一种通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法与流程

本发明涉及一种通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法，属于缓解高温腐蚀的领域。

背景技术：

锅炉水冷壁烟气侧高温腐蚀是指水冷壁管在高温烟气环境中所发生的锈蚀现象，即金属材料在高温下与环境气氛中的硫、氯等元素发生化学或电化学反应而导致的变质或破坏。在燃煤电站锅炉中，高温腐蚀主要有3种：硫酸盐型、氯化物型和硫化物型。硫酸盐型主要发生在高温受热面上，如锅炉的过热器、再热器上；氯化物型主要发生在小型锅炉的过热器和大型锅炉燃烧区域的水冷壁上；硫化物型腐蚀大多发生在炉膛水冷壁上。一般情况下炉膛水冷壁发生高温腐蚀的影响因素有：煤的含硫量、煤质特性、炉内切圆大小、一次风气流偏转贴墙情况、煤粉细度等原因，这些因素会导致近水冷壁区域形成较强的还原性气氛，而这是造成水冷壁高温腐蚀的必要条件。

现代火力发电企业中几乎均为高参数、大容量发电机组，然而由于其锅炉具有高壁温、高壁面热负荷及高燃烧器功率的特性，使得炉内水冷壁区域易发生高温腐蚀现象。近年来，随着国家环保标准升级、原煤价格攀升，又使得火电企业承受着巨大的环保及节能压力，纷纷通过高硫煤掺烧、低氧运行、低nox燃烧技术等措施加以应对，导致现有缓解和防止高温腐蚀的方法无法实施或效果减弱，因此目前大型锅炉的高温腐蚀现象呈现集中爆发态势，已严重影响到发电企业的安全、经济运行，急需新思路、新方法予以缓解。

现有缓解和防止高温腐蚀的主要方法有：燃烧器改造、炉内喷涂、煤质控制(采用高挥发份低硫份煤质)及常规运行调整(运行氧量、一次风速、燃烧器配风及煤粉细度)等。其中，燃烧器改造、炉内喷涂的一次性投资较高，且需要锅炉停运后才能实施，而煤质控制及常规运行调整又受到煤质成本、节能环保及设备状态的限制，其控制及调整的空间非常有限。

随着磨煤机(中速磨)动态分离技术的逐渐成熟，具备了煤粉细度调整性能优良、煤种适应性强、磨煤机出口煤粉浓度差异小等优点，其节能及安全效益较为明显，近年来已逐渐被电力企业广泛应用。然而，在煤质变化不大的情况下，各发电企业仍习惯保持固定的分离器转速，使得不同负荷下煤粉细度的波动较大，部分负荷下炉内燃烧状况趋于恶化，导致不同负荷下炉内高温腐蚀状态差异明显。为此，有必要针对不同负荷下的实际高温腐蚀状况，合理调整磨煤机(中速磨)动态分离器的转速，控制细度以满足机组负荷频繁、大幅度调整的需要。

技术实现要素：

为了缓解炉内水冷壁高温腐蚀，本发明提供一种通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法，包括如下步骤：

a、测试磨煤机在固定动态分离器转速下的煤粉细度与磨煤机出力之间的变化关系l1；

b、测试磨煤机在固定磨煤机出力下的煤粉细度与动态分离器转速之间的变化关系l2；

c、通过不同负荷水冷壁co浓度的检测，得到不同负荷下炉内还原性气氛的变化规律，确定预防高温腐蚀的煤粉细度高位限值r90，h及低位限值r90，l；

d、在煤粉细度为r90，l～r90，h的范围内，根据变化关系l1和变化关系l2得到磨煤机出力与动态分离器转速之间的变化关系l3，当煤粉细度超出r90，l～r90，h的范围时，依据变化关系l3，根据磨煤机出力调整动态分离器转速，使得煤粉细度控制在r90，l～r90，h的范围内。

