基于數(shù)據(jù)挖掘的超臨界工業(yè)鍋爐管內(nèi)氧化皮堵塞預警系統(tǒng)

劉彩利

（西安外事學院工學院計算機系，陜西西安710077）

雖然超超臨界火電機組在我國的普及率較高，但相比于發(fā)達國家而言依然存在很多不足之處，其中以鍋爐超溫爆管最為突出，其對整個機組的安全性造成嚴重影響。歸結其原因，此類型鍋爐與傳統(tǒng)機組具有明顯的差異性，國內(nèi)市場大多依賴于外部進口，而忽視了自主研發(fā)這項重要的工作，總體來說，國內(nèi)在超臨界火電機組的發(fā)展依然停留在模仿階段，諸如鍋爐過熱器等重要部件更是缺乏核心技術。

1 鍋爐氧化皮產(chǎn)生的原因

對于超超臨界機組而言，其在長期使用過程中普遍會出現(xiàn)受熱面氧化皮現(xiàn)象，又以氧化鐵這一成分最為突出。受高溫氧化的影響，加之材料內(nèi)部組織分布等因素的作用，將會帶來明顯的高溫氧化現(xiàn)象，工業(yè)鍋爐的結構構成見圖1。關于氧化皮的產(chǎn)生途徑，主要有以下兩種：

（1）受加工制造的影響，受熱面管會與周邊空氣中的氧等物質(zhì)發(fā)生持續(xù)性反應，此時便會產(chǎn)生氧化皮。在此方式下，氧化皮可細分為三層，其各層對應的結構分別為FeO、Fe3O4以及Fe2O3?？偨Y實際經(jīng)驗可知，F(xiàn)eO 與金屬基體具有緊密的連接關系，此結果表現(xiàn)出明顯的疏松特性，同時伴有大量空洞的存在，肉眼可見黑色斑點。受溫度影響，極容易發(fā)生化學反應，由此生成Fe3O4以及Fe，此時將會發(fā)生氧化皮脫落現(xiàn)象。用化學表達式表示為

（2）受長期使用的影響，熱管面會持續(xù)與周邊環(huán)境中的水蒸氣以及鐵物質(zhì)相接觸，由此發(fā)生化學變化進而形成雙層氧化膜。對于原生膜而言，是水蒸氣與鐵直接反應的結果，此時便會產(chǎn)生黑色的FeO；對于延展膜而言，是在所形成的FeO 基礎上進一步與環(huán)境中的水蒸氣所發(fā)生的反應，此時將會形成黑色的Fe3O4，并不斷的發(fā)生氧化反應，最終持續(xù)產(chǎn)生Fe2O3。對高溫環(huán)境下的蒸汽性質(zhì)進行分析，發(fā)現(xiàn)其具有不導電性，因此所產(chǎn)生的三種物質(zhì)只是單純的化學反應產(chǎn)物。在此過程中，反應均會釋放出氫氣，基于對過熱器中氫氣含量的研究，可以進一步得出對應的氧化速度。

在世界范圍內(nèi)，對于超臨界以上規(guī)格的機組而言，不可避免會出現(xiàn)受熱面管氧化皮現(xiàn)象，而這也是行業(yè)內(nèi)公認的技術難點，尤其是長期處于高溫運行環(huán)境下時，此現(xiàn)象更為明顯。這也從側面反映出金屬材料對于大型機組的不兼容性。因此，在鍋爐設計過程中應全面考慮所使用材料的熱強性，研究表明若采用粗晶不銹鋼，一旦現(xiàn)場溫度超過570 ℃，便會對材料造成明顯影響，此時會表現(xiàn)出明顯的氧化特性；而當現(xiàn)場溫度介于600～620 ℃時，將會顯著提升氧化速率，此時會導致不銹鋼材料厚度急劇增大的現(xiàn)象。事實上，鍋爐內(nèi)壁的蒸汽氧化現(xiàn)象無法避免，隨著其參數(shù)的增高，對應的氧化現(xiàn)象也愈發(fā)明顯。

