深度調峰下的鍋爐水冷壁上集箱裂紋解決方案

吳銘軒，董清梅，溫 立

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

為加快可再生能源發(fā)展，大力發(fā)展清潔能源已成為中國電力發(fā)展的重點。但由于風電、光伏發(fā)電等清潔能源自身的特性，其不具備調峰的能力，可能給電網的安全穩(wěn)定運行帶來負面影響。因此，國家發(fā)改委、國家能源局于2016年發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確提出全面推動煤電機組靈活性改造，承擔電網的調峰任務。

提高燃煤機組深度調峰能力，主要有以下幾方面的考量：水動力安全性問題；低負荷下穩(wěn)燃問題；煙氣側及蒸汽側的偏差問題；受熱面積灰問題；鍋爐輔機的適應性問題；鍋爐控制保護控制策略等[1-2]。

鍋爐水冷壁上集箱在負荷變化快、壁溫偏差大時本就易出現管接頭裂紋，該文主要針對低負荷下此情況做一些分析討論，為深度調峰時容易出現的水冷壁上集箱管接頭裂紋提供改造思路。

1 裂紋狀況分析

裂紋主要出現在前、側水冷壁上集箱管接頭焊縫區(qū)域，一般為橫向裂紋，詳見圖1，暫無后水冷壁上集箱出現裂紋的報告。

圖1 管接頭裂紋現場照片Fig.1 Scene photo of nozzle cracks

裂紋的總體分布具有一定的規(guī)律性，一般集中在爐膛的四個角，具體為前水冷壁靠爐兩側、側水冷壁靠爐前后的位置，詳見圖2。

圖2 管接頭裂紋高發(fā)區(qū)分布Fig.2 Distribution of high incidence area of nozzle cracks

裂紋的具體分布也具有一定的規(guī)律性，一般與集箱的軸向同向，即前水冷壁上集箱管接頭的裂紋分布在管接頭的左側或右側，側水冷壁上集箱管接頭的裂紋分布在管接頭的前側或后側。 裂紋情況嚴重的電廠，甚至出現上百道裂紋[3-4]。

2 裂紋原因分析

造成裂紋的根本原因在于集箱與管屏間存在脹差。因為水冷壁管屏吸收爐膛煙氣熱量，必然與大包內的集箱存在溫差，這就導致水冷壁管屏與集箱的膨脹量不同，當兩者脹差超出現有結構能承受的上限時，管接頭根部作為整個結構中剛性較大的位置，率先出現裂紋[5-6]。此種裂紋情況主要由以下幾方面原因造成。

1)機組頻繁啟停、機組負荷波動頻繁。此類工況下集箱與管屏間的溫差遠遠超過正常運行工況，鍋爐長期在這類工況下運行，管接頭可能在短時間內即會出現裂紋。如圖3所示，當鍋爐快速升溫時，爐膛吸熱量增加較快，導致水冷壁管屏膨脹量較大，而位于爐頂大包內的集箱溫升速度跟不上水冷壁管屏的溫升速度，所以集箱自身軸向膨脹量較小，兩者產生較大的膨脹差，容易在管接頭根部產生面向膨脹中心的裂紋；鍋爐快速降溫時，爐膛吸熱量急劇減少，導致水冷壁管屏收縮量較大，而集箱在大包內溫差變化不大，管接頭根部收縮量較小，兩者產生較大的膨脹差，容易在管接頭根部產生背向膨脹中心的裂紋[7-8]。這就解釋了裂紋具體分布的規(guī)律性。

圖3 機組啟停時水冷壁的膨脹與收縮Fig.3 Expansion and shrinkage of water wall during start and stop of unit

2)爐內燃燒流場及熱負荷分布不均。受燃燒器噴口角度、一次風未調平、二次風及燃盡風配風調整不到位等可能因素的影響，尤其是切圓燃燒的爐型，將會影響爐內空氣流場的分布情況，導致爐內熱負荷分布偏差，造成水冷壁壁溫偏差。如圖4所示，若整個燃燒切圓向爐左側偏移，則會使爐內熱負荷呈左高右低的分布。左墻壁溫整體偏高，則集箱與管屏的脹差增大，同時管接頭許用應力降低，顯然左墻更容易出現管接頭裂紋。

