CN105675810B - 一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***及高温腐蚀气氛的监测方法 - Google Patents

一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***及高温腐蚀气氛的监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***及高温腐蚀气氛的监测方法。锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，包括一级烟气稀释采样单元、二级烟气稀释采样单元、稀释烟气分析单元、***反吹单元和压缩空气单元；本发明锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，实现了常温下烟气成份的监测，进一步使所有阀门均设在压缩空气管路上，巧妙避开了高温、粉尘的影响，保证了***长期连续可靠运行，且兼具成本优势，可显著提高电站锅炉运行的安全性和经济性。

Description

一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***及高温腐蚀气氛的监 测方法
技术领域
本发明涉及一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***及高温腐蚀气氛的监测方法，属于电站锅炉技术领域。
背景技术
近年来，随着锅炉向大容量、高参数发展，锅炉水冷壁温度相应提高，导致水冷壁高温腐蚀问题越趋严重；为了降低NOx的生成量，目前大多电厂采用分级送风或低氧燃烧，造成水冷壁附近区域易形成还原性气氛，进而导致水冷壁的高温腐蚀，水冷壁减薄至一定程度将造成锅炉爆管事故，对锅炉机组的安全经济运行构成严重威胁。
锅炉高温腐蚀主要分为硫酸盐型和硫化物型两种，前者多发生于过热器和再热器，后者多发生于炉膛水冷壁。硫化物型高温腐蚀的主要原因是煤粉在缺氧条件下燃烧产生H2S以及游离态硫[S]，其与管壁铁金属以及铁氧化物发生反应形成铁的硫化物，进一步腐蚀锅炉水冷壁并同时使氧化膜疏松、剥裂甚至脱落。
某研究表明，当炉膛水冷壁附近出现还原性气氛时，燃煤中的硫以H2S气体的形式释放出来的比例在75％以上；当CO/(CO+CO2)由8％上升到24％时，H2S气体浓度则由0.02％上升到0.07％，从而引起水冷壁的强烈腐蚀。
大量的运行分析发现，凡腐蚀严重的炉膛水冷壁，都在相应腐蚀区域的烟气成分中发现还原性气氛和浓度很高的H2S气体。H2S气体具有渗透作用，它可以透过疏松的Fe2O3，与较致密的磁性氧化铁Fe3O4中的FeO反应生成FeS。FeO保护膜破坏后，H2S气体还可以与管壁Fe发生反应生成FeS和H2。由于腐蚀产物FeS与FeO结构疏松多孔，不能阻止腐蚀介质的侵入，同时随着炉膛烟尘的冲刷，使得腐蚀不断向基体金属发展，腐蚀由外向内逐渐发展。管壁附近氧化性气氛与还原性气氛交替出现，生成的腐蚀产物重新氧化为铁的氧化物，其又可以继续与腐蚀介质发生反应，腐蚀不断加剧。
从水冷壁高温腐蚀的机理可知，还原性气氛是发生高温腐蚀的必要条件。因此，对水冷壁易发生高温腐蚀的区域进行还原性气氛监测，有助于运行人员及时发现问题并通过燃烧调整予以解决。但锅炉水冷壁附近烟气温度很高，含有大量粉尘，且需要测量多点，采用常规烟气取样分析***难以保证连续可靠监测。常规的烟气取样分析***如中国专利CN200810195414.9公开的内容，该专利公开了一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，包括采样***和采样控制与处理***，所述采样***包括烟气采样探管，在烟气采样探管之后接设置有温控装置的烟气采样探头保温盒，在探头保温盒之后连接有电伴热管、快速冷却器，之后分为两个支路，其中一路为烟气旁路，另一路依次连接样气隔断电磁阀、样气采样泵、标定/采样三通电磁阀、0.1μm陶瓷过滤器、样气调节针阀及流量计和烟气分析仪表；所述采样控制与处理***包括：可控制采样***运行的PLC；与烟气分析仪表通过数据线相接的数据采集器；与数据采集器通过数据线相连接的工控机。上述***过于复杂，不仅成本非常高，而且整个***运行可靠性不高，尤其阀门、采样泵等由于内部有活动部件极易受到粉尘的影响。
