床下啟動(dòng)燃燒器耐火澆筑料脫落原因分析與對(duì)策

曹生友

(中能建山西電建一公司，山西大同 037001)

0 引言

某電廠2×135 MW機(jī)組工程鍋爐選用哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的2×480 t/h循環(huán)流化床鍋爐，爐內(nèi)耐磨耐火由哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)。低溫烘爐結(jié)束后對(duì)爐內(nèi)耐磨耐火工程進(jìn)行了全面檢查，除有幾條收縮裂紋外兩臺(tái)爐整體質(zhì)量合格。高溫烘爐工作隨鍋爐吹管同步進(jìn)行，高溫烘爐工作的結(jié)束標(biāo)志著鍋爐爐內(nèi)耐磨耐火砌筑工作已全面完成。在高溫烘爐過(guò)程中，1號(hào)爐兩臺(tái)床下啟動(dòng)燃燒器耐火澆筑料發(fā)生局部脫落的現(xiàn)象，2號(hào)爐左側(cè)床下啟動(dòng)燃燒器發(fā)生了內(nèi)層保溫材料局部掏空的現(xiàn)象。本文將發(fā)生問(wèn)題的原因著重從設(shè)計(jì)、烘爐及運(yùn)行等方面加以分析并提出相應(yīng)的解決方法。

1 現(xiàn)象

1號(hào)爐床下啟動(dòng)燃燒器在高溫烘爐(鍋爐吹管)期間發(fā)生耐火澆筑料局部脫落，脫落部位位于預(yù)燃室到一次風(fēng)管之間中上部(如圖1所示)，其中小部分保溫層也發(fā)生脫落，裸露部分混合風(fēng)管、固定耐火材料用的支撐釘及鋼筋均已熔化(所有部件材質(zhì)均為1Cr20Ni14Si2耐熱鋼)，混合風(fēng)風(fēng)室端板焊縫開(kāi)裂。右側(cè)床下啟動(dòng)燃燒器脫落約2 m2，左側(cè)約1．5 m2。

2號(hào)爐左側(cè)床下啟動(dòng)燃燒器在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)期間發(fā)生保溫澆筑料局部吹走，外壁燒紅的現(xiàn)象。吹空位置位于預(yù)燃室端部向外法蘭處，吹走保溫層材料約3 m2。

2 原因分析

1)鍋爐運(yùn)行配風(fēng)不合適。

圖1 床下啟動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)、脫落區(qū)域及風(fēng)向示意圖

1號(hào)爐床下啟動(dòng)燃燒器在鍋爐吹管(高溫烘爐)期間發(fā)生局部耐火層脫落、部件熔化的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)對(duì)運(yùn)行過(guò)程及對(duì)脫落現(xiàn)象分析，主要原因是運(yùn)行配風(fēng)不當(dāng)造成超溫所致。床下啟動(dòng)燃燒器設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度900℃，耐火澆筑料的耐火度1 790℃。床下啟動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)、脫落區(qū)域及風(fēng)向如圖1所示。

首先說(shuō)明床下啟動(dòng)燃燒器配風(fēng)及燃油霧化片情況:鍋爐高溫烘爐(鍋爐吹管期間)使用燃油。床下啟動(dòng)燃燒器配風(fēng)分為三路:點(diǎn)火風(fēng)經(jīng)點(diǎn)火風(fēng)口進(jìn)入預(yù)燃室內(nèi)，用來(lái)滿足油槍點(diǎn)火初期燃燒的需要?；旌巷L(fēng)經(jīng)預(yù)燃室內(nèi)、外筒之間的風(fēng)道進(jìn)入預(yù)燃室，是防止油槍點(diǎn)燃時(shí)熾熱的油火焰貼壁，使得預(yù)燃室內(nèi)筒壁過(guò)熱。一次風(fēng)是在鍋爐啟動(dòng)初期，利用主一次風(fēng)漏風(fēng)對(duì)主一次風(fēng)與燃燒風(fēng)道連接處流動(dòng)死區(qū)加以冷卻。

1號(hào)爐在運(yùn)行時(shí)一次風(fēng)調(diào)整門(mén)開(kāi)度約30%，混合風(fēng)調(diào)整門(mén)開(kāi)度約為90%，點(diǎn)火風(fēng)開(kāi)度為80%，總風(fēng)量約14萬(wàn)Nm3/h。

