引言

隨著新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)在我國的水泥生產(chǎn)工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，充分利用水泥窯余熱發(fā)電已經(jīng)成為水泥工業(yè)發(fā)展的一個主流方向。純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是控制大氣污染，減少二氧化碳氣體排放和保護環(huán)境的有效手段，也是企業(yè)提高能源利用效率，減少能源消耗，降低成本，提高產(chǎn)品市場競爭力的重要措施。

但到目前為止，水泥窯純低溫余熱鍋爐（以下簡稱余熱鍋爐）的發(fā)展時間還比較短，鍋爐在設(shè)計、制造、安裝和運行中不可避免的存在著一些問題，這些問題可能影響余熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，造成計劃外停機，導致設(shè)備損壞，甚至發(fā)生安全事故，因此解決好這些問題具有重要意義。

從國內(nèi)余熱鍋爐的故障案例和本地區(qū)余熱鍋爐的使用維護情況來分析，目前余熱鍋爐存在以下幾個問題：

一、泄漏問題

從本地區(qū)余熱鍋爐的運行情況來看，泄漏問題是造成鍋爐計劃外停機的主要問題之一。而此類鍋爐的受熱面一旦泄漏，會帶來比其他類型鍋爐更嚴重的后果，究其原因是余熱鍋爐采用的熱源中含有大量的灰分，鍋爐受熱面上往往集聚著一定量的積灰，而這種積灰的特性是遇水會結(jié)成硬塊，牢牢附著在受熱面外表，難以去除。對窯頭AQC鍋爐和ASH過熱器來說，其受熱面多為螺旋翅片管采用小節(jié)距的錯列排列組成，積灰容易嵌入翅片間隙和管子之間，一旦受熱面發(fā)生泄漏，積灰遇水凝成硬塊后，不但除灰裝置無法去除，即使停爐后采用人工清灰也難以清除，往往只能進行換管處理，對使用單位造成較大不便和損失；對窯尾SP鍋爐而言，受熱面積灰往往比窯頭更嚴重，一旦受熱面發(fā)生泄漏，積灰會迅速在泄漏點附近粘結(jié)成塊，形成大量堆積，局部堵死煙氣通道，影響余熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。因此，弄清此類鍋爐泄漏的原因并采取相應(yīng)的措施，具有重要意義。

引起鍋爐泄漏的原因有很多，設(shè)計、制造、安裝、修理、改造、使用和維護等各個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生缺陷引起泄漏，具體來說有結(jié)構(gòu)缺陷、材料缺陷、焊接缺陷、飛灰磨損、介質(zhì)沖蝕、腐蝕、熱疲勞、過熱、振動、機械損傷等，以及多種因素共同作用引起的泄漏。

1.1 焊接缺陷造成的泄漏

余熱鍋爐的受熱面一般采用蛇形管結(jié)構(gòu)（多用于鍋爐SP和ASH過熱器）或直管結(jié)構(gòu)（多用于AQC鍋爐）。這兩種結(jié)構(gòu)都需要管子或管座與集箱角焊連接，尤其是第二種結(jié)構(gòu)，需要將大量的管子焊接在集箱上，焊接位置不方便焊工操作，焊接時難以焊透，又不便采用射線照相方法進行無損檢測，一旦把關(guān)不嚴，很可能在焊縫中遺留有焊接缺陷，鍋爐運行中，在各種應(yīng)力作用下造成缺陷的擴展，最終導致泄漏。

1.2 過熱引起的泄漏

余熱鍋爐采用的熱源一般為500℃以下的廢氣，產(chǎn)生430℃以下的過熱蒸汽，其中AQC、SP鍋爐采用的熱源一般不超過400℃，產(chǎn)生飽和蒸汽或350℃以下的過熱蒸汽，鍋爐工作溫度較低，一般來說不容易發(fā)生過熱失效，但是此類鍋爐的過熱器管束多采用20低碳鋼管，材料高溫性能較差，如果鍋爐存在進入過熱器的蒸汽流量分配不均，局部管子冷卻不良，鍋爐入口煙氣溫度超過設(shè)計值等問題時，仍有可能因過熱造成受熱面管失效泄漏，需引起注意。

