2019年第10期
2019 No.10
Operation And Maintenance运行与维护
Electric Power System Equipment电力系统装备
循环流化床锅炉激光熔覆水冷壁防磨技术浅析
刘海宝，周 雷，王 成
（中国石油独山子石化公司热电厂，克拉玛依 833699）
［摘 要］本文综述了CFB锅炉各部位的磨损形式，分析了其磨损机理，通过对比分析了激光熔覆水冷壁及相关受热面防磨技术的实际应用效果，对解决CFB锅炉运行中出现的磨损问题有一定的参考意义。［关键词］循环流化床锅炉；激光熔覆；水冷壁；磨损［中图分类号］TK229 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X（2019）10–0118–03
Analysis on Laser Cladding Water Wall Anti-wear Technology of
Circulating Fluidized Bed Boiler
Liu Hai-bao，Zhou Lei，Wang Cheng
［Abstract］This paper reviews the wear patterns of various parts of CFB boilers, analyzes the wear mechanism, and compares the practical application results of laser cladding water wall and related heating surface anti-wear technology to solve the wear problem in CFB boiler operation. Have a certain reference.
［Keywords］CFB boiler; laser melting coating; water cooled wall; wear循环流化床锅炉（CFB）在当前应用中表现出了多方面优势，相应燃烧效率比较高，能够适用于多种煤炭资源的应用，在实际应用中表现出了较高的节能环保效益，得到了广泛应用。但循环流化床锅炉在应用中也存在着一些明显问题和不足，尤其是受热面磨损问题，需要予以高度重视。通过对水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、风帽及浇注料、旋风分离器等磨损区域进行重点关注，结合CFB锅炉在运行中出现的受热面磨损问题，为降低锅炉检修工作量、提高锅炉运行经济效益，需要重点围绕着防磨治理工作进行充分研究，采取较为适宜的防磨技术，优化锅炉运行。本文重点针对循环流化床锅炉水冷壁磨损问题进行了详细分析和探究，通过对比分析激光熔覆水冷壁防磨技术及其它受热面防磨技术的实际应用效果，发现应用激光熔覆防磨技术可较好地延长CFB锅炉连续运行周期，对优化CFB锅炉运行效果、延长CFB锅炉运行周期具有一定积极作用。1 水冷壁的磨损
1.1 水冷壁磨损危害
通过相应作用对管壁的铁元素形成腐蚀影响，具体反应如下Fe+S → FeS；二是如果煤炭资源中存在较多的不可燃硫元素，同样也会在后续作用中对管壁形成腐蚀影响，尤其是产生的硫酸盐成分威胁更为突出。这一影响必然导致水冷壁厚度不断降低，整体性能受损。
另外，在循环流化床锅炉燃烧过程中，因为烟气中的颗粒含量高、烟尘颗粒流速高，特别是燃用劣质煤或煤矸石时，会严重影响水冷壁的稳定性，在遭受不停冲击的情况下，导致管壁磨损。随着烟气流速加快，这一影响更为突出，这就需要针对烟气流速予以高度关注。通常通过对循环流化床锅炉运行中的送、引风量进行合理设置，确保其能够处于相对平衡状态，避免风压的突出变化，规避烟气流速过大带来的磨损问题。
循环流化床锅炉磨损速率：E=Kud2U3（控制流速最关键）。
1.3 循环流化床锅炉主要磨损区域
循环流化床锅炉水冷壁磨损问题较为常见，其危害性比
较突出，具体危害有以下两点。
1.1.1 管壁减薄
在循环流化床锅炉运行中，水冷壁磨损的危害首先直接表现在管壁的变薄上，随着磨损程度的加深，相应厚度一般会每年降低1 mm 左右，磨损相对突出的区域甚至可以降低5~6 mm/年，对锅炉运行产生严重危害。
1.1.2 水冷壁突发性爆管
2.1 防磨梁技术
