亞臨界鍋爐屏式過熱器的安全性分析

張立峰 王義廂

（1.宿州市特種設備監督檢驗中心，安徽 宿州 234000；2.安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230051）

1 前言

過熱器是鍋爐受熱管道爆管泄露的主要部件，尤其是高溫過熱器，其內外介質的溫度比較高，工作條件惡劣，包含復雜的多相流和傳熱傳質問題，管壁的高溫腐蝕、結垢和超溫運行均會導致過熱器爆管泄露。對于大型機組，由于受熱面管內蒸汽的溫度和壓力都比較高，過熱器泄露占鍋爐泄露的一半以上。因此針對每臺鍋爐的特性，找出爆管泄露的主要原因，提出有效的整改措施，調整合理準確的運行參數范圍，對機組的安全、經濟運行具有重要作用。

2 鍋爐基本情況及事故描述

鍋爐為亞臨界、一次再熱、自然循環，設計蒸發量為1160t/h，過熱蒸汽出口溫度541℃、出口壓力17.29MPa，再熱蒸汽入口溫度316℃、壓力3.37MPa，再熱蒸汽出口溫度541℃、壓力3.20MPa，給水溫度285℃，采用蒸汽吹灰。鍋爐燃燒器前墻布置，計4層，自上而下編號為A、B、C和D，每層燃燒器布置4只旋流煤粉燃燒器，4臺NPF型中速磨煤機分別與4層燃燒器對應，編號與4層燃燒器相同。

屏式過熱器位于爐膛上方并靠近前墻，沿爐寬方向布置5屏，每片屏式過熱器由64根管組成，管子規格Ф50.8×9.04，材質為SA213T22，最外側的第64根管子規格為Ф50.8×5.82，材質為SA213TP304H，原設計說明書給出的屏式過熱器受熱管的極限溫度為541℃。機組運行1年左右，爐左數第3片屏式過熱器從爐前數第32根管子發生爆管事故。在停爐檢修期間進行了割管金相分析，確定爆管附近有超溫跡象，為了判斷其爆管原因并提出相應的改進措施，對屏式過熱器進行了測試和分析。

3 現場試驗方法

通常引起過熱器爆管的原因有兩方面：

其一是機組運行方式不當，導致受熱面管壁超溫；

其二是過熱器材質選取不當。分析爆管原因需要現場測量過熱器的管壁溫度。現場測試在屏式過熱器上安裝了若干個溫度測點，這些測點分別位于鍋爐爐膛內部和鍋爐爐頂至大罩殼之間。

溫度測點分新增設測點和原設計測點兩部分：

（1）新增測點：爆管發生在第3片屏式過熱器，第3片屏式過熱器位于爐膛中部，工作條件最差，新增測點均在第3片屏式過熱器，爐外測點位于爐頂以上約0.6m處；爐內測點位于標高49.2米處，選擇19處過熱器管，標號分別為爐前數第1、10、14、17、20、24、28、32、35、36、40、44、49、51、54、55、59、63和64根管，裝設19個爐內測點。

（2）原設計測點：每片屏式過熱器的第1和第64根管上裝設了爐外測點，5片屏式過熱器共計10點，位置接近爐頂。

測點采用校驗合格的Ⅱ級精度的K型鎧裝熱電偶，新增設測點的熱電偶信號接入IMP分散式數據采集系統，采集系統每隔5s采集一次數據，每10min記錄一個周期內的平均值，原設計測點的熱電偶信號接入電廠DCS。在試驗過程中的運行參數均按運行規程進行操作，并由電廠DCS記錄，所涉及的運行表計在試驗前均已校驗合格。

試驗選擇了三種方法：

（1）在不同負荷350MW、330MW、300MW、260MW和180MW，投運A、B和C磨煤機；

（2）額定負荷情況下改變磨機組合方式；

（3）額定負荷情況下投、停高壓加熱器。

4 結果分析

4.1 機組變負荷試驗

在不同負荷350MW、330MW、 300MW、260MW和180MW，投運A、B和C磨煤機，當機組負荷改變時，選取某一時間段的溫度值（如圖1、圖2所示），圖中包含了新增設的測點和原設計測點，圖1中測點編號-3和68分別為原設計的第1根和第64根受熱管的爐外測點，其它測點為新增設的爐外測點。圖2為新增設的爐內測點溫度值（圖2的表示法相同，不再說明）。

從圖1可見，就第1根和第64根受熱管而言，原設計的爐外測點溫度均比新增設的爐外測點溫度高，而且各工況同根管子的爐外溫度相差不大，第1根的原設計測點高3.4℃~6.5℃，原因是原設計測點更接近爐頂，這也說明了新增設的爐外測點和原設計測點具有可信性，另外兩種試驗條件的試驗數據也可以證實以上現象，將不再贅述。

通過圖1和圖2可以看出：機組在額定負荷時，屏式過熱器的爐內和爐外壁溫最高，但是隨著機組負荷的降低，屏式過熱器壁溫并隨之降低，而是有一些波動，在試驗過程中，計劃進一步降低機組負荷（至110MW），但由于電網用電緊張，最低機組負荷的試驗僅做到185MW，但此時屏式過熱器壁溫已有上升的趨勢，因此，在低負荷時要密切注意屏式過熱器的壁溫變化，防止屏式過熱器超溫運行。

