烟囱环保测点结构防腐设计优化及应用

0 引言
随着国家经济建设的不断发展,国民生产与生活的用电量也不断上升,为了满足日益增长的电能需求,在目前我国电力生产模式还是以火力发电为主的情况下,火电厂的生产力不断提升,给环境造成影响。在国家节能减排等环保政策的驱动下,火力发电厂现已普及环保监控与管理系统。对烟囱排放的粉尘、烟气等进行有效监控是该管理系统的重要组成部分,烟囱环保测点结构的有效设计和抗腐蚀性是烟囱排放监控有效实施的保证。

一般火力发电厂烟囱环保测点结构设计如图1所示,这种设计的固定短管及法兰在机组安装运行过程中,存在烟气对烟囱碳钢基体、短管和法兰有腐蚀的弊端,轻则造成烟气泄漏,严重时可造成测点周围大面积腐蚀,造成环保监测数据不达标,影响机组正常运行。本文通过优化设计和选材,以增强烟囱管道系统的抗腐蚀能力。

图1 原设计的测量系统普通钢短管及法兰连接图
图1 原设计的测量系统普通钢短管及法兰连接图   下载原图

1 工程实例
国华太仓发电有限公司2×630 MW超临界燃煤机组,主要污染物采集通过在烟囱76 m标高处钛钢复合板位置用短接管道连接到取样装置上的环保测点完成。上述污染物的采集需要在烟囱钛钢复合板上开孔,用焊接方法安装钛合金插管及钛合金圆环加固圈、碳钢加固管道、钛钢复合法兰,取样测点安装在法兰上,并进入监测系统。

2 设计原理
烟囱碳钢基体筒壁、固定短管和法兰一旦腐蚀,烟气泄漏,影响机组正常运行,根本原因是材料选择及测点设计安装不合理。一方面,机组运行中烟气在固定短管与烟囱碳钢基体筒壁接触,对碳钢基体进行腐蚀。改进设计须迫使与烟气在取样流动过程中接触的表面均为非碳钢金属成分,避免烟气接触烟囱碳钢基体、固定短管及法兰,防止发生金属腐蚀;另一方面,烟气通过测点与固定短管之间的焊缝间隙,对固定短管及法兰接触腐蚀。改进设计通过改变焊缝形式,减小焊缝间隙,降低了对固定短管及法兰的接触腐蚀。

按照原设计,随着机组的运行,发现烟囱环保测点部位的腐蚀越来越严重,对烟囱排放监控有效实施的影响越来越大。图2为环保测点固定短管及法兰腐蚀形貌。为了改变这种现状,保证机组安全运行,经分析,首先通过对烟气流通路径的材料进行优化,选用耐烟气腐蚀能力强的材料;另外通过优化焊接结构,使测点的焊接方式更合理,减小烟气的腐蚀程度。

图2 环保测点固定短管及法兰腐蚀形貌
图2 环保测点固定短管及法兰腐蚀形貌   下载原图

3 设计思路
3.1 烟气分析
烟囱烟气一般温度在70～150℃,相对湿度为3%,含有灰分及各种腐蚀性成分,如SO2,HCl,NO2及盐雾等,甚至有时烟气中含有氢氟酸等强腐蚀气体,而且还在脱硫过程中,又具有酸碱介质交替的特性,因此对设备具有较强的腐蚀性,这就对材料防腐性能的要求比较苛刻。

3.2 基体材料的选取
在分析烟气成分的基础上,有针对性地选用对烟囱烟气有较好耐腐蚀性能的基体材料。本次优化设计比较了20G钢、钛钢复合板的元素构成,具体见表1。

表1 20G钢、钛钢复合板的元素构成比较(质量分数)(%)     下载原表

表1 20G钢、钛钢复合板的元素构成比较(质量分数)(%)
通过现场实际模拟,发现钛钢复合板的耐腐蚀性远高于20G钢的,而且材料使用寿命长,在实际使用过程中可以结合6～8年的机组大修期进行检查,以确保烟囱的安全性、检测系统稳定性。最终选择钛合金管、钛钢复合板作为基体材料。

3.3 优化焊接结构
原焊接结构型式为碳钢加固管分别与烟囱碳钢基体、碳钢法兰焊接而成,造成烟气在固定短管与烟囱碳钢基体筒壁接触,直接对碳钢基体造成腐蚀,同时烟气通过测点与固定短管之间的焊缝间隙,对固定短管及法兰接触造成腐蚀。改进后的焊接结构型式应避免烟气接触烟囱碳钢基体、固定短管及法兰,并减小焊缝间隙,降低烟气对固定短管及法兰的接触腐蚀。

3.4 改进设计
在上述分析的基础上笔者对原有的设计进行了改进和优化,具体为:

(1)将接口内侧法兰由碳钢材料更换成钛钢复合板;

(2)将固定测点短管材料由碳钢更换成密封钛管,使该管两端分别与钛钢复合板的钛层、钛钢复合法兰的钛层形成角接焊接接头;

(3)在烟囱内部安装钛金属加强环,该环两端分别与密封钛管、烟囱钛钢复合板的钛金属面形成角接焊接接头;

(4)碳钢加固套管分别与烟囱碳钢基体、钛钢复合板法兰的碳钢侧形成角接焊接接头。

图3为烟囱环保测点固定防腐结构的改进设计。

图3 烟囱环保测点固定防腐结构的改进设计
图3 烟囱环保测点固定防腐结构的改进设计   下载原图

4 改进后的运行效果
通过更换基体材料,优化焊接结构,较好地控制了烟囱环保测点结构的腐蚀风险。同时测点安装材料只需要钛合金圆环、钛合金管、钛合金法兰,费用低、安装工艺简单、结构刚性高、抗腐蚀效果好。

通过前后10年的运行比较,改进后的环保测点腐蚀明显得到改观。图4为改进设计前的20G钢基体经过2010—2015年运行5年的腐蚀形貌,固定管、法兰均腐蚀较严重。图5为改进设计后的钛合金基体,经过2015—2019年运行5年的固定管、复合法兰外观形貌,测量管系未见腐蚀,数据传输正常,达到了预期的效果。

图4 20G钢基体运行5年后的形貌
图4 20G钢基体运行5年后的形貌   下载原图

图5 钛合金基体运行5年后的形貌
图5 钛合金基体运行5年后的形貌   下载原图

5 结论
本文对火力发电厂烟囱环保测点结构进行了合理改进:

(1)通过设计迫使与烟气在取样管内流动过程中接触的表面均为钛合金成分,避免烟气接触烟囱碳钢基体、碳钢短管及法兰,避免发生金属腐蚀。

(2)优化焊接结构,减少烟气通过测点与固定短管之间的焊缝间隙,降低固定短管及法兰的接触腐蚀。

该优化设计确保了烟囱排放监控的有效实施,提高了经济效益。否则一旦发生监测系统结构腐蚀,势必停止环保数据的传送,影响颗粒物监测系统正常运行,其结果必须停机检修。经测算,减少1次停机可以节省280万元经济损失。因此,该烟囱环保测点结构的优化设计具有一定的工程应用潜力和推广价值。

参考文献