超臨界火電機組爐水循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用

朱寶峰

（中電建甘肅能源崇信發(fā)電有限公司，甘肅 平?jīng)?744200）

0 前言

我國提出了“碳達峰”和“碳中和”目標，以光伏和風電為主的新能源裝機逐年增加，2020 年新增并網(wǎng)風電、太陽能發(fā)電裝機容量分別為7167 萬kW 和4820 萬kW，在全國發(fā)電裝機總?cè)萘?2 億kW 中，煤電裝機容量為10.8 億kW，首次降至50%以下。面對清潔能源完全消納和電網(wǎng)安全運行要求，火電機組將承擔起調(diào)峰調(diào)頻的輔助作用，因此火電機組利用小時數(shù)將會逐年下降，將長時間處于低負荷運行狀態(tài)，并以旋轉(zhuǎn)備用的方式保證足夠的靈活性，以隨時滿足電網(wǎng)負荷變化需求。超臨界參數(shù)機組在深度調(diào)峰及快速變負荷運行方式下，鍋爐水循環(huán)流量較少，管壁溫度梯度大，管壁溫度超過鋼材最高使用溫度，出現(xiàn)爐管過熱甚至爆管的情況。因此為保障鍋爐低負荷安全運行，需要對鍋爐水循環(huán)及各受熱面溫度進行實時在線監(jiān)測，根據(jù)爐管溫度變化趨勢及時預警，指導運行人員進行燃燒和給水調(diào)整，降低鍋爐水冷壁及受熱面管排發(fā)生失效爆破或泄露的可能性，提高鍋爐在深度調(diào)峰狀態(tài)下的運行可靠性。

1 鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)方案研究及設(shè)計

1.1 某超臨界機組鍋爐運行監(jiān)測現(xiàn)狀分析

在超（超）臨界機組鍋爐水冷壁、高溫受熱面出口的爐外管圈上，均設(shè)有管壁溫度測點，通過設(shè)置在管子不同位置的熱電偶測量管壁溫度，來分析鍋爐在設(shè)計和制造過程中存在的缺陷，判斷管屏的熱偏差和超溫，評估鍋爐的運行狀況[1]。某鍋爐原設(shè)計的壁溫測量監(jiān)視系統(tǒng)分別在螺旋水冷壁出口管接頭、垂直水冷壁出口管接頭、屏式過熱器出口管排、末級過熱器出口管排及末級再熱器出口管排處共計4518 根管子上安裝了232 個壁溫測點，壁溫測點覆蓋率僅為管子數(shù)量的5.14%。以上壁溫測點大部分通過IDAS[2]前端測量裝置接入DCS 實現(xiàn)監(jiān)視，剩余部分后增補測點接入就地溫度巡檢儀，可在鍋爐76m 平臺處進行查看。由于鍋爐在50%以上負荷運行時，鍋爐水循環(huán)動力充足，給水流量較高，受熱面管排發(fā)生超溫情況較少，加之原有壁溫監(jiān)視測點較少，很難準確反映受熱面管排超溫過熱情況，存在監(jiān)視盲區(qū)。而鍋爐在深度調(diào)峰（40%～30%）負荷的工況下運行時，給水流量在530t/h 左右，接近鍋爐MFT 給水流量低保護動作極限值，鍋爐水冷壁及受熱面極易出現(xiàn)水動力不足[3]引起的超溫現(xiàn)象，水冷壁的設(shè)計必須避免超臨界壓力下的類膜態(tài)沸騰及亞臨界壓力下的膜態(tài)沸騰，還要保證流體在蒸干點處金屬管壁得到足夠的冷卻。因此該文旨在有效解決鍋爐深調(diào)運行時對以上受熱面區(qū)域存在監(jiān)視盲區(qū)的問題，同時融合原有壁溫測量系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的監(jiān)視報警系統(tǒng)，擴大鍋爐水冷壁及各受熱面的監(jiān)視范圍，及時對超溫區(qū)域進行調(diào)整，降低水冷壁及鍋爐受熱面發(fā)生爆破及泄漏的概率。

