1 000 MW超超臨界塔式鍋爐壽命管理系統(tǒng)研發(fā)

朱江濤，杜保華，楊中明，尹 剛，錢(qián)義生，劉振宇

（1.神華國(guó)華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

0 引言

國(guó)華寧海電廠是國(guó)華電力集團(tuán)首座裝備1 000 MW超超臨界機(jī)組的火電廠，二期2臺(tái)1 000 MW機(jī)組（5號(hào)機(jī)、6號(hào)機(jī)）于2009年投產(chǎn)發(fā)電。鍋爐由上海鍋爐廠引進(jìn)Alstom德國(guó)EVT公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造，為超超臨界變壓運(yùn)行直流爐，采用塔式布置、螺旋管圈、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣。鍋爐參數(shù)為27.46 MPa/605℃/603℃。

超超臨界塔式鍋爐與傳統(tǒng)機(jī)組有較多不同，爐內(nèi)所有高溫受熱面采用水平臥式布置。由于蒸汽參數(shù)較高，使用了大量新型材料（寧海電廠1 000 MW塔式鍋爐所用新材料見(jiàn)表1），而國(guó)內(nèi)對(duì)這些新材料也缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，從而對(duì)鍋爐爐管與鍋爐部件的狀態(tài)評(píng)定及監(jiān)督都具有一定的挑戰(zhàn)性。掌握鍋爐重要關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和壽命評(píng)估方法成為亟待解決的難題。

高溫部件壽命管理是一項(xiàng)需長(zhǎng)期跟蹤管理的工作，如果從早期基建階段開(kāi)始將具有很多優(yōu)勢(shì)：設(shè)備資料齊全、運(yùn)行數(shù)據(jù)完整、模型優(yōu)化及時(shí)、經(jīng)驗(yàn)積累豐富等。所以，在多年的壽命管理技術(shù)研究基礎(chǔ)上[1-3]，從寧海電廠基建階段開(kāi)始，結(jié)合電廠生產(chǎn)管理需求，構(gòu)建了1 000 MW超超臨界塔式鍋爐壽命管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線壽命評(píng)估、受熱面壁溫監(jiān)測(cè)、測(cè)點(diǎn)多級(jí)超限統(tǒng)計(jì)、異物堵塞監(jiān)測(cè)、運(yùn)行考核管理等功能，為運(yùn)行和檢修提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)。

表1 關(guān)鍵部件所用新材料

1 評(píng)估模型設(shè)計(jì)

在線壽命評(píng)估的方法是隨著軟件、硬件、通信等技術(shù)的快速發(fā)展而逐漸產(chǎn)生和成熟的，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取高溫部件的溫度、壓力、負(fù)荷等基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)，在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估設(shè)備壽命損耗。在線壽命評(píng)估具有實(shí)時(shí)性、離散性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)，貫穿于鍋爐整個(gè)生命周期，是一個(gè)長(zhǎng)期跟蹤管理的過(guò)程。

為了反映微小時(shí)間段內(nèi)實(shí)時(shí)溫度、壓力等參數(shù)對(duì)部件壽命的影響，在線評(píng)估模型中引入了壽命損耗倍數(shù)K，該參數(shù)定義過(guò)程如下：

依據(jù)基于老化因子修正的L-M公式，分別計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)時(shí)參數(shù)下的蠕變壽命值td和t：

式中：Td為部件設(shè)計(jì)壁溫；td為設(shè)計(jì)壁溫和設(shè)計(jì)壓力下的蠕變壽命；σd為評(píng)估部位在設(shè)計(jì)壓力下的應(yīng)力；T為實(shí)時(shí)壁溫；t為實(shí)時(shí)壁溫和壓力下的蠕變壽命；σ為評(píng)估部位在實(shí)際壓力下的應(yīng)力。

定義壽命損耗倍數(shù)K，令：

K用于評(píng)定某評(píng)估時(shí)間段內(nèi)實(shí)際溫度和實(shí)際壓力對(duì)壽命損耗影響的嚴(yán)重程度。該參數(shù)的意義在于提供了同一部位不同時(shí)刻壽命損耗比較的手段，而且可以比較某一時(shí)刻不同部位的壽命損耗。

圖1為6號(hào)爐三級(jí)過(guò)熱器第7屏17根爐管某天的壽命損耗倍數(shù)分布曲線，橫坐標(biāo)為評(píng)估時(shí)刻，評(píng)估間隔為10 min?？v坐標(biāo)為損耗倍數(shù)K，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)評(píng)估時(shí)間段，從圖上可以準(zhǔn)確掌握評(píng)估部位在各個(gè)時(shí)刻的壽命損耗程度。

圖1 某爐管的壽命損耗倍數(shù)隨時(shí)間變化曲線

實(shí)時(shí)在線獲取每個(gè)評(píng)估部位的壽命損耗倍數(shù)K后，便可掌握其殘余壽命tr：

式中：trn-1為上輪評(píng)估后的殘余壽命；Delt為在線評(píng)估時(shí)間間隔。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

