火電機(jī)組深度調(diào)峰鍋爐四管防爆策略研究

王晉一，常永利，張忠華，楊道澍

(1.中國(guó)華能集團(tuán)有限公司東北分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000;2.華能國(guó)際電力股份有限公司營(yíng)口電廠，遼寧 營(yíng)口 115000)

0 前言

為響應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)政策，各大火電廠紛紛參與深度調(diào)峰，有的電廠對(duì)現(xiàn)役機(jī)組進(jìn)行了改造，采用低壓缸零出力調(diào)峰，有的采用電鍋爐蓄熱調(diào)峰，有的采用儲(chǔ)熱罐通過(guò)儲(chǔ)放熱實(shí)現(xiàn)熱電解耦等。采用這些手段可有效緩解調(diào)峰壓力，但伴隨的機(jī)組經(jīng)常性快速啟停、負(fù)荷大幅度波動(dòng)等給鍋爐的安全運(yùn)行帶來(lái)了重大隱患，會(huì)對(duì)鍋爐和汽輪機(jī)壽命產(chǎn)生不利影響，尢其是鍋爐受熱面泄漏率隨著運(yùn)行的積累不斷提高，因此，做好鍋爐四管泄漏預(yù)防并采取有力應(yīng)對(duì)措施是當(dāng)前保障火電廠安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 鍋爐四管泄漏影響因素

1.1 頻繁調(diào)峰受熱面金屬熱應(yīng)力的影響

某廠鍋爐為國(guó)外進(jìn)口亞臨界壓力一次再熱控制循環(huán)鍋爐，燃燒方式為四角布置、正切燃燒，鍋爐額定蒸發(fā)量1 150 t，過(guò)熱器出力壓力17.26 MPa，出口溫度541 ℃。

2014年1月，機(jī)組正常運(yùn)行調(diào)峰減負(fù)荷過(guò)程中，當(dāng)負(fù)荷從350 MW減至220 MW時(shí)，爐管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示黃色警告狀態(tài)，運(yùn)行巡檢發(fā)現(xiàn)鍋爐21.8 m標(biāo)高4號(hào)角附近有異音，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視畫面相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、爐膛負(fù)壓、火檢及給水流量等均顯示正常，經(jīng)過(guò)廠內(nèi)研究決定機(jī)組保持繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)采取加強(qiáng)監(jiān)視等手段。

4天后，爐管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在黃色和紅色報(bào)警之間頻繁變動(dòng)，就地聲音增大，初步判斷21.8 m標(biāo)高4號(hào)角附近水冷壁管泄漏，經(jīng)請(qǐng)示調(diào)度同意后機(jī)組停運(yùn)。停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)在鍋爐4號(hào)角C層燃燒器上二次風(fēng)噴嘴右側(cè)的后墻水冷壁管21.3 m標(biāo)高上，水冷壁管泄漏3根，減薄2根。其中第一漏點(diǎn)為2號(hào)管的鰭片部位，有一直徑為3 mm的小孔，斜向吹掃1號(hào)管的表面2點(diǎn)鐘位置，在此形成第二漏點(diǎn)；第二漏點(diǎn)為2個(gè)小孔，其中一孔吹掃3號(hào)管的10點(diǎn)鐘方向和4，5號(hào)管表面，在3號(hào)管上形成第三漏點(diǎn)；第三漏點(diǎn)又吹掃2號(hào)管，形成第四漏點(diǎn)；4，5號(hào)管表面減薄。泄漏點(diǎn)附近其他管段有被輕微吹掃現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)厚檢查均在正常范圍內(nèi)，脹粗檢查未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

經(jīng)分析得知，1號(hào)管為停機(jī)前檢修過(guò)程中新更換的新水冷壁管，2～5號(hào)管為原水冷壁管，第1泄漏點(diǎn)位于2號(hào)原管與新鰭片焊接部位，泄漏點(diǎn)孔徑為3 mm左右，泄漏處管壁無(wú)明顯變形，外壁無(wú)氧化；經(jīng)機(jī)加工后觀測(cè)第一泄漏點(diǎn)內(nèi)壁表面，內(nèi)壁無(wú)結(jié)垢現(xiàn)象，無(wú)腐蝕現(xiàn)象，內(nèi)表面光滑，膛線清晰。