4.2 變磨煤機組合方式試驗

圖3為機組負荷為350MW，磨煤機組合分別為A、B、C和D磨，A、B和C磨時爐內和爐外壁溫。圖4為機組負荷為250MW，以上兩種磨煤機組合時爐外和爐內壁溫。

從圖3和圖4可見，當改變磨煤機的組合方式時，屏式過熱器爐內壁溫和爐外壁溫的變化幅度較小，原因是屏式過熱器位于爐膛上方，燃燒器前墻布置，而且沿高度方向比較集中，上兩層燃燒器的距離僅5.410m，當改變磨煤機的組合方式時，對爐膛火焰中心的位置和爐膛出口溫度等的影響不大，因此，屏式過熱器壁溫波支較小。

4.3 投、停高壓加熱器試驗

圖5和圖6為機組負荷為350MW，投運A、B和C磨，投、停高壓加熱器試驗的爐內和爐外壁溫變化：

從圖5和圖6可見，投、停高壓加熱器對屏式過熱器爐內和爐外壁溫的影響較小，機組熱力系統的調節性能較好。

5 屏式過熱器受熱管溫度極限值的確定

根據美國ASME鍋爐與壓力容器規范計算受熱管的溫度極限，屏式過熱器原設計進口蒸汽壓力為19.65MPa，則規格Ф50.8×9.04，材質為SA213T22的管子內外壁平均溫度的最高上限為550℃，規格為Ф50.8×5.82，材質為SA213TP304H的管子內外壁平均溫度的最高上限為573℃。在上述實驗數據中，新增設測點的爐外壁溫最高值為479.2℃，新增設測點的爐內壁溫最高值為522.4℃，新增設測點的爐外壁溫和爐內壁溫的差值介于22.7℃~61.4℃之間，為了留有一定的裕度，取70℃，按運行經驗，一般認為爐外溫度為管內蒸汽溫度，則規格Ф50.8×9.04，材質為SA213T22的管子可按如下方法計算：

其中：

t1—管子內壁溫度，℃；

t2—管子外壁溫度，℃；

其中：

t3—管內蒸汽溫度，℃；

按73年蘇聯計算標準有：

因此，t3=495.7，即爐外溫度的極限值為495.7℃，取495℃；同樣計算方法，規格為Ф50.8×5.82，材質為SA213TP304H的管子極限值為518℃。

以上值為實驗裝設測點的溫度極限值，鍋爐日常運行監測原設計測點的爐外壁溫值，實驗發現原設計測點的爐外壁溫的最高值為483.3℃，實驗增設測點的爐外壁溫和原設計的爐外壁溫的差值介于3.4℃~7.7℃之間，取10℃的裕度，則規格Ф50.8×9.04，材質為SA213T22的管子溫度極限值為505℃；規格為Ф50.8×5.82，材質為SA213TP304H的管子溫度極限值為528℃。原設計說明書給出的屏式過熱器受熱管的極限溫度為541℃可能三合存在偏差。

由此可見，實驗期間屏式過熱器未發生超溫現象，特別是第3片屏式過熱器從前墻數第32根管子的最高爐外溫度為468.2℃，低于其極限值505℃，該管發生爆管事故系特殊因素，如節流孔板處有臟物堵塞，管內蒸汽流量減少，致使管壁超溫而發生爆管泄露事故，在以往其它鍋爐曾發生過因堵塞末級過熱器而發生爆管泄露的記錄。

在以上所有試驗過程中，無論是爐內壁溫，還是爐外壁溫，屏式過熱器相鄰兩管的溫度均小于20℃，說明屏式過熱器的熱偏差達到要求。

結論

（1）當機組滿負荷運行時，改變磨煤機的組合，對屏式過熱器壁溫的影響較小，原因是燃燒器前墻布置，而且沿高度方向集中布置，對火焰中心的位置影響不大；

（2）投、停高壓加熱器對屏式過熱器壁溫的影響較小；

（3）在本文所述的實驗范圍，當機組滿負荷運行時，屏式過熱器比較安全，第3片屏式過熱器從前墻數第32跟管子發生爆管事故系特殊因素，如節流孔板處有臟物堵塞等原因，試驗期間未發生超溫現象。

（4）當機組負荷降低時，屏式過熱器壁溫有升高的趨勢，在低負荷運行時，要密切注意壁溫的變化，防止超溫運行。

（5）若以原設計的爐外壁溫測點為依據，屏式過熱器第1根受熱管的報警溫度為505℃，屏式過熱器第64根受熱管的報警溫度為528℃，原設計說明書給出的屏式過熱器受熱管的極限溫度為541℃可能存在偏差。

[1]林宗虎，陳立勛.鍋內過程[M].西安：西安交通大學出版社，1988.

[2]王立新，郭浩.鍋爐過熱器超溫失效原因分析及對策[J].東北電力，2006，27（10）：32-35.

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