1.3 預留膨脹間隙不足引起的泄漏

余熱鍋爐由于煙氣、介質(zhì)溫度低，鍋爐受壓元件膨脹量不大，引起的問題一般不如常規(guī)火力發(fā)電鍋爐嚴重，但對于窯頭AQC鍋爐常用的受熱面結(jié)構(gòu)來說，預留膨脹間隙的問題仍應(yīng)引起足夠重視。由于不采用蛇形管結(jié)構(gòu)，而采用兩端為進出口集箱組，中間為直管的結(jié)構(gòu)型式，這種結(jié)構(gòu)剛性強，對膨脹的適應(yīng)能力較弱，當管子受熱膨脹時，如果兩端預留膨脹間隙不夠，管子會產(chǎn)生變形，甚至將管子與集箱的連接焊縫拉裂。尤其是部分窯頭AQC鍋爐采用的管箱式結(jié)構(gòu)，將集箱置于煙道爐墻內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝方便快捷，能較好的解決煙道漏風的問題，但這種結(jié)構(gòu)一定要考慮好受熱面的膨脹問題，兩端的集箱應(yīng)預留足夠的膨脹間隙。

1.4 介質(zhì)沖蝕引起的泄漏

對于低壓鍋爐而言，汽水混合物對管子、管道彎頭的沖蝕也是一種比較常見的損傷模式。由于AQC鍋爐為增大換熱效率，以及減少灰分對管壁的磨損，多采用螺旋翅片管，這種管子的受熱面熱強度很高，蒸發(fā)器內(nèi)的汽水混合物速度容易超過汽水磨損的臨界速度，對彎頭管壁造成磨損，因此AQC鍋爐的蒸發(fā)器一般不采用蛇形管結(jié)構(gòu)。另外要注意的就是余熱鍋爐上升管的彎頭部位，也比較容易因沖蝕產(chǎn)生泄漏。

以上問題的解決措施：

1)鍋爐制造單位、安裝單位應(yīng)該嚴格控制鍋爐的焊接質(zhì)量，盡量減少焊接缺陷的存在。

2)采用優(yōu)良的鍋爐設(shè)計方案，避免因汽水分配不均造成受熱面冷卻不良。

3)鍋爐運行中注意控制進口煙氣溫度，避免超溫運行。

4)設(shè)計、制造、安裝時應(yīng)考慮此類鍋爐受熱面的膨脹問題，預留足夠的膨脹間隙。

5)控制鍋爐積灰，防止嚴重積灰堵灰，以免泄漏后難以處理。

6)采用將集箱布置在煙道爐墻外的結(jié)構(gòu)，避免角焊縫泄漏后水分與積灰混合形成硬塊的后果。但這樣的缺點是增大了煙道漏風的可能，增加了爐墻密封的難度，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。

從本地區(qū)余熱鍋爐的運行情況來看，由于采用剛性較大的直管結(jié)構(gòu)，AQC鍋爐的蒸發(fā)器最易發(fā)生泄漏，并且一旦泄漏造成的危害最嚴重，其次AQC鍋爐的過熱器和省煤器也較容易發(fā)生泄漏。目前有些使用單位的AQC鍋爐采用蛇形管結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器來代替直管結(jié)構(gòu)，可以較好的解決焊接質(zhì)量、熱膨脹、熱疲勞造成的泄漏，但又不得不考慮介質(zhì)沖蝕對彎頭部分的損傷問題，具體效果如何還有待實踐的檢驗。

其他因素造成的泄漏，在下文中涉及。

二、磨損問題

窯頭余熱鍋爐（包括AQC鍋爐和ASH過熱器）采用的熱源是窯頭篦冷機冷卻廢氣，含塵量相對窯尾廢氣較低，灰分為水泥熟料顆粒，粒徑粗，密度大，硬度高，表面有尖棱，對受熱面的磨損情況比較嚴重，易引起受熱面管壁磨損穿孔泄漏。有研究表明，在不采取任何防磨措施的情況下，φ42×5mm的鍋爐無縫鋼管，不到180天就被磨穿，因此磨損問題是窯頭余熱鍋爐需要考慮的重要問題。