圖4 某電廠運行時的燃燒切圓Fig.4 Combustion tangent circle during operation of a power plant

3)水冷壁集箱偏長。常規(guī)設計中，水冷壁集箱一般為通長的集箱，水冷壁集箱越長，則集箱端部距離鍋爐膨脹中心越遠，相同溫度下集箱端部的脹差比其他位置更大，便越容易出現裂紋，這就解釋了裂紋總體分布一般集中在爐膛四個角的規(guī)律性。

4)水冷壁與集箱連接位置的無鰭片管長度偏短。如圖5所示，考慮到鍋爐密封結構，鰭片截止位置一般在頂棚管以上，因此無鰭片管長度偏短，鰭片管的剛性顯然大于無鰭片管，無鰭片管長度偏短，柔性偏低，以至于不足以吸收溫度偏差(即水冷壁管屏與水冷壁上集箱之間的溫差)引起的溫度應力，則可能導致管接頭根部出現裂紋。后水冷壁上集箱未反饋過出現裂紋，也與后水冷壁均為吊掛管散管接集箱有關，管接頭柔性足夠。

圖5 水冷壁上集箱無鰭片區(qū)域Fig.5 Fin-free area of furnace upper header

5)制造安裝過程中存在偏差。由于制造及安裝誤差，可能存在強制對口甚至折口，當安裝完成時整個結構中已經存在較大的安裝預應力，此預應力最后集中在剛度較大的上集箱管座焊縫處，導致此處產生疲勞裂紋。

3 低負荷下運行問題

鍋爐低負荷運行過程中，實際運行情況與設計參數會出現較大偏差，燃燒器投運方式的不同，機組輔機的運行波動及其他不可預見性情況均會使爐內熱流密度發(fā)生變化。鍋爐低負荷工況運行時，水冷壁各回路質量流速相比于滿負荷運行會出現較大的偏差。

機組在深度調峰時將處于濕態(tài)運行，水冷壁中間集箱內的工質處于汽水混合物的兩相狀態(tài)。一方面，工質在兩相的狀態(tài)下通過水冷壁中間集箱時容易造成流量分配不均，造成垂直水冷壁的壁溫出現較大的波動，極易造成垂直水冷壁的超溫，另一方面，在低負荷下，燃燒不穩(wěn)定，爐內熱負荷偏差加劇，這就更加加重了垂直水冷壁的流量分配及壁溫波動[2]。

對于上述原因分析中的1)、2)，低負荷工況下情況將更為惡劣，這就導致了水冷壁與集箱間的膨脹更為復雜，局部脹差更大，管接頭更容易出現裂紋。電廠深度調峰時，常規(guī)設計已無法滿足要求，部分改造后的電廠甚至仍出現了管接頭裂紋，因此，針對有深度調峰需求的機組，應在設計初期即會對上述原因分析中的3)、4)給予考慮。對于在運行的機組，做深度調峰改造時也有必要同時對水冷壁上集箱進行改造。

4 解決方案

1)嚴格控制鍋爐啟停速度，嚴格按鍋爐運行說明書及相關規(guī)程執(zhí)行，減小集箱與管屏的溫差。

2)燃燒調整，防止爐內燃燒流場及爐內熱負荷分布導致水冷壁局部壁溫偏高甚至超溫。

3)低負荷運行時，盡量投運靠上層磨。對水冷壁整體壁溫的控制以及對壁溫偏差的控制，都是有利的。

4)前、側水冷壁上集箱分段設計，可減小管屏與集箱的累積脹差，增加安全裕量。

5)增加水冷壁與集箱間的無鰭片管長度，可提高管接頭柔性，增加安全裕量。一般對于已運行機組，可切割鰭片，增加密封材料或密封盒，對于新設計機組，可降低鰭片高度，并調整相應密封結構。

6)嚴格控制安裝質量，避免強制對口甚至折口，以消除安裝應力。

5 結 語

國內超臨界及以上機組運行以來，水冷壁上集箱管接頭產生裂紋的現象較為普遍。通過上述分析，給多個電廠提供了解決方案及運行建議，能有效解決該問題。不過鑒于當前國內火電機組深度調峰的全面推動，該問題必然將更為突出。因此，建議在役機組在做深度調峰改造時，有必要同時對水冷壁上集箱進行優(yōu)化，并全面結合上述推薦方案，通過集箱改造、運行控制等多種手段相結合，以解決該問題。