超超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋原因分析及控制策略

陳建江，童家麟，郭洪濤

（1.華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著近年來鍋爐運(yùn)行參數(shù)的不斷提高和運(yùn)行負(fù)荷的頻繁變動，鍋爐水冷壁、過熱器等受熱面的一系列問題在運(yùn)行中不斷暴露出來[1]，對于1 000 MW 超超臨界鍋爐，由于爐內(nèi)水冷壁、再熱器等區(qū)域截面熱負(fù)荷更高，因而鍋爐更易產(chǎn)生諸如水冷管壁橫向裂紋、再熱器管壁泄漏等問題[2-3]，一定程度上已影響到了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。特別是近年來我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整速度加快，清潔能源已進(jìn)入了規(guī)模化發(fā)展的新階段，燃煤機(jī)組承擔(dān)了更為頻繁的負(fù)荷調(diào)節(jié)任務(wù)[4-5]，國內(nèi)外相關(guān)研究表明，機(jī)組的頻繁啟停和長期低負(fù)荷運(yùn)行是水冷壁管低周疲勞裂紋的重要原因[6]。因此，分析水冷壁管橫向裂紋形成原因并開發(fā)相應(yīng)治理技術(shù)具有非常重要的意義。

國內(nèi)學(xué)者對不同類型鍋爐水冷壁管橫向裂紋的形成原因進(jìn)行了較為深入的研究，并取得了許多有意義的結(jié)論。李斌等[7]建立了水冷壁管的三維有限元模型，對不同傳熱條件下水冷壁管的溫度和熱應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，得出了傳熱惡化的反復(fù)出現(xiàn)引起的交變應(yīng)力是最終導(dǎo)致水冷壁管橫向裂紋產(chǎn)生重要原因的結(jié)論。張興豪等[8]對某超臨界鍋爐水冷壁管外壁的橫向裂紋的性質(zhì)和形成原因等進(jìn)行了分析，得出了水冷壁管外壁橫向裂紋的重要原因是腐蝕性熱疲勞。徐賢等[9]對某發(fā)電廠水冷壁管橫向裂紋現(xiàn)象進(jìn)行了力學(xué)性能、金相顯微組織分析等，指出其主要原因是機(jī)組頻繁啟停、燃煤含硫量偏高等。但國內(nèi)學(xué)者對有效治理橫向裂紋的相關(guān)報(bào)道還較少，特別是對近年來機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行方式下的水冷壁管橫向裂紋綜合治理鮮有報(bào)道。因此，本文以某1 000 MW超超臨界鍋爐為研究對象，運(yùn)用理化分析、數(shù)值模擬等方式對其水冷壁管橫向裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行詳盡分析，并提出了有針對性的設(shè)備改造、運(yùn)行優(yōu)化等措施，以期為同類型機(jī)組控制水冷壁管橫向裂紋提供參考。

1 研究對象概況

某發(fā)電廠1 號鍋爐為超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用П 型布置、單爐膛、低NOXPM 主燃燒器和MACT 型低NOX分級送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、反向雙切圓燃燒方式，由哈爾濱鍋爐廠制造、三菱重工業(yè)株式會社提供技術(shù)支持。爐膛水冷壁采用焊接膜式壁、內(nèi)螺紋管垂直上升式，爐膛斷面尺寸為32 084 mm×15 670 mm，水冷壁管共有2 144 根，均為Φ28.6 mm×5.8 mm（最小壁厚）四頭螺紋管，管材為具有較高的抗氧化性、熱強(qiáng)性能以及良好持久性能的SA213-T12 鐵素體低合金耐熱鋼[10]。在2015 年的入爐檢查中發(fā)現(xiàn)，鍋爐水冷壁管出現(xiàn)了大量的橫向裂紋，特別在39～42 m 區(qū)域的水冷壁管，橫向裂紋最為明顯。圖1 為該鍋爐39 m 處水冷壁管真實(shí)存在的橫向裂紋現(xiàn)象，其表面存在著明顯的橫向裂紋，并已引起了水冷壁管的縱向拉裂現(xiàn)象，縱向裂紋長度可達(dá)8 cm。