在與第1泄漏點(diǎn)外壁對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁位置上有一長(zhǎng)2 mm、寬1 mm的小孔，初步分析為水冷壁管存在夾渣或氣孔等原始缺陷；改造施工后，新水冷壁管與舊水冷壁管連接鰭片焊接處因新舊管子焊接后所產(chǎn)生的應(yīng)力差異未得到充分釋放，加上機(jī)組頻繁調(diào)峰，鍋爐變工況運(yùn)行成為常態(tài)，交變應(yīng)力的不斷變化使得缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，最終產(chǎn)生了泄漏。

1.2 頻繁調(diào)峰受熱面金屬溫升的影響

某電廠3，4號(hào)機(jī)組鍋爐型號(hào)為HG-1795/26.15-YM1，2007年相繼投產(chǎn)，采用內(nèi)螺旋一次垂直上升膜式水冷壁，分為上、下兩部分。

下部水冷壁包括冷灰斗，上、下部水冷壁之間裝設(shè)一圈中間混合集箱過(guò)渡，下部集箱采用小直徑下聯(lián)箱，水冷壁各墻的每個(gè)聯(lián)箱上，分出103根φ42.7×6管子，通過(guò)三叉管過(guò)渡的方式與小直徑水冷壁管(φ28.6)相接。除燃燒器噴口區(qū)域16根采用1次三叉管從下聯(lián)箱引出外，其余380根均采用2次三叉管從下聯(lián)箱引出。每面墻共布置有396根28 mm×6.4 mm的水冷壁管，材質(zhì)為低合金鋼SA213-T12(P12)，適用溫度限530 ℃。根據(jù)爐膛熱負(fù)荷分配，在103根水冷壁管子上，嵌焊入不同直徑的節(jié)流孔，左右墻一致，前后墻一致。

2014-08-07，在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)壁溫監(jiān)視系統(tǒng)顯示后墻336號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)壁溫超500 ℃的報(bào)警，將該部位爐膛中部集箱下保溫打開，發(fā)現(xiàn)336號(hào)測(cè)點(diǎn)組(代表第333～336根管子，對(duì)應(yīng)第88個(gè)節(jié)流孔)以及第345～348根管子(無(wú)壁溫監(jiān)視測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)第91個(gè)節(jié)流孔)呈暗紅色超溫狀態(tài)，此處對(duì)應(yīng)底部聯(lián)箱節(jié)流孔徑為φ7.5。通過(guò)就地檢查和溫度測(cè)量，初步判斷該處水冷壁具有超溫現(xiàn)象，該處水冷壁底部聯(lián)箱對(duì)應(yīng)節(jié)流孔可能有異物堵塞，可能為流經(jīng)該管的工質(zhì)流量減少所致。

(1) 通過(guò)對(duì)該廠3，4號(hào)爐爐管超溫情況的分析發(fā)現(xiàn)，2012年4月，3號(hào)爐水冷壁換管改造后，曾先后發(fā)生過(guò)2次超溫現(xiàn)象，一次是102號(hào)測(cè)點(diǎn)顯示超溫，一次是左墻112號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度偏高，同時(shí)左墻110號(hào)管子(無(wú)測(cè)點(diǎn))呈暗紅色。本次336號(hào)測(cè)點(diǎn)組又發(fā)生類似超溫現(xiàn)象，雖經(jīng)采取措施降低了機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，但該處壁溫仍不能盡快恢復(fù)，最終導(dǎo)致該處水冷壁管子爆開。

(2) 通過(guò)對(duì)2臺(tái)鍋爐水冷壁管壁溫分布情況分析可知，在水冷壁各面墻燃燒器相對(duì)區(qū)域，水冷壁金屬溫度偏高；水冷壁前墻和左墻平均壁溫高于后墻和右墻，其中后墻溫度較低且壁溫分布較為均勻；在機(jī)組不同負(fù)荷段時(shí)，水冷壁節(jié)流孔圈孔徑較小的區(qū)域內(nèi)水冷壁管子壁溫偏高，部分時(shí)段最高點(diǎn)都超過(guò)了500 ℃。

(3) 通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)自投運(yùn)以來(lái)鍋爐在不同負(fù)荷下汽水系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)等各運(yùn)行參數(shù)基本能夠在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。但自從投入AGC后，負(fù)荷頻繁調(diào)整，陸續(xù)暴露出一些設(shè)備隱患，通過(guò)停爐檢查發(fā)現(xiàn)部分水冷壁整體變形，水冷壁管排縱向和橫向均出現(xiàn)波浪變形，其分布位置主要在前墻和左墻上燃燒器正對(duì)面的區(qū)域，個(gè)別位置出現(xiàn)了水冷壁鰭片(現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫)拉裂，高溫管壁區(qū)域出現(xiàn)橫向裂紋，根據(jù)金屬檢驗(yàn)分析，均為超溫和交變應(yīng)力疲勞。

