防止超超臨界鍋爐受熱面超溫的技術(shù)措施分析

閆仕軍

(江蘇大唐國(guó)際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇南通226246)

在火電生產(chǎn)中，鍋爐高溫受熱面超溫爆管事故在非計(jì)劃停爐中占有較大的比重,是影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素,特別是超超臨界鍋爐由于采用大量新型不銹鋼材料，內(nèi)壁氧化皮大面積脫落的問(wèn)題比較突出，解決高溫受熱面超溫問(wèn)題十分迫切。江蘇大唐國(guó)際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司（4×660 MW）超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐型號(hào)為HG-2000/26.15-YM3，П型布置、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，采用一級(jí)大旁路。爐膛出口及水平煙道按煙氣流動(dòng)方向布置分隔屏過(guò)熱器，后屏過(guò)熱器（簡(jiǎn)稱后屏），高溫過(guò)熱器（簡(jiǎn)稱高過(guò)）以及高溫再熱器（簡(jiǎn)稱高再），其中后屏、高過(guò)以及高再流經(jīng)的蒸汽參數(shù)較高，容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

1 受熱面超溫的危害

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐事故特別是承受部件中水冷壁、過(guò)熱器、再熱器和省煤器的泄漏事故在事故及非計(jì)劃停運(yùn)中占較大比例，是影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因之一。其中，“四管”泄漏中由于磨損造成的約占30%，焊接質(zhì)量引起的約占30%，金屬過(guò)熱引起的約占15%，腐蝕引起的約占10%，其他原因引起的占15%[1]。受熱金屬超溫是運(yùn)行中造成爆管的主要原因之一。對(duì)鍋爐受熱面高溫部件，目前設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間一般為100 000 h，其計(jì)算溫度水平是選擇材料的主要考慮指標(biāo)。在相同工作壓力下，工作溫度越高，則運(yùn)行時(shí)間越短。超超臨界鍋爐中金屬超溫的危害主要表現(xiàn)在材料劣化，如碳化物析出、鉻流失以及組織變化等，導(dǎo)致金屬材料力學(xué)性能下降；內(nèi)壁受蒸汽氧化腐蝕，內(nèi)壁氧化皮生長(zhǎng)速度加快，氧化皮與母材結(jié)合狀態(tài)變差，內(nèi)壁氧化皮大面積脫落的幾率顯著增大。目前超超臨界鍋爐內(nèi)壁氧化皮大面積脫落的危害程度較材料劣化更甚。為保證鍋爐高溫受熱面運(yùn)行安全，防止運(yùn)行中超溫是重中之重。

2 受熱面壁溫超限報(bào)警值

對(duì)于各級(jí)受熱面，鍋爐廠按取用材料強(qiáng)度值以及材料抗蒸汽氧化溫度給出報(bào)警溫度，表1為正常運(yùn)行時(shí)各級(jí)受熱面出口爐外壁溫報(bào)警值。根據(jù)受熱面選用材料,壁溫報(bào)警值設(shè)置基本合理，受熱面壁溫控制在此范圍，可以滿足長(zhǎng)期安全運(yùn)行要求。

表1 鍋爐受熱面爐外壁溫報(bào)警值 ℃

3 受熱面超溫原因分析

3.1 鍋爐受熱面壁溫測(cè)點(diǎn)偏少且設(shè)計(jì)存在問(wèn)題

廠家規(guī)定額定主及再熱汽溫控制在600℃，兩側(cè)蒸汽溫度偏差小于10℃。受熱面金屬溫度不超過(guò)報(bào)警值。4臺(tái)機(jī)組主熱汽溫累計(jì)值分別為592℃，592℃，591℃，592℃。4臺(tái)機(jī)組再熱汽溫累計(jì)值分別為592℃，590℃，591℃，590℃。在正常運(yùn)行中，在原鍋爐初設(shè)的壁溫測(cè)點(diǎn)中未發(fā)現(xiàn)超溫情況。

鍋爐廠給定的高溫受熱面測(cè)點(diǎn)共26點(diǎn)，且70%的壁溫點(diǎn)加在最外圈受熱面。由于最外圈管子沒(méi)有加裝節(jié)流圈，在整個(gè)管屏中流量最大，壁溫處于最低值。由于測(cè)點(diǎn)加裝不合理，鍋爐運(yùn)行存在隱性超溫。