2 橫向裂紋產(chǎn)生原因分析

圖2 為圖1 中橫向裂紋區(qū)域斷口形貌掃描電鏡結(jié)果。由圖2 可知，斷口出現(xiàn)了清晰的疲勞弧線，呈現(xiàn)出由外向內(nèi)發(fā)展的特點(diǎn)，說明管壁外側(cè)存在較大的疲勞應(yīng)力。截面上已附著有大量熔融的金屬球，組織變得較為疏松。

圖1 水冷壁管的橫向裂紋及其拉裂現(xiàn)象

圖2 橫向裂紋區(qū)域斷口形貌掃描電鏡結(jié)果

圖3 為滿負(fù)荷下沿爐膛高度方向截面煙氣平均溫度分布情況。由圖3 可知，在主燃燒區(qū)，大量煤粉的著火使得煙氣溫度迅速升高，一、二次風(fēng)間隔噴入，所以平均煙氣溫度呈鋸齒形分布；隨著COFA（緊湊燃盡風(fēng)，37.9 m）和SOFA（分散燃盡風(fēng)，43.3 m）的補(bǔ)入，爐內(nèi)煙氣溫度明顯下降。由上述分析可知，爐內(nèi)煙氣溫度較高區(qū)域主要集中在主燃燒區(qū)中上部水冷壁和COFA 與SOFA 之間區(qū)域，高煙氣溫度區(qū)域往往也是高金屬壁溫區(qū)域，而水冷壁管橫向裂紋的產(chǎn)生與高金屬壁溫、壁溫大幅波動等密切相關(guān)[11]，相對而言，這2 個區(qū)域產(chǎn)生橫向裂紋的風(fēng)險很高。另外，39 m 處還存在著較強(qiáng)的CO 和H2S 等還原性氣氛，圖4為滿負(fù)荷下39.7 m 層CO 和H2S 在爐膛四周近壁區(qū)域的分布，可見39.7 m 層CO 和H2S 濃度均較高，部分區(qū)域H2S 達(dá)到了700 μL/L。表1 為裂紋斷面垢樣能譜分析結(jié)果。由表1 可知，Mn 等堿金屬元素由外層到內(nèi)層逐漸降低，而S 元素變化趨勢相反，越往內(nèi)層含量越高。說明隨著腐蝕的不斷深入，S 元素不斷向基體內(nèi)部發(fā)展。同時，中層和內(nèi)層斷面的O 元素在16%～24%，說明有較多金屬氧化物生成。結(jié)合H2S 氣體分布和裂紋斷面垢樣能譜分析結(jié)果可知，H2S 腐蝕導(dǎo)致的S 元素深入基體和金屬氧化物的大量生成，亦是造成疲勞裂紋發(fā)生腐蝕性擴(kuò)展的重要原因。

圖3 沿爐膛高度方向截面煙氣平均溫度分布

圖4 39.7 m 層CO 和H2S 在爐膛四周近壁區(qū)域的分布

圖5 為39 m 處不同負(fù)荷下的管內(nèi)蒸汽溫度，該處蒸汽溫度在全負(fù)荷下圍繞在飽和蒸汽溫度線附近，這使得該處容易出現(xiàn)汽水兩相間的轉(zhuǎn)化，造成工質(zhì)側(cè)的傳熱性能波動，進(jìn)而引起水冷壁管明顯的壁溫波動。圖6 為前墻同一根水冷壁向火側(cè)分別在33 m，39 m 和46 m 3 處為期1 個月的壁溫變化情況比較。結(jié)果顯示，33 m 處溫度階躍為18 次，39 m 處為60 次，46 m 處為24 次?？梢?9 m 處亦是向火側(cè)水冷壁壁溫變化頻次最高的位置，這與該處工質(zhì)側(cè)傳熱性能較易波動有關(guān)，且39 m 處向火側(cè)金屬壁溫曲線的峰頂和峰谷分別處于3 條曲線的最上端和最下端，屬于變化頻度和幅度都最高的位置，也是最容易發(fā)生金屬疲勞的位置。

