引言

隨著新型干法水泥生產技術在我國的水泥生產工業中被廣泛應用，充分利用水泥窯余熱發電已經成為水泥工業發展的一個主流方向。純低溫余熱發電技術是控制大氣污染，減少二氧化碳氣體排放和保護環境的有效手段，也是企業提高能源利用效率，減少能源消耗，降低成本，提高產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）的發展時間還比較短，鍋爐在設計、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電系統的正常運轉，造成計劃外停機，導致設備損壞，甚至發生安全事故，因此解決好這些問題具有重要意義。

從國內余熱鍋爐的故障案例和本地區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，一旦受熱面發生泄漏，積灰會迅速在泄漏點附近粘結成塊，形成大量堆積，局部堵死煙氣通道，影響余熱發電系統的正常運轉。因此，弄清此類鍋爐泄漏的原因并采取相應的措施，具有重要意義。

引起鍋爐泄漏的原因有很多，設計、制造、安裝、修理、改造、使用和維護等各個環節都可能產生缺陷引起泄漏，具體來說有結構缺陷、材料缺陷、焊接缺陷、飛灰磨損、介質沖蝕、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構（多用于鍋爐SP和ASH過熱器）或直管結構（多用于AQC鍋爐）。這兩種結構都需要管子或管座與集箱角焊連接，尤其是第二種結構，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火力發電鍋爐嚴重，但對于窯頭AQC鍋爐常用的受熱面結構來說，預留膨脹間隙的問題仍應引起足夠重視。由于不采用蛇形管結構，而采用兩端為進出口集箱組，中間為直管的結構型式，這種結構剛性強，對膨脹的適應能力較弱，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構，將集箱置于煙道爐墻內，這樣的結構現場安裝方便快捷，能較好的解決煙道漏風的問題，但這種結構一定要考慮好受熱面的膨脹問題，兩端的集箱應預留足夠的膨脹間隙。

1.4 介質沖蝕引起的泄漏

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，蒸發器內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鍋爐的蒸發器一般不采用蛇形管結構。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生泄漏。

以上問題的解決措施：

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

2)采用優良的鍋爐設計方案，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)設計、制造、安裝時應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構，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，設計時應綜合考慮。

從本地區余熱鍋爐的運行情況來看，由于采用剛性較大的直管結構，AQC鍋爐的蒸發器最易發生泄漏，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生泄漏。目前有些使用單位的AQC鍋爐采用蛇形管結構的蒸發器來代替直管結構，可以較好的解決焊接質量、熱膨脹、熱疲勞造成的泄漏，但又不得不考慮介質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，因此必須選取適當的煙速，組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、煙道內集箱的易磨損部位增設防磨裝置。

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廢氣，相比其他類型鍋爐更容易在受熱面上產生積灰，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），鍋爐結構型式，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。鍋爐運行中應控制好除灰設備的參數，如除灰頻率，振打力度等。

4)采用不易積灰的結構型式。如窯尾鍋爐采用臥式結構，窯頭鍋爐采用煙氣自下而上的通過方式等。但要注意結構對鍋爐的影響不僅限于積灰，應在設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距。

7)選擇合理的煙氣溫度，避免過高的溫度形成粘結性積灰。

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)煙氣在煙道內通過受熱面時產生卡門渦流振動。

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：

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火力發電鍋爐更明顯；

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)加強安裝質量，安裝時應將鍋爐受熱面固定牢固。

2)提高焊接質量，減少咬邊等焊接缺陷，角焊縫盡量圓滑過渡。

3)鍋爐調試期間應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節工況，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，此處位于翅片區和光管區的交界處，由于光管的換熱能力較差，如果煙氣溫度波動較大，容易產生熱疲勞，同時此處位于角焊縫的應力集中區附近，由溫度變化引起的熱沖擊作用在此處，有可能發生熱疲勞損壞。 

對此類情況的解決措施： 

1) 優化水泥窯運行工況，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，一般不會在煙氣側產生高溫腐蝕；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產生低溫腐蝕。 

汽水側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 鍋爐蒸發器采用的臥式蛇形管結構，當水質不良時，在熱負荷較高區域的水平段，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，介質容易蒸發濃縮，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，對金屬產生腐蝕損傷。 

腐蝕問題的解決措施： 

1) 嚴格按標準規范要求控制各項水質指標，防止鍋爐結垢和低溫段水側的氧腐蝕，發現鍋爐結垢時應及時進行清除。 

2) 操作人員嚴格按規定進行排污。 

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) 停用期間的鍋爐應做好內外表面的保養工作。

六、安全保護裝置問題

隨著信息技術的高速發展，發電鍋爐控制系統正朝著網絡化、智能化、集成化和信息化方向前進。由于 DCS 控制系統具有操作簡便，信息直觀等有優點，在余熱電站控制中得到廣泛應用。 

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

按《鍋爐安全技術監察規程》要求，余熱鍋爐應該裝設水位、超壓報警及聯鎖保護裝置，但由于水泥窯排放的煙氣量和煙氣溫度不易控制，當生產條件發生變化時，產生的廢熱煙氣品質也隨之波動，導致鍋筒水位波動劇烈，容易出現虛假水位現象，因此水位控制是鍋爐系統控制的一大難點。部分控制系統未裝設自動水位調節功能和極低水位停爐功能，有些控制系統雖然有上述功能，但使用單位反映其控制效果不好，經常造成誤操作而棄之不用，改為手動調節水位。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或不投用，一方面增加了企業的人力負擔，同時也不符合安全技術規范的相關規定，增加了安全隱患。 

希望今后 DCS 控制系統在設計時能在這些方面得到改進。

七、結語

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展具有一定的參考價值。

作者：顧雷，袁衛東，羅俊勇，孔德榮

來源：《樂山市特種設備監督檢驗所》

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