的，有試驗表明：磨損速率最高的脫硫劑比最低的高約100倍，有些脫硫劑的磨損速率比煤中灰份的磨損速率更大[9]，因此，在運行中必須考慮脫硫劑的磨損速率。

磨損速率與顆粒撞擊速率成三次方關系，運行風速增加，床內(nèi)顆粒向四周濺射的動能增加，顆粒與壁面的碰撞幾率加大，同時，攜帶顆粒的濃度增加，水冷壁管壁區(qū)顆?；亓鳚舛壬?，因此運行風速越高，水冷壁管的磨損量越大。運行中床溫影響燃料的燃燒速率，床溫較低時，未燃燼的顆粒量增加，煤顆粒的破裂程度減小，床層顆粒粒徑增加，磨損速率增加。鍋爐下渣能夠將較粗的床層顆粒及時排出，保證適當?shù)牧蠈?，下渣不暢會加劇顆粒分層，使爐膛料層粒度增加，導致水冷壁的磨損加劇。

三、水冷壁管磨損的故障樹建立與分析

以系統(tǒng)失效為頂事件建立故障樹，運用結構函數(shù)寫出數(shù)學表達式，可以對故障樹進行分析，找出導致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，確定發(fā)生故障的最薄弱環(huán)節(jié)或必須修理的部件，制定系統(tǒng)故障診斷方案，提高故障診斷效率。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損機理研究及水冷壁管磨損泄漏影響因素的分析，以水冷壁管磨損泄漏為頂事件建立故障樹，如圖1、2所示：

以水冷壁管磨損泄漏為故障樹的頂事件，是由20個不同的獨立底事件構成的故障樹，頂事件的狀態(tài)?完全由底事件的狀態(tài)xi(i=1,2,…20)的取值所決定，對系統(tǒng)和部件均只考慮存在失效和可用兩種狀態(tài)，這樣，底事件可以定義為：

或門結構故障樹的結構函數(shù)為：

在建立了故障樹結構函數(shù)的基礎上，應用下行法得到水冷壁管磨損泄漏故障樹的全部最小割集的完整集合，最小割集的求解步驟如表1：

根據(jù)分析得出水冷壁管磨損泄漏的最小割集為19個，每個最小割集都是引起頂事件產(chǎn)生原因，由此得到了水冷壁管磨損泄漏的所有故障模式。

表1 水冷壁管磨損泄漏的最小割集

結論

1.本文分析了循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損泄漏的機理，對水冷壁管磨損的影響因素進行了分析。

2.根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐結構、運行特點和相關輔助系統(tǒng)的特性，建立了水冷壁管磨損泄漏的故障樹，并進行了定性分析。

3.分析結果有利于進行水冷壁管磨損泄漏故障診斷，提高了故障診斷效率，豐富了循環(huán)流化床鍋爐故障診斷的知識庫，為故障診斷專家系統(tǒng)的建立提供了支持。

[1]岑可法,倪明江,駱仲泱,等.循環(huán)流化床鍋爐理論設計與運行[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2]張彥軍,李振宇,王鳳君,等.國產(chǎn)首臺300MW循環(huán)流化床鍋爐設計和運行實踐[J].鍋爐制造,2006,4:10-13.

[3]盧剛.循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損特性研究[D].保定:華北電力大學能源與動力工程學院,2005.

[4]鄧化凌,王勇,宋云京,等.循環(huán)流化床鍋爐快速磨損失效機理[J].中國電力,2007,40(1):48-51.

[5]張全勝,吳志.440t/h循環(huán)流化床鍋爐試運行中暴露出的問題及改進方法[J].節(jié)能技術,2006,24(137):270-275.