對(duì)此，可判斷水冷壁流量分配不均、節(jié)流孔圈不合理、個(gè)別區(qū)域燃燒熱負(fù)荷過(guò)大、火焰存在偏斜、機(jī)組頻繁調(diào)峰變工況運(yùn)行對(duì)溫度控制不當(dāng)?shù)纫蛩厥菍?dǎo)致超溫發(fā)生甚至鍋爐爆管的主要原因之一。

2 鍋爐四管泄漏部位分布

某電廠一期工程2×320 MW鍋爐為1996年自前蘇聯(lián)引進(jìn)的超臨界壓力、多次垂直上升直流鍋爐，單爐膛前后墻對(duì)沖燃燒，п型布置，一次中間再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)連續(xù)排渣。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配MBC—225型中速磨煤機(jī)，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量1 000 t/h，主蒸汽壓力24.9 MPa，過(guò)熱器蒸汽出口溫度為545 ℃，再熱器蒸汽出口溫度為545 ℃，給水溫度277 ℃。

鍋爐爐膛由垂直管膜式水冷壁構(gòu)成，爐膛上下輻射區(qū)均采用垂直管屏，爐膛上部布置Ⅰ級(jí)屏式過(guò)熱器，沿?zé)煔饬鞒谭较蚍謩e設(shè)置Ⅱ級(jí)屏式過(guò)熱器和Ⅲ級(jí)屏式過(guò)熱器(高過(guò))。在折焰角上部過(guò)渡煙道內(nèi)布置了Ⅱ級(jí)再熱器(高溫再熱器)，蛇形管束排列；在下降煙道的上部布置了Ⅰ級(jí)再熱器(低溫再熱器)，水平橫向排列。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該廠2臺(tái)鍋爐自2004～2014年的鍋爐水冷壁不同部位發(fā)生泄漏31次，占四管泄漏總量的70.45 %；過(guò)熱器不同部位發(fā)生泄漏3次，占四管泄漏總量的6.80 %；再熱器發(fā)生泄漏5次，占四管泄漏總量的11.36 %；省煤器發(fā)生泄漏6次，占四管泄漏總量的13.64 %；其他部位發(fā)生泄漏4次，占四管泄漏總量的9.09 %。由此可見(jiàn)，鍋爐四管泄漏機(jī)率最大的部位是水冷壁。

進(jìn)一步分析可知，除水冷壁、鰭片有裂紋，管材有砂眼，安裝質(zhì)量不佳，吹灰器吹損等常見(jiàn)原因外，更主要的原因是設(shè)備存在超溫及變工況運(yùn)行交變應(yīng)力的反復(fù)疊加，使得部分管子出現(xiàn)冷熱疲勞，造成水冷壁拉裂泄漏；另外，部分管壁超溫發(fā)生蠕變，以及交變熱應(yīng)力的共同作用，也是導(dǎo)致水冷壁發(fā)生爆漏的重要原因。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該廠2004～2014年間發(fā)生的40起鍋爐爆管故障中，20起為管子拉裂裂紋故障，12起為安裝和檢修質(zhì)量故障，4起為應(yīng)力交變變形及超溫等故障，3起為母材制造質(zhì)量故障，1起為吹灰器故障。

3 防泄漏應(yīng)對(duì)措施

3.1 水冷壁泄漏分析及應(yīng)對(duì)措施

從電廠歷次爆管位置及圖片看，水冷壁開裂主要集中于水冷壁鰭片部位、頂棚管部位及聯(lián)箱根部水冷壁管接頭處，這些部位水冷壁泄漏多與膨脹不暢有關(guān)，膨脹受阻有結(jié)構(gòu)原因，也與水冷壁管屏和鰭片間存在溫度差有關(guān)，如機(jī)組運(yùn)行中調(diào)峰速度過(guò)快、啟停爐過(guò)程中未按要求控制溫升速度、搶修過(guò)程采用快速停爐或強(qiáng)制冷卻方式等。由于控制不當(dāng)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加上膨脹受阻，從而導(dǎo)致爆管。