主要磨损区域包括炉膛四周水冷壁、密相区耐磨耐火层、密相区与水冷壁管交界处、炉膛四角区域、炉膛出口烟窗区域、炉膛中部管壁、管屏穿墙区域及让管区域、管屏下端、布风板及风帽、炉顶受热面、旋风分离器及进出口烟道、立管及返料装置内表面、尾部对流烟道。
2 循环流化床锅炉水冷壁现有防磨技术分析
在循环流化床锅炉运行中，随着水冷壁磨损问题的出现，还容易产生较为严重的爆管问题，对循环流化床锅炉运行产生严重危害，对电厂的有序运行产生威胁，甚至会影响到供电网的稳定性，带来较为严重的社会影响。
1.2 水冷壁高温腐蚀和磨损机理
针对循环流化床锅炉水冷壁高温腐蚀及磨损问题进行详细分析，该类问题往往受多个因素的影响，比如温度、硫含量、烟气速度、颗粒含量以及燃料质量等，都会导致该类问题出现。
一般而言，在循环流化床锅炉运行中，炉内温度高达900℃，在高温环境下，内部煤炭燃烧产生的硫元素容易形成腐蚀隐患。这种腐蚀性问题的出现主要涉及到了SO2、SO3、H2S、HC1、碱金属盐及钒盐类等多种物质，这些物质在煤炭燃烧中都有可能出现，对管壁形成不良危害。在这些危害因素中，硫化物是主要危害成分，一是硫化气体在锅炉运行中
目前多采用在水冷壁四周设置防磨梁，从下向上，采用耐火耐磨材料形成凸台防磨梁，沿水冷壁高度方向以一定间距（高度差约2m/道）水平或倾斜多阶布置，防磨凸台可显著降低炉膛内循环床料贴壁流的速度和浓度（贴壁流速度可由8 m/s 减少到 2 m/s），采用防磨梁，可保证水冷壁管的耐磨寿命由3 个月左右延长到6个月以上。
防磨梁技术优点：主动方式，降低了炉膛内循环床料贴壁流的速度和浓度。安装简单方便，不需对炉膛水冷壁进行大量改造。防磨梁不足之处：加装防磨梁对锅炉炉内水冷壁吸热有一定影响，影响程度在5%左右。
加装防磨梁后，假设不对锅炉运行状况和炉内受热面面积进行调整，在同样负荷下，将会引起床温升高。以炉内水冷壁受热面传热温差为 520℃ 考虑（假定床温 880℃，饱和水温度360℃），根据加装前、后吸热量相等，则加装防磨装置后床温为：（880-360）/（1-5％）＋360=907℃，若吸热量不变，加装防磨梁后会使床温升高约 27℃（图1）。
118丨电力系统装备 2019.10
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2019年第10期
2019 No.10
图1 采用防磨梁进行水冷壁防磨示意
2.2 超音速电弧喷涂技术2.2.1 电弧喷涂技术的局限性(1) 涂层与基体为机械结合，导致涂层易脱落。对于燃用劣质煤
（煤矸石掺烧比例大、灰分高）的锅炉，局部磨损严重，涂层效果不明显。循环流化床锅炉水冷壁一般每年需喷涂1次~2次进行防磨，严重影响了机组的安全经济运行（图2）。
图2 采用喷涂技术涂层局部脱落示意
（2) 特殊区域防磨效果差。炉膛下部位燃带与水冷壁管过渡区
域、炉膛四个角落区域、不规则区域管壁的磨损，尚找不到理想的喷涂方法，使之能与其他部位达到相同寿命。(3) 涂层厚度受，难以准确测量、控制厚度。涂层厚度为 300~600 μm（太厚易剥落），手工喷涂涂层厚度难以准确控制、测量（炉管和多数涂层都含Fe、Ni 等元素，属导磁材质，欲用非磁性、磁性、涡流及超声等原理制作的测厚仪进行测厚，都不能准确地测量出厚度值）。（4） 二次喷涂时，废旧涂层难以完全去除。以LX88A 涂层为例，运行一年之后，喷涂前欲去除旧涂层后重新喷涂，通常采用喷砂方法进行旧涂层清除，但难以除尽，影响二次喷涂效果。（5）涂层存在孔隙率，影响耐磨效果。电弧喷涂涂层存在2%~10%孔隙率，即便涂封孔剂，仍然存在气孔、局部脱落情况，影响整体耐磨性。
3 现有防磨技术的局限性（1） 电焊技术存在输入热量大、稀释率较高、工件易变形、效率低、对施工人员技术要求高及可修复工件种类少等问题，难以满足高效快速维修的要求。
（2）采用热喷涂、防磨梁、让管等措施可取得较好的防磨效果，但部分区域的磨损仍严重。
（3）采用电弧堆焊耐磨层的方法，硬度为45HRC~55 HRC，耐磨层厚度2~4 mm，耐磨性约为水冷壁的1.3~1.5 倍，价格 6000~20000元/m2，造价较贵，但防磨效果一般。热喷涂技术适合对表面粗糙度要求不高的耐磨耐蚀涂层的设备，存在结合强度较低、孔隙率较大等局限性。（4） 加装防磨梁后，则需考虑排烟温度升高，锅炉效率下降等问题。
4 激光熔覆水冷壁防磨技术应用分析
