超超臨界鍋爐受熱面壁溫異常分析及對策

余勇華

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210036）

超超臨界鍋爐受熱面壁溫異常分析及對策

余勇華

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210036）

根據(jù)1000 MW垂直管屏超超臨界鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合泰州電廠鍋爐在制造、安裝、調(diào)試中的成功經(jīng)驗(yàn)，分析超超臨界鍋爐水冷壁及過熱再熱器壁溫異常的原因及危害，提出相應(yīng)預(yù)防措施。

超超臨界；水冷壁；過熱器；氧化膜

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.30

0 引言

1000 MW超超臨界直流鍋爐，具有大容量、高蒸汽參數(shù)和受熱面大的特點(diǎn)。因?yàn)闆]有氣泡，所以水冷壁管內(nèi)徑較小，對溫度比較敏感。壁面溫度異常，可能導(dǎo)致水冷壁管制冷劑熱物理性質(zhì)的變化，惡化傳熱和流動的偏差，嚴(yán)重時會導(dǎo)致水冷壁管爆管失效。由于過熱器工質(zhì)參數(shù)高，大量使用奧氏體不銹鋼材料，奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化膜剝落堵塞管子彎頭部位，引起過熱器爆管。無論哪種型式的超溫爆管，都嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行。影響鍋爐受熱面超溫的因素很多，結(jié)合泰州電廠1000 MW超超臨界鍋爐在制造、安裝及調(diào)試中的成功經(jīng)驗(yàn)，分析鍋爐受熱面壁溫異常的原因并提出相應(yīng)預(yù)防措施。

1 鍋爐及受熱面概況

國電泰州電廠鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)日本三菱重工業(yè)株式會社（MHI）技術(shù)生產(chǎn)的HG-2980/26.25YM2型超超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行直流鍋爐。鍋爐采用Π形布置、單爐膛、低NOxPM主燃燒器和MACT型低NOx分級送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、反向雙切園燃燒方式，平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，燃用神府東勝煤。1#機(jī)組于2007年12月4日通過168 h試運(yùn)行。

鍋爐水冷壁結(jié)構(gòu)為膜式水冷壁，全部為垂直管屏，采用改進(jìn)型內(nèi)螺紋管垂直水冷壁，水冷壁管入口段設(shè)計(jì)572只節(jié)流孔圈，通過二次三叉管過渡的方法，與垂直水冷壁相連接，水冷壁管規(guī)格為D28.6 mm×5.8 mm,材料為SA213T12。上、下爐膛之間設(shè)計(jì)水冷壁中間混合集箱，經(jīng)2級混合后進(jìn)入上爐膛。鍋爐啟動系統(tǒng)設(shè)計(jì)1臺BCP（爐水循環(huán)泵）、3只WDC閥（分離器水箱水位調(diào)節(jié)閥）。鍋爐過熱器采用四級布置，三級噴水調(diào)節(jié)，再熱器二級布置方式，過熱器與再熱器的高溫段都采用奧氏體不銹鋼材料，主要有超細(xì)晶粒的Super304H(18Cr鋼)和HR3C(25Cr鋼)，這兩種都是目前世界上最頂級的材料。

2 水冷壁管壁溫異常原因分析及對策

2.1 區(qū)域性水冷壁出口管壁溫異常原因分析及對策

2.1.1 燃燒區(qū)水冷壁的局部多吸熱現(xiàn)象

（1）燃燒器投用次序的影響。泰州電廠鍋爐燃燒器共分6層，從上到下依次為 F，E，D，C，B，A，油燃燒器分上、中、下 3 層，日本三菱重工推薦的點(diǎn)火方式為先點(diǎn)中間層油槍，再點(diǎn)上層油槍，先投F層磨煤機(jī)，然后依次投E，D，C，B層，最下層A磨為備用磨。而國內(nèi)通常的點(diǎn)火方式是自下而上，與三菱推薦的方案相反，泰州電廠鍋爐將A層燃燒器改為等離子燃燒器，必須從最下層開始點(diǎn)火。這種點(diǎn)火方式導(dǎo)致燃燒區(qū)水冷壁管吸熱的高度增加，造成水冷壁管熱偏差增大、水冷壁管壁溫度局部超標(biāo)。按照該鍋爐的設(shè)計(jì)理念，正常情況下，磨組投用應(yīng)按照從上而下的原則。