因此，在停爐后應(yīng)加強(qiáng)防磨、防爆檢查，及時(shí)更換爐膛受熱面吹損、磨損減薄部位，消除膨脹受阻部位，可采取受熱面噴涂防護(hù)等有效手段。在機(jī)組運(yùn)行及啟停爐過(guò)程中要嚴(yán)格控制溫升速度及啟停爐時(shí)間，防止鍋爐水冷壁發(fā)生較大的溫度波動(dòng)，運(yùn)行中加強(qiáng)壁溫監(jiān)視，合理?yè)脚涞胤矫悍N及控制摻配比例，優(yōu)化燃燒調(diào)整，防止火焰貼壁及局部熱負(fù)荷過(guò)高引發(fā)超溫爆管。

3.2 省煤器泄漏分析及應(yīng)對(duì)措施

省煤器爆管主要原因?yàn)樵寄覆摹⒑缚谌毕菁澳p?？紤]到省煤器本身管內(nèi)溫度較低，基本不會(huì)發(fā)生因超溫而引起爆管的問(wèn)題，最常見(jiàn)的是煙氣側(cè)磨損使管壁減薄而引發(fā)爆管。因此，加強(qiáng)停爐檢查，保證防磨瓦、防磨罩等完整且布局合理，盡早發(fā)現(xiàn)磨損并及時(shí)更換至關(guān)重要。

3.3 高溫受熱面泄漏分析及應(yīng)對(duì)措施

從大部份機(jī)組停機(jī)檢修情況看，高溫受熱面爆管主要原因是機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行中，部分懸吊結(jié)構(gòu)脫落，蛇形管變形，部分蛇形管受力不均，引起焊口位置開裂，個(gè)別受熱面管子與梳型板磨損，造成管壁減薄而發(fā)生爆管；此外，制造或安裝方面也存在隱患，如管排振動(dòng)磨損、管排卡子變形產(chǎn)生額外熱應(yīng)力等，同時(shí)受熱面管子內(nèi)部產(chǎn)生或存在異物脫落(如氧化皮或安裝遺留物等)長(zhǎng)期沉積，最終形成阻塞而發(fā)生超溫爆管。

因此，消除設(shè)備原始缺陷至關(guān)重要，需加強(qiáng)設(shè)備制造和安裝質(zhì)量監(jiān)督。在機(jī)組檢修過(guò)程中，強(qiáng)化受熱面防磨防爆檢查力度，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)部位的檢查，如受熱面固定管排、管卡、梳型板、管屏固定管道、穿墻管等易產(chǎn)生磨損或有可能產(chǎn)生熱應(yīng)力的部位；對(duì)于尾部受熱面吹灰器易吹損部位要進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，對(duì)于不符合標(biāo)準(zhǔn)的管子要及時(shí)進(jìn)行更換。在運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視各受熱面溫度變化，嚴(yán)格控制升溫升壓速度確保不超設(shè)計(jì)值。

3.4 設(shè)備老化分析及應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)設(shè)備老化問(wèn)題，特別是機(jī)組運(yùn)行達(dá)到或超過(guò)20萬(wàn)h以上，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)受熱面的采樣分析研究。對(duì)于過(guò)熱器和再熱器，尤其是出口側(cè)管材達(dá)到球化五級(jí)，樣品鐵素體晶界上存在分散的碳化物且有粗化聚集現(xiàn)象等問(wèn)題，應(yīng)采取積極措施，防止因材質(zhì)老化或機(jī)械強(qiáng)度降低而導(dǎo)致爆管。在個(gè)別電廠近幾年的檢修中，已發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道焊縫開裂、汽包集中下降管管孔開裂等設(shè)備材料老化現(xiàn)象。

因此，需加強(qiáng)金屬監(jiān)督，通過(guò)對(duì)過(guò)熱器和再熱器管材材質(zhì)跟蹤檢驗(yàn)，并對(duì)歷次檢修過(guò)程中對(duì)受熱面取樣分析的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)于爐管材質(zhì)確已發(fā)生老化并超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，必須予以更新改造。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，火電廠非停事故的發(fā)生相當(dāng)一部分是由鍋爐引起的，而鍋爐四管泄漏在鍋爐事故中占絕大多數(shù)，因此如何確保鍋爐不發(fā)生泄漏一直是我們重點(diǎn)研究的課題，除了在設(shè)計(jì)上需考慮結(jié)構(gòu)、布置及選材外，提高設(shè)備安裝和檢修質(zhì)量尤為重要。

對(duì)于已投運(yùn)的機(jī)組在啟、停爐過(guò)程中，嚴(yán)格控制溫升、溫降速度是控制受熱面產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力的關(guān)鍵，運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)受熱面壁溫的監(jiān)視是防止受熱面超溫的有力手段，而停機(jī)檢修過(guò)程中強(qiáng)化鍋爐防磨、防爆檢查則是重中之重。