王明洋，管玉保，于瀚博，劉 放

（1.吉林電力股份有限公司四平第一熱電公司，吉林 四平 136000；2.國家能源集團(tuán)遼寧電力有限公司沈西熱電廠，遼寧 沈陽 110000）

火電機組在高負(fù)荷運行時，鍋爐爐膛結(jié)焦嚴(yán)重影響了鍋爐的安全經(jīng)濟運行。當(dāng)機組采用低氮燃燒方式時，鍋爐受熱面會出現(xiàn)還原性氣氛腐蝕和結(jié)焦傾向加劇的現(xiàn)象，且傳統(tǒng)鍋爐受熱面涂層技術(shù)在當(dāng)前工況下具有有效保護(hù)時間短，無法同時防腐和防結(jié)焦，施工工藝要求高，涂層結(jié)合能力差，涂層缺陷易蔓延以及涂層驗收與運行評價手段欠缺等問題。對此，某熱電公司以鍋爐為研究對象，采用高溫納米陶瓷涂層技術(shù)對鍋爐受熱面進(jìn)行優(yōu)化。

1 鍋爐使用工況

爐膛受熱面面臨較高的非停風(fēng)險。由于高溫腐蝕與結(jié)焦結(jié)渣較嚴(yán)重，導(dǎo)致受熱面管在運行過程中面臨高溫腐蝕爆管風(fēng)險，以及垮焦滅火與落焦砸傷灰斗水冷壁的風(fēng)險。在鍋爐運行時，由于水冷壁區(qū)域存在嚴(yán)重的結(jié)焦結(jié)渣和高溫腐蝕問題，為保障鍋爐安全運行，每次停機時均需對該位置進(jìn)行重點檢查與除焦作業(yè)，且需對掉落至灰斗的焦塊進(jìn)行清理。由于該位置較高且爐內(nèi)環(huán)境較差，導(dǎo)致檢修的難度、危險性與檢修周期均有較大的提高，對電廠的經(jīng)濟性造成損失。

大量結(jié)焦會影響受熱面的換熱效果，提高運行調(diào)整難度，且焦渣的導(dǎo)熱系數(shù)低，具有一定的厚度，這嚴(yán)重影響了爐膛受熱面的換熱效果。同時，爐膛結(jié)焦還會導(dǎo)致出口煙溫提高，過熱器和再熱器的溫度會超過額定溫度，進(jìn)而造成減溫水量提升，影響了機組運行的經(jīng)濟性與安全性。

傳統(tǒng)防護(hù)涂層具有較大弊端，不能提供長效防護(hù)，難以適應(yīng)鍋爐現(xiàn)有的運行工況。如浙江某廠1 000 MW 超超臨界機組采用國產(chǎn)PS45 涂層對鍋爐燃燒器附近的水冷壁管進(jìn)行保護(hù)，涂層價格約2 500 元/m2，保護(hù)區(qū)域的水冷壁管約1 年后出現(xiàn)大面積腐蝕減薄，檢修時全部更換；河南某廠600 MW超臨界機組的燃煤含硫量約為0.8%～1.0%，氮燃燒器改造前，采用NiCr 涂層（與PS45 類似)對燃燒器附近進(jìn)行保護(hù)，涂層運行狀態(tài)較好，但進(jìn)行低氮燃燒器改造和貼壁風(fēng)改造后，原涂層失效，采用同種工藝進(jìn)行多次保護(hù)，涂層價格分別為1 200元/m2和4 000 元/m2，僅運行1 年就發(fā)生大面積腐蝕；貴州某廠600 MW 超臨界機組的燃煤含硫量約3%，基建階段采用進(jìn)口45CT 材料進(jìn)行噴涂，綜合單價約5 000元/m2，涂層在2年內(nèi)運行狀況良好，第3年初發(fā)現(xiàn)鍋爐水冷壁管出現(xiàn)大面積高溫腐蝕。

綜上所述，采用傳統(tǒng)防腐涂層進(jìn)行鍋爐受熱面維護(hù)的年運行成本約為2 000元/m2。

2 鍋爐結(jié)焦的原因及危害

2.1 鍋爐結(jié)焦的原因

鍋爐內(nèi)高溫處熔化的灰接觸到受熱面后，粘附在鍋爐的受熱面上。由于積灰的導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致積灰外表面溫度高于內(nèi)表面溫度。鍋爐積灰還會增加管壁面的粗糙程度，自然軟化后會使更多的灰粘附在粗糙面上，灰渣外圍的溫度越高，覆蓋的灰就越多，灰層也越來越厚。當(dāng)爐膛溫度達(dá)到灰渣的熔點之后，灰渣會變成液體流到附近的受熱面管上，如果長期不清理結(jié)焦，就會導(dǎo)致結(jié)渣的面積不斷擴大［1］。鍋爐水冷壁形成的結(jié)焦如圖1所示。