圖1 工業(yè)鍋爐的系統(tǒng)構成圖

2 鍋爐氧化皮剝落的危害

一旦鍋爐出現(xiàn)氧化皮現(xiàn)象，在長期使用中必然伴隨著剝落現(xiàn)象的產(chǎn)生，此時將會造成如下危害：

（1）當氧化皮出現(xiàn)剝落現(xiàn)象后，便會對末級過濾器等各類內(nèi)部設備造成影響，當堵塞嚴重時甚至會引發(fā)超溫爆管現(xiàn)象。

（2）受氧化皮剝落的影響，當超超臨界機組處于啟動狀態(tài)時，極容易對高旁門的嚴密性造成影響。

（3）當機組處于持續(xù)運行狀態(tài)時，一旦發(fā)生了氧化皮剝落現(xiàn)象，極容易對蒸汽管的正常運行造成影響，進而出現(xiàn)閥門內(nèi)漏等現(xiàn)象。

（4）氧化皮碎片不僅會對內(nèi)部結構造成阻塞現(xiàn)象，還容易增加對閥桿、閥套等部件的磨損程度，在長期的持續(xù)磨損狀態(tài)下便會造成主汽門卡澀現(xiàn)象。

（5）剝落后會形成大量的碎片，此時會對葉片造成嚴重的侵蝕，其中又以末端葉片最為明顯；與此同時，水汽質(zhì)量也將受到影響。

對上述問題進行總結可知，氧化皮剝落會對機組的正常運行造成嚴重干擾，嚴重時甚至會引發(fā)爆管等現(xiàn)象?；谔嵘藛T與設備安全性的目的，迫切需要設計一套合理的防爆管措施。

3 項目的研究方法及實施方案

3.1 鍋爐壽命管理系統(tǒng)的開發(fā)設計

此處以B/S 結構為基礎，由此搭建出一個可行的機組壽命管理系統(tǒng)，其中又具體涉及鍋爐管以及鍋爐部件這兩大因素，其具體結構見圖2。所研發(fā)出的壽命管理系統(tǒng)可以對電廠維修模式進行持續(xù)優(yōu)化，并深化管理機制，而要想實現(xiàn)此目標，除了設計中心的努力外，還需要得到電廠的積極配合。以技術為依托，以實際環(huán)境為參考，由此實現(xiàn)開發(fā)與應用的高效結合。

圖2 部分系統(tǒng)結構圖

3.2 壽命的在線實時評估

鍋爐的整體壽命受其內(nèi)部多個關鍵部位的影響，而此類部件的性能又與溫度、壓力有著密切的關聯(lián)。在部件設計之初，盡管已經(jīng)參考了實際環(huán)境確定出了大致的耐用壽命，但在實際運用過程中溫度與壓力均會發(fā)生不可預計的變化，此時各個部件的壽命具有高度的不確定性，而正是這種無法把控的因素在很大程度上加大了火電廠的安全隱患，一旦出現(xiàn)事故便會造成大量的經(jīng)濟損失。對此，應對使用過程中的溫度與壓力這兩個參數(shù)進行密切的監(jiān)測，由此全面獲悉其變化特性。

3.3 圖形化的受熱面溫度場分布

通過對爐內(nèi)溫度場分布特性的分析，可以較為準確地獲悉爐膛內(nèi)的實際燃燒狀況。而要想獲悉爐內(nèi)溫度場的具體信息，就必須對受熱面的溫度場分布規(guī)律進行分析。換言之，受熱面溫度場分布是整個過程的核心環(huán)節(jié)。基于圖形化的溫度場分布特性，可以為相關技術人員提供參考，由此對運行方式進行優(yōu)化，避免長時間超溫現(xiàn)象，為設備的穩(wěn)定運行創(chuàng)造條件。就長期跟蹤分析角度而言，基于對大量溫度場分布的分析，相關人員可以對內(nèi)部各個部件的運行狀況做以深度的掌握，并采取針對性的方式對其進行檢修。