通过上述方法形成的逻辑可实现煤粉细度的自动控制，以保证运行中煤粉细度的相对稳定，实现不同负荷下高温腐蚀的缓解和防止。

经实践验证，上述方法，在不同负荷、不同磨煤机运行方式下，锅炉均可保证煤粉细度在合理范围内，大大降低了高温腐蚀的发生概率；高负荷下，由于炉内还原性气氛的减弱、高温腐蚀的缓解，使得炉内燃烧状态亦有所改善，锅炉未燃尽co热损失、未燃烬碳热损失会有所下降，在一定程度上达到了节能降耗的效果；低负荷下，由于避免了煤粉磨制过细，使得磨煤机出力有所增大、制粉单耗(磨制单位煤量的耗电量)有所降低，在一定程度上达到了节能降耗的效果。

上述解决全负荷(不同负荷)高温腐蚀的方法，通过试验研究获得磨煤机动态分离器的调节特性、不同负荷下高温腐蚀的变化规律、煤粉细度对水冷壁还原性气氛的影响规律等，并将相关试验结果形成控制逻辑，可实现全负荷煤粉细度的自动控制，进而缓解和防止不同负荷下高温腐蚀的出现。

经实践验证，不同机组负荷(或磨煤机出力)保持在原有固定动态分离器转速下，会导致煤粉细度出现较大幅度的波动，运行中应通过全负荷煤粉细度的调整，保证煤粉细度数值合理且相对平稳。

经实践验证，步骤a中，在固定动态分离器转速下，煤粉细度随着磨煤机出力的增大而递增，且不同磨煤机所对应的煤粉细度及其递增幅度会有所差异。步骤b中，在固定磨煤机出力下，煤粉细度随着动态分离器转速的增大而降低，且不同磨煤机所对应的降低幅度会有所差异。

为了满足一般实践需求，步骤c中，机组负荷的测试范围可选在50％～100％额定负荷。

为了有效缓解高温腐蚀，步骤c中，在高负荷条件下，通过测试确定水冷壁co浓度最大允许值时的最大煤粉细度作为煤粉细度高位限值r90，h，其中，高负荷为90％～100％额定负荷；在低负荷条件下，通过测试确定水冷壁co浓度最大允许值时的最大煤粉细度作为煤粉细度低位限值r90，l，其中，低负荷为50％～65％额定负荷。进一步优选，高负荷为100％额定负荷，低负荷为65％额定负荷。

设计煤粉细度r90.des是在锅炉安全、经济运行的前提下，由锅炉制造厂综合考虑设计煤种、锅炉选型、磨煤机性能等因素，给出的推荐运行值。一般情况下，设计煤粉细度被电力企业普遍采用，因此当r90.l＞r90.des时，则r90.l可按r90.des的大小进行设置。

为了缓解高温腐蚀，水冷壁co浓度最大允许值为：co浓度平均值≤30000ppm、单测点最大co浓度值≤50000ppm。

为了更好的缓解高温腐蚀，水冷壁co浓度最大允许值为：co浓度平均值≤10000ppm、单测点最大co浓度值≤30000ppm。

当步骤d中，为避免炉内高温腐蚀的出现，以r90.h为限值，根据变化关系l1和变化关系l2得到磨煤机出力与动态分离器转速之间的高位控制曲线nh；为避免磨制煤粉过细、制粉单耗过高，以r90.l为限值，根据变化关系l1和变化关系l2得到磨煤机出力与动态分离器转速之间的低位控制曲线nl；变化关系l3所形成的曲线n位于曲线nh和曲线nl之间，曲线n可在曲线nh和曲线nl之间任意取值。实际运行中，磨煤机可依据曲线n，调整动态分离器转速，使得煤粉细度控制在r90，l～r90，h的范围内。