在鍋爐吹管前期的高溫烘爐期間開(kāi)始用0．7 t/h霧化片火焰正常，在更換1．2 t/h霧化片升溫后出現(xiàn)火焰貼壁燃燒現(xiàn)象嚴(yán)重，從床下啟動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理分析，應(yīng)為點(diǎn)火風(fēng)、混合風(fēng)與一次風(fēng)的配比嚴(yán)重失調(diào)所致(風(fēng)向及風(fēng)位置如圖1所示)。

原因分析:使用混合風(fēng)的目的之一就是防止油槍點(diǎn)燃時(shí)熾熱的油火焰貼壁，使得內(nèi)筒壁過(guò)熱。在床下啟動(dòng)燃燒器運(yùn)行時(shí)混合風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度達(dá)到90%，接近全開(kāi)狀態(tài)調(diào)整余量不大，而一次風(fēng)門(mén)開(kāi)度為30%，從圖1中可以看出一次風(fēng)管截面積是混合風(fēng)管的橫截面積和點(diǎn)火風(fēng)管截面積之和的2．83倍，混合風(fēng)和點(diǎn)火風(fēng)共同的母管(φ920)來(lái)自于一次風(fēng)管(φ2 020)且成90°夾角，因此一次風(fēng)風(fēng)量遠(yuǎn)大于混合風(fēng)及點(diǎn)火風(fēng)風(fēng)量之和，一次風(fēng)與混合風(fēng)、點(diǎn)火風(fēng)夾角基本成45°夾角，這樣一次風(fēng)對(duì)混合風(fēng)及點(diǎn)火風(fēng)向水冷風(fēng)室方向流動(dòng)起到了阻礙作用，致使燃油燃燒產(chǎn)生的大量熱量不能順暢地流動(dòng)帶走，聚積在預(yù)燃室到一次風(fēng)管之間的狹小空間，使得本區(qū)域溫度急劇升高，超過(guò)此處工作溫度設(shè)計(jì)值(900℃)，達(dá)到并超過(guò)混合風(fēng)管的熔化溫度(約1 400℃)以及耐火澆筑料的耐火度(約1 790℃)，導(dǎo)致耐火澆筑料熔融并在風(fēng)的作用下逐漸脫落。因此耐火澆筑料的脫落主要與混合風(fēng)、點(diǎn)火風(fēng)及一次風(fēng)風(fēng)量配比不合適也就是一次風(fēng)量太大有著直接的關(guān)系。

對(duì)策:綜合以上分析，在運(yùn)行風(fēng)量配比上參考設(shè)計(jì)的同時(shí)，在滿足點(diǎn)火要求的情況下，一定要減小主一次風(fēng)量到最小，提高混合風(fēng)量。

2)設(shè)計(jì)存在明顯的不足。

床下啟動(dòng)點(diǎn)火燃燒器耐火保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理;膨脹縫未做詳細(xì)設(shè)計(jì)，僅說(shuō)明根據(jù)材料特性留設(shè)而已，施工期間按常規(guī)留設(shè)，沒(méi)考慮上下溫度不同。

耐火保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理:原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。耐火澆筑料(120 mm)+保溫澆筑料(300 mm)。本設(shè)計(jì)不足之處在于中間沒(méi)有設(shè)置在耐磨性及強(qiáng)度上優(yōu)于保溫澆筑料的過(guò)渡層，保溫澆筑料雖然保溫性能好，便于施工，但耐磨性及強(qiáng)度較低，一旦耐火層發(fā)生貫穿性裂紋，在風(fēng)的作用下保溫澆筑料必須被吹空，因此過(guò)渡層在考慮耐磨性時(shí)又要兼顧保溫性能。

本設(shè)計(jì)另一個(gè)不足之處在于膨脹縫只說(shuō)明按材料性能留設(shè)，而沒(méi)有做具體設(shè)計(jì)，如膨脹縫形式、位置及間距等。

膨脹縫的設(shè)計(jì)與施工是鍋爐耐磨耐火工程的最重要問(wèn)題之一。如果設(shè)計(jì)或施工未能對(duì)膨脹縫留設(shè)做充分的考慮，則必然對(duì)鍋爐長(zhǎng)期安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。對(duì)高溫烘爐檢查后發(fā)現(xiàn):1號(hào)爐收縮裂紋寬度比較大，形狀不規(guī)則且超標(biāo)的裂紋較多，這說(shuō)明1號(hào)爐在澆筑時(shí)膨脹縫留設(shè)間距較大。2號(hào)爐床下點(diǎn)火燃燒器僅在法蘭的位置有一條寬度超標(biāo)的膨脹縫。高溫烘爐后保溫澆筑料讓吹空說(shuō)明膨脹縫的位置及形式留設(shè)不合理，應(yīng)適當(dāng)避開(kāi)混合風(fēng)口及法蘭處，做成迷宮式膨脹縫。