发明内容
为了解决现有技术中烟气取样分析***存在的过于复杂，不仅成本非常高，而且整个***运行可靠性不高，尤其阀门、采样泵等由于内部有活动部件极易受到粉尘的影响等缺陷，本发明提供一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***及高温腐蚀气氛的监测方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，包括一级烟气稀释采样单元、二级烟气稀释采样单元、稀释烟气分析单元、***反吹单元和压缩空气单元；
一级烟气稀释采样单元包括两个以上并联的一级烟气稀释采样管路以及一个混合分流器，所有的一级烟气稀释采样管路均汇合至混合分流器；
二级烟气稀释采样单元包括相互连通的二级烟气稀释采样管路和集气罩，二级烟气稀释采样管路与混合分流器相连通；
***反吹单元一端与压缩空气单元相接、另一端与混合分流器相接；
一级烟气稀释采样管路和二级烟气稀释采样管路均与压缩空气单元相接；
稀释烟气分析单元与集气罩相接。
上述***适于高温腐蚀气氛的监测，且结构简单，成本低廉，整个***运行可靠性，不易受到粉尘的影响。
为了便于控制，压缩空气单元至少包括一个压缩空气储气罐和与压缩空气储气罐出口连通的一个压缩空气进气阀，压缩空气进气阀与***反吹单元、一级烟气稀释采样管路和二级烟气稀释采样管路均连通。上述压缩空气进气阀进气阀可以是手动，也可以是电动或电磁控制。
***中所有电磁阀的上游均与压缩空气进气阀相连。
为了提高监测的准确性和可靠性，每一个一级烟气稀释采样管路均包括顺序相接的烟气采样点、粉尘沉降室、一级射流器以及控制一级射流器工作状态的压缩空气一级工控电磁阀；
一级射流器包括第一引射气体入口、第一工作气体入口和第一混合气体出口，第一引射气体入口、第一工作气体入口和第一混合气体出口通过管道相互贯通，第一引射气体入口接粉尘沉降室，第一工作气体入口接压缩空气一级工控电磁阀，第一混合气体出口汇至混合分流器；
所有压缩空气一级工控电磁阀的上游均与压缩空气进气阀相连。
烟气采样点在锅炉水冷壁易发生高温腐蚀的区域呈矩阵布置，相邻两烟气采样点的间距为1～3m。
本申请在水冷壁鳍片上开孔，接出烟气采样点。
二级烟气稀释采样管路包括二级射流器和压缩空气二级工控电磁阀；
二级射流器包括第二引射气体入口、第二工作气体入口和第二混合气体出口，第二引射气体入口、第二工作气体入口和第二混合气体出口通过管道相互贯通，第二引射气体入口接混合分流器，第二工作气体入口接压缩空气二级工控电磁阀，第二混合气体出口接集气罩；
压缩空气二级工控电磁阀的上游均与压缩空气进气阀相连。
为了避免粉尘的影响，一级射流器和二级射流器均为环形射流器；
为了便于设计与制造，一级射流器和二级射流器为同一尺寸。
上述一级射流器出口流量大于二级射流器进口流量，一级射流器出口的混合气体流至混合分流器，在炉膛负压作用下，大部分都经其它一级烟气稀释采样管路逆流至炉膛，起到一定的反吹和冷却其它烟气取样点处高温采样管头部的作用，避免堵塞或烧毁。
为了进一步保证***监测的准确性和使用寿命，***反吹单元至少包括一个压缩空气反吹电磁阀，压缩空气反吹电磁阀一端连接压缩空气单元、另一端连接混合分流器。
为了保证监测的准确性，稀释烟气分析单元包括顺序相接的烟气分析仪表、数据采集模块和数据分析处理模块，其中烟气分析仪表连在集气罩上。数据采集模块和数据分析处理模块使用本领域常用相关模块即可，本申请在模块上并无改进，改进在于整个***的部件组成，确保烟气分析仪表长期稳定获取监测数据。
