循环流化床锅炉水冷壁管磨损机理分析与故障树诊断

2022-09-10

循环流化床锅炉作为一种新型高效低污染燃烧技术, 相对于煤粉炉, 具有燃料适应性广, 负荷调节比大, 燃烧效率较高, 污染物排放浓度低等优点[1], 在动力配煤质量下降, 环保要求日益严格的情况下, 循环流化床锅炉得到迅速发展。目前, 国内已经投运的循环流化床锅炉达到两千多台, 300MW的亚临界循环流化床锅炉也已投入商业运行[2]。但循环流化床锅炉的等效可用系数总体低于煤粉炉, 受热面的磨损相对严重。根据循环流化床锅炉运行数据统计:水冷壁管磨损泄漏引起的停运次数占总停运次数的30%[3], 水冷壁管磨损泄漏成为锅炉等效可用系数降低的主要原因之一。因此, 通过对循环流化床锅炉水冷壁管磨损泄漏机理及影响因素的分析, 有利于采取相应的预防措施, 提高锅炉运行的可靠性。同时, 对循环流化床锅炉水冷壁管磨损泄漏等典型故障, 应用故障树诊断法进行由果到因的逐层演绎推理, 可达到快捷有效的效果。

一、水冷壁管磨损机理分析

循环流化床锅炉存在明显的底部密相区和上部稀相区, 密相区与稀相区流动特性的差异, 决定了密相区与稀相区水冷壁管的主要磨损机理存在不同。

1. 密相区水冷壁主要磨损机理

循环流化床锅炉密相区固体颗粒浓度很高, 达400~700kg/m3, 床内气固两相处于激烈的湍动状态。流化气体穿过床层时产生大量的气泡, 气泡运动非常剧烈, 气泡聚并与破裂的频率极高, 在气泡破裂时, 固体颗粒获得初速度被抛向四周, 对炉膛壁面产生冲击, 引起撞击磨损。同时, 颗粒在流化气体曳力的作用下以一定的速度流动, 造成冲刷磨损。在锅炉密相区, 设计有入炉煤 (石灰石) 给料口, 返料器返料口等, 物料被气体输送至炉膛内。物料流动过程中对给料口周围的水冷壁管也会产生冲刷磨损。同时, 在给煤口附近, 氧化和还原性气氛交替作用, 一方面直接使水冷壁管金属表面腐蚀剥落, 另一方面破坏金属表面的氧化物保护层, 加剧冲刷磨损, 导致磨损问题特别突出。因此, 密相区水冷壁管泄漏主要是冲刷磨损与撞击磨损综合作用的结果。由于密相区磨损非常严重, 通常在密相区敷设防磨耐火材料来提高水冷壁的防磨性能。

2. 稀相区水冷壁管主要磨损机理

循环流化床锅炉稀相区颗粒浓度相对较小, 为5~50kg/m3, 气固两相流之间的滑落速度大, 在炉膛中心区域流化风速较高, 而在水冷壁附近流化风速较低, 颗粒团随着气流向上运动的同时, 固体颗粒也向水冷壁方向滑移聚集, 并且沿炉壁向下流动, 呈现环-核流动结构。当水冷壁管表面光滑, 无凸起或凹陷时, 向下流动的固体颗粒冲刷管壁产生冲刷磨损, 但当沿壁流动的固体颗粒遇到凸起或凹陷时, 如水冷壁管与密相区高温耐火材料的分界面或水冷壁管凸出的对接焊缝时, 就会形成局部涡流区, 向下流动的固体颗粒改变方向, 以较大的冲击角撞击附近的水冷壁管表面, 造成撞击磨损。循环流化床锅炉水冷壁管一般为低碳钢或低合金钢, 其经受低攻击角颗粒冲刷磨损的能力要强于受高攻击角颗粒撞击磨损的能力[4]。因此, 水冷壁管光滑壁面处的磨损量要远远小于凸起或凹陷附近处的磨损量。实际运行经验证明:循环流化床锅炉水冷壁管凸起1~2m是锅炉水冷壁管磨损泄漏的主要部位[5]。

二、水冷壁管磨损影响因素分析

本文从设计安装质量、运行等方面分析影响水冷壁管磨损的因素:

1. 设计安装质量对磨损的影响

炉膛内水冷壁管设计时, 考虑到人孔、测量仪表孔、给料口、风口等因素, 部分水冷壁管必须采用弯管, 弯管处是水冷壁管局部磨损比较严重的部位。水冷壁管焊缝连接处的凸起, 光滑程度对磨损影响较大。水冷壁管与防磨耐火材料分界面转折区的厚度增加, 附近区域的水冷壁管的磨损速率增加, 转折区角角度越小, 颗粒团改变方向带来的冲量越小, 磨损程度相应减轻[6], 设计安装时应特别注意。