1.2 水循環(huán)監(jiān)測重點區(qū)域研究

在選擇鍋爐水循環(huán)監(jiān)測的重點區(qū)域，首先應廣泛覆蓋鍋爐低負荷運行時易超溫的受熱面，及時反映出該部位管排溫度的上升情況，進而及時調(diào)整燃燒策略；其次應加強對歷年來金檢缺陷較多的受熱面監(jiān)視，從而有針對性地分析缺陷成因。因此須從以下幾個方面進行研究：1）通過鍋爐低負荷摸底試驗及長期運行工況統(tǒng)計分析，在鍋爐低負荷運行時，垂直水冷壁易出現(xiàn)超溫運行情況。特別是在磨煤機組合方式發(fā)生變化時尤為明顯[4]。經(jīng)過燃燒調(diào)整試驗及實際運行情況發(fā)現(xiàn)，D 制粉系統(tǒng)運行時，左墻垂直水冷壁極易超溫。2）機組在198MW 負荷運行時，鍋爐保持干態(tài)運行。隨著負荷的下降，鍋爐蒸發(fā)量下降，屏式過熱器出現(xiàn)短時超溫現(xiàn)象。屏式過熱器處于爐膛煙氣溫度最高的區(qū)域，管壁內(nèi)外溫差大，并且內(nèi)外管圈長度不同導致蒸汽流量不同，管與管之間的壁溫偏差較大。同時受爐膛輻射熱的表面積較高溫過熱器多，因此，屏過極易出現(xiàn)超溫。屏過最外圈管子沿爐膛寬度方向應每屏至少布置1 個測點，監(jiān)測該屏管的壁溫變化趨勢。3）結(jié)合歷年鍋爐檢修時對受熱面管排的金屬檢驗、管壁減薄等數(shù)據(jù)分析得出：垂直水冷壁上集箱存在大量接管座缺陷，位置在爐左集箱靠近爐后端部。高溫再熱器、屏式過熱器、末級過熱器均有不同程度的金檢缺陷， 歷次檢修均有一定數(shù)量的管排更換。如表1 所示。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，末再區(qū)域在2016 年換管數(shù)量較多，主要原因為吹損造成而非過熱，排除該原因后可以看出屏過受熱面管排出現(xiàn)泄漏風險較末過、末再兩個區(qū)域更高，歷次檢修均有一定數(shù)量的管子更換。水冷壁的統(tǒng)計中包含了螺旋段和垂直段，低負荷水動力不足的問題在水冷壁區(qū)域反映更為明顯。

表1 2015—2018 年受熱面換管統(tǒng)計

根據(jù)以上研究結(jié)論，水冷壁及高溫受熱面現(xiàn)有的壁溫測量點對低負荷運行時的管排狀態(tài)反映有限，同時可以確認問題較為集中的區(qū)域為左垂直水冷壁區(qū)域和屏式過熱器區(qū)域。為達到減少監(jiān)視盲區(qū)的目的，螺旋/垂直水冷壁區(qū)域、屏式過熱器區(qū)域、末級過熱器區(qū)域及高溫再熱器區(qū)域的壁溫覆蓋范圍均應在原有的基礎(chǔ)上增加，對重點區(qū)域如左垂直水冷壁和屏式過熱器區(qū)域應進一步增加壁溫覆蓋密度。對屏式過熱器每屏最外圈管子必須增加壁溫測點，左、右墻垂直水冷壁首、尾兩個管子必須增加壁溫測點。

1.3 爐水循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計目標

1.3.1 將水冷壁及各受熱面壁溫監(jiān)測覆蓋范圍擴大15%以上

根據(jù)現(xiàn)有管壁溫度數(shù)量及鍋爐管排、管子數(shù)量，合理新增壁溫數(shù)量，將壁溫監(jiān)測覆蓋率提高到15%以上，見表2。

