超臨界鍋爐垂直水冷壁裂紋產(chǎn)生的原因及處理措施

李 寬,鄭 媛,趙星海,孫海天

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,長春 130021;2.吉林農(nóng)業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,吉林 四平 136001;3.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

●新技術(shù)與應(yīng)用●

超臨界鍋爐垂直水冷壁裂紋產(chǎn)生的原因及處理措施

李 寬1,鄭 媛2,趙星海3,孫海天1

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,長春 130021;2.吉林農(nóng)業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,吉林 四平 136001;3.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

針對(duì)某電廠超臨界運(yùn)行鍋爐垂直水冷壁出口處出現(xiàn)多處裂紋導(dǎo)致鍋爐停運(yùn)的問題,借助鍋爐相關(guān)運(yùn)行參數(shù)曲線對(duì)裂紋的位置、產(chǎn)生原因及外貌特征進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn):鍋爐垂直水冷壁出口處裂紋是由管間較大溫差和管溫快速變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的,管間較大溫差一般出現(xiàn)在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后的低負(fù)荷工況下,且鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系;建議盡量減少該型鍋爐在轉(zhuǎn)干態(tài)后的長期低負(fù)荷運(yùn)行,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)垂直水冷壁出口處壁溫的監(jiān)視,出現(xiàn)較大偏差時(shí)及時(shí)調(diào)整;改進(jìn)給水自動(dòng)和給煤自動(dòng)對(duì)水煤比的調(diào)整能力,防止負(fù)荷變化過程中的水煤比失調(diào)。

熱應(yīng)力;垂直水冷壁;溫差;超臨界鍋爐

LI Kuan1, ZHENG Yuan2, ZHAO Xinghai3, SUN Haitian1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Company Limited, Changchun 130021, China;

2. School of Electrical and Mechanical Engineering, Jilin Engineering Vocational Collage, Siping 136001, China;

目前,隨著超臨界及超超臨界技術(shù)在中國電站鍋爐上的應(yīng)用[1-2],鍋爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式也出現(xiàn)了相應(yīng)的改變。由于部分超臨界及超超臨界鍋爐在爐膛下輻射區(qū)使用螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu),在爐膛上輻射區(qū)的低熱強(qiáng)度區(qū)域使用垂直管屏結(jié)構(gòu)[3-4],使該型號(hào)鍋爐在運(yùn)行中出現(xiàn)了垂直水冷壁熱應(yīng)力隨負(fù)荷而變化的問題[5-6]。某電廠超臨界鍋爐在運(yùn)行中垂直水冷壁出口處出現(xiàn)多處裂紋,導(dǎo)致垂直水冷壁失效,鍋爐停運(yùn)。為了找出導(dǎo)致垂直水冷壁裂紋產(chǎn)生的原因,本文對(duì)該電廠超臨界鍋爐垂直水冷壁出口處裂紋的特點(diǎn)和垂直水冷壁出口處管子壁溫、鍋爐給水量、給煤量及分離器出口壓力等運(yùn)行參數(shù)曲線進(jìn)行了分析,提出了控制裂紋產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)措施,以為該型鍋爐的正常運(yùn)行及改造提供借鑒。

1 設(shè)備概況

該電廠鍋爐為350MW HG-1110/25.4-HM2型超臨界直流鍋爐,采用∏型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐為單爐膛,寬14.6273 m,深14.6273 m。BMCR工況下,鍋爐過熱器出口蒸汽壓力為25.4 MPa,溫度為571 ℃;再熱器蒸汽出口壓力為4.287 MPa,溫度為569 ℃;給水溫度為284.1 ℃。

鍋爐制粉系統(tǒng)為中速磨正壓直吹式系統(tǒng),配置6臺(tái)HP863型中速磨煤機(jī),煤粉細(xì)度R90=37%。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方爐膛的四角,以實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒降低NOx的排放。

鍋爐汽水流程以內(nèi)置式汽水分離器為界成雙流程,鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)由內(nèi)置式汽水分離器、貯水箱、水位控制閥等組成。水冷壁為膜式水冷壁,從冷灰斗進(jìn)口一直到中間混合集箱之間為螺旋管圈水冷壁,經(jīng)中間集箱過渡轉(zhuǎn)換為垂直管屏,并形成上爐膛的前墻、側(cè)墻、后墻及后水吊掛管。在垂直水冷壁出口處每8根管安裝了1個(gè)溫度測點(diǎn),水冷壁出口集箱經(jīng)小連接管匯集到下降管入口,經(jīng)下降管進(jìn)入布置在折焰角處的匯集集箱,分別經(jīng)折焰角進(jìn)入水冷壁對(duì)流管束和經(jīng)水平煙道側(cè)墻入口集箱進(jìn)入水平煙道側(cè)墻,從水平煙道側(cè)墻和對(duì)流管束的出口集箱引入汽水分離器。

