超臨界鍋爐垂直水冷壁裂紋產生的原因及處理措施

李 寬,鄭 媛,趙星海,孫海天

(1.國網吉林省電力有限公司電力科學研究院,長春 130021;2.吉林農業工程職業技術學院機電工程系,吉林 四平 136001;3.東北電力大學 能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012)

●新技術與應用●

超臨界鍋爐垂直水冷壁裂紋產生的原因及處理措施

李 寬1,鄭 媛2,趙星海3,孫海天1

(1.國網吉林省電力有限公司電力科學研究院,長春 130021;2.吉林農業工程職業技術學院機電工程系,吉林 四平 136001;3.東北電力大學 能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012)

針對某電廠超臨界運行鍋爐垂直水冷壁出口處出現多處裂紋導致鍋爐停運的問題,借助鍋爐相關運行參數曲線對裂紋的位置、產生原因及外貌特征進行了研究,研究發現: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生的熱應力引起的,管間較大溫差一般出現在鍋爐轉干態后的低負荷工況下,且鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動存在對應關系;建議盡量減少該型鍋爐在轉干態后的長期低負荷運行,同時加強對垂直水冷壁出口處壁溫的監視,出現較大偏差時及時調整;改進給水自動和給煤自動對水煤比的調整能力,防止負荷變化過程中的水煤比失調。

熱應力;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在中國電站鍋爐上的應用[1-2],鍋爐的設計及運行方式也出現了相應的改變。由于部分超臨界及超超臨界鍋爐在爐膛下輻射區使用螺旋管圈水冷壁結構,在爐膛上輻射區的低熱強度區域使用垂直管屏結構[3-4],使該型號鍋爐在運行中出現了垂直水冷壁熱應力隨負荷而變化的問題[5-6]。某電廠超臨界鍋爐在運行中垂直水冷壁出口處出現多處裂紋,導致垂直水冷壁失效,鍋爐停運。為了找出導致垂直水冷壁裂紋產生的原因,本文對該電廠超臨界鍋爐垂直水冷壁出口處裂紋的特點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行參數曲線進行了分析,提出了控制裂紋產生的應對措施,以為該型鍋爐的正常運行及改造提供借鑒。

1 設備概況

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、一次中間再熱、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構。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 ℃。

鍋爐制粉系統為中速磨正壓直吹式系統,配置6臺HP863型中速磨煤機,煤粉細度R90=37%。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區上方爐膛的四角,以實現分級燃燒降低NOx的排放。

鍋爐汽水流程以內置式汽水分離器為界成雙流程,鍋爐啟動系統由內置式汽水分離器、貯水箱、水位控制閥等組成。水冷壁為膜式水冷壁,從冷灰斗進口一直到中間混合集箱之間為螺旋管圈水冷壁,經中間集箱過渡轉換為垂直管屏,并形成上爐膛的前墻、側墻、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個溫度測點,水冷壁出口集箱經小連接管匯集到下降管入口,經下降管進入布置在折焰角處的匯集集箱,分別經折焰角進入水冷壁對流管束和經水平煙道側墻入口集箱進入水平煙道側墻,從水平煙道側墻和對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行中發現垂直水冷壁出口處多處泄漏,導致垂直水冷壁失效,鍋爐停運。停爐后,檢查發現前側、后側、左側、右側墻垂直水冷壁出口處出現多處橫向裂紋。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,而且出現裂紋的位置全部位于兩管之間,呈橫向狀態,左右兩側全部存在,同時蒸汽從裂紋中吹出,吹薄了鄰近水冷壁管。

3 裂紋產生的原因分析及控制措施

3.1 裂紋產生的原因分析

為了找出導致鍋爐垂直水冷壁出口處產生裂紋的原因,調取了機組從50%BMCR至35%BMCR工況下滑壓停爐運行過程中垂直水冷壁出口處相鄰溫度測點的溫度曲線及對應的給水量、給煤量及分離器出口壓力曲線,曲線如圖2所示。圖2(a)為鍋爐滑停運行過程中垂直水冷壁出口處相鄰8個溫度測點的溫度曲線,對應時間21時41分45秒的溫度值如表1所示,對應時間21時49分25秒的溫度值如表2所示。圖2(b)為對應壁溫時間段內的鍋爐給水流量、汽水分離器出口壓力、鍋爐總給煤量的運行參數曲線。

圖1 垂直水冷壁出口處裂紋照片

圖2 鍋爐滑停運行過程中參數曲線圖

表1 21時41分45秒對應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49分25秒對應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,從時間21時41分45秒的溫度值(表1)可以發現溫差值最大值達到75.1 ℃。考慮到不是每根管都安裝有溫度測點,所以部分管的溫度偏差可能更大,較大的溫度偏差導致管子伸縮不同產生較大的管間應力。對比表1和表2可以發現垂直水冷壁出口處管溫出現較大降低且快速變化,降低幅度達到79.9 ℃,變化速率達到10.4 ℃/min,遠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,對管材和集箱都會產生較大的熱沖擊,以致爆裂。所以可以確認垂直水冷壁出口處裂紋的原因為管間較大溫差和管溫快速變化產生的熱應力引起的。對比圖2(a)和圖2(b),還可以發現鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動存在對應關系。