3.2 受熱面存在較大熱偏差

鍋爐在正常運(yùn)行中過(guò)熱器和再熱器存在比較明顯的左右側(cè)熱偏差，后屏、末過(guò)、末再左右兩側(cè)的最大壁溫差在65℃以上，呈現(xiàn)左低右高的特性。通過(guò)資料對(duì)比，該鍋爐的末級(jí)過(guò)熱器和高溫再熱器的壁溫差在同類型鍋爐中屬于比較大的。在額定汽溫工況下，較大的壁溫差直接導(dǎo)致后屏、末過(guò)和末再受熱面管屏長(zhǎng)期處于隱性超溫。為保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，鍋爐只能被迫降溫運(yùn)行。

受熱面左右屏間熱偏差，主要是因?yàn)槟鏁r(shí)針?biāo)慕乔袌A在爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)形成。隨著鍋爐容量的增大。爐膛出口的切向動(dòng)量比鍋爐容量更快地增大（爐膛出口的切向動(dòng)量近似正比與鍋爐容量的1.33次方）。因此，對(duì)于660 MW機(jī)組鍋爐，爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)非常明顯。為了減少爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)，鍋爐廠設(shè)計(jì)了AA附加風(fēng)，但AA附加風(fēng)噴口燃燒器存在擺動(dòng)角度不到位、擺動(dòng)不靈活、甚至卡死等現(xiàn)象，造成機(jī)組在運(yùn)行中缺少調(diào)節(jié)受熱面兩側(cè)偏差的有效手段。檢查發(fā)現(xiàn)，主要原因?yàn)殚L(zhǎng)期裸露在外，活動(dòng)螺絲絲扣等部件銹蝕嚴(yán)重。

3.3 操作不當(dāng)造成受熱面超溫和氧化皮的產(chǎn)生及脫落

在協(xié)調(diào)模式下，機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，燃料量增加幅度較大，如果啟磨時(shí)機(jī)把握不好，磨煤機(jī)出力過(guò)大堵塞，實(shí)際進(jìn)入爐膛的煤粉量增加不大，備用磨煤機(jī)啟動(dòng)后，其他磨出力減少，風(fēng)煤比增加，制粉系統(tǒng)堵塞很快吹通，導(dǎo)致瞬間大量煤粉進(jìn)入爐膛，引起受熱面大面積超溫。 通過(guò)對(duì)受熱面超溫記錄的追憶，此類超溫占大多數(shù)。從受熱面管材取樣金相分析情況看，管材光譜分析都符合原設(shè)計(jì)材質(zhì)，其主要合金元素含量符合要求。硬度測(cè)試：試樣布氏硬度值為：160 HB，155 HB，172 HB，175 HB，175 HB，試樣的硬度值均低于正常值（180 HB左右）。氧化皮厚度檢查：經(jīng)測(cè)量高再入口管內(nèi)脫落氧化皮厚度在100 μm左右。根據(jù)相關(guān)資料對(duì)于鐵素體鋼管，氧化皮厚度達(dá)到500 μm時(shí)開(kāi)始剝落；對(duì)于奧氏體鋼管，F(xiàn)e3O4氧化皮厚度達(dá)到100～200 μm開(kāi)始剝落。根據(jù)鍋爐溫度場(chǎng)分布及受熱面設(shè)計(jì)管材情況，容易產(chǎn)生氧化皮剝落的管圈為后屏、末級(jí)過(guò)熱器及高溫再熱器，氧化皮剝落后沉積在底部U型彎頭處或受熱面入口的節(jié)流孔。

機(jī)組干濕態(tài)轉(zhuǎn)換的負(fù)荷點(diǎn)選擇不合適，啟動(dòng)流量和啟動(dòng)壓力偏低是導(dǎo)致受熱面啟停時(shí)超溫的主要原因。由于在鍋爐干濕態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，汽水由兩相變單相，水動(dòng)力不穩(wěn)定，控制不好，將導(dǎo)致汽水狀態(tài)反復(fù)，水煤比失調(diào)，繼而受熱面大幅超溫。

4 主要采取的措施

氧化皮產(chǎn)生的主要原因是受熱面管壁長(zhǎng)期超溫，因此控制高溫受熱面管壁溫度是防止氧化皮生成的關(guān)鍵。2011年以來(lái)，4臺(tái)機(jī)組相繼出現(xiàn)的大面積氧化皮剝落，檢修被迫進(jìn)行大規(guī)模割管清理氧化皮，4臺(tái)爐平均割管約1500根。

4.1 加裝壁溫測(cè)點(diǎn)

