胡昌华——外置床受热面防磨技术及其在600MW CFB锅炉上的应用

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 700~900℃，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Ⅰ、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，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。
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
膨胀间隙，如图所示。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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
运行参数 中过Ⅱ的进口蒸汽参数（左侧）/℃ 中过Ⅱ的出口蒸汽参数（左侧）/℃ 高再的进口蒸汽参数（右侧） /℃ 高再的出口蒸汽参数（右侧） /℃ 减温水量/t/h 主蒸汽流量/t/h 改造前 385 467 420 543 83 620 改造后 349 468 420 538 154.4 644.3
（4）、国内首台600MW CFB锅炉机组采用了引进型 300MW CFB锅炉改进后的外置床防磨技术，可基本消除 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。
参考文献
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外置床受热面防磨技术及其在600MW CFB锅炉上的应用
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。
左右，因此，磨损问题虽然客观存在，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400~900℃，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 。
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、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0.3~0.5m/s，床内固体颗粒粒径较小，平均为300μm
关键词：外置床；磨损机理；防磨技术；600MW循环流化床锅炉
引言
外置床（外置式换热器）是循环流化床（CFB）锅炉的一 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ABBCE公司[3]、原法Stein公司[4]、法国ALSTOM公司等[5]，美国 Foster Wheeler公司则采用“INTREX”流化床热交换器[6~9]， 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。