超超臨界660 MW塔式鍋爐末級(jí)過熱器爐內(nèi)外壁溫對(duì)比分析

李兆祥

(華能羅源發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 福州 350000)

近年來，大型鍋爐“四管爆漏”造成的事故越來越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鍋爐事故中的60%～70%為“四管爆漏”所致，“四管爆漏”已經(jīng)成為大中型燃煤機(jī)組非正常停機(jī)的首要原因。在“四管爆漏”事故中末級(jí)過熱器超溫爆管所占比例較大[1-3]。雖然目前大型鍋爐末級(jí)過熱器已采用Super304H、HR3C等更耐高溫的奧氏體耐熱鋼[4-5]，但運(yùn)行中熱偏差過大仍會(huì)使熱負(fù)荷偏大的管子壁溫超過材料許用溫度而發(fā)生超溫爆管。文獻(xiàn)[6]指出HR3C管材壁溫超過許用溫度10 ℃，其使用壽命將由1.0×105h降至6.7×104h，壽命縮短33%。由此可見，運(yùn)行過程中控制管子壁溫，特別是掌握末級(jí)過熱器區(qū)域高溫管屏所在位置以及屏中危險(xiǎn)管的爐內(nèi)壁溫水平至關(guān)重要。目前，大型鍋爐通過在末級(jí)過熱器管屏安裝爐內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)來判斷該區(qū)域熱負(fù)荷分布情況，從而能夠及時(shí)采取措施，控制末級(jí)過熱器壁溫。然而爐內(nèi)壁測(cè)溫點(diǎn)所處工作環(huán)境極為惡劣，長(zhǎng)期受到高溫?zé)焿m和高速氣流沖擊，容易出現(xiàn)故障。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常發(fā)生熱電偶損壞后無(wú)法更換，從而影響爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)，給鍋爐安全運(yùn)行帶來極大威脅。基于此，有必要建立末級(jí)過熱器爐內(nèi)外壁溫關(guān)系，一旦爐內(nèi)測(cè)點(diǎn)發(fā)生故障，仍可利用爐外壁溫對(duì)爐內(nèi)壁溫進(jìn)行監(jiān)視。

目前關(guān)于爐內(nèi)壁溫與爐外壁溫以及負(fù)荷等參數(shù)間的關(guān)系研究主要針對(duì)∏型爐，而在塔式爐上的應(yīng)用與研究，文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。因此，有必要通過研究建立塔式鍋爐在不同運(yùn)行工況下爐內(nèi)壁溫與爐外壁溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為該類鍋爐末級(jí)過熱器管壁溫度監(jiān)測(cè)以及壽命診斷提供參考。

1 鍋爐概況

某電廠建設(shè)2臺(tái)660 MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行由螺旋管圈、單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的塔式爐，其主要參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1鍋爐主要技術(shù)參數(shù)
Table1Main technical parameters of boiler

參 數(shù)BMCRBRL主蒸汽流量/(t·h-1)2025.501929.10主蒸汽溫度/℃605.00605.00主蒸汽壓力(表壓)/MPa29.3029.30再熱器進(jìn)口壓力(表壓)/MPa5.855.54再熱器進(jìn)口溫度/℃361.00366.00再熱器出口壓力(表壓)/MPa5.685.38再熱器出口溫度/℃623.00623.00再熱蒸汽流量/(t·h-1)1692.201605.70給水溫度/℃305.70302.00

注：BMCR為鍋爐最大連續(xù)出力工況；BRL為鍋爐額定出力工況。

鍋爐給水由爐前管道依次流經(jīng)一級(jí)省煤器、二級(jí)省煤器，匯合在水冷壁下集箱；然后螺旋進(jìn)入爐膛四周螺旋段水冷壁，經(jīng)水冷壁過渡連接管引至水冷壁中間集箱；經(jīng)中間集箱混合后再由連接管引出，經(jīng)過渡段形成中部垂直段水冷壁；水在水冷壁內(nèi)吸熱形成汽水混合物，匯集至水冷壁上集箱，通過水冷壁引出管引入到汽水分離器，在汽水分離器內(nèi)進(jìn)行汽水分離。從汽水分離器引出的蒸汽依次流過一級(jí)過熱器進(jìn)口段、懸吊管過熱器、屏式過熱器、二級(jí)過熱器和末級(jí)過熱器，然后通過主蒸氣管道送出，其受熱面布置如圖1所示。由圖1可知，爐膛出口高溫?zé)煔庖来瘟鬟^屏式過熱器、末級(jí)過熱器、末級(jí)再熱器、二級(jí)過熱器、一級(jí)再熱器、二級(jí)省煤器、一級(jí)過熱器進(jìn)口段以及SCR出口布置的一級(jí)省煤器。