本发明锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，可对易发生高温腐蚀区域的多个烟气采样点进行巡测。
优选，烟气分析仪表为固定式气体检测仪，固定于集气罩上，测量探头伸至隔离筒与中心筒之间的环形低粉尘浓度区域，采用扩散方式检测。
上述固定式气体检测仪能够就地显示测量值并具有报警功能，且测量值转换为4～20mA电信号，传输至数据采集模块和数据分析处理模块。
为了降低成本，同时保证监测数据的准确性，集气罩包括锥形外壳、隔离筒、中心筒和仪表安装法兰，锥形外壳、隔离筒和中心筒从外到内依次设置，隔离筒和中心筒之间形成环形低粉尘区域，仪表安装法兰安装在锥形外壳上，烟气分析仪表的测量探头伸至隔离筒与中心筒之间的环形低粉尘区域；锥形外壳上设有切向接入的入口管道。
上述锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***监测高温腐蚀气氛的方法，烟气依次经过一级烟气稀释采样管路、混合分流器、二级烟气稀释采样管路和集气罩后，流入稀释烟气分析单元实施测量；压缩空气单元相接与一级烟气稀释采样管路和二级烟气稀释采样管路相通用于烟气的稀释；***反吹单元用于***的清洁。
上述***对水冷壁上易发生高温腐蚀区域的若干烟气采样点进行巡测，当处于巡测状态，压缩空气一级工控电磁阀分别依次打开，且任意时刻保证仅一个压缩空气一级工控电磁阀是打开的，所采集的样气来自与之对应的烟气采样点，且巡测状态下，压缩空气二级工控电磁阀打开，压缩空气进气阀打开，压缩空气反吹电磁阀关闭；当处于反吹状态时，所有压缩空气一级工控电磁阀均关闭，压缩空气二级工控电磁阀也关闭，而压缩空气进气阀和压缩空气反吹电磁阀都打开。
为了延长***的使用寿命，同时保证监测的准确性，优选，每巡测一遍所有烟气采样点，反吹一次整个***管路及设备。
本发明锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，采用了压缩空气来稀释高温烟气，经一级射流器和二级射流器后稀释比例达5:1～20:1，该过程中又依次经上述粉尘沉降室、混合分流器和集气罩除尘，因此上述烟气分析仪表几乎不受烟气中粉尘的影响，无需设置滤筒等精密过滤设备，免维护；另外，由于稀释比例较高，又经过了较长的管路，因此也无需设置专用的冷却设备，即可保证集气罩内气体温度接近环境温度，从而降低对烟气分析仪表的耐温要求。本***由于采用压缩空气对高温气体稀释，因此对管路的气密性要求也大大下降，进而保证了***运行可靠性。
本发明锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，至少需监测的气氛包括O2和CO浓度；为了提高腐蚀性评判的准确度，还应监测H2S和SO2浓度。本***实测的CO、H2S和SO2浓度需根据稀释比例换算至原烟气中各成份的浓度，而稀释比例确定的基本依据为：若监测到较高浓度的CO，则说明该烟气取样点处于还原性气氛中，而大量的实践表明，还原性气氛中的O2浓度极低，一般小于0.5％，可以认为原烟气中不存在O2，同时根据空气中O2的占比为20.9％，可以由计算式20.9/(20.9-实测O2浓度)推算出近似稀释比例。当监测到CO浓度较低时，说明该烟气取样点处于氧化性气氛中，采用设计稀释比例或稀释比例的平均值，因为此时测量误差对高温腐蚀情况的判断没有影响，也即本***若测得CO浓度较低，则说明高温腐蚀风险很低，此时实际数值的准确度已不重要，不需要准确值来推算腐蚀速率。