影響磨損的主要因素有氣流速度，煙氣含塵量，灰分粒徑，灰粒硬度，灰粒形狀，受熱面管材料，管束節(jié)距，排列方式等，從這些因素分析，磨損問題的解決措施主要有：

1)采用合理煙氣流速。由于煙氣流速對磨損的影響比其他因素大得多，因此必須選取適當?shù)臒熕伲M織好煙氣的流動使其盡量避免偏流或渦流，讓煙氣的顆粒均勻進入受熱面。對窯頭鍋爐而言，一般煙氣流速選擇在7m/s左右，對窯尾鍋爐，由于灰粒的磨損性很小，為防止積灰，可以增大煙氣流速，一般選擇在15m/s左右。

2)降低煙氣含塵量。煙氣進入鍋爐前先通過沉降室預除塵，把大顆粒的熟料沉降下來，減少含塵量和灰粒平均直徑，減輕磨損。

3)管子橫向節(jié)距均勻，與爐墻的間隙不宜過大，消除煙氣走廊。

4)AQC鍋爐采用由下而上的煙氣通過方式，減少重力對熟料顆粒的加速作用。

5)采用耐磨損的管子類型。如螺旋翅片管，H型翅片管等。

6)將管子兩端、彎頭等布置在煙道外，或用煙氣擋板將將這些部位遮擋起來，避免受到煙氣的沖刷。

7)在管子、煙道內(nèi)集箱的易磨損部位增設(shè)防磨裝置。

三、積灰問題

水泥窯余熱鍋爐采用的熱源是含塵濃度較高的水泥窯生產(chǎn)廢氣，相比其他類型鍋爐更容易在受熱面上產(chǎn)生積灰，而嚴重的積灰會大大惡化傳熱效果，顯著降低受熱面的換熱性能。因此解決好積灰問題對此類鍋爐具有重要意義。

余熱鍋爐積灰情況受多種因素影響：如廢氣特性（廢氣溫度，含塵量，粒徑大小，灰分的粘接性等），鍋爐結(jié)構(gòu)型式，受熱面的布置情況，氣體流速和流向，廢氣進入鍋爐前的除塵效果，清灰裝置的使用效果等。

積灰問題的主要解決措施有：

1)采用合理的預除塵，利用重力沉降室，旋風分離器，煙道轉(zhuǎn)角等將部分煙塵預先分離出來，減少進入鍋爐的煙氣含塵濃度。

2)控制好煙氣流速，既要能及時帶走積灰，又不能加劇磨損，產(chǎn)生偏流。

3)選用有效的清灰方式。SP鍋爐一般采用機械振打除灰，能起到連續(xù)除灰的效果，避免其他吹灰方式造成瞬間大量落灰，加重高溫風機負擔的缺點；AQC鍋爐根據(jù)積灰情況，可以選用可燃氣體爆燃吹灰、聲波吹灰、壓縮空氣吹灰等，如積灰不嚴重可以不采用吹灰器；ASH過熱器由于灰分溫度高，有一定的粘接性，且本身對換熱效果的要求較高，一般采用吹掃力度較大的可燃氣體爆燃吹灰。鍋爐運行中應(yīng)控制好除灰設(shè)備的參數(shù)，如除灰頻率，振打力度等。

4)采用不易積灰的結(jié)構(gòu)型式。如窯尾鍋爐采用臥式結(jié)構(gòu)，窯頭鍋爐采用煙氣自下而上的通過方式等。但要注意結(jié)構(gòu)對鍋爐的影響不僅限于積灰，應(yīng)在設(shè)計中對多方面影響進行考慮。

