1 000 MW鍋爐分隔屏超溫爆管原因分析與改造

許 良， 李榮春， 陳朝松

(1. 國家電投集團(tuán)協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司， 江蘇鹽城 224000；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

隨著電站鍋爐機(jī)組參數(shù)的不斷提升，鍋爐受熱面設(shè)計使用的管材也不斷升級。為了控制投資建設(shè)成本，新建超超臨界鍋爐在提高受熱面所用管材等級的同時，可能會相應(yīng)考慮減少總的受熱面，提高某一級受熱面的工質(zhì)溫升。當(dāng)鍋爐實際運行熱偏差較大時，就可能會導(dǎo)致受熱面超溫爆管[1]，給機(jī)組鍋爐正常的運行帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。

某電廠1 000 MW鍋爐投運1 a即出現(xiàn)分隔屏超溫爆管，不得不降參數(shù)運行，通過對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，得到爆管的根本原因是實際運行熱偏差較大，各管子流量分配與煙氣側(cè)偏差不一致。鍋爐設(shè)計廠家結(jié)合電廠運行情況和技術(shù)專家的建議，提出改造方案，改造后解決了鍋爐正常運行時分隔屏超溫爆管問題，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度達(dá)到設(shè)計值，提高了機(jī)組安全運行性能和經(jīng)濟(jì)效益。

1 鍋爐概況

該電廠一期鍋爐型號為HG-3077/28.3-YM4，一次中間再熱、反向雙切圓燃燒方式、高效超超臨界壓力變壓運行鍋爐，帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置的П形爐。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

該鍋爐過熱器系統(tǒng)采用三級布置，沿蒸汽流程依次為水平與立式低溫過熱器、分隔屏過熱器和末級過熱器。

分隔屏沿爐寬方向共有12片大屏，每片大屏沿深度方向又由6片小屏組成，由前至后分別為A、B、C、D、E、F小屏。每片小屏由15根管組成，原設(shè)計壁溫測點在各小屏第1根管出口，同時單獨選取第4片大屏的所有管加裝溫度測點，整個分隔屏原設(shè)計溫度測點共計156個。分隔屏報警溫度為593 ℃，參照各小屏第1根管壁溫測點值。

2 分隔屏超溫爆管原因分析

2.1 分隔屏超溫爆管情況

運行約1 a后1號爐分隔屏泄漏停機(jī)，檢查發(fā)現(xiàn)分隔屏第7片大屏D小屏第9根管(簡稱7D9管)出口段彎頭過熱爆管(見圖1)。

圖1 分隔屏7D9管爆口

割管檢查7D9管內(nèi)氧化皮生成較多并附著在內(nèi)壁上。擴(kuò)大檢查發(fā)現(xiàn)1號爐分隔屏第5、6、7、8片大屏受熱面出現(xiàn)不同程度的過熱現(xiàn)象，其中第6、7片大屏的C、D、E小屏部分出口管子超溫，變黑情況尤為嚴(yán)重。

為了保證鍋爐安全運行，電廠控制分隔屏第4～9片大屏運行壁溫不超過610 ℃，低于運行控制報警值(635 ℃)，同時通過燃燒調(diào)整將分隔屏煙氣側(cè)熱負(fù)荷向爐膛兩側(cè)偏移。雖然可以將分隔屏壁溫控制在報警值以內(nèi)，但是蒸汽參數(shù)無法達(dá)到設(shè)計值。主蒸汽溫度一般在590 ℃左右，欠溫15 K左右；再熱蒸汽溫度一般在603 ℃左右，欠溫10 K左右。

2.2 改造前熱偏差及流量偏差計算與分析

熱偏差系數(shù)ε是指受熱面某一管圈的焓增Δhx與整個管組各管焓增的平均值Δhpj之比[2]，其計算公式為：

(1)

流量偏差系數(shù)η是指受熱面某一管圈的質(zhì)量流量qm,x與整個管組各管質(zhì)量流量的平均值qm,pj之比，其計算公式為：

(2)

根據(jù)采集的實際運行分隔屏改造前6個負(fù)荷工況(500 MW、650 MW、730 MW、750 MW、960 MW、970 MW，下同)的運行數(shù)據(jù)，分別計算A、B、C、D、E、F小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)，列出熱偏差系數(shù)較大的4個小屏(見圖2～圖5)。

圖2 改造前分隔屏各大屏A小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

圖3 改造前分隔屏各大屏B小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

圖4 改造前分隔屏各大屏C小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

圖5 改造前分隔屏各大屏D小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

從圖2～圖5可知，兩側(cè)大屏吸熱量較小，中間偏右的第6、7、8、9、10片大屏吸熱量較大。改造前各大屏屏間最大熱偏差系數(shù)εmax與最小熱偏差系數(shù)εmin比較見表2。由表2可以看出：熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比最大超過2，說明分隔屏屏間熱偏差變化比較劇烈。

表2 改造前各大屏屏間最大熱偏差系數(shù)與最小熱偏差系數(shù)比較

根據(jù)采集的實際運行分隔屏改造前6個負(fù)荷工況的運行數(shù)據(jù)，分別計算第4片大屏各小屏的同屏熱偏差系數(shù)，列出熱偏差系數(shù)較大的4個小屏(見圖6～圖9)。