基于以上情况，通过技术交流及学习考察，目前我、厂循环流化床锅炉水冷壁开始逐步采用激光熔覆水冷壁防磨技术。激光熔覆防磨技术是华北电力大学针对循环流化床锅炉防磨研究开发的一项关键技术，该技术采用先进的激光熔覆表面处理技术。前后开发出1.8 kW 大功率半导体激光发生器，以及TiB2（TiC）-Cr3C2/NiCr，TiB2-Fe-Cr-B-Si-C、TiB2（NbC）-Ni-Cr-B-Si-C等适用于 CFB 锅炉情况的复合材料体系。
对激光熔覆层的组织结构、硬度、孔隙率、高温氧化、磨损
等性能进行系统全面的检测分析，其硬度均达1000~1600HV，高温耐磨性完全能满足循环流化床锅炉的要求。加工过程：通过落粉管将不同的填料以一定速率在被涂覆基体表面上均匀放置，经大功率1.8 kW高能激光束辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并通过冷却器快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性。激光熔覆加工图片如图3所示。
图3 水冷壁管激光熔覆技术示意
4.1 相比其它技术，激光熔覆技术具有如下特点
（1） 冶金结合。熔覆层与基体的结合强度是热喷涂涂层
10 倍以上，解决了防磨涂层可靠性低、局部脱落的问题。（2）利用激光束反应合成高耐磨陶瓷-金属复合材料，熔覆耐磨材料硬度高，在冲蚀磨损工况下，其耐磨性为热喷涂涂层3~6倍，在三体磨损工况下的耐磨性可达高铬铸铁的5~8倍。
(3) 热影响区域小。熔覆施工对基体热影响区深度仅 0.1~0.2 mm，不改变基材原有组织和力学性能，工件无变形。（4） 导热率高。导热率与不锈钢相当，优于热喷涂涂层（同种材料对比），对设备的换热效率影响极小。（5） 激光熔覆技术工艺工程全部自动化，质量稳定可靠。（6） 不同工艺制备的涂层界面示意如图4所示：
机械咬合
基体过度稀释涂层低稀释率
结合力差
性能差
冶金结合，质量好
热喷涂，等离子喷涂堆焊激光熔覆
图4 喷涂、堆焊、激光熔覆界面对比示意图
（7） 在800℃温度下，耐磨熔覆层耐高温冲蚀性能为水冷壁管材料的11~13倍（图5）。
70166050g12m/40800℃-石英砂-锅炉管量重820号钢30800℃-石英砂-激光熔覆层
失激光熔覆204喷涂堆焊
100
0
0153045607590
020406080100
角度/°
图5 不同防磨技术耐高温冲蚀性能对比示意
4.2 激光熔覆水冷壁防磨技术应用效果
目前激光熔覆水冷壁防磨技术已在国内外多个电厂应用，普遍达到了延寿2~12倍的效果。
通过大幅度延长火电厂重要部件的耐磨寿命，可为电厂节省大量维修费用、增加机组年利用小时、提高设备安全、长周期运行可靠性。在某电厂运行3年以上，熔覆层厚度减薄约小于50 μm/年，效果显著。
图6中管壁厚度8.2 ~8.5 mm的水冷壁管为使用激光熔覆层水冷壁管，图6中管壁厚度5.3 ~6.2 mm的水冷壁管为采用热喷涂涂层的水冷壁管。
2019.10 电力系统装备丨119
2019年第10期
2019 No.10
Operation And Maintenance运行与维护
Electric Power System Equipment电力系统装备
联合循环电厂余热锅炉深度节能的优化改造
赵晓阳
（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院，安徽合肥 230031）
［摘 要］燃气蒸汽联合循环优势在于具有良好的环保与投资效益，因此得到了广泛的应用。联合循环发电效率与余热锅炉系统性能密切相关。本文重点对余热锅炉系统性能进行优化设计，简述联合循环电站的发展情况，对影响余热锅炉性能的有关因素进行阐述。
［关键词］联合循环；余热锅炉；性能优化［中图分类号］TM611 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X（2019）10–0120–02
Optimization and Reform of Deep Energy Saving of Waste
Heat Boiler in Combined Cycle Power Plant
Zhao Xiao-yang