5)采用不易積灰的管子類型。由于螺旋翅片管積灰情況比較嚴重，有使用單位建議將AQC鍋爐過熱器、蒸發(fā)器的前幾排管子由螺旋翅片管改為H型翅片管、縱向鰭片管、光管等，但應(yīng)綜合考慮管子類型對換熱效果，耐磨性和防止積灰等多方面的影響。

6)選擇合適的管子排列方式和節(jié)距。

7)選擇合理的煙氣溫度，避免過高的溫度形成粘結(jié)性積灰。

四、疲勞問題

4.1 鍋爐本體振動引起的疲勞

從余熱鍋爐的現(xiàn)場運行情況來看，部分鍋爐存在著振動較大的問題。有研究表明，余熱鍋爐的振動產(chǎn)生的原因主要有以下幾種：

1)受熱面固定不好，由于固定焊點脫落或安裝過程中沒有焊好等原因，受熱面沒有形成一個剛體，造成受熱面管子徑向發(fā)生晃動而引起振動；

2)煙氣波動造成的振動；

3)煙氣變向造成煙氣流場劇烈變化引起振動；

4)煙氣在煙道內(nèi)通過受熱面時產(chǎn)生卡門渦流振動。

另外，使用單位認為余熱鍋爐的振動可能還與以下因素有關(guān)：

1)余熱鍋爐本身缺乏膜式壁的支撐作用，剛性較弱，因此振動情況較常規(guī)火力發(fā)電鍋爐更明顯；

2)余熱鍋爐水位波動比較劇烈；

3)煤磨機啟動后，會加劇振動情況。

強烈的振動可能會對鍋爐造成損害，如在穿管部位、接管角焊縫、支座角焊縫等部位產(chǎn)生疲勞損傷，造成鍋爐泄漏，爐墻損壞漏風，縮短鍋爐使用壽命。因此應(yīng)采取措施避免或減輕鍋爐振動，或減輕振動對鍋爐的損害。

1)加強安裝質(zhì)量，安裝時應(yīng)將鍋爐受熱面固定牢固。

2)提高焊接質(zhì)量，減少咬邊等焊接缺陷，角焊縫盡量圓滑過渡。

3)鍋爐調(diào)試期間應(yīng)采取措施消除振動問題，不將隱患遺留到運行期間。

4)對振動劇烈的鍋爐，應(yīng)停爐對受熱面進行加固。

5)在煙道中布置隔板，防止共振。

6)鍋爐運行時注意合理調(diào)節(jié)工況，盡量避免煙氣和水位的波動。

4.2 機械振打裝置引起的疲勞

窯尾余熱鍋爐（SP鍋爐）在運行中通常采用機械振打裝置去除積灰，這種裝置周期性的振動會造成受熱面及焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋，影響其使用壽命。尤其是某些鍋爐的振打桿連接在梳形板上，而梳形板直接焊接在受熱面管上，焊縫上的缺陷（如咬邊）在反復的振打下容易擴展，最終造成泄漏。

解決此類問題的措施： 

1) 加強鍋爐安裝質(zhì)量，梳形板盡量不要直接焊接在受熱面管上，可以加裝護管等；如要焊接，則應(yīng)盡可能避免咬邊等焊接缺陷，焊縫盡量圓滑過渡。 

2) 保證除灰效果的情況下，可以適當減小振打頻率和振打力度。 

4.3 熱疲勞

窯頭鍋爐采用的螺旋翅片管的兩端，此處位于翅片區(qū)和光管區(qū)的交界處，由于光管的換熱能力較差，如果煙氣溫度波動較大，容易產(chǎn)生熱疲勞，同時此處位于角焊縫的應(yīng)力集中區(qū)附近，由溫度變化引起的熱沖擊作用在此處，有可能發(fā)生熱疲勞損壞。 