圖1 鍋爐結(jié)焦

2.2 鍋爐結(jié)焦的危害

鍋爐結(jié)焦會加大鍋爐系統(tǒng)的熱量損失，因為水冷壁結(jié)焦會導(dǎo)致蒸發(fā)量下降，爐膛出口的溫度會上升，從而使排煙熱損失增大，而蒸汽出口的溫度也會上升，同時管壁的溫度增大，使通風(fēng)阻力加大，鍋爐出力就會受到限制。此外，鍋爐在結(jié)焦后還會出現(xiàn)局部過熱，導(dǎo)致鍋爐爆管，影響鍋爐的安全運行［2］。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對鍋爐受熱面結(jié)焦與高溫腐蝕的問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，主要有非表面防護(hù)法與表面防護(hù)法。由于表面防護(hù)法主要偏向于系統(tǒng)調(diào)整等方式，在保護(hù)過程中存在較大的偶然性，所以目前國內(nèi)外對鍋爐受熱面的保護(hù)主要是通過表面防護(hù)方式來進(jìn)行的。

隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，各種軟件系統(tǒng)、人工智能、在線監(jiān)測等技術(shù)已經(jīng)與防結(jié)焦聯(lián)系起來。北愛爾蘭Queen 大學(xué)在鍋爐防結(jié)焦領(lǐng)域做了大量研究工作，現(xiàn)主要從結(jié)焦對爐內(nèi)能量分布和熱力循環(huán)效率影響的角度對防結(jié)焦方案進(jìn)行優(yōu)化［3］。

鍋爐結(jié)焦情況進(jìn)行數(shù)值分析尤為重要，在鍋爐防結(jié)焦方面可以起到推動作用。清華大學(xué)徐旭常等人［4］應(yīng)用k-ε模型對國內(nèi)某電廠W 型火焰鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬；上海交通大學(xué)章明川等人［5］以四角切向燃燒鍋爐為數(shù)值仿真研究對象，采用相同的模型，應(yīng)用SIMPLE 算法對鍋爐內(nèi)部的三維流場進(jìn)行了仿真。

4 傳統(tǒng)噴涂技術(shù)

4.1 金屬涂層技術(shù)路線的發(fā)展?fàn)顩r

國內(nèi)外相關(guān)公司與研究機構(gòu)針對鍋爐受熱面防腐表面噴涂技術(shù)做出了大量的研究，超音速火焰噴涂技術(shù)與超音速電弧噴涂技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡單、現(xiàn)場要求較低等特點成為了目前最常用的表面防護(hù)手段，而由于國內(nèi)火電行業(yè)目前存在的局限性，超音速火焰噴涂技術(shù)幾乎沒用應(yīng)用，主要采用超音速電弧噴涂技術(shù)制備表面防護(hù)涂層。因此，國內(nèi)針對受熱面涂層材料的研究主要集中于電弧噴涂絲材的研究，采用的技術(shù)路線基本來源于國外的同類研究。

4.2 傳統(tǒng)金屬熱噴涂存在的問題

傳統(tǒng)金屬熱噴涂抗磨性能一般，無法有效地解決大顆粒煤粉磨損的情況，且防磨周期短，噴涂施工難度高。傳統(tǒng)涂層對于基底處理要求較高，現(xiàn)場施工基底處理難度較高，涂層質(zhì)量難以保證且難以從外部進(jìn)行直觀評價。當(dāng)傳統(tǒng)涂層邊緣位置或局部缺陷位置出現(xiàn)腐蝕問題后，容易沿涂層與基體的結(jié)合面橫向擴展，造成涂層失效，而且熱噴涂使用周期短，年投資成本高。

傳統(tǒng)防護(hù)涂層與基體多為機械結(jié)合方式，對表面處理等施工工藝要求較高，缺乏有效的工程驗收及運行狀態(tài)評價手段，涂層易出現(xiàn)薄弱點，運行后易形成缺陷，最終成為隱患擴散點，導(dǎo)致傳統(tǒng)涂層使用效果大打折扣；傳統(tǒng)涂層的運行狀況難以評價，涂層檢修維護(hù)難度大，易導(dǎo)致過度維護(hù)或疏于維護(hù)的情況，進(jìn)一步提升了運行風(fēng)險或?qū)е峦繉舆\行的年度成本進(jìn)一步提高；由于金屬噴涂與受熱面管基體分辨難度較大，無法快速識別，所以在每次噴涂時均需對受熱面管進(jìn)行噴砂處理，這對管子的使用壽命造成較大影響。

5 新型防結(jié)焦噴涂技術(shù)

5.1 高溫納米陶瓷涂層技術(shù)