为了避免动态分离器频繁操作、减少设备不必要的损耗，在分离器转速不超过曲线nh和曲线nl的情况下，曲线n应尽可能在较大的磨煤机出力范围保持同一转速。

煤粉细度会随着机组负荷、磨煤机(中速磨)出力的变化而明显变化，当机组负荷高、磨煤出力大时，煤粉细度相对较粗，易出现高温腐蚀现象；当机组负荷低、磨煤出力小时，煤粉细度相对较细，出现高温腐蚀现象的概率较小，但磨煤单耗相对较高。上述通过试验研究掌握磨煤机动态分离器特性及确定煤粉细度限值的方法，为全负荷煤粉细度的自动控制提供了必要条件，从而解决了高负荷易出现“高温腐蚀”及低负荷存在“制粉单耗高”的问题。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法，可实现全负荷煤粉细度的自动控制，锅炉在不同负荷、不同磨煤机运行方式下，均可保证煤粉细度在合理煤粉细度范围内，将大大降低高温腐蚀的发生概率；由于炉内还原性气氛的减弱、高温腐蚀的缓解，使得炉内燃烧状态有所改善，锅炉未燃尽co热损失、未燃烬碳热损失下降，达到了节能降耗的效果；避免了煤粉磨制过细，使得磨煤机出力有所增大、制粉单耗有所降低，达到了节能降耗的效果。

附图说明

图1为1#典型磨煤机在固定动态分离器转速下磨煤机出力与煤粉细度、磨煤机单耗的特性曲线；

图2为2#典型磨煤机在固定动态分离器转速下磨煤机出力与煤粉细度、磨煤机单耗的特性曲线；

图3为1#典型磨煤机在固定磨煤机出力下动态分离器转速与煤粉细度、磨煤机单耗的特性曲线；

图4为2#典型磨煤机在固定磨煤机出力下动态分离器转速与煤粉细度、磨煤机单耗的特性曲线；

图5为不同负荷下锅炉炉内水冷壁还原性气氛的变化图；

图6为1#典型磨煤机的磨煤机出力与动态分离器转的特性曲线示意图；

图7为1#典型磨煤机的磨煤机出力与煤粉细度的特性曲线示意图；

图8为1#典型磨煤机改进前后的磨煤机出力与动态分离器转的特性曲线；

图9为1#典型磨煤机改进前后的磨煤机出力与煤粉细度的特性曲线；

图10为2#典型磨煤机改进前后的磨煤机出力与动态分离器转的特性曲线；

图11为2#典型磨煤机改进前后的磨煤机出力与煤粉细度的特性曲线；

图12为锅炉100％额定负荷下不同分离器转速下水冷壁还原性气氛对比图，图中，竖线代表70rpm，波浪线代表80rpm，斜线代表85rpm；

图13为锅炉50％额定负荷下不同分离器转速下水冷壁还原性气氛对比图，图中，竖线代表65rpm，波浪线代表70rpm，斜线代表80rpm；

图14为锅炉100％额定负荷下不同分离器转速下锅炉各项热损失对比图，图中，竖线代表70rpm，波浪线代表80rpm，斜线代表85rpm；

图15为锅炉50％额定负荷下不同分离器转速下锅炉各项热损失对比图，图中，竖线代表65rpm，波浪线代表70rpm，斜线代表80rpm。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

试验测试锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造的超临界660mw锅炉，为一次中间再热、超临界压力变压运行的直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布置、紧身封闭。该锅炉采用墙式切圆燃烧方式，主燃烧器布置在水冷壁的四面墙上，燃烧器共6层煤粉喷口，每层4只对应一台磨煤机。采用中速磨直吹式制粉系统，配6台zgm113g-ⅱ型磨煤机，5运1备，设计煤粉细度r90.des＝18％，动态分离器采用德国先进动静态旋转分离技术。该锅炉煤种、设计参数、磨煤机参数如表1、表2、表3所示。

表1设计及校核煤种

表2锅炉设计参数表(设计煤种)

表中，bmcr为锅炉最大连续蒸发量；brl为锅炉的能力工况。

表3磨煤机设计参数

近年来，发现该锅炉水冷壁管壁厚减薄严重，机组连续运行200天管壁减薄达2～3mm，被迫更换部分区域的水冷壁管屏，进行基体能谱成分分析、金相检验、维氏硬度试验、垢样分析试验分析后，认为减薄原因是由于强还原性气氛下的硫化物型高温腐蚀所致，为此在腐蚀严重区域加装了烟气取样测点(约30个测点)，以监控和调整水冷壁附近的还原性气氛，并通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法，优化煤粉细度状况，以改善还原性气氛，具体如下：

