煙囪環保測點結構防腐設計優化及應用

0 引言
隨著國家經濟建設的不斷發展,國民生產與生活的用電量也不斷上升,為了滿足日益增長的電能需求,在目前我國電力生產模式還是以火力發電為主的情況下,火電廠的生產力不斷提升,給環境造成影響。在國家節能減排等環保政策的驅動下,火力發電廠現已普及環保監控與管理系統。對煙囪排放的粉塵、煙氣等進行有效監控是該管理系統的重要組成部分,煙囪環保測點結構的有效設計和抗腐蝕性是煙囪排放監控有效實施的保證。

一般火力發電廠煙囪環保測點結構設計如圖1所示,這種設計的固定短管及法蘭在機組安裝運行過程中,存在煙氣對煙囪碳鋼基體、短管和法蘭有腐蝕的弊端,輕則造成煙氣泄漏,嚴重時可造成測點周圍大面積腐蝕,造成環保監測數據不達標,影響機組正常運行。本文通過優化設計和選材,以增強煙囪管道系統的抗腐蝕能力。

圖1 原設計的測量系統普通鋼短管及法蘭連接圖
圖1 原設計的測量系統普通鋼短管及法蘭連接圖   下載原圖

1 工程實例
國華太倉發電有限公司2×630 MW超臨界燃煤機組,主要污染物采集通過在煙囪76 m標高處鈦鋼復合板位置用短接管道連接到取樣裝置上的環保測點完成。上述污染物的采集需要在煙囪鈦鋼復合板上開孔,用焊接方法安裝鈦合金插管及鈦合金圓環加固圈、碳鋼加固管道、鈦鋼復合法蘭,取樣測點安裝在法蘭上,并進入監測系統。

2 設計原理
煙囪碳鋼基體筒壁、固定短管和法蘭一旦腐蝕,煙氣泄漏,影響機組正常運行,根本原因是材料選擇及測點設計安裝不合理。一方面,機組運行中煙氣在固定短管與煙囪碳鋼基體筒壁接觸,對碳鋼基體進行腐蝕。改進設計須迫使與煙氣在取樣流動過程中接觸的表面均為非碳鋼金屬成分,避免煙氣接觸煙囪碳鋼基體、固定短管及法蘭,防止發生金屬腐蝕;另一方面,煙氣通過測點與固定短管之間的焊縫間隙,對固定短管及法蘭接觸腐蝕。改進設計通過改變焊縫形式,減小焊縫間隙,降低了對固定短管及法蘭的接觸腐蝕。

按照原設計,隨著機組的運行,發現煙囪環保測點部位的腐蝕越來越嚴重,對煙囪排放監控有效實施的影響越來越大。圖2為環保測點固定短管及法蘭腐蝕形貌。為了改變這種現狀,保證機組安全運行,經分析,首先通過對煙氣流通路徑的材料進行優化,選用耐煙氣腐蝕能力強的材料;另外通過優化焊接結構,使測點的焊接方式更合理,減小煙氣的腐蝕程度。

圖2 環保測點固定短管及法蘭腐蝕形貌
圖2 環保測點固定短管及法蘭腐蝕形貌   下載原圖

3 設計思路
3.1 煙氣分析
煙囪煙氣一般溫度在70～150℃,相對濕度為3%,含有灰分及各種腐蝕性成分,如SO2,HCl,NO2及鹽霧等,甚至有時煙氣中含有氫氟酸等強腐蝕氣體,而且還在脫硫過程中,又具有酸堿介質交替的特性,因此對設備具有較強的腐蝕性,這就對材料防腐性能的要求比較苛刻。

3.2 基體材料的選取
在分析煙氣成分的基礎上,有針對性地選用對煙囪煙氣有較好耐腐蝕性能的基體材料。本次優化設計比較了20G鋼、鈦鋼復合板的元素構成,具體見表1。