2 垂直水冷壁出口處裂紋位置及外貌特征

某電廠超臨界鍋爐在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)垂直水冷壁出口處多處泄漏,導(dǎo)致垂直水冷壁失效,鍋爐停運(yùn)。停爐后,檢查發(fā)現(xiàn)前側(cè)、后側(cè)、左側(cè)、右側(cè)墻垂直水冷壁出口處出現(xiàn)多處橫向裂紋。垂直水冷壁出口處裂紋照片如圖1所示。

裂紋出現(xiàn)于垂直水冷壁出口處,靠近集箱的焊口,位于鍋爐的非受熱部位,而且出現(xiàn)裂紋的位置全部位于兩管之間,呈橫向狀態(tài),左右兩側(cè)全部存在,同時(shí)蒸汽從裂紋中吹出,吹薄了鄰近水冷壁管。

3 裂紋產(chǎn)生的原因分析及控制措施

3.1 裂紋產(chǎn)生的原因分析

為了找出導(dǎo)致鍋爐垂直水冷壁出口處產(chǎn)生裂紋的原因,調(diào)取了機(jī)組從50%BMCR至35%BMCR工況下滑壓停爐運(yùn)行過程中垂直水冷壁出口處相鄰溫度測點(diǎn)的溫度曲線及對(duì)應(yīng)的給水量、給煤量及分離器出口壓力曲線,曲線如圖2所示。圖2(a)為鍋爐滑停運(yùn)行過程中垂直水冷壁出口處相鄰8個(gè)溫度測點(diǎn)的溫度曲線,對(duì)應(yīng)時(shí)間21時(shí)41分45秒的溫度值如表1所示,對(duì)應(yīng)時(shí)間21時(shí)49分25秒的溫度值如表2所示。圖2(b)為對(duì)應(yīng)壁溫時(shí)間段內(nèi)的鍋爐給水流量、汽水分離器出口壓力、鍋爐總給煤量的運(yùn)行參數(shù)曲線。

圖1 垂直水冷壁出口處裂紋照片

圖2 鍋爐滑停運(yùn)行過程中參數(shù)曲線圖

表1 21時(shí)41分45秒對(duì)應(yīng)曲線從高到低的溫度值

Tab.1 21:41:45 corresponding curves from highto low temperature ℃

溫度1溫度2溫度3溫度4溫度5溫度6溫度7溫度8415.6394.1390.7362.1351.8347.0344.6340.5

表2 21時(shí)49分25秒對(duì)應(yīng)曲線從高到低的溫度值

從圖2(a)和表1可以看出,垂直水冷壁管間存在溫度差,從時(shí)間21時(shí)41分45秒的溫度值(表1)可以發(fā)現(xiàn)溫差值最大值達(dá)到75.1 ℃。考慮到不是每根管都安裝有溫度測點(diǎn),所以部分管的溫度偏差可能更大,較大的溫度偏差導(dǎo)致管子伸縮不同產(chǎn)生較大的管間應(yīng)力。對(duì)比表1和表2可以發(fā)現(xiàn)垂直水冷壁出口處管溫出現(xiàn)較大降低且快速變化,降低幅度達(dá)到79.9 ℃,變化速率達(dá)到10.4 ℃/min,遠(yuǎn)大于垂直水冷壁管溫允許變化速率2.5 ℃/min。管間較大溫差及管溫快速變化,對(duì)管材和集箱都會(huì)產(chǎn)生較大的熱沖擊,以致爆裂。所以可以確認(rèn)垂直水冷壁出口處裂紋的原因?yàn)楣荛g較大溫差和管溫快速變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的。對(duì)比圖2(a)和圖2(b),還可以發(fā)現(xiàn)鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 水冷壁溫度偏差特點(diǎn)

為找出垂直水冷壁溫度偏差與負(fù)荷的關(guān)系,分別調(diào)取了鍋爐完整的升負(fù)荷過程中垂直水冷壁出口處溫度曲線和降負(fù)荷過程中垂直水冷壁出口處溫度曲線,如圖3所示。圖3(a)為鍋爐垂直水冷壁出口處溫度在升負(fù)荷過程中的曲線,圖3(b)為鍋爐垂直水冷壁出口處溫度在降負(fù)荷過程中的曲線。

圖3 鍋爐升、降負(fù)荷垂直水冷壁出口處溫度曲線圖

從圖3可以看出,管間溫度較大偏差一般出現(xiàn)在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后的低負(fù)荷工況下,其中80%BMCR工況下的鍋爐垂直水冷壁出口處對(duì)應(yīng)圖2位置的溫度值如表3所示,25%BMCR工況下的垂直水冷壁出口處對(duì)應(yīng)圖2位置的溫度值如表4所示。