納米陶瓷，是指在陶瓷材料的晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都在納米數(shù)量級上［6］，通過有效的分散、復(fù)合使異質(zhì)納米顆粒均勻彌散地保留于陶瓷基質(zhì)結(jié)構(gòu)中，極大地改善了陶瓷材料的韌性、耐磨性以及高溫力學(xué)性能，提高了合金的耐高溫抗氧化性能［7］。該技術(shù)歷經(jīng)了保護(hù)性涂層，紅外高發(fā)射率涂層，全波段高發(fā)射率、保護(hù)性和多功能復(fù)合涂層3 代技術(shù)。目前，高溫納米陶瓷涂層技術(shù)開始進(jìn)入火電行業(yè)，并得到了一定的應(yīng)用，其主要原理是在鍋爐受熱面管表面噴涂一層致密的、具有腐蝕惰性的、焦渣低潤濕性的以及具有一定輻射功能的涂層，以此降低腐蝕與結(jié)焦導(dǎo)致的后果。

5.2 高溫納米陶瓷涂層技術(shù)的優(yōu)勢

高溫納米陶瓷涂層技術(shù)能把金屬材料和陶瓷材料的特性結(jié)合起來，形成強韌性、耐高溫、耐腐蝕的新材料。該技術(shù)不受基體、工件尺寸和施工場所的限制，形成的高溫納米陶瓷涂層沉積速率快，厚度可控，操作工藝簡單，可加工性好，對于已受損的涂層可進(jìn)行二次噴涂。

高溫納米陶瓷涂層能夠使灰粒附著性降低，達(dá)到很好的防結(jié)焦效果。致密的陶瓷薄膜使鍋爐基質(zhì)與外部環(huán)境隔絕，減少了氧化高溫腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。對鍋爐基材表面進(jìn)行陶瓷噴涂，可以使基材的硬度提升，提高抗熱震能力與可靠性，有效地對基材進(jìn)行了保護(hù)，這對超超臨界鍋爐來說尤為重要［8-9］。

高溫納米陶瓷涂層具有一定的整體性，施工工藝簡單，配方易調(diào)整，可通過特殊工藝提高該類陶瓷與金屬的結(jié)合性能。

本文采用的復(fù)合材料與識別層技術(shù)屬于目前同類技術(shù)路線產(chǎn)品在鍋爐受熱面綜合治理中的新技術(shù)，除具有傳統(tǒng)技術(shù)涂層的優(yōu)點外，更具有優(yōu)質(zhì)的表面韌性，可以有效地隔絕腐蝕產(chǎn)物向基體擴散，避免腐蝕沿結(jié)合面擴展而導(dǎo)致涂層大面積剝落，能夠解決傳統(tǒng)金屬涂層難以在低氮燃燒改造后鍋爐受熱面不能長久應(yīng)用的難題，以及施工往復(fù)噴砂造成受熱面減薄的問題。

該技術(shù)通過陶瓷識別涂層鎖定結(jié)焦區(qū)與腐蝕區(qū)，為受熱面維護(hù)提供有效的檢維措施，可直觀地評價涂層質(zhì)量和運行狀況，方便施工質(zhì)量驗收以及運行狀況評價。該涂層技術(shù)在常溫狀態(tài)下施工（可噴涂或刷涂)，自然固化，在高溫下一次性成型，解決了爐膛內(nèi)高溫施工的問題，且施工效率和安全性大幅提高，降低了施工成本及綜合造價。

6 新型防結(jié)焦技術(shù)施工效果

噴涂施工后的鍋爐水冷壁抗結(jié)焦和抗結(jié)渣的效果良好，減少了吹灰器的運行時間，降低了管壁被吹損的風(fēng)險；受熱面換熱均勻，且換熱效率大大提升；受熱面耐流速磨損，延長了使用壽命，其使用時間不低于3 年。高溫納米陶瓷識別涂層的基層預(yù)設(shè)定為白色，表層預(yù)設(shè)定為綠色，效果如圖2 所示。表面噴砂情況如圖3 所示，噴砂工藝按照RSI高溫納米陶瓷涂層工藝控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

圖2 納米陶瓷涂層施工效果

圖3 水冷壁噴砂情況

7 結(jié)論

1）高溫納米陶瓷涂層技術(shù)具有良好的防結(jié)焦、耐高溫、耐腐蝕性能及表面韌性，可以有效地隔絕腐蝕產(chǎn)物向基體擴散，能夠解決傳統(tǒng)金屬涂層使鍋爐受熱面在低氮燃燒改造后不能長久應(yīng)用，及腐蝕沿結(jié)合面擴展而導(dǎo)致涂層大面積剝落的難題。

2）陶瓷識別涂層避免了施工往復(fù)噴砂造成受熱面減薄的問題，降低了檢修費用，縮短了檢修時間；涂層質(zhì)量和運行狀況可直觀評價，其更優(yōu)的抗熱震性能更適合機組頻繁深度調(diào)峰的運行工況。

3）陶瓷識別涂層可在常溫狀態(tài)下施工，可噴涂或刷涂，自然固化，在高溫下一次性成型，解決了爐膛內(nèi)高溫施工的問題，使施工效率和安全性大幅提高。