圖6 改造前分隔屏第4片大屏A小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

圖7 改造前分隔屏第4片大屏B小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

圖8 改造前分隔屏第4片大屏C小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

圖9 改造前分隔屏第4片大屏D小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

從圖6～圖9可知，各小屏的同屏熱偏差系數(shù)在不同工況下規(guī)律基本一致：各小屏都是第1根管的熱偏差系數(shù)最小，第9～13根管的熱偏差系數(shù)較大。改造前第4片大屏同屏熱偏差系數(shù)最大值與最小值見表3。由表3可以看出：熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比均超過2，說明同屏各管熱偏差差異較大。

表3 改造前第4片大屏同屏最大熱偏差系數(shù)與最小熱偏差系數(shù)比較

改造前第4片大屏各小屏的沿爐膛深度方向的同屏熱偏差系數(shù)見圖10。從圖10可知：D小屏熱偏差系數(shù)最大為1.2，A小屏熱偏差系數(shù)最小，熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比最大為1.69，說明爐膛深度方向熱偏差變化較為劇烈。

根據(jù)原設(shè)計分隔屏結(jié)構(gòu)參數(shù)，各小屏管子規(guī)格相同、節(jié)流管規(guī)格相同，因此每片大屏各小屏的同屏流量偏差系數(shù)也相同；計算同屏流量偏差系數(shù)，結(jié)果見圖11。

圖11 改造前分隔屏各小屏各管的同屏流量偏差系數(shù)

從圖11可知，各小屏同屏流量偏差系數(shù)的分布規(guī)律：第1根管的流量偏差系數(shù)最大，第14根管的流量偏差系數(shù)最小，流量偏差系數(shù)最大值與最小值之比超過2。

綜上分析，造成分隔屏屏間熱偏差較大的主要原因是蒸汽側(cè)偏差和煙氣側(cè)偏差不一致；同屏熱偏差相差較大的主要原因是同屏流量偏差較大；沿爐膛深度方向各小屏熱偏差較大的主要原因是煙氣側(cè)沿爐膛深度方向煙溫偏差較大。

2.3 原設(shè)計分隔屏報警溫度分析

原設(shè)計分隔屏壁溫測點在各小屏第1根管出口，報警溫度為593 ℃，其余各管出口壁溫為運行控制溫度，詳細(xì)控制溫度見表4。由表4可知，原設(shè)計第1根管和其余管最大壁溫差值只有42 K。

表4 分隔屏報警及運行控制溫度

根據(jù)改造前6個負(fù)荷工況的運行數(shù)據(jù)，計算第4片大屏各小屏第1根管與其余管最高壁溫的實際偏差見表5。從表5可知，第1根管與其余管子最高壁溫的實際偏差最高可達(dá)111.4 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原設(shè)計的預(yù)期偏差(42 K)。

表5 改造前第1根管與其余管最高壁溫的偏差

由于原設(shè)計分隔屏各小屏第1根管的熱偏差系數(shù)很小，實際運行中第1根管的出口壁溫比其余管子低很多，該報警溫度監(jiān)測點位置不太合理[3]，其報警溫度不能有效代表其他管子超溫的情況。實際運行中其他管子發(fā)生超溫和爆管時，第1根管并沒有達(dá)到報警溫度；而且很多發(fā)生超溫甚至爆管的管子并沒有安裝壁溫測點，不能對其進(jìn)行有效監(jiān)控。

2.4 分隔屏爆管原因總結(jié)

綜合分隔屏超溫爆管的計算與分析[4]，主要有以下5點原因：

(1) 屏間熱偏差變化比較劇烈，熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比最大超過2。

(2) 各小屏同屏熱偏差變化比較劇烈，熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比最大超過2.6。

(3) 沿爐膛深度方向各小屏熱偏差較大，熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比最大超過1.6。

(4) 各小屏同屏流量偏差較大，流量偏差系數(shù)最大值與最小值之比超過2。

(5) 以各小屏第1根管壁溫為監(jiān)測點，其報警溫度不能有效代表其他管子超溫的情況，且原設(shè)計壁溫測點數(shù)量偏少。

3 分隔屏改造方案制定與實施效果

3.1 分隔屏改造方案技術(shù)路線

局限于燃燒側(cè)沒有有效調(diào)整措施，根據(jù)分隔屏超溫爆管的原因分析，改造的基本原則是將各管屏流量分配進(jìn)行合理的調(diào)整，以適應(yīng)鍋爐煙氣側(cè)的偏差，從而減小各管屏的熱偏差，降低各管出口的溫度偏差，滿足各管許用溫度的安全裕度要求。確定的分隔屏的改造方案主要技術(shù)路線為：