從表3可以看出,垂直水冷壁出口處溫度偏差較小,最大值為9.7 ℃，在鍋爐大負(fù)荷運(yùn)行工況下，溫度雖然較高，但偏差不大。從表4可以看出,在鍋爐濕態(tài)運(yùn)行工況下,垂直水冷壁出口處溫度分布均勻,偏差較小,最大值為3.6 ℃。因此,垂直水冷壁管間較大溫差一般出現(xiàn)在轉(zhuǎn)干態(tài)后的低負(fù)荷工況下。

表3 80%BMCR工況下的溫度值

表4 25%BMCR工況下的溫度值

3.3 控制裂紋產(chǎn)生的措施

1) 由于垂直水冷壁管間較大溫差一般出現(xiàn)在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后的低負(fù)荷工況下,因此應(yīng)盡量減少鍋爐在轉(zhuǎn)干態(tài)后的長期低負(fù)荷運(yùn)行。

2) 在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后的低負(fù)荷工況下,運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)垂直水冷壁出口處壁溫的監(jiān)視,出現(xiàn)較大偏差時(shí)及時(shí)調(diào)整。

3) 由于鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,建議鍋爐在運(yùn)行中改進(jìn)給水自動(dòng)和給煤自動(dòng)對(duì)水煤比的調(diào)整能力,防止負(fù)荷變化過程中的水煤比失調(diào)。

3.4 措施有效性的驗(yàn)證

對(duì)鍋爐垂直水冷壁裂紋處理完成,且水壓試驗(yàn)合格后鍋爐點(diǎn)火。在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后,給水自動(dòng)切除,由運(yùn)行人員按照控制裂紋產(chǎn)生的措施進(jìn)行升負(fù)荷,負(fù)荷大于75%BMCR后,投入鍋爐給水自動(dòng)。鍋爐升負(fù)荷期間,對(duì)應(yīng)圖2位置的垂直水冷壁出口壁溫如圖4所示,對(duì)應(yīng)圖2位置溫差最大值點(diǎn)的溫度如表5所示。

由圖4和表5可以看出,鍋爐垂直水冷壁出口處溫度較大偏差雖然在轉(zhuǎn)干態(tài)后的低負(fù)荷工況下仍然存在,但在運(yùn)行人員的干預(yù)下,溫度偏差變小,最大為26.2 ℃,且溫度波動(dòng)幅度變小。在負(fù)荷大于75%BMCR后,給水自動(dòng)投入,垂直水冷壁出口溫度雖有波動(dòng),但偏差不大,垂直水冷壁出口處未再發(fā)生裂紋,驗(yàn)證了控制裂紋產(chǎn)生措施的有效性。

圖4 鍋爐垂直水冷壁出口處溫度曲線圖

表5 鍋爐溫差最大點(diǎn)的溫度值

4 結(jié)論及建議

針對(duì)某電廠超臨界運(yùn)行鍋爐垂直水冷壁出口處出現(xiàn)多處裂紋導(dǎo)致鍋爐停運(yùn)的問題,本文經(jīng)過對(duì)裂紋位置及外貌特征、鍋爐運(yùn)行參數(shù)曲線進(jìn)行的分析,得出如下結(jié)論及建議:

1) 鍋爐垂直水冷壁出口處裂紋是由管間較大溫差和管溫快速變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的。

2) 鍋爐垂直水冷壁管間較大溫差一般出現(xiàn)在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后的低負(fù)荷工況下。

3) 鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4) 建議該型鍋爐盡量減少轉(zhuǎn)干態(tài)后的長期低負(fù)荷運(yùn)行,并加強(qiáng)垂直水冷壁出口處壁溫的監(jiān)視,出現(xiàn)較大偏差時(shí)及時(shí)調(diào)整。

5) 建議該型鍋爐在運(yùn)行中改進(jìn)給水自動(dòng)和給煤自動(dòng)對(duì)水煤比的調(diào)整能力,防止負(fù)荷變化過程中的水煤比失調(diào)。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Reasons and countermeasures for vertical water wall crack of supercritical boiler

3. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

Aiming at the outage of the supercritical boiler caused by several cracks at the vertical water wall outlet in a power plant, this paper studied the location of cracks, reasons for the cracks and characteristics of the appearance according to the related operation parameter curves of boilers. The result shows that the cracks at the vertical water wall outlet are caused by the thermal stress due to the wide temperature difference among pipes and the rapid change of pipe temperature. The temperature difference among pipes becomes wide under the low load working condition after the boiler transferring to dry state, the change of boiler feed-water flow relating to the fluctuation of vertical water wall pipe temperature. Long term low-load operation of boiler transferring to dry state should be shortened, while wall temperature of vertical water wall pipe outlet should be monitored to regulate in time when wide deviation occurs. The regulation of automatic feed-water and feed-coal on coal-water ratio should be improved to prevent the imbalanced ratio during the change of load.

thermal stress; vertical water wall; temperature difference; supercritical boiler

2015-03-16。

李 寬(1984—),男,碩士,工程師。

TK223.3

A

2095-6843(2015)05-0456-04