對(duì)策:耐火澆筑料(120 mm)+耐火保溫澆筑料(100 mm)+保溫澆筑料(200 mm)。鍋爐運(yùn)行時(shí)此處設(shè)計(jì)溫度900℃。耐火澆筑料膨脹縫留設(shè)為簡(jiǎn)單迷宮式(z字形)，內(nèi)襯3 mm陶瓷纖維紙，間距800 mm×800 mm方格形，這樣可以有效的解決由于膨脹縫寬度各向增大、漏灰以及將強(qiáng)度較低的內(nèi)層保溫材料吹空的現(xiàn)象。具體如圖3所示。

圖2 原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 膨脹縫處理方法示意圖

在耐火澆筑料與保溫澆筑料間增加過(guò)渡層即耐火保溫澆筑料(厚100 mm)。床下點(diǎn)火油槍只在鍋爐運(yùn)行斷油前短時(shí)間內(nèi)投運(yùn)，正常運(yùn)行時(shí)僅有一次風(fēng)(風(fēng)溫231℃)通過(guò)床下啟動(dòng)燃燒器流化燃料，風(fēng)溫遠(yuǎn)低于燃油點(diǎn)火運(yùn)行時(shí)的溫度(900℃)，這樣做雖然犧牲了材料一定的保溫性能，但增強(qiáng)了材料的抗壓強(qiáng)度及耐磨性，能夠經(jīng)受混合風(fēng)及點(diǎn)火風(fēng)從膨脹縫處短時(shí)間的吹掃，顯然是合理的。2號(hào)爐:保溫澆筑料導(dǎo)熱系數(shù):≤0．176 W/(m·K)(在850℃以下)，抗壓強(qiáng)度4．21 MPa，耐火保溫澆筑料導(dǎo)熱系數(shù):0．27W/(m·K)，抗壓強(qiáng)度:8．80 MPa，800 ℃。

3)材料線膨脹率偏低。

耐火澆筑料的線膨脹系數(shù)偏低且為負(fù)值，這說(shuō)明烘爐運(yùn)行時(shí)，材料性能不是膨脹而是表現(xiàn)為收縮性，也就是容易產(chǎn)生收縮裂紋，這也是在膨脹縫數(shù)量留設(shè)不足及形式不合適所導(dǎo)致膨脹縫增多或膨脹縫加寬的重要原因。

對(duì)策:今后的檢修工作中，使用耐火可塑料修補(bǔ)，做迷宮式膨脹縫的同時(shí)做表面防止細(xì)微裂紋處理，施工方便，不用烘爐。

4)低溫烘爐過(guò)程中發(fā)生中斷現(xiàn)象及1號(hào)爐高溫烘爐時(shí)沒(méi)按廠家提供的烘爐升溫曲線進(jìn)行。烘爐是為了除去料中的自由水和化合水，尤其是后者。烘烤條件包括烘烤方式、升溫速率、保溫時(shí)間和最高溫度。當(dāng)材料中水分轉(zhuǎn)化為水蒸氣的速度遠(yuǎn)大于蒸汽逸出的速度，積累的蒸汽壓力超過(guò)材料的抗張強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生爆裂。由于溫度梯度的存在，當(dāng)烘爐時(shí)間和溫度不足以讓料中的水分充分排除，使用中也可能出現(xiàn)爆裂。

對(duì)策:鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中一定按規(guī)程進(jìn)行，嚴(yán)格控制升溫速度按照升溫曲線進(jìn)行。在今后停爐后加強(qiáng)對(duì)耐磨耐火澆筑料檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，材料施工是關(guān)鍵，烘爐運(yùn)行是保證。在鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中總結(jié)出適合鍋爐運(yùn)行配風(fēng)，局部檢修時(shí)采用耐火可塑料，膨脹縫為迷宮式，間距減小到800mm，嚴(yán)格按照升溫曲線進(jìn)行控制升溫速率，經(jīng)過(guò)幾次啟停后檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)耐火澆筑料脫落及膨脹縫超標(biāo)現(xiàn)象，說(shuō)明改進(jìn)是合理有效的。