通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法，包括如下步骤：

a、分别测试1#典型磨煤机(型号：zgm113g-ii、未掺混煤泥)和2#典型磨煤机(型号：zgm113g-ii、掺混煤泥)固定动态分离器转速下的磨煤机出力与煤粉细度之间的变化关系，结果分别见图1和图2：

由图1可看出，1#典型磨煤机在固定动态分离器转速(80rpm)的运行模式下，煤粉细度r90随磨煤机出力的增大呈现明显递增趋势，且在正常磨煤机出力范围(40～60t/h)内，煤粉细度r90≥19.8％，整体高于设计细度r90.des(18％)。因此，当该磨煤机保持较大出力时，其煤粉细度容易偏粗，而这是导致水冷壁出现高温腐蚀的重要原因。

由图2可看出，2#典型磨煤机在固定动态分离器转速(80rpm)的运行模式下，煤粉细度r90随磨煤机出力的增大呈现明显的递增趋势，然而在正常磨煤机出力范围(40～60t/h)内，煤粉细度r90≤17.4％，整体低于设计细度r90.des(18％)。因此，当该磨煤机保持较小出力时，其煤粉细度容易偏细，而这是导致制粉单耗偏高的主要原因。

b、分别测试1#典型磨煤机和2#典型磨煤机在固定磨煤机出力下的动态分离器转速与煤粉细度之间的变化关系，结果分别见图3和图4：

由图3可看出，在1#典型磨煤机煤粉细度整体偏高的条件下，常用磨煤机出力(50t/h)时，动态分离器转速每提高5rpm，煤粉细度r90降低约6％～8％，可见随着动态分离器转速的提高，煤粉细度呈现明显递减趋势。因此，该分离器对煤粉细度有良好的调节特性，也即通过分离器转速的小幅调整即可满足正常磨煤机出力范围内煤粉细度r90达到设计值附近。

由图4可看出，在2#典型磨煤机煤粉细度整体偏低的条件下，常用磨煤机出力(50t/h)时，动态分离器转速每提高5rpm，煤粉细度r90降低约1％～2％，可见随着动态分离器转速的提高，煤粉细度呈现较弱的递减趋势。然而，正常磨煤机出力下煤粉细度r90已在设计值附近，且煤粉细度整体偏小，因此水冷壁出现高温腐蚀的概率很小。

c、通过不同负荷水冷壁co浓度的试验测试，掌握不同负荷下炉内还原性气氛的变化规律，确定预防高温腐蚀的煤粉细度高位限值r90，h及低位限值r90，l。

由图5可看出，针对3个负荷(100％、85％、65％额定负荷)的水冷壁还原性气氛，当机组负荷为100％额定负荷时，同时满足co浓度平均值≤10000ppm、单测点最大co浓度值≤30000ppm的最大煤粉细度约为22％；当机组负荷为65％额定负荷时，同时满足co浓度平均值≤10000ppm、单测点最大co浓度值≤30000ppm的最大煤粉细度约为20％，由于锅炉的设计煤粉细度(r90.des＝18％)小于r90.l，因此各磨煤机实际煤粉细度的设定范围为18％～22％。

d、在煤粉细度为18％～22％的范围内，如图6、图7所示，以r90.h＝22％为限值，根据步骤a中得到的磨煤机出力与煤粉细度之间的变化关系和步骤b中得到的动态分离器转速与煤粉细度之间的变化关系得到磨煤机出力与动态分离器转速之间的高位控制曲线nh；为避免磨制煤粉过细、制粉单耗过高，以r90.l＝18％为限值，按照同样的方法得到磨煤机出力与动态分离器转速之间的低位控制曲线nl；控制曲线n应位于曲线nh和曲线nl之间，曲线n可以在曲线nh和曲线nl之间任意取值，但是为了避免动态分离器频繁操作、减少设备不必要的损耗，曲线n还应尽可能在较大的磨煤机出力范围保持同一转速。最终确定曲线n后，以该曲线为依据，即可根据当前磨煤机出力大小调整动态分离器转速的大小，使得煤粉细度控制在18％～22％的范围内，如图6所示。