2 爐內(nèi)外壁溫測(cè)量

本鍋爐的末級(jí)過熱器管屏共20片，沿爐膛寬度均勻布置，其橫向節(jié)距為960 mm，縱向節(jié)距為60 mm。每片管屏有40根管子組成，將管屏自下而上編號(hào)，則1號(hào)管表示最外圈管，40號(hào)管為最內(nèi)圈管；1～10號(hào)管以及40號(hào)管的水平段在爐膛寬度方向較短形成一個(gè)矮胖型U型管組，11～39號(hào)管則在爐膛寬度方向伸展為瘦長(zhǎng)型U型管組，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 受熱面布置圖Fig.1 Layout of the heating surface

圖2 末級(jí)過熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structural diagram of final superheater

為了了解末級(jí)過熱器爐內(nèi)外壁溫的關(guān)系以及沿爐膛寬度方向熱負(fù)荷分布情況，在左起第5片、第8片、第12片、第15片管屏的第40根管子的外壁分別裝設(shè)爐內(nèi)外壁溫測(cè)點(diǎn)以及在第5、第15片管屏所有管子出口處裝設(shè)爐外壁溫測(cè)點(diǎn)，采用鎧裝型熱電偶進(jìn)行測(cè)量。爐內(nèi)壁溫測(cè)點(diǎn)的熱電偶通過保護(hù)套管穿過水冷壁鰭片引出，與爐外測(cè)點(diǎn)的熱電偶沿線盒一起引至鍋爐壁溫?cái)?shù)據(jù)采集控制柜。采集數(shù)據(jù)引入DCS，并同步存入MIS系統(tǒng)中的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 結(jié)果及分析

末級(jí)過熱器左起第5片、第8片、第12片、第15片管屏的第40根管子測(cè)得的爐內(nèi)外壁溫與機(jī)組負(fù)荷間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，各屏爐內(nèi)外壁溫隨機(jī)組負(fù)荷變化規(guī)律相同，均呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，但爐內(nèi)壁溫的波動(dòng)幅度較大。其中機(jī)組負(fù)荷升至270 MW時(shí)，各屏爐內(nèi)壁溫均達(dá)到一個(gè)小高峰；進(jìn)一步增加負(fù)荷，各屏壁溫開始下降，至400 MW時(shí)壁溫又開始上升，滿負(fù)荷時(shí)壁溫達(dá)到峰值。可見，低負(fù)荷時(shí)末級(jí)過熱器壁溫甚至超過高負(fù)荷時(shí)的壁溫。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為這種現(xiàn)象與機(jī)組啟動(dòng)調(diào)整過程中負(fù)荷的波動(dòng)幅度較大、風(fēng)量過小、風(fēng)速過快以及工質(zhì)流量過小等有關(guān)，本文在分析本鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)后，認(rèn)為本鍋爐末級(jí)過熱器出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是由于低負(fù)荷時(shí)工質(zhì)流量偏小以及運(yùn)行方式改變?cè)斐傻?。從圖3還可以看出，無(wú)論負(fù)荷高低，末級(jí)過熱器左起第5片屏的爐內(nèi)外壁溫最低，第15片屏的爐內(nèi)外壁溫最高，呈現(xiàn)出明顯的“左低右高”現(xiàn)象。同時(shí)，查閱運(yùn)行記錄也發(fā)現(xiàn)末級(jí)過熱器右側(cè)出口蒸汽溫度明顯高于左側(cè)，二者相差約為10 ℃。由此可見，末級(jí)過熱器區(qū)域熱負(fù)荷分布存在明顯差異，這可能由以下原因所致：一、爐膛出口存在一定程度的煙氣殘余旋轉(zhuǎn)；二、四個(gè)角風(fēng)速不均造成火焰中心偏斜；三、燃燒器在制造、安裝、調(diào)試過程中產(chǎn)生偏差導(dǎo)致運(yùn)行中火球不居中?；诖?，為了有效減輕甚至消除管屏間溫度差異，一方面通過水冷壁出口壁溫、各級(jí)高溫受熱面左右側(cè)溫升判斷火焰中心偏斜程度以便及時(shí)調(diào)整四個(gè)角配風(fēng)來糾正火焰中心位置；另一方面當(dāng)火焰中心居中后，通過調(diào)整SOFA水平擺角和風(fēng)門開度，消減煙氣殘余旋轉(zhuǎn)動(dòng)量。