寧海電廠1 000 MW塔式鍋爐壽命管理系統(tǒng)分為兩部分：生產(chǎn)控制網(wǎng)區(qū)的壁溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和MIS網(wǎng)區(qū)的鍋爐壽命管理系統(tǒng)。其中，生產(chǎn)控制網(wǎng)區(qū)壁溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新頻率達(dá)到秒級(jí)，用于為運(yùn)行人員提供監(jiān)測(cè)、預(yù)警、歷史查詢等服務(wù)。MIS網(wǎng)區(qū)的鍋爐壽命管理系統(tǒng)主要為生產(chǎn)管理和檢修人員提供在線壽命評(píng)估、圖形化超溫監(jiān)測(cè)、測(cè)點(diǎn)多級(jí)超限統(tǒng)計(jì)、異物堵塞監(jiān)測(cè)、運(yùn)行班值考核管理、歷史趨勢(shì)查詢分析等功能。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

2.1 壁溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

壁溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于5號(hào)機(jī)和6號(hào)機(jī)的操作員站，為運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)一級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)過(guò)熱器、三級(jí)過(guò)熱器、一級(jí)再熱器、二級(jí)再熱器及水冷壁的壁溫提供支持，其主要功能包括：壁溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、歷史曲線。

2.2 鍋爐壽命管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

鍋爐壽命管理系統(tǒng)安裝于MIS網(wǎng)，用戶在辦公室即可訪問(wèn)。主要包括四大功能模塊，顯示頁(yè)面示例見(jiàn)圖3。

圖2 寧海電廠塔式鍋爐壽命管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 5號(hào)爐二級(jí)再熱器壽命分布曲線

2.2.1 在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估

通過(guò)實(shí)時(shí)獲取高溫部件的溫度、壓力、負(fù)荷等基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)，在線監(jiān)測(cè)及評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)超溫風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)與管理、溫度場(chǎng)圖形化監(jiān)測(cè)、爐管異物堵塞監(jiān)測(cè)、測(cè)點(diǎn)多級(jí)超限監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)等功能。

2.2.2 在線壽命評(píng)估

根據(jù)設(shè)備狀態(tài)（溫度、應(yīng)力）的評(píng)估結(jié)果，預(yù)測(cè)設(shè)備殘余壽命。可實(shí)現(xiàn)在線壽命計(jì)算與管理、壽命損耗倍數(shù)曲線、爐管殘余壽命報(bào)警及統(tǒng)計(jì)等功能。超超臨界鍋爐爐管設(shè)計(jì)壽命采用了保守處理，定為10萬(wàn)h。由于國(guó)內(nèi)對(duì)1 000 MW超超臨界鍋爐所用新材料缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，并且本著在線評(píng)估與離線檢驗(yàn)相結(jié)合的全壽命周期管理宗旨，宜采用逐漸逼近的辦法偏可靠處理。

2.2.3 運(yùn)行超限考核

根據(jù)電廠生產(chǎn)管理需求，設(shè)計(jì)了運(yùn)行班值超限考核功能，自動(dòng)監(jiān)測(cè)各運(yùn)行班組當(dāng)值期間發(fā)生的超限信息，并計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)的主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度及負(fù)荷等，從安全和效率兩方面綜合考評(píng)運(yùn)行班值，主要包括：值班運(yùn)行記錄報(bào)表、值班運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

2.2.4 設(shè)備信息管理

對(duì)高溫設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢驗(yàn)、維修、經(jīng)濟(jì)性等方面的信息進(jìn)行管理，提供設(shè)備綜合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果，提供檢驗(yàn)與維修決策建議。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與管理，失效原因分析與統(tǒng)計(jì)、維修、更換及檢驗(yàn)建議。

3 結(jié)語(yǔ)

以寧海電廠1 000 MW超超臨界塔式鍋爐為對(duì)象，基于關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，結(jié)合電廠生產(chǎn)管理需求，開(kāi)發(fā)了超超臨界塔式鍋爐壽命管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用全新的架構(gòu)，功能完善，既滿足了安全3區(qū)（MIS網(wǎng)區(qū)）技術(shù)人員對(duì)高溫部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和管理需求，又滿足安全1區(qū)（生產(chǎn)控制區(qū)）運(yùn)行人員對(duì)高溫受熱面壁溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

系統(tǒng)在寧海電廠5號(hào)、6號(hào)機(jī)組上線運(yùn)行以來(lái)，電廠人員利用超溫風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、異物堵塞監(jiān)測(cè)、多級(jí)超限統(tǒng)計(jì)模塊，開(kāi)展對(duì)高溫受熱面的監(jiān)督，降低爐管泄漏風(fēng)險(xiǎn)。利用運(yùn)行考核管理模塊從安全和效率兩方面對(duì)運(yùn)行班組進(jìn)行綜合考評(píng)，已成為電廠重要的管理手段。該系統(tǒng)在寧海電廠1 000 MW超超臨界塔式鍋爐上的成功應(yīng)用對(duì)同類(lèi)機(jī)組具有重要的示范作用。

[1]李耀君，任愛(ài).火電廠重要部件的壽命管理[J].熱力發(fā)電，1994（04）:19-22.

[2]杜保華，李耀君，劉振宇.鍋爐高溫聯(lián)箱壽命管理系統(tǒng)研發(fā)[J].熱力發(fā)電，2010，39（9）:106-109.

[3]謝宋釗，杜保華，楊二魯.珠江電廠2號(hào)鍋爐末級(jí)再熱器氧化皮剝落與運(yùn)行特性分析[J].廣東電力，2009，22（6）:64-66.