（2）啟動階段油、煤燃燒器同時使用。泰州電廠1#爐沖管過程中，由于A磨故障，須先投用B磨點(diǎn)火，造成啟動初期油、煤混燃，油燃燒器功率較大（每只油槍1 t/h或1.6 t/h），該部位鄰近水冷壁吸收了過多的輻射熱，造成局部水冷壁溫度過高。一般在磨組穩(wěn)定后，應(yīng)盡早將油燃燒器退出運(yùn)行。

2.1.2 燃燒器切圓中心偏移

泰州電廠鍋爐采用的是單爐膛雙切圓，如果前后墻的二次風(fēng)壓不平衡，將造成火焰中心偏離鍋爐的中心線，使靠近火焰中心的一側(cè)水冷壁壁溫升高，通過對二次風(fēng)的調(diào)平可以較好地解決該問題。

2.1.3 預(yù)防區(qū)域性水冷壁管壁溫異常的措施

（1）在下爐膛水冷壁出口處增加溫測點(diǎn)，最好每個節(jié)流孔圈對應(yīng)一個測點(diǎn)，以便及時發(fā)現(xiàn)超溫的管子，并通過流量調(diào)節(jié)增強(qiáng)超溫水冷壁管的冷卻。

（2）通過及時調(diào)整已投磨的出力來控制。

（3）根據(jù)三菱公司的建議，盡量快速通過機(jī)組的200～300 MW負(fù)荷，因?yàn)榇藸顟B(tài)是濕式向干式轉(zhuǎn)變階段，極不穩(wěn)定，最易引起超溫。

2.2 個別水冷壁出口管壁溫異常升高原因分析及對策

（1）制造及安裝焊縫成行不好，影響流通面積。這種缺陷可以通過射線檢查及通球試驗(yàn)解決。

（2）水冷壁入口管節(jié)流孔堵塞、狹窄、孔徑尺寸偏小等，也會使得此節(jié)流孔圈相對應(yīng)的水冷壁管內(nèi)冷卻流量不夠，造成壁溫超限。孔圈質(zhì)量問題可以通過加強(qiáng)對制造及安裝階段的監(jiān)督檢查力度來解決；孔圈堵塞一般是在鍋爐沖洗階段形成的，由于孔圈內(nèi)徑小（7～14 mm），安裝階段產(chǎn)生的垃圾很容易在此被截住。要解決此問題，一方面在安裝過程中，要保證管道的清潔度，另外停爐時用大流量水倒沖洗，使垃圾最終排到爐疏放水管。

3 過熱器和再熱器管壁溫異常原因分析及處理對策

3.1 過熱器和再熱器管壁溫異常類型

超超臨界直流鍋爐過熱器與再熱器壁溫異常，主要由兩種因素導(dǎo)致：①奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁汽側(cè)氧化膜剝落堵塞彎頭引起超溫；②由于受熱面管結(jié)構(gòu)的特殊性，在制造或安裝中遺留的雜物堵塞管子引起超溫。

3.2 鍋爐受熱面奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁汽側(cè)氧化膜剝落產(chǎn)生的危害及對策

（1）氧化膜剝落產(chǎn)生的危害。奧氏體不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁氧化膜形狀分為粉末狀和片狀，過熱器管一般為粉末狀或小片狀，再熱器管一般為大片或長條狀，剝落后將堆積在下彎頭及水平段部位。當(dāng)一次剝落較多時，會造成管子通流截面全部或部分堵塞，引起受熱面過熱爆管。泰州電廠的鍋爐由于運(yùn)行時間短，管子氧化現(xiàn)象還沒有出現(xiàn)，但參數(shù)高須引起高度重視。

（2）預(yù)防措施。奧氏體不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁氧化膜的生成不可避免，但其達(dá)到臨界剝落厚度的時間差別很大，即生長速度不盡相同。主要受合金成分、微觀組織、運(yùn)行工況（主要是溫度）等諸多因素的影響，其中合金成分（如含Cr量的高低）是主要因素。因?yàn)镃r對氧的親和力比鐵大，會優(yōu)先被氧化，相對降低了鐵的氧化速度，所以含Cr量越高的合金鋼，抗氧化性越強(qiáng)，泰州電廠鍋爐三級過熱器、四級過熱器及二級再熱器大量采用18Cr鋼和25Cr鋼，目的是防止在高溫度下被氧化。運(yùn)行中控制溫度最好的方法是增加溫度測點(diǎn)，隨時監(jiān)控溫度，泰州電廠鍋爐的高溫段過熱器及二級再熱器增加了很多壁溫測點(diǎn)，控制壁溫效果顯著。