表1 20G鋼、鈦鋼復合板的元素構成比較(質量分數)(%)     下載原表

表1 20G鋼、鈦鋼復合板的元素構成比較(質量分數)(%)
通過現場實際模擬,發現鈦鋼復合板的耐腐蝕性遠高于20G鋼的,而且材料使用壽命長,在實際使用過程中可以結合6～8年的機組大修期進行檢查,以確保煙囪的安全性、檢測系統穩定性。最終選擇鈦合金管、鈦鋼復合板作為基體材料。

3.3 優化焊接結構
原焊接結構型式為碳鋼加固管分別與煙囪碳鋼基體、碳鋼法蘭焊接而成,造成煙氣在固定短管與煙囪碳鋼基體筒壁接觸,直接對碳鋼基體造成腐蝕,同時煙氣通過測點與固定短管之間的焊縫間隙,對固定短管及法蘭接觸造成腐蝕。改進后的焊接結構型式應避免煙氣接觸煙囪碳鋼基體、固定短管及法蘭,并減小焊縫間隙,降低煙氣對固定短管及法蘭的接觸腐蝕。

3.4 改進設計
在上述分析的基礎上筆者對原有的設計進行了改進和優化,具體為:

(1)將接口內側法蘭由碳鋼材料更換成鈦鋼復合板;

(2)將固定測點短管材料由碳鋼更換成密封鈦管,使該管兩端分別與鈦鋼復合板的鈦層、鈦鋼復合法蘭的鈦層形成角接焊接接頭;

(3)在煙囪內部安裝鈦金屬加強環,該環兩端分別與密封鈦管、煙囪鈦鋼復合板的鈦金屬面形成角接焊接接頭;

(4)碳鋼加固套管分別與煙囪碳鋼基體、鈦鋼復合板法蘭的碳鋼側形成角接焊接接頭。

圖3為煙囪環保測點固定防腐結構的改進設計。

圖3 煙囪環保測點固定防腐結構的改進設計
圖3 煙囪環保測點固定防腐結構的改進設計   下載原圖

4 改進后的運行效果
通過更換基體材料,優化焊接結構,較好地控制了煙囪環保測點結構的腐蝕風險。同時測點安裝材料只需要鈦合金圓環、鈦合金管、鈦合金法蘭,費用低、安裝工藝簡單、結構剛性高、抗腐蝕效果好。

通過前后10年的運行比較,改進后的環保測點腐蝕明顯得到改觀。圖4為改進設計前的20G鋼基體經過2010—2015年運行5年的腐蝕形貌,固定管、法蘭均腐蝕較嚴重。圖5為改進設計后的鈦合金基體,經過2015—2019年運行5年的固定管、復合法蘭外觀形貌,測量管系未見腐蝕,數據傳輸正常,達到了預期的效果。

圖4 20G鋼基體運行5年后的形貌
圖4 20G鋼基體運行5年后的形貌   下載原圖

圖5 鈦合金基體運行5年后的形貌
圖5 鈦合金基體運行5年后的形貌   下載原圖

5 結論
本文對火力發電廠煙囪環保測點結構進行了合理改進:

(1)通過設計迫使與煙氣在取樣管內流動過程中接觸的表面均為鈦合金成分,避免煙氣接觸煙囪碳鋼基體、碳鋼短管及法蘭,避免發生金屬腐蝕。

(2)優化焊接結構,減少煙氣通過測點與固定短管之間的焊縫間隙,降低固定短管及法蘭的接觸腐蝕。

該優化設計確保了煙囪排放監控的有效實施,提高了經濟效益。否則一旦發生監測系統結構腐蝕,勢必停止環保數據的傳送,影響顆粒物監測系統正常運行,其結果必須停機檢修。經測算,減少1次停機可以節省280萬元經濟損失。因此,該煙囪環保測點結構的優化設計具有一定的工程應用潛力和推廣價值。

參考文獻