2. 运行参数对磨损的影响

燃料煤中灰份的特性, 如灰份的含量, 灰份中的二氧化硅, 三氧化二铝, 黄铁矿等比水冷壁管材硬的矿物质对磨损影响显著, 灰份中二氧化硅, 三氧化二铝, 黄铁矿等矿物质的含量越高, 磨损速率越快, 且各种矿物质对管壁的磨损作用是互相促进加剧的[7]。燃料颗粒直径对磨损的影响是两方面的, 大颗粒直径的颗粒碰撞的总动能大, 与壁面冲刷时的接触面积多, 使磨损速率上升, 但在循环流化床中, 在相同风速下, 颗粒直径增大, 被气流夹带到稀相区的颗粒量减少, 沿壁面下滑的颗粒浓度相应降低, 使磨损速率降低, 并且只有当燃料粒径大于25μm时才考虑磨损。磨损速率还与颗粒的形状有关, 有角颗粒的磨损速率比圆角颗粒高[8]。不同脱硫剂特性对磨损速率的影响是不同的, 有试验表明:磨损速率最高的脱硫剂比最低的高约100倍, 有些脱硫剂的磨损速率比煤中灰份的磨损速率更大[9], 因此, 在运行中必须考虑脱硫剂的磨损速率。

磨损速率与颗粒撞击速率成三次方关系, 运行风速增加, 床内颗粒向四周溅射的动能增加, 颗粒与壁面的碰撞几率加大, 同时, 携带颗粒的浓度增加, 水冷壁管壁区颗粒回流浓度升高, 因此运行风速越高, 水冷壁管的磨损量越大。运行中床温影响燃料的燃烧速率, 床温较低时, 未燃烬的颗粒量增加, 煤颗粒的破裂程度减小, 床层颗粒粒径增加, 磨损速率增加。锅炉下渣能够将较粗的床层颗粒及时排出, 保证适当的料层, 下渣不畅会加剧颗粒分层, 使炉膛料层粒度增加, 导致水冷壁的磨损加剧。

三、水冷壁管磨损的故障树建立与分析

以系统失效为顶事件建立故障树, 运用结构函数写出数学表达式, 可以对故障树进行分析, 找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式, 确定发生故障的最薄弱环节或必须修理的部件, 制定系统故障诊断方案, 提高故障诊断效率。根据循环流化床锅炉水冷壁管磨损机理研究及水冷壁管磨损泄漏影响因素的分析, 以水冷壁管磨损泄漏为顶事件建立故障树, 如图1、2所示:

以水冷壁管磨损泄漏为故障树的顶事件, 是由20个不同的独立底事件构成的故障树, 顶事件的状态ϕ完全由底事件的状态xi (i=1, 2, ⋯20) 的取值所决定, 对系统和部件均只考虑存在失效和可用两种状态, 这样, 底事件可以定义为:

则故障树的结构函数表达式为:

与门结构故障树的结构函数为:

或门结构故障树的结构函数为:

在建立了故障树结构函数的基础上, 应用下行法得到水冷壁管磨损泄漏故障树的全部最小割集的完整集合, 最小割集的求解步骤如表1:

根据分析得出水冷壁管磨损泄漏的最小割集为19个, 每个最小割集都是引起顶事件产生原因, 由此得到了水冷壁管磨损泄漏的所有故障模式。

结论

1. 本文分析了循环流化床锅炉水冷壁管磨损泄漏的机理, 对水冷壁管磨损的影响因素进行了分析。

2. 根据循环流化床锅炉结构、运行特点和相关辅助系统的特性, 建立了水冷壁管磨损泄漏的故障树, 并进行了定性分析。

3. 分析结果有利于进行水冷壁管磨损泄漏故障诊断, 提高了故障诊断效率, 丰富了循环流化床锅炉故障诊断的知识库, 为故障诊断专家系统的建立提供了支持。

摘要：循环流化床锅炉是一种洁净煤燃烧技术, 水冷壁管磨损泄漏是影响其运行可靠性的主要原因之一。首先对水冷壁管磨损泄漏的机理进行了研究, 然后从设计安装质量和运行等方面对影响水冷壁管磨损泄漏的因素进行了分析, 并以水冷壁管磨损泄漏为顶事件建立故障树, 对故障树进行了定性分析, 为循环流化床锅炉故障诊断专家系统的建立提供了支持。

关键词：循环流化床锅炉,水冷壁管,磨损,故障树诊断