圖5 39 m 處不同負(fù)荷下的管內(nèi)蒸汽溫度

圖6 水冷壁不同標(biāo)高的壁溫變化情況比較

此外，運(yùn)行過程中水冷壁吹灰、給水流量偏低等亦會導(dǎo)致水冷壁壁溫躍升，進(jìn)而產(chǎn)生橫向裂紋。1 號鍋爐在39 m 標(biāo)高處布置了一排吹灰器，而此處正是疲勞裂紋的高發(fā)區(qū)，吹灰器的投運(yùn)亦是直接導(dǎo)致附近水冷壁壁溫躍升的原因之一，而躍升次數(shù)則與吹灰器投運(yùn)次數(shù)密切相關(guān)。近年來，由于機(jī)組深度調(diào)峰引起的啟停頻繁及長期低負(fù)荷運(yùn)行，而本鍋爐采用低質(zhì)量流速垂直管圈水冷壁，低負(fù)荷條件下運(yùn)行對水冷壁管壁溫變化較為敏感，易因水冷壁傳熱性能的改變和管內(nèi)工質(zhì)分布不勻等原因發(fā)生較大變化，一定程度上也導(dǎo)致了水冷壁管金屬壁溫易受負(fù)荷快速變化影響。該鍋爐從投產(chǎn)至今，在低負(fù)荷時極易發(fā)生超溫現(xiàn)象，在深度調(diào)峰已成為常態(tài)的現(xiàn)階段，水冷壁壁溫異常甚至超溫可能性更加顯見。2015—2017年，鍋爐水冷壁超溫頻次均在25～30 次/年，頻次較高。而經(jīng)過長期壁溫跟蹤發(fā)現(xiàn)，正常運(yùn)行時的制粉系統(tǒng)啟停引起的投運(yùn)燃燒器組合改變、鍋爐配風(fēng)方式調(diào)整，入爐煤煤質(zhì)變化等都會引起水冷壁溫度明顯變化。因此，有效控制壁溫的手段可以從上述方面進(jìn)行研究，以下重點(diǎn)從設(shè)備改造、燃燒優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化等角度提出金屬壁溫控制的有效措施。

3 金屬壁溫控制措施

3.1 設(shè)備改造

從設(shè)備改造角度，金屬壁溫控制主要從以下幾個方面進(jìn)行：

（1）二次風(fēng)箱流場優(yōu)化改造。鍋爐原熱二次風(fēng)道結(jié)構(gòu)原始設(shè)計(jì)不盡合理，使得爐膛前后墻二次風(fēng)箱入口二次風(fēng)量以及二次風(fēng)壓存在明顯偏差，原始二次風(fēng)道流場CFD（計(jì)算流體力學(xué)）模擬結(jié)果顯示，原始二次風(fēng)道布置形式下，爐膛前后墻二次風(fēng)壓及二次風(fēng)量偏差均非常明顯。爐膛前后墻主燃區(qū)二次風(fēng)流量相對偏差近45%，燃盡風(fēng)流量偏差也近30%，一定程度上導(dǎo)致了截面熱負(fù)荷更為不均。針對該問題進(jìn)行二次風(fēng)箱流場改造后，在前后墻風(fēng)箱入口4 個電動調(diào)節(jié)擋板門開度基本一致的條件下，前后墻A 側(cè)、B 側(cè)燃燒器及燃盡風(fēng)的二次風(fēng)風(fēng)量偏差均在9.0%以內(nèi)，二次風(fēng)量偏差得到了明顯改善。

（2）二次小風(fēng)門控制方式升級改造。原二次風(fēng)門氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式使用一個電氣轉(zhuǎn)換器同時控制一層多個二次風(fēng)門，不同執(zhí)行器與控制柜間的管路阻力等參數(shù)不同，導(dǎo)致同一電氣轉(zhuǎn)換器控制的多個風(fēng)門開度不一致，同樣也使得實(shí)際運(yùn)行中截面熱負(fù)荷分布與設(shè)計(jì)工況有較大偏差。圖7 為改造前后二次小風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較，改造后由信號分配器和智能分體定位器取代原有電氣轉(zhuǎn)換器和機(jī)械定位器，提高了各燃燒器二次風(fēng)量控制精度，使鍋爐燃燒情況大為改善。