［Abstract］The advantage of gas-fired combined cycle is that it has good environmental protection and investment benefits, and has been widely used. Combined cycle power generation efficiency is closely related to the performance of the waste heat boiler system. Focus on the optimization design of the performance of the waste heat boiler system, briefly describe the development of the combined cycle power plant, and expound the relevant factors affecting the performance of the waste heat boiler. ［Keywords］combined cycle; waste heat boiler; performance optimization1 联合循环电站发展概况
随着燃气汽轮机与余热锅炉技术进步发展合，联合循环电站是将燃气轮发电与蒸汽动力发电结合的新型动力装置。首台4 MW燃气轮机电站在1939年瑞士投运，20世纪50年代燃气轮机逐渐进入发电工业领域，60年代开始建设联合循环电厂，70年代，联合循环热效率达到40%，具有快速启停等特点。80年代燃气轮机初温提高到1280℃，大大超过大型火电机组，燃气轮机在世界电力工业中的地位发生了明显的变化。90年代，燃气轮机联合循环总效率接近58%，远远领先于启停形式的发电设备。21世纪初，燃气轮机联合循环作为电网中的重要方面迅速崛起，新增的容量超过常规的火力发电，燃气轮机循环发电比例占到90%以上。目前市场上出现了燃机供不应求的局面，联合循环电站已成为发达国家电力工业的主力机组。
联合循环发电机具有发电效率高，启停速度快，建设周期短等多方面的特点。目前简单的燃气轮机发电效率最高只能达到40%左右，使用以1400℃级燃气轮机为主流的联合循环中，发电效率达到55%左右，新型9 H等级燃气轮机联合效率可突破60%、单位输出功率的设备重量小，对负荷变化有良好的跟随性。联合循环机组变负荷速率可达5%/min，正常热态启动时间需45 min左右，负荷适应能力强，较一般火电厂污染少，用天然气作燃料发电，氮氧化合物可削减90%。2 联合循环发电原理
2.1 燃气蒸汽联合循环发电组成
联合循环发电是将蒸汽发电与燃气轮机发电结合的发电方式，燃气轮机从大气中抽取大量空气进行压缩，产生高温烟气推动燃气轮带动发电机发电。
燃气轮机排出的废烟气温度高，将其送入余热回收锅炉，
表1 采用不同防磨技术锅炉连续运行周期对比
水冷壁采用的防磨技术超音速电弧喷涂技术
水冷壁防磨梁+超音速电弧喷涂技术水冷壁防磨梁+激光熔覆水冷壁管防磨技术
锅炉连续运行周期
3-6个月6-9个月12-15个月
图6 超音速喷涂与激光熔覆防磨技术对比示意
通过对比，激光熔覆层磨损轻微，而热喷涂涂层磨损严重，水冷壁管管壁最博处壁厚仅为5.3 mm。
5 循环流化床锅炉激光熔覆水冷壁防磨技术应用效果
根据外电厂使用经验及2015-2018年我厂水冷壁使用经验总结、分析，相比于超音速喷涂技术、水冷壁防磨梁+超音速喷涂技术，采用水冷壁防磨梁+激光熔覆水冷壁管防磨技术可以有效提高循环流化床锅炉水冷壁抗磨损能力，效果显著，可以很好地延长循环流化床锅炉运行周期、降低循环流化床锅炉检修频次、降低检维修费用成本（表1）。
6 结语
通过采取主动防磨调整和被动防磨技术等多种手段，目前我厂在运循环流化床锅炉安全连续运行能力大幅提高，锅炉连续运行周期由过去的6~9个月，目前最长可以达到连续安全运行12~15个月，在同类型机组中整体运行效益较好，收到了良好的效果和经济效益。经过进一步总结、应用，计划在今后锅炉检修时逐步采用激光熔覆水冷壁防磨技术，争取循环流化床锅炉运行周期达到18~24个月。
参考文献
[1] 芩可法.循环流化床锅炉理论设计与运行[M].中国电力出版社.[2] 锅炉原理及计算.清华大学电力工程系锅炉教研组[M].科学出版社.[3] 党黎军.循环流化床锅炉的启动调试与安全运行[M].中国电力出版社.
120丨电力系统装备 2019.10