由图8～图11可看出，原有(改进前)固定分离器转速模式下典型磨煤机1#、典型磨煤机2#的煤粉细度波动范围分别为19.8％～27.6％、15.4％～20.0％，现有(改进后)模式下分别为18.6％～22.4％、17.4％～20.0％，煤粉细度总体控制在r90.l～r90.h(18％～22％)范围内，且波动幅度分别由原来的7.8％、4.6％降低为3.8％、2.6％。

由此可见，通过上述控制特性曲线可在不同磨煤机出力(或全机组负荷)下保持煤粉细度在合理范围内，进而实现全负荷范围内缓解和防止高温腐蚀的发生。

图12可看出，针对100％额定负荷(660mw负荷)下的高温腐蚀而言(各磨平均分离器转速为85ppm时为全负荷煤粉细度自动控制状态)，当动态分离器转速由80rpm(原固定转速模式)提升至85rpm后，煤粉细度r90约由24％下降至20％，水冷壁附近的所有测点co浓度平均值、腐蚀严重区域测点co浓度平均值、单测点最大co浓度值均有显著下降，高负荷下还原性气氛明显减弱，已达到水冷壁强还原性气氛的控制要求。

由图14可看出，针对100％额定负荷(660mw负荷)下的燃烧状态而言(各磨平均分离器转速为85ppm时为全负荷煤粉细度自动控制状态)，当动态分离器转速由80rpm(原固定转速模式)提升至85rpm后，煤粉细度r90下降(24％下降至20％)，未燃烬碳热损失下降(0.552％下降至0.446％)、未燃烬co热损失下降(0.011％下降至0.009)、锅炉修正后热效率上升(92.991％上升至93.074％)，可见高负荷运行时炉内燃烧状况有所改善，实现了一定的节能降耗作用。

由图13可看出，针对50％额定负荷(330mw负荷)下的高温腐蚀而言(各磨平均分离器转速为70ppm时为全负荷煤粉细度自动控制状态)，当动态分离器转速由80rpm(原固定转速模式)降至70rpm后，煤粉细度r90上升(14％上升至22％)，水冷壁附近的所有测点co浓度平均值、腐蚀严重区域测点co浓度平均值、单测点最大co浓度值均呈现上升趋势，但水冷壁附近远超过强还原性气氛的控制要求，仍有一定安全余量。但是，由于动态分离转速在65rpm时，还原性气氛有明显恶化的迹象，因此不建议磨煤机动态分离器转速低于70rpm。

由图15可看出，针对50％额定负荷(330mw负荷)下的高温腐蚀而言(各磨平均分离器转速为70ppm时为全负荷煤粉细度自动控制状态)，当动态分离器转速由80rpm(原固定转速模式)降至70rpm后，未燃烬碳热损失及未燃烬co热损失呈略上升趋势，锅炉修正后热效率略有下降(93.211％下降至93.184％)。然而，由于避免了磨煤机低出力状况下煤粉磨制过细，使得磨煤机电耗有所下降，其中磨煤机单耗由8.9kwh/t下降为8.0kwh/t，磨煤机节电率超过10％，各磨总功率下降约151kwh。

采用上述通过全负荷煤粉细度的控制缓解炉内水冷壁高温腐蚀的方法后，在正常负荷范围内炉内水冷壁附近的co浓度最大允许值均可达到或接近co浓度平均值≤10000ppm、单测点最大co浓度值≤30000ppm的要求，炉内水冷壁附近的强还原性气氛得到明显改善，其发生高温腐蚀的概率已很小。通过机组连续运行300天以上，未出现高温腐蚀引起的大面积水冷壁管壁减薄现象，个别小区域管壁减薄也仅在0.8mm左右，可见上述方法缓解与防止锅炉水冷壁高温腐蚀的效果明显，炉内水冷壁高温腐蚀现象得到了有效控制。