3.3 制造安裝遺留雜物堵塞管子引起超溫情況分析及對策

鍋爐高溫段過熱器與再熱器為了消除同屏熱偏差，往往采用控制同屏各管的流量來解決。亞臨界鍋爐及超臨界鍋爐，由于集箱的材料等級低和蒸汽參數(shù)不高，可以在集箱上開不同的孔來滿足要求。1000 MW機(jī)組超超臨界鍋爐制造廠商引進(jìn)的技術(shù)不同，采用的方法也不同。泰州電廠鍋爐是哈鍋引用日本三菱的技術(shù)，過熱器消除同屏熱偏差不是在集箱上開孔，而是在過熱器出口加一短管節(jié)流，短管是專門加工的，內(nèi)徑根據(jù)熱力計(jì)算各不相同，如四級過熱器口徑最小的只有10.1 mm，最大也只有16.3 mm，啟動初期由于系統(tǒng)垃圾、制造遺留垃圾或管徑質(zhì)量問題都可能引起流量的變化，導(dǎo)致壁溫異常。

根據(jù)泰州電廠鍋爐制造、安裝、調(diào)試中的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試階段分別采取措施，有利于避免因裝節(jié)流短管引起的壁溫異常。

（1）設(shè)計(jì)階段。①項(xiàng)目公司請有資質(zhì)的單位對鍋爐進(jìn)行壁溫計(jì)算，將核算結(jié)果與制造廠提供的值進(jìn)行對比，如偏差較大，雙方將進(jìn)行討論并采取必要的措施；②二過、三過、四過、末級再熱管壁增加的數(shù)量及測點(diǎn)安裝位置，根據(jù)壁溫核算結(jié)果確定，并接入主機(jī)DCS中監(jiān)視。

（2）制造階段。①制造廠應(yīng)加強(qiáng)對集箱及管道內(nèi)部清潔度的管理和檢查力度，特別是集箱開孔的倒角、毛刺、集箱內(nèi)部的氧化皮等；②制造廠應(yīng)嚴(yán)格檢查節(jié)流短管，確保制造尺寸準(zhǔn)確以及安裝正確；③項(xiàng)目公司駐廠監(jiān)造代表要會同制造廠檢驗(yàn)人員共同參與短管、聯(lián)箱等重要環(huán)節(jié)的驗(yàn)收。

（3）安裝階段。①施工單位對所有吊裝前管排必須100%通球，集箱內(nèi)部和短管做到100%內(nèi)窺鏡檢查，對節(jié)流短管要提出專項(xiàng)檢查措施，確保100%檢查到位，并由施工、監(jiān)理、業(yè)主專業(yè)人員共同確認(rèn)；②對已吊裝的管排要100%封口，并加強(qiáng)對受熱面施工現(xiàn)場管口封閉的考核力度。

（4）調(diào)試階段。①沖管后對二過、三過、四過所有節(jié)流短管進(jìn)行100%射線拍片，同時可抽查三過、四過集箱兩管屏的彎頭，如有雜物全部清除；②整套啟動后，過熱器管壁溫度如無異常可直接沖168 h試運(yùn)行，一般在機(jī)組帶到高負(fù)荷（＞750 MW）時，由于汽流擾動較大，過熱器總會有些管子超溫，如不能有效控制在材料溫度允許范圍內(nèi)，可及時停機(jī)處理，節(jié)流短管繼續(xù)拍片檢查，但不需要全部拍，根據(jù)布置結(jié)構(gòu)可抽拍片易堵塞的管子，如集箱的兩端管排以及集箱的最下端的管子，如發(fā)現(xiàn)雜物割管清除。經(jīng)過這樣處理，過熱器異物堵塞引起的超溫可得到解決。

4 結(jié)語

超超臨界鍋爐由于蒸汽參數(shù)高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求不同于亞臨界機(jī)組，再加上沒有安裝、運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)，在啟動調(diào)試階段出現(xiàn)問題是正常的，在安裝、調(diào)試階段采取相應(yīng)措施，可以減少鍋爐初期的壁溫異常現(xiàn)象。

［1］清華大學(xué)熱能工程教研室.鍋爐原理及計(jì)算［M］.北京：科學(xué)出版社，1985.

［2］馬劍民.鍋爐受熱面奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化膜剝落和爆管原因分析與預(yù)防措施［C］.陜西省第十屆無損檢測年會論文集，2006.

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〔編輯 李 波〕