a 外壁溫 b 內(nèi)壁溫圖3 不同負(fù)荷下末級(jí)過熱器管屏的最內(nèi)圈管測(cè)得的內(nèi)外壁溫分布Fig.3 The inner and outer wall temperature distribution measured by the innermost tube of the final superheater under different loads

比較圖3a和圖3b，可知各屏的第40根管子測(cè)得的爐內(nèi)壁溫均高于爐外，二者溫差見表2。由表2可知，不同管屏的同根管子在不同負(fù)荷下的爐內(nèi)外壁溫差均不同，但在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；滿負(fù)荷時(shí)，各屏爐內(nèi)外壁溫差達(dá)到最大，其中又以第15片屏偏差最大，達(dá)45 ℃。因此，一旦爐內(nèi)測(cè)點(diǎn)發(fā)生故障，在爐外壁溫的基礎(chǔ)上加上50 ℃可估算末級(jí)過熱器爐內(nèi)壁溫，且具有一定的安全裕度，這與文獻(xiàn)[8-9]研究結(jié)果一致。但滿負(fù)荷時(shí)，爐內(nèi)溫度最高測(cè)點(diǎn)(第15屏)所對(duì)應(yīng)的爐外壁溫僅為590℃，明顯低于當(dāng)時(shí)主汽溫度，排除測(cè)量熱電偶故障，主要考慮該測(cè)點(diǎn)可能安裝在同屏管中溫度較低的管子上。為此，分別對(duì)滿負(fù)荷時(shí)末級(jí)過熱器左起第5、第15片屏爐外壁溫測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖4所示。由圖4可知，最內(nèi)圈管子壁溫最低，最外圈管子壁溫非最高，壁溫最高的是第27號(hào)管，同屏管間最大偏差可達(dá)20 ℃。顯然，同屏管間存在明顯的熱偏差，爐內(nèi)測(cè)點(diǎn)所在位置不一定是壁溫最高處。在現(xiàn)有運(yùn)行方式下要重點(diǎn)監(jiān)控第15片屏第27號(hào)管的爐外壁溫，該管爐內(nèi)壁溫可按爐外壁溫加50 ℃來確定，即可對(duì)末級(jí)過熱器區(qū)域管壁溫度做到胸中有數(shù)，避免超溫和氧化垢過量生成。綜上可知，機(jī)組運(yùn)行過程中，壁溫監(jiān)測(cè)需要爐內(nèi)外壁溫測(cè)點(diǎn)相互配合，以防爐內(nèi)測(cè)點(diǎn)所在位置不是熱負(fù)荷高的區(qū)域。

表2不同負(fù)荷下管屏的最內(nèi)圈管測(cè)得的爐內(nèi)外壁溫差
Table2Temperature difference between the inner andouter walls of the furnace measured by the innermosttube under different loads ℃

負(fù)荷/MW第5屏第8屏第12屏第15屏1502426303427032374340400232427355302527324066035424345

圖4 滿負(fù)荷時(shí)同屏管子溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the same panel of final superheater under full load

4 結(jié)論

通過對(duì)超超臨界660 MW塔式鍋爐末級(jí)過熱器爐內(nèi)外壁溫?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

(1)機(jī)組運(yùn)行過程中，要關(guān)注管屏以及同屏管間熱負(fù)荷分布情況，以便及時(shí)通過燃燒調(diào)整消除熱偏差。

(2)隨負(fù)荷變化，爐內(nèi)外壁溫變化趨勢(shì)相同，爐外壁溫經(jīng)估折算后能夠反映爐內(nèi)的實(shí)際管壁溫度。

(3)壁溫監(jiān)測(cè)需要爐內(nèi)外壁溫測(cè)點(diǎn)相互配合，以防爐內(nèi)測(cè)點(diǎn)所在位置不是熱負(fù)荷高的區(qū)域。