上述通过压缩空气稀释烟气再进行还原性气氛的监测的合理性还体现在：理论和实践研究表明，当烟气中CO浓度小于104ppm时，水冷壁一般不会产生高温腐蚀；当烟气中CO浓度大于104ppm而小于5×104ppm时，水冷壁发生较轻微的高温腐蚀现象；当烟气中CO浓度大于5×104ppm时，水冷壁高温腐蚀速率呈几何级增长。大量实践还表明，水冷壁壁面烟气中的CO浓度常是突变的，氧气充足时远小于104ppm，而氧气不足时，CO浓度极高，常超过105ppm。因此，由于两种条件下CO浓度具有数量级上的差异，水冷壁是否存在高温腐蚀问题的判断较为清晰明了，并不要求烟气分析仪具有非常高的精度，从而对稀释比例的确定也就没有高精度的要求。事实上，超过104ppm的CO浓度测量已超出了常规仪表的量程，对烟气进行高倍率稀释是无奈之举也是优选之举。
需要补充说明的是，水冷壁高温腐蚀速率加快还具备两个显著特征：一是原烟气中H2S浓度大于300ppm，二是H2S与SO2浓度的比值大于1。因此，同时监测H2S与SO2浓度将有利于准确判断高温腐蚀速率。经压缩空气稀释后烟气中H2S和SO2浓度均大幅下降，但常规仪表仍能较为准确测量。另外，H2S与SO2浓度的比值不受稀释比例的影响，有利于更为准确地判断高温腐蚀情况。
本发明锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***还具有仪表校验提示功能。当处于反吹状态时，进入上述集气罩中的气体均为空气，此时O2浓度应为20.9％，而CO、H2S和SO2的浓度均应归零。若偏离上述值较多，提示及时校验仪表。这有利于判断测量数据的准确性和有效性，从而避免误判。
上述粉尘沉降室、混合分流器和集气罩都通过扩容降速使粉尘沉淀下来，其中集气罩入口管道是切向接入的，还通过旋风分离的原理进行除尘，使大部分粉尘贴壁随气体从底部的集气罩出口排出，从而保证上述烟气分析仪表工作在低粉尘浓度区域。
本发明锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***具有自动和手动两种工作状态，自动状态下本***自动完成巡测和反吹，手动状态下使用人员可以选取其中某些烟气采样点进行单测或巡测。燃烧优化调整时，选取自动巡测状态下发现的高温腐蚀区域所对应的烟气采样点，进行针对性的调整试验，从而提高工作效率，对于一直未监测到还原性气氛的烟气采样点，可以不再进行采样，以缩短每次巡测的时间。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，实现了常温下烟气成份的监测，进一步使所有阀门均设在压缩空气管路上，巧妙避开了高温、粉尘的影响，保证了***长期连续可靠运行，且兼具成本优势，可显著提高电站锅炉运行的安全性和经济性。
附图说明
图1是本发明实施例1锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***的原理图。
图2是本发明实施例1中锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测区域的示意图。
图3是本发明实施例1中一级射流器的结构示意图。
图4是本发明实施例1中集气罩的结构示意图。
上述各图中，1为一级射流器，2为混合分流器，3为二级射流器，4为集气罩，5为氧量分析仪，6为硫化氢分析仪，7为二氧化硫分析仪，8为一氧化碳分析仪，9为粉尘沉降室，10为压缩空气储气罐，11为压缩空气手动进气阀，12为压缩空气一级工控电磁阀，13为压缩空气反吹电磁阀，14为压缩空气二级工控电磁阀，20为燃尽风中心线标高，21为锅炉水冷壁，22为易发生高温腐蚀的区域，23为烟气采样点，31为烟气(引射气体)入口，32为压缩空气(工作气体)入口，33为稀释烟气(混合气体)出口，40为集气罩入口，41为锥形外壳，42为隔离筒，43为中心筒，44为仪表安装法兰，45为集气罩出口。
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。
实施例1