3.4 有效的超限統(tǒng)計及預警

應使用設備對機組運行參數(shù)進行不間斷的實時監(jiān)控，一旦發(fā)生緊急情況時應在第一時間采取解決措施。通常來說，諸如溫度、壓力、含氧量等均是橫梁鍋爐核心部件的重要指標，基于自主研發(fā)的預警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對電廠鍋爐運行狀況的密切監(jiān)控，以預先設定的極限范圍為參考，當某一參數(shù)超出該范圍時便會做出預警。預警系統(tǒng)可以持續(xù)獲得鍋爐在運行過程中的各項參數(shù)狀況，由此進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析工作，此時技術人員可以更為全面地掌握鍋爐燃燒工況，進而采取針對性措施進行檢修，做好超溫受熱面的維護工作，消除管段隱患。經(jīng)過此環(huán)節(jié)后，可以有效避免因材質(zhì)老化等原因而造成的爆管事故，確保機組能夠持續(xù)正常運行。

此外，預警系統(tǒng)在傳感器的作用下還能夠?qū)崟r掌握鍋爐管壁的溫度變化情況，并自動對內(nèi)壁氧化皮應變展開精確計算，具備氧化皮預警功能，有助于技術人員事先對鍋爐狀況做以了解。

4 鍋爐壽命管理系統(tǒng)的發(fā)展展望

對于機組而言，要想實現(xiàn)其穩(wěn)定運行，就必須杜絕受熱面出現(xiàn)管道氧化皮問題，否則不僅會給機組帶來損失，還極容易引發(fā)安全事故。但事實上，氧化皮問題涉及的因素很多，除處理機組鍋爐、金屬材質(zhì)等因素外，還與相應的檢測手段有關，一旦檢測方式有所落后，將會加劇氧化皮問題的嚴重性。但我國在此方面依然有很大的進步空間，相應的檢測手段依然需要得到技術深化。此外，我國行業(yè)內(nèi)對于氧化皮問題的重視程度不足，難以對其產(chǎn)生正確的認知，這自然缺乏對其形成機理的掌握能力，不具備事先制定解決策略的能力，一旦出現(xiàn)氧化皮問題后將無所對策，此時機組的運行性能受到嚴重制約，最終嚴重抑制了整個電力行業(yè)的發(fā)展。因此，有必要對鍋爐高溫受熱面管道的氧化皮問題進行研究，充分掌握其生成與剝落機理，由此制定出針對性的防治措施；在鍋爐運行過程中對其進行密切的監(jiān)控，確保機組的安全穩(wěn)定性。

5 氧化皮清理技術措施

（1）安排專門的技術人員構成防磨防爆小組，由此針對性地對受熱面的溫度狀況進行全面檢測，提出其中存在的問題并加以解決，最終對其進行驗收。

（2）安排專門的技術人員，當出現(xiàn)氧化皮后應對其進行割除處理。

（3）在進行管道割卸工作時，需要實現(xiàn)對新管道進行位置與尺寸標記工作，并對其進行復核，而后替換舊管；對割下的舊管尺寸進行測量并做好記錄工作，而后將其運輸至檢修場；采用坡口機設備完成管口坡口的制作工作，通常應設置為“V”型。其對應角度以32°為宜，上下不可超過2°的誤差范圍，對管口內(nèi)外區(qū)域進行磨光處理，由此產(chǎn)生金屬光澤。當做好坡口制作工作后，應使用記號筆對其進行編號處理，確保其與舊管編號完全一致。

6 結 語

綜上所述，本文以超超臨界機組為背景，在此基礎上提出了鍋爐管內(nèi)氧化皮堵塞預警系統(tǒng)，基于自動化的方式對受熱面的溫度等參數(shù)進行檢測，由此可以采取針對性措施，從根本上做好氧化皮的預防工作，在節(jié)省人力物力的同時還提升了電廠的運行效率。