(1) 在分隔屏入口大連接管上設(shè)置節(jié)流孔。

(2) 為全部管屏的第1根管設(shè)置節(jié)流短管。

(3) 將爐膛兩側(cè)第1、12片大屏節(jié)流。

(4) 將熱偏差較小區(qū)域的部分原設(shè)計節(jié)流管的節(jié)流孔放大；原設(shè)計無節(jié)流管的加裝節(jié)流管。

(5) 將熱偏差較大區(qū)域的管屏部分原設(shè)計節(jié)流管的節(jié)流孔放大。

(6) 加裝更多的壁溫監(jiān)測點，設(shè)置更完善的運行監(jiān)控點。

根據(jù)以上確定的改造方案技術(shù)路線，經(jīng)過詳細(xì)計算與設(shè)計，確定了相關(guān)管屏的改造方案；電廠負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的安裝調(diào)試。

3.2 改造后分隔屏熱偏差計算與分析

根據(jù)采集的實際運行分隔屏改造后6個負(fù)荷工況(397 MW、496 MW、556 MW、816 MW、894 MW、966 MW，下同)的運行數(shù)據(jù)，分別計算A、B、C、D、E、F小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)，列出熱偏差系數(shù)較大的4個小屏(見圖12～圖15)。

圖12 改造后分隔屏各大屏A小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

圖13 改造后分隔屏各大屏B小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

圖14 改造后分隔屏各大屏C小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

圖15 改造后分隔屏各大屏D小屏第1根管屏間熱偏差系數(shù)

從圖12～圖15可知：對比改造前的屏間熱偏差系數(shù)，改造后屏間熱偏差系數(shù)的最大值都有所降低，最小值都有所增加。改造后各大屏屏間熱偏差系數(shù)最大值與最小值比較，以及改造前后最大熱偏差與最小熱偏差之比的相對變化率見表6。由表6可知：熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比比改造前都減小，最高減小23.8%，改造后總體屏間熱偏差變化比改造前較為平緩。

表6 改造前后各大屏屏間最大熱偏差系數(shù)與最小熱偏差系數(shù)比較

根據(jù)采集的實際運行分隔屏改造后6個負(fù)荷工況的運行數(shù)據(jù)，分別計算第4片大屏各小屏的同屏熱偏差系數(shù)，列出熱偏差系數(shù)較大的4個小屏(見圖16～圖19)。

圖16 改造后分隔屏第4片大屏A小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

圖17 改造后分隔屏第4片大屏B小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

圖18 改造后分隔屏第4片大屏C小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

圖19 改造后分隔屏第4片大屏D小屏各管同屏熱偏差系數(shù)

從圖16～圖19可知，改造后各小屏的同屏熱偏差系數(shù)在不同工況下規(guī)律基本一致：各小屏都是第1根管的熱偏差系數(shù)最小，第9～14根管的熱偏差系數(shù)較大。改造后同屏熱偏差系數(shù)最大值與最小值比較，以及改造前后最大熱偏差與最小熱偏差之比的相對變化率見表7。

表7 改造前后第4片大屏后同屏最大熱偏差系數(shù)與最小熱偏差系數(shù)比較

由表7可知：改造后熱偏差系數(shù)最大值都有所降低，最小值都有所增加，熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比比改造前都減小，最高減小45.5%，總體同屏熱偏差變化比改造前較為平緩。

改造后各小屏的沿爐膛深度方向的同屏熱偏差系數(shù)見圖20。從圖20可知：D小屏熱偏差系數(shù)最大，為1.15，A小屏熱偏差系數(shù)最小；熱偏差系數(shù)最大值與最小值之比最高為1.47，比改造前減小13%，深度方向熱偏差比改造前較為平緩。

圖20 改造后分隔屏第4大屏各小屏沿爐膛深度方向熱偏差

分隔屏改造后，鍋爐運行情況取得較好的預(yù)期效果[5]：屏間熱偏差系數(shù)和同屏熱偏差系數(shù)均比改造前變化平緩，熱偏差系數(shù)最大值都有所降低，熱偏差系數(shù)最小值都有不同程度的增加，并且通過增加的壁溫測點可以更好地監(jiān)控超溫情況，提高了機(jī)組的安全性。改造后主蒸汽及再熱蒸汽均能達(dá)到額定溫度，發(fā)電煤耗能降低約1.6 g/(kW·h)，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。實際運行監(jiān)測到個別管子仍然存在一定程度的超溫隱患，停爐檢修時需要重點關(guān)注。

4 結(jié)語

(1) 針對某電廠分隔屏超溫爆管，利用實際運行數(shù)據(jù)計算與分析改造前的屏間熱偏差系數(shù)、同屏熱偏差系數(shù)、爐深方向熱偏差系數(shù)、同屏流量偏差系數(shù)規(guī)律，總結(jié)分隔屏超溫的主要原因，并提出針對性的改造方案并實施。

(2) 改造后的運行數(shù)據(jù)表明，分隔屏的屏間熱偏差系數(shù)和同屏熱偏差系數(shù)分布規(guī)律都比改造前大幅改善，主蒸汽及再熱蒸汽均能達(dá)到額定溫度，發(fā)電煤耗降低約1.6g/(kW·h)，提高了機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性。

(3) 針對性地增加了壁溫測點，可以更全面地監(jiān)控分隔屏超溫情況，提高了機(jī)組運行的安全性。