表2 鍋爐受熱面壁溫監(jiān)測覆蓋率統(tǒng)計

該壁溫增設(shè)方案新增壁溫795 支，較現(xiàn)有的232 支壁溫來說，提升監(jiān)視測點3.4 倍以上，其中覆蓋率增幅較大的為末再區(qū)域、屏過區(qū)域以及垂直水冷壁區(qū)域，符合之前的設(shè)計方案。本次新增的壁溫測點使得壁溫監(jiān)視覆蓋率從原來的5.14%提高到22.74%，占比增幅為17.6%，達到設(shè)計效果目標。

1.3.2 新、舊壁溫監(jiān)測系統(tǒng)合并，完成綜合監(jiān)視、報警及診斷

新增壁溫測點通過IDAS 前置器、IDAS 通信模塊、DCS通信卡件等設(shè)備，以總線通信方式接入DCS 系統(tǒng)。該方案與原有壁溫測點通信方式一致。由于本次新增壁溫測點較多，為使CRT 畫面直觀反映出壁溫布置，本次壁溫測點布置將原有文字描述式畫面修改為表單式布置圖，將集箱內(nèi)所有管子羅列成表單，將原有的壁溫測點與新增壁溫測點同時列入表單對應位置，同時在表單上方標注煙氣流向指示，可以使運行人員清晰地判斷壁溫測點及管排走向，縮短了對燃燒調(diào)整的反應時間。與此同時，該畫面組態(tài)方式的優(yōu)化也減少了畫面布局量，原有壁溫測點共布局顯示畫面2 張，從本次增加壁溫數(shù)量來看，至少應增加組態(tài)畫面6 張方可滿足，但采用本次優(yōu)化后的組態(tài)畫面，僅增設(shè)2 張畫面即清晰展現(xiàn)了新、老壁溫所有測點，并實現(xiàn)統(tǒng)一報警、綜合監(jiān)視，減少運行人員翻看畫面時間，提高監(jiān)盤效率。

1.3.3 DCS 機柜CPU 網(wǎng)絡通信負荷率低于40%

新增795 支壁溫測點接入就近布置的42 臺IDAS-2102E前置器，該前置器為雙冗余網(wǎng)絡布置，本次通信組網(wǎng)為保證原有14 臺前置器網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，將新增壁溫接入新的通信網(wǎng)段，每個網(wǎng)段配屬21 臺前置器，實現(xiàn)網(wǎng)絡負荷均分，原有網(wǎng)段命名為0 網(wǎng)段（下設(shè)14 臺前置器），新增網(wǎng)段分別為1 網(wǎng)段和2 網(wǎng)段，均為雙冗余網(wǎng)絡布置。1 網(wǎng)段通信模塊安裝于DCS 系統(tǒng)10（20）CBB04 柜，2 網(wǎng)段通信模塊安裝于DCS 系統(tǒng)10（20）CBB06 柜，其中采用就近原則設(shè)計1 段網(wǎng)絡包括螺旋水冷壁、后垂直水冷壁、左垂直水冷壁、前垂直水冷壁、右垂直水冷壁、屏式過熱器；2 段網(wǎng)絡包括末級過熱器、末級再熱器。通過將新增測點設(shè)計為兩段網(wǎng)絡，將DCS 系統(tǒng)原空閑率（4 號CP、6 號CP）由80%下降到70%左右，DCS 單臺CP 負荷率為30%，滿足小于40%負荷的設(shè)計要求。

1.3.4 對每根爐管超溫進行監(jiān)測與統(tǒng)計

將所有壁溫測點在DCS 系統(tǒng)中按所在區(qū)域、安裝位置及管排號設(shè)置獨立監(jiān)視畫面，在畫面中標注煙氣流動方向，讓運行人員直觀地判斷出管排在煙氣流場中位置以及是否處在向火面，有效縮短判斷時間，及時做出正確調(diào)整策略。同時對每根管子的超溫情況進行統(tǒng)計。當管子壁溫超過報警值時，利用DCS 運算邏輯塊進行計時和計次，壁溫低于報警值后停止計時，次數(shù)計算為1 次。計時和計次均采用累加制，根據(jù)管排維修更換情況進行復位清零。次月1 日可生成上月超溫情況報表，顯示本月累計超溫時間、次數(shù)，超溫平均幅度等信息，以供金屬監(jiān)督人員進行分析，準確掌握管排劣化信息，為管排壽命預測提供重要判斷依據(jù)。