圖7 改造前后二次風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較

（3）水冷壁管壁溫智能監(jiān)測改造。近年來利用智能前端技術(shù)實(shí)現(xiàn)對鍋爐壁溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)視、越限報(bào)警與統(tǒng)計(jì)管理正日益普遍，對爐管壁溫進(jìn)行智能監(jiān)測改造，可實(shí)現(xiàn)對爐管異?，F(xiàn)象的特征提取和故障分類，區(qū)分了傳感器異常和爐管異常，亦可根據(jù)異常原因給出應(yīng)急處理策略，提高了運(yùn)行人員對水冷壁管壁溫的監(jiān)測效率。

3.2 燃燒及運(yùn)行優(yōu)化

從燃燒優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化角度，金屬壁溫控制主要從以下幾個方面進(jìn)行：

（1）優(yōu)化吹灰器運(yùn)行。提高短吹負(fù)荷，機(jī)組短吹時盡量選擇負(fù)荷700 MW 以上進(jìn)行。機(jī)組負(fù)荷低于700 MW 進(jìn)行短吹時，控制過熱度不高于20 ℃；考慮到39 m 附近是疲勞裂紋的高發(fā)區(qū)，在實(shí)際運(yùn)行中，降低該區(qū)域吹灰器的投運(yùn)頻次；在未來改造時，可考慮將39 m 處的吹灰器移至熱負(fù)荷相對較低的區(qū)域。

（2）優(yōu)化燃燒方式。在爐膛出口NOX排放不超標(biāo)的前提下可適當(dāng)增大燃燒器區(qū)域二次風(fēng)量，以降低水冷壁近壁區(qū)域H2S 等腐蝕性氣體濃度，抑制疲勞裂紋的腐蝕性擴(kuò)展；同時，嚴(yán)禁高熱值、高揮發(fā)分印尼煤上相鄰兩倉，避免出現(xiàn)因局部爐膛熱負(fù)荷過高造成的水冷壁管壁溫異常升高。

（3）優(yōu)化配風(fēng)方式。運(yùn)行中提高二次風(fēng)箱壓力，控制二次風(fēng)箱風(fēng)壓在0.5 kPa 以上，在低負(fù)荷時，可提高二次風(fēng)箱風(fēng)壓至0.65 kPa；同時，可開大部分日常運(yùn)行中壁溫偏高區(qū)域的二次風(fēng)門開度，避免由于局部二次風(fēng)量不足造成的切圓貼壁。

（4）優(yōu)化水冷壁水動力循環(huán)。在低負(fù)荷運(yùn)行時適當(dāng)提高水冷壁工質(zhì)運(yùn)行壓力，并盡量避免鍋爐在臨界區(qū)運(yùn)行，或在近臨界負(fù)荷運(yùn)行時迅速調(diào)整壓力以避開近臨界壓力。同時，應(yīng)盡量提高給水壓力，通過改善工質(zhì)的傳熱物理特性參數(shù)來提高工質(zhì)側(cè)的吸熱能力，減少和緩解工質(zhì)傳熱能力下降引起的壁溫升高。

4 結(jié)語

1 000 MW 超超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋已經(jīng)成為制約這些機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的掣肘之一，而水冷壁壁溫異常升高是引發(fā)該問題的重要原因。根據(jù)超超臨界垂直水冷壁鍋爐運(yùn)行特點(diǎn)，經(jīng)過近2 年水冷壁超溫控制探索和實(shí)踐，從設(shè)備改造、燃燒優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化等角度對鍋爐水冷壁壁溫進(jìn)行了有效控制。在深度調(diào)峰已成為常態(tài)的現(xiàn)階段，鍋爐水冷壁異常升高頻次得到了有效控制，避免了由于超溫幅度過大而引起的短時過熱爆管發(fā)生。多次入爐檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁微裂紋產(chǎn)生趨勢放緩，范圍縮小，水冷壁管橫向裂紋進(jìn)而導(dǎo)致的爆管現(xiàn)象得到有效遏制，治理效果明顯。