660MW超超临界燃煤机组锅炉采用前后墙对冲的燃烧方式，在两侧墙中间部位、燃尽风中心线标高位置附近及上方6米范围内易产生高温腐蚀，水冷壁管减薄速率达2mm/年，严重威胁机组的安全运行。根据检修期间检查情况，划定两侧墙易发生高温腐蚀的区域，总宽度为10米，总高度为12.5米，两侧墙对称。为了缩短连接管路，同时缩短巡测周期，每面侧墙安装一套本发明的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***；每面侧墙布置25个烟气采样点，水平方向间距2米，竖直方向间距2.5米。本***的原理图见图1，所监测区域的示意图见图2，核心部件一级射流器和集气罩的结构见图3和图4。
本***包括一级烟气稀释采样单元、二级烟气稀释采样单元、稀释烟气分析单元、***反吹单元和压缩空气单元；一级烟气稀释采样单元由25个并联的一级烟气稀释采样管路以及一个混合分流器组成；一级烟气稀释采样管路中顺序相接各一个烟气采样点、粉尘沉降室、一级射流器以及控制其工作状态的压缩空气一级工控电磁阀；一级射流器第一引射气体入口均接粉尘沉降室，第一工作气体入口均接压缩空气一级工控电磁阀，第一混合气体出口均汇至同一个混合分流器；二级烟气稀释采样单元由一个二级烟气稀释采样管路和一个集气罩组成；二级烟气稀释采样管路由一个二级射流器和一个压缩空气二级工控电磁阀组成；二级射流器第二引射气体入口接混合分流器，第二工作气体入口接压缩空气二级工控电磁阀，第二混合气体出口接集气罩；稀释烟气分析单元包括烟气分析仪表、数据采集模块和数据分析处理模块；***反吹单元至少包括一个压缩空气反吹电磁阀，一端连接压缩空气单元，另一端连接混合分流器；压缩空气单元至少包括一个压缩空气储气罐和其出口的一个压缩空气手动进气阀，***中所有电磁阀的上游均与压缩空气手动进气阀相连。
本***对易发生高温腐蚀的区域的多个烟气采样点进行巡测。当处于巡测状态，上述25个压缩空气一级工控电磁阀分别依次打开，且任意时刻保证仅一个是打开的，所采集的样气来自与之对应的烟气采样点；巡测状态下，上述压缩空气二级工控电磁阀打开，压缩空气手动进气阀打开，压缩空气反吹电磁阀关闭。当处于反吹状态时，上述多个压缩空气一级工控电磁阀均关闭，压缩空气二级工控电磁阀也关闭，而压缩空气手动进气阀和压缩空气反吹电磁阀都打开。
本***监测的气氛包括O2、H2S、SO2和CO浓度，根据实测O2浓度修正设计稀释比例(设计稀释比例为9:1，对应实测O2浓度应为19％左右)，进而得知原烟气中各成份的浓度。本***烟气分析仪采用固定式气体检测仪，当监测到原烟气中CO浓度超过5×104ppm时，固定式CO检测仪会发出声光报警。
本***每巡测一遍25个烟气采样点，反吹一次整个***管路及设备，并自动检验固定式O2检测仪是否显示为(20.9±0.2)％，当超出此范围，提示仪表需要校验；同时自动检验其它固定式气体检测仪是否都归零，偏差大时也会提示相应仪表需要校验。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同的是安装于300MW亚临界燃煤机组，锅炉采用四角切圆燃烧方式，水冷壁四面墙均布置烟气采样点，对角安装两套本发明的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***。

Claims (10)

1.一种锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：包括一级烟气稀释采样单元、二级烟气稀释采样单元、稀释烟气分析单元、***反吹单元和压缩空气单元；
一级烟气稀释采样单元包括两个以上并联的一级烟气稀释采样管路以及一个混合分流器，所有的一级烟气稀释采样管路均汇合至混合分流器；
二级烟气稀释采样单元包括相互连通的二级烟气稀释采样管路和集气罩，二级烟气稀释采样管路与混合分流器相连通；
***反吹单元一端与压缩空气单元相接、另一端与混合分流器相接；
一级烟气稀释采样管路和二级烟气稀释采样管路均与压缩空气单元相接；