2 鍋爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)實施與應用

2.1 爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

為實現(xiàn)在線監(jiān)測要求，該系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備有壁溫測量元件（鎧裝熱電偶）、IDAS 前端測量及通信裝置（或DCS遠程I/O 站）、電源系統(tǒng)及各類電纜、DCS 通信卡件、DPU以及工程師站、歷史站等。

2.2 爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)應用方案

爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)應包括溫度測量元件、壁溫測量IDAS 前置裝置、IDAS 前置系統(tǒng)通信裝置、DCS 分散控制系統(tǒng)、操作員站及工程師站（歷史站）等部分。受熱面管壁溫度通過鎧裝熱電偶測量后轉(zhuǎn)換為電壓信號進入IDAS 前置裝置，每臺前置裝置可采集20 個壁溫信號，所有就地IDAS 前置裝置以總線通信方式將實時測量結(jié)果通過IDAS 通信裝置轉(zhuǎn)換后接入DCS 系統(tǒng)，通過DCS 系統(tǒng)組態(tài)后呈現(xiàn)在操作員站的人機界面中，實現(xiàn)所有管排溫度的實時顯示、超溫報警等功能。各部分具體設(shè)計方案如下：1）壁溫元件選用雙支K 分度I 級熱電偶，測量溫度為-40℃～1000℃，金屬熱電偶絲直徑為φ5mm，熱電偶熱敏元件包含兩對K 分度熱電偶專用導線，采用復合套管整體式鎧裝，由雙層0Cr25Ni20 不銹鋼保護管、高純氧化鎂絕緣材料、熱電偶導體材料組合，冷端補償導線耐溫200℃以上，引線尾部為針型線鼻子，導線“+”端用紅色標記，“-”端用黑色或藍色標記。熱電偶在安裝前須經(jīng)過檢定合格，并在首尾懸掛KKS 標識。熱電偶元件采用不銹鋼雙螺釘固定在熱電偶集熱塊上。2）熱電偶集熱塊與爐管同材質(zhì)，彎曲面保持一致。集熱塊焊接必須采取氬弧焊焊接，焊接材料必須與受熱面管材一致，集熱塊焊接前必須進行光譜復檢，對受熱面管、集熱塊及焊材進行確認并記錄；焊接位置中心線距離管子彎曲起點或聯(lián)箱外壁邊緣至少70mm，距對接焊口間距離不應小于150mm。3）IDAS 測量裝置系統(tǒng)應采用電源、網(wǎng)絡雙冗余的模式設(shè)計，任一電源中斷、網(wǎng)絡斷開都應無擾切換，不影響任何數(shù)據(jù)的傳輸。應具備在現(xiàn)場前置器上實時組態(tài)、信息查詢、報警查看等功能，在IDAS 通信模塊上也可實現(xiàn)遠程監(jiān)控、編程、組態(tài)、網(wǎng)絡切換等功能。IDAS 智能前端可布置在鍋爐大包兩側(cè)，壁溫元件長度以鎧裝層超出爐墻2m 以上，引線長度直接到達IDAS 測量裝置或遠程I/O 柜為宜，總長度根據(jù)爐管距離采集裝置距離遠近進行設(shè)計，減少壁溫元件成本。在使用該鍋爐時，根據(jù)與測量前端的距離，采用5m、20m、15m、10m 等4 個不同長度熱電偶。4）IDAS 智能前端以總線通信的方式接入IDAS 通信模塊。每臺通信模塊可掛載100 臺測量前端。為防止通信負荷率過高，應進行分散布置。通信模塊與DCS 通信卡進行數(shù)據(jù)連接交換時，也應考慮同樣問題，以防止DCS 的DPU 負荷率過高。也可設(shè)計一套獨立的DCS系統(tǒng)接入所有壁溫測點并進行監(jiān)視，可將通信負荷率的對主機DCS 運行指標的影響降到最低。5）DCS 系統(tǒng)設(shè)置有電源系統(tǒng)、DPU、通信卡件、交換機、工程師站（歷史站）、操作員站等設(shè)備完成對所有壁溫測量信號的接入，并在操作員站對每個壁溫測點進行實時監(jiān)視、超溫預警、超溫統(tǒng)計，根據(jù)壁溫趨勢變化及時調(diào)整運行方式，最大限度地防止爐管超溫或降低超溫時間和次數(shù)。