結(jié)合4臺(tái)鍋爐檢修經(jīng)驗(yàn)，按照以下原則加裝測(cè)點(diǎn)。

4.1.1 壁溫測(cè)點(diǎn)工藝要求

（1）安裝熱接點(diǎn)的管壁部位應(yīng)嚴(yán)格除銹及雜物，熱接點(diǎn)要牢固地壓接或熔接在已除銹的壁面上，防止松動(dòng)或脫落。

（2）測(cè)點(diǎn)保溫層要密實(shí)、貼牢、無(wú)裂紋，且具有足夠的厚度，以盡可能減少管子向環(huán)境的散熱。

（3）按照測(cè)點(diǎn)溫度的范圍選擇合適的熱電偶型式，安裝前逐一對(duì)熱電偶進(jìn)行校驗(yàn)和選優(yōu)。

4.1.2 監(jiān)視高溫受熱面同屏熱偏差

在高溫受熱面左、中，右各加裝整屏壁溫測(cè)點(diǎn)，監(jiān)視同屏熱偏差。后屏整屏（9屏，27屏，33屏），每屏19根管。末過(guò)整屏（28屏，44屏，53屏），每屏15根管。末再整屏（18屏，52屏，63屏），每屏 11根管。

4.1.3 監(jiān)視屏間熱偏差和最高管壁溫度區(qū)域

后屏沿爐膛寬度方向，每屏的第10根管進(jìn)行加裝。末過(guò)沿爐膛寬度方向：雙數(shù)屏（2，4……56）第7根管進(jìn)行加裝。末再沿爐膛寬度方向：雙數(shù)屏（2，4……70）第6根管進(jìn)行加裝。

4.1.4 監(jiān)視易堵區(qū)域溫度

由于高溫受熱面集箱為端部進(jìn)汽，主要為集箱中部區(qū)域。后屏集箱中部易積存異物管排14-20屏的下部管圈，如 6，7，8，9，10，11，12，13 根管，加裝 49 點(diǎn)。末過(guò)集箱中部易積存異物管排 25-32屏的第4，5，6，7，8，9，10，11 根管，共 49 點(diǎn)。

4.2 進(jìn)行熱偏差調(diào)整

4.2.1 對(duì)AA進(jìn)行反切

該鍋爐設(shè)計(jì)中為了減弱爐膛內(nèi)空氣氣流的殘余旋轉(zhuǎn)，減少爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差，設(shè)置了A－A風(fēng)，各噴口還可做水平擺動(dòng)。A－A風(fēng)風(fēng)箱分4個(gè)風(fēng)室，每個(gè)風(fēng)室設(shè)置2個(gè)噴口即上噴口和下噴口。A－A風(fēng)風(fēng)箱外在高度方向布置4只手動(dòng)的水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，A－A風(fēng)每個(gè)風(fēng)室內(nèi)的2只上下噴口組成一組，繞其內(nèi)部轉(zhuǎn)軸由水平擺動(dòng)連桿連接到外部手動(dòng)的水平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，做左右10°的擺動(dòng)。

該廠檢修時(shí)，在爐內(nèi)實(shí)際檢查燃燒器的噴口位置，確保各個(gè)AA風(fēng)噴口擺動(dòng)到“反切”位置即向右10°擺動(dòng)（順時(shí)針?lè)较颍Ｍㄟ^(guò)反切后，壁溫偏差調(diào)整取得了一定效果。但是后屏中間區(qū)域的壁溫顯示較低，末過(guò)、末再左側(cè)壁溫偏低，制約進(jìn)一步提高汽溫。末再出口汽溫兩側(cè)偏差為7℃，末再左右兩側(cè)屏間存在約40℃的熱偏差，需要采取其他方法進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2.2 進(jìn)行AA風(fēng)擺角組合形式擺動(dòng)

在距上層煤粉噴嘴上方約5.0 m處有4層附加燃盡風(fēng)AA噴嘴，角式布置，A－A風(fēng)的設(shè)置有利于減少NOx排放量，調(diào)節(jié)火焰中心。每只A－A風(fēng)燃燒器沿其高度設(shè)置了4個(gè)帶內(nèi)曲拐的外擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，A－A風(fēng)風(fēng)室可以做上下30°的擺動(dòng)。通過(guò)進(jìn)行4個(gè)角不同步擺動(dòng)，增加爐膛出口位置氣流擾動(dòng)，縮小偏差。