3.2 水冷壁溫度偏差特點

為找出垂直水冷壁溫度偏差與負荷的關系,分別調取了鍋爐完整的升負荷過程中垂直水冷壁出口處溫度曲線和降負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荷過程中的曲線。

圖3 鍋爐升、降負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在鍋爐轉干態后的低負荷工況下,其中80%BMCR工況下的鍋爐垂直水冷壁出口處對應圖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應圖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 ℃，在鍋爐大負荷運行工況下，溫度雖然較高，但偏差不大。從表4可以看出,在鍋爐濕態運行工況下,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在轉干態后的低負荷工況下。

表3 80%BMCR工況下的溫度值

表4 25%BMCR工況下的溫度值

3.3 控制裂紋產生的措施

1) 由于垂直水冷壁管間較大溫差一般出現在鍋爐轉干態后的低負荷工況下,因此應盡量減少鍋爐在轉干態后的長期低負荷運行。

2) 在鍋爐轉干態后的低負荷工況下,運行人員應加強垂直水冷壁出口處壁溫的監視,出現較大偏差時及時調整。

3) 由于鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動存在對應關系,建議鍋爐在運行中改進給水自動和給煤自動對水煤比的調整能力,防止負荷變化過程中的水煤比失調。

3.4 措施有效性的驗證

對鍋爐垂直水冷壁裂紋處理完成,且水壓試驗合格后鍋爐點火。在鍋爐轉干態后,給水自動切除,由運行人員按照控制裂紋產生的措施進行升負荷,負荷大于75%BMCR后,投入鍋爐給水自動。鍋爐升負荷期間,對應圖2位置的垂直水冷壁出口壁溫如圖4所示,對應圖2位置溫差最大值點的溫度如表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干態后的低負荷工況下仍然存在,但在運行人員的干預下,溫度偏差變小,最大為26.2 ℃,且溫度波動幅度變小。在負荷大于75%BMCR后,給水自動投入,垂直水冷壁出口溫度雖有波動,但偏差不大,垂直水冷壁出口處未再發生裂紋,驗證了控制裂紋產生措施的有效性。

圖4 鍋爐垂直水冷壁出口處溫度曲線圖

表5 鍋爐溫差最大點的溫度值

4 結論及建議

針對某電廠超臨界運行鍋爐垂直水冷壁出口處出現多處裂紋導致鍋爐停運的問題,本文經過對裂紋位置及外貌特征、鍋爐運行參數曲線進行的分析,得出如下結論及建議:

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生的熱應力引起的。

2) 鍋爐垂直水冷壁管間較大溫差一般出現在鍋爐轉干態后的低負荷工況下。

3) 鍋爐給水流量的變化與垂直水冷壁管溫的波動存在對應關系。

4) 建議該型鍋爐盡量減少轉干態后的長期低負荷運行,并加強垂直水冷壁出口處壁溫的監視,出現較大偏差時及時調整。

5) 建議該型鍋爐在運行中改進給水自動和給煤自動對水煤比的調整能力,防止負荷變化過程中的水煤比失調。

[1] 樊泉桂.新一代超臨界鍋爐的技術分析[J].鍋爐技術,2005,36(4):13-15. FAN Quangui. Technical analysis of the new generation supercritical boiler [J]. Boiler Technolgoy, 2005,36(4):13-15.

[2] 王渡,孫海彥.1000 MW超超臨界機組設計運行優化[J].電站系統工程,2014,30(2):28-30. WANG Du, SUN Haiyan. Optimization of 100 MW ultra supercritical unit operation [J]. Power Station Engineering, 2014,30(2):28-30.

[3] 高鵬里.超超臨界鍋爐水冷壁風險評估與管理探討[J].浙江電力,2014(1):47-50. GAO Pengli. Discussion on water wall risk evaluation and management of ultra supercritical boiler [J]. Zhejiang Electric Power, 2014(1):47-50.

[4] BOWEN B D, FOURNIER M, GRACE J R. Heat transfer in membrane waterwalls[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1991, 34: 1043-1057.

[5] 劉旭東,盛偉,關多嬌,等.600 MW超臨界鍋爐膜式水冷壁的熱應力分析[J].鍋爐技術,2010,41(6):11-17. LIU Xudong, SHENG Wei, GUAN Duojiao, et al. Analysis of the thermal stress of membrane waterwall of 600 MW supercritical boiler [J]. Boiler Technology, 2010,41(6):11-17.

[6] AHMAD J, PURBOLAKSONO J, BENG L C, et al. Failure investigation on rear water wall tube of boiler[J]. Engineering failure analysis, 2009, 16(7): 2325-2332.

(責任編輯 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