稀释烟气分析单元与集气罩相接。
2.如权利要求1所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：压缩空气单元至少包括一个压缩空气储气罐和与压缩空气储气罐出口连通的一个压缩空气进气阀，压缩空气进气阀与***反吹单元、一级烟气稀释采样管路和二级烟气稀释采样管路均连通。
3.如权利要求2所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：每一个一级烟气稀释采样管路均包括顺序相接的烟气采样点、粉尘沉降室、一级射流器以及控制一级射流器工作状态的压缩空气一级工控电磁阀；
一级射流器包括第一引射气体入口、第一工作气体入口和第一混合气体出口，第一引射气体入口、第一工作气体入口和第一混合气体出口通过管道相互贯通，第一引射气体入口接粉尘沉降室，第一工作气体入口接压缩空气一级工控电磁阀，第一混合气体出口汇至混合分流器；
所有压缩空气一级工控电磁阀的上游均与压缩空气进气阀相连。
4.如权利要求3所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：烟气采样点在锅炉水冷壁易发生高温腐蚀的区域呈矩阵布置，相连两烟气采样点的间距为1～3m。
5.如权利要求3所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：二级烟气稀释采样管路包括二级射流器和压缩空气二级工控电磁阀；
二级射流器包括第二引射气体入口、第二工作气体入口和第二混合气体出口，第二引射气体入口、第二工作气体入口和第二混合气体出口通过管道相互贯通，第二引射气体入口接混合分流器，第二工作气体入口接压缩空气二级工控电磁阀，第二混合气体出口接集气罩；
压缩空气二级工控电磁阀的上游均与压缩空气进气阀相连。
6.如权利要求2所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：***反吹单元至少包括一个压缩空气反吹电磁阀，压缩空气反吹电磁阀一端连接压缩空气单元、另一端连接混合分流器。
7.如权利要求2所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：稀释烟气分析单元包括顺序相接的烟气分析仪表、数据采集模块和数据分析处理模块，其中烟气分析仪表连在集气罩上。
8.如权利要求7所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***，其特征在于：集气罩包括锥形外壳、隔离筒、中心筒和仪表安装法兰，锥形外壳、隔离筒和中心筒从外到内依次设置，隔离筒和中心筒之间形成环形低粉尘区域，仪表安装法兰安装在锥形外壳上，烟气分析仪表的测量探头伸至隔离筒与中心筒之间的环形低粉尘区域；锥形外壳上设有切向接入的入口管道。
9.利用权利要求1-8任意一项所述的锅炉水冷壁高温腐蚀气氛监测***监测高温腐蚀气氛的方法，其特征在于：烟气依次经过一级烟气稀释采样管路、混合分流器、二级烟气稀释采样管路和集气罩后，流入稀释烟气分析单元实施测量；压缩空气单元与一级烟气稀释采样管路和二级烟气稀释采样管路相通用于烟气的稀释；***反吹单元用于***的清洁。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：当处于巡测状态，压缩空气一级工控电磁阀分别依次打开，且任意时刻保证仅一个压缩空气一级工控电磁阀是打开的，所采集的样气来自与之对应的烟气采样点，且巡测状态下，压缩空气二级工控电磁阀打开，压缩空气进气阀打开，压缩空气反吹电磁阀关闭；当处于反吹状态时，所有压缩空气一级工控电磁阀均关闭，压缩空气二级工控电磁阀也关闭，而压缩空气进气阀和压缩空气反吹电磁阀都打开。
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