采用燃燒試驗(yàn)的方法選擇最優(yōu)的燃燒方式。具體擺動(dòng)試驗(yàn)為：選取負(fù)荷為660 MW，分別對(duì)AA風(fēng)單個(gè)角進(jìn)行大開(kāi)度擺動(dòng)試驗(yàn)，每個(gè)工況試驗(yàn)穩(wěn)定1 h。對(duì)該工況下的水冷壁、后屏過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器的最高壁溫及壁溫偏差進(jìn)行記錄。最終通過(guò)定負(fù)荷、變負(fù)荷、制粉系統(tǒng)變化等擾動(dòng)，選擇了1、2號(hào)角開(kāi)大（約70%以上），3、4號(hào)角關(guān)?。?0%以下）的方式長(zhǎng)期運(yùn)行。

4.2.3 優(yōu)化吹灰方式

通過(guò)新增壁溫測(cè)點(diǎn)分析，溫度高區(qū)域主要集中在鍋爐右側(cè)。兩側(cè)的壁溫偏差較大，由于一側(cè)壁溫偏高，嚴(yán)重影響主汽溫度提高。而另一側(cè)壁溫裕量較大。開(kāi)展吹灰優(yōu)化工作，降低鍋爐右側(cè)后屏、末再受熱面的吹灰頻率。通過(guò)適當(dāng)積灰，降低右側(cè)受熱面的換熱效率。從而平衡左右兩側(cè)偏差。實(shí)際情況看，兩側(cè)最高點(diǎn)偏差從原來(lái)的40℃左右，降低到20℃之內(nèi)。

4.3 制定機(jī)組正常運(yùn)行和啟停受熱面防止超溫措施

（1）啟動(dòng)制粉系統(tǒng)時(shí)，把握好時(shí)機(jī)，控制好鍋爐加負(fù)荷的速率。避免加負(fù)荷過(guò)快，備用制粉系統(tǒng)啟動(dòng)不及時(shí)，運(yùn)行制粉系統(tǒng)出力過(guò)大堵塞，備用制粉系統(tǒng)啟動(dòng)后，堵塞制粉系統(tǒng)快速吹通，大量煤粉瞬間進(jìn)入爐膛，導(dǎo)致受熱面大面積超溫現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）調(diào)節(jié)一次風(fēng)時(shí)，應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止磨煤機(jī)風(fēng)量突增使大量存粉進(jìn)入爐膛內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)使實(shí)際煤水比失調(diào)，造成分離器出口蒸汽溫度、末再及末過(guò)溫度飛升而引起相應(yīng)受熱面金屬超溫。

（3）調(diào)節(jié)主、再熱汽溫在正常范圍內(nèi)，防止因汽溫超溫導(dǎo)致金屬壁溫超溫；過(guò)熱器減溫水裝置應(yīng)投入自動(dòng)，防止減溫水在手動(dòng)時(shí)監(jiān)控不到位而導(dǎo)致超溫。

（4）鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中嚴(yán)格按啟動(dòng)曲線進(jìn)行升溫、升壓，控制各受熱面管壁溫度在允許范圍內(nèi)。鍋爐燃燒器對(duì)稱均勻投入，保證火焰中心適宜，不沖刷水冷壁，防止結(jié)焦，減少熱偏差，同時(shí)控制好風(fēng)量，避免風(fēng)量過(guò)大或缺氧燃燒，防止過(guò)熱器超溫或鍋爐尾部二次燃燒。

（5）鍋爐干濕態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)選擇在鍋爐25%～30%負(fù)荷點(diǎn)，保證省煤器入口流量在900～1000 t/h，分離器壓力在11～12 MPa。干濕態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，燃料量、給水量中選擇1個(gè)作為變動(dòng)量，以減少受熱面的反復(fù)波動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

防止因氧化皮產(chǎn)生及脫落關(guān)鍵在于有效控制受熱面管壁溫度及溫度變化速度。首先要根據(jù)爐型優(yōu)化壁溫測(cè)點(diǎn)的數(shù)量及位置，以便全面監(jiān)控受熱面壁溫。運(yùn)行鍋爐要控制同屏及屏間熱偏差現(xiàn)象。通過(guò)采取燃燒調(diào)整和吹灰優(yōu)化，摸索出最佳燃燒工況和吹灰方案，通過(guò)對(duì)鍋爐運(yùn)行和啟停過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)摸索，制定出控制受熱面超溫的技術(shù)措施，從而實(shí)現(xiàn)受熱面超溫的可控和在控。

[1]崔 浩，劉云燕，于 森.電廠鍋爐四管泄露原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2009（20）：119-120.