對此類情況的解決措施： 

1) 優(yōu)化水泥窯運行工況，減小煙氣溫度變化幅度及頻率。 

2) 采用煙氣擋板將翅片管兩端隔離，避免煙氣溫度變化造成的熱疲勞。

五、腐蝕問題

由于余熱鍋爐采用的熱源相對來說溫度不高，一般不會在煙氣側(cè)產(chǎn)生高溫腐蝕；而煙氣中的SO₃濃度低，排煙溫度高于露點溫度，一般也不易在鍋爐尾部煙道的煙氣側(cè)產(chǎn)生低溫腐蝕。 

汽水側(cè)腐蝕與其他類型的次中壓和低壓鍋爐類似，主要有氧腐蝕、酸腐蝕、堿腐蝕、垢下腐蝕等，需要注意的是 SP 鍋爐蒸發(fā)器采用的臥式蛇形管結(jié)構(gòu)，當水質(zhì)不良時，在熱負荷較高區(qū)域的水平段，相對其他類型鍋爐豎直布置的水冷壁管和對流管更容易產(chǎn)生垢下腐蝕，主要原因是此處鍋水流動情況差，而熱負荷較高，介質(zhì)容易蒸發(fā)濃縮，造成pH值異常，對管壁造成腐蝕損傷。 

另外，余熱鍋爐的低溫段以及長時間停用的鍋爐，還應(yīng)注意防止保溫層下腐蝕。如果鍋爐防潮措施不當，保溫層存在破損時，雨水以及管路、閥門泄漏出來的水可能通過保溫層破損處聚集在受壓元件表面，不斷濃縮，對金屬產(chǎn)生腐蝕損傷。 

腐蝕問題的解決措施： 

1) 嚴格按標準規(guī)范要求控制各項水質(zhì)指標，防止鍋爐結(jié)垢和低溫段水側(cè)的氧腐蝕，發(fā)現(xiàn)鍋爐結(jié)垢時應(yīng)及時進行清除。 

2) 操作人員嚴格按規(guī)定進行排污。 

3) 加強鍋爐防潮措施，及時修復破損保溫層，對泄漏的管路、閥門及時進行處理。 

4) 停用期間的鍋爐應(yīng)做好內(nèi)外表面的保養(yǎng)工作。

六、安全保護裝置問題

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，發(fā)電鍋爐控制系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化和信息化方向前進。由于 DCS 控制系統(tǒng)具有操作簡便，信息直觀等有優(yōu)點，在余熱電站控制中得到廣泛應(yīng)用。 

但從本地區(qū)余熱鍋爐控制系統(tǒng)的使用情況來看，目前部分余熱鍋爐采用的控制系統(tǒng)還存在安全保護裝置不符合規(guī)范要求，部分操作不夠方便（如目前鍋爐排污仍需要操作人員到現(xiàn)場操作）等問題。 

按《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求，余熱鍋爐應(yīng)該裝設(shè)水位、超壓報警及聯(lián)鎖保護裝置，但由于水泥窯排放的煙氣量和煙氣溫度不易控制，當生產(chǎn)條件發(fā)生變化時，產(chǎn)生的廢熱煙氣品質(zhì)也隨之波動，導致鍋筒水位波動劇烈，容易出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，因此水位控制是鍋爐系統(tǒng)控制的一大難點。部分控制系統(tǒng)未裝設(shè)自動水位調(diào)節(jié)功能和極低水位停爐功能，有些控制系統(tǒng)雖然有上述功能，但使用單位反映其控制效果不好，經(jīng)常造成誤操作而棄之不用，改為手動調(diào)節(jié)水位。同樣，超壓保護裝置也存在類似的問題，導致使用單位不裝設(shè)或不投用，一方面增加了企業(yè)的人力負擔，同時也不符合安全技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，增加了安全隱患。 

希望今后 DCS 控制系統(tǒng)在設(shè)計時能在這些方面得到改進。

七、結(jié)語

本文分析了水泥窯純低溫余熱鍋爐目前存在的幾個問題，并提出了一些解決措施，希望對余熱鍋爐的日常運行維護和進一步的改進發(fā)展具有一定的參考價值。

作者：顧雷，袁衛(wèi)東，羅俊勇，孔德榮

來源：《樂山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所》

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