2.3 提高該系統(tǒng)應用可靠性的措施

鍋爐壁溫安裝于鍋爐大包內(nèi)，部分冷端布置于鍋爐大包頂棚上方，且由于鍋爐緊身封閉測量裝置環(huán)境溫度較高，灰塵較大，同時大包內(nèi)的煙氣會對壁溫冷端產(chǎn)生高溫腐蝕，對壁溫裝置的測量可靠性造成較大威脅。為提高壁溫測量系統(tǒng)的可靠性，應采取以下防范措施：1）對鎧裝壁溫元件的預制長度準確測算，所有壁溫元件的長度滿足從IDAS 前置器至安裝位置的距離，中間不使用任何補償電纜，減少故障點；2）從大包敷設(shè)出的壁溫支撐槽盒采用澆注料封堵接口處，爐墻外的壁溫槽盒經(jīng)過2 個90°直角彎后再敷設(shè)至IDAS 前置器處，盡可能釋放大包內(nèi)部高溫熱能；3）采用HT C-2 耐高溫無機膠的K 分度鎧裝熱電偶測量元件冷端進行包覆和灌封，即使高溫煙氣溢出也可保證在冷端200℃以上持續(xù)可靠地測量。4）熱電偶元件引線末端采用預制針型線鼻子，并取消前置器接線端子處的短接線，減少了因接線不良造成的溫度元件跳變等問題。5）大包內(nèi)部壁溫元件承載槽盒由原先的普通鍍鋅電纜槽盒更換為不銹鋼耐高溫槽盒，耐高溫能力大于600℃，壁溫槽盒因高溫脆化破損。6）壁溫元件安裝時在首尾端懸掛相同的KKS 編碼標識牌，防止熱電偶安裝、接線時產(chǎn)生錯亂。安裝接線完畢后，應使用熱風槍對每個壁溫測點進行傳動試驗，以確保壁溫測點與管排編號一一對應。7）所有壁溫測點應加入DCS 系統(tǒng)歷史庫，并將歷史曲線變化死區(qū)設(shè)置在0.5℃以下，歷史庫容量應能保證所有壁溫數(shù)據(jù)保存1 年以上。

3 結(jié)論

經(jīng)過2 年的時間，將該系統(tǒng)應用于某超臨界機組1、2號鍋爐中，實現(xiàn)了原壁溫測點與新增壁溫測點共同組成的爐水循環(huán)在線監(jiān)測系統(tǒng)。與應用該系統(tǒng)前相比，對鍋爐水冷壁及高溫受熱面的監(jiān)視區(qū)域增加了17.6%，并首次覆蓋了后水冷壁區(qū)域；可對鍋爐水冷壁、屏式過熱器、末級過熱器及末級再熱器出口集箱管排實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測、實時報警，具有設(shè)備狀態(tài)判斷及歷史追憶功能，壁溫監(jiān)視采取分區(qū)域列表畫面顯示，準確反映爐管位置；可實時監(jiān)測管壁溫度，任一測點超溫均可實現(xiàn)聲光報警，準確定位；可對所有管壁超溫次數(shù)、時間進行累加統(tǒng)計，并自動計算超溫幅度等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，自動生成并導出月度報表。該系統(tǒng)的應用不但提高了鍋爐在低負荷運行工況下的水動力安全性及在線監(jiān)視范圍，滿足了火電機組參與深度調(diào)峰輔助服務市場的必要條件，同時也提高了金屬監(jiān)督對鍋爐受熱面管排劣化趨勢分析的準確率，對管壁超溫加強管理，進一步降低了爐管超溫發(fā)生的概率，減少時長，也對今后鍋爐受熱面檢修項目安排及爐管壽命預測提供了重要的決策依據(jù)。