300 MW機組低負荷鍋爐管壁超溫原因分析

芮文明，魏健鵬，牛世斌

(1.國網甘肅省電力公司 電力科學研究院,蘭州 730070；2.中國鋁業蘭州分公司自備電廠,蘭州 730070)

近年來，我國的火電機組逐漸向大容量的方向發展，要求機組參與50%額定負荷調峰運行，因此機組面臨低負荷及變負荷運行時鍋爐過熱器管壁超溫和爆管問題，尋求相應的技術手段來解決此類問題是十分必要的。某廠鍋爐長期在低負荷下運行，在實際運行過程中卻出現了分隔屏過熱器及后屏過熱器超溫現象和高溫過熱器爆管現象，筆者分析了機組在低負荷區段及變負荷時段運行時，鍋爐管壁超溫的原因。

1 鍋爐概況

某電廠1號鍋爐為某制造廠生產的HG-1065/17.5-YM24型亞臨界鍋爐。該鍋爐為一次中間再熱、自然循環汽包爐，采用平衡通風、四角切圓燃燒方式，設計燃料為煙煤，設計高溫過熱器出口壓力為17.50 MPa，設計高溫過熱器出口溫度為540 ℃，最大蒸發量為1 065 t/h，水處理方式為二次脫鹽、熱力除氧，給水溫度為280 ℃，給水壓力為21.6 MPa。2015年機組進行了低氮燃燒器改造。分隔屏過熱器布置在爐膛頂部，沿爐膛寬度自左至右共4個大排管屏，每個管屏沿爐膛出口煙道深度方向，自前向后共有6個小片管屏，每個小片管屏有8根U形管，分隔屏管壁溫度報警值為495 ℃。后屏過熱器沿爐膛出口煙道寬度方向，自左至右共20個管屏，每個管屏有14根U形管，后屏管壁溫度報警值為578 ℃。高溫過熱器布置在爐膛出口水平煙道寬度方向，自左至右共90排管排，每片排管有4根蛇形管。管徑為51 mm，壁厚為8 mm，材質為T23，高溫過熱器管壁溫度報警值為589 ℃。

近年來，機組長期在50%額定負荷運行，早晚高峰負荷配合電網調峰，調峰范圍在50%～100%額定負荷，其間，分隔屏過熱器、后屏過熱器和高溫過熱器出現頻繁超溫現象，造成高溫過熱器多次爆管。

2 鍋爐過熱器超溫情況

2.1 分隔屏、后屏和高溫過熱器超溫

分隔屏過熱器超溫及蠕脹情況見圖1、圖2和表1，后屏過熱器超溫情況見表2，高溫過熱器超溫情況見表3。

圖1 分隔屏過熱器出列變形

圖2 分隔屏過熱器管排夾管與排底部

表1 分隔屏過熱器管壁超溫情況

表2 后屏過熱器管壁超溫情況

表3 高溫過熱器管壁超溫情況

通過比較表1、表2、表3、圖1和圖2及現場實際情況可知，過熱器管壁超溫及蠕脹有如下特點：

(1)分隔屏過熱器管壁超溫及蠕脹、后屏過熱器超溫時，機組長時間低負荷運行(150 MW工況下)。

(2)活動夾塊焊接質量存在問題，造成活動夾塊脫落或分隔屏中間夾管預留間隙不夠(設計要求35 mm)管子膨脹受阻，出列管子熱輻射較正常狀態下增大，造成進一步變形出列。

(3)分隔屏過熱器管壁溫度較高的部位主要集中在3號管屏第2片小管排最外圈管子及第3片小管排最外圈管子上；后屏過熱器管壁溫度較高的部位主要集中在7～13號管屏由外至里第2根管子上。高溫過熱器管壁溫度較高的部位主要集中在27～69號管排由外至里第2根管子上。

2.2 高溫過熱器爆管分析

宏觀檢查發現爆口位于高溫過熱器管彎管外彎沿軸向開裂，爆口開口長度為61.9 mm，寬度為5.1 mm，肉眼可見爆口邊緣有5條平行裂紋，從爆口兩側邊緣測量管子外壁周長為160 mm，折算管徑為51.96 mm，爆開前爆口處管徑脹粗量很小；爆口與徑向傾角約30°，對外壁脫落的氧化皮測量3次，厚度分別為0.54 mm、0.50 mm、0.62 mm，平均值為0.55 mm，內壁氧化皮厚度平均為0.42 mm；爆口附近管外表面存在樹皮狀開裂紋理，具有長期超溫斷裂宏觀特征，見圖3。

圖3 爆口宏觀

2.2.1 材質分析

對高溫過熱器爆管及周邊對比管樣進行材質化學成分分析，結果見表4。

表4 高溫過熱器管化學成分 %

材質分析結果顯示兩個試樣成分含量均符合標準要求。

2.2.2 力學性能分析

對高溫過熱器爆管及周邊對比管樣進行力學性能分析，結果見表5。

表5 高溫過熱器管力學性能分析

試驗結果表明：2個試樣屈服強度、抗拉強度均低于GB 5310—2008 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規定值，其中爆管試樣低于標準規定值的幅度較對比管更大，力學性能均不符合標準要求。

2.2.3 顯微組織分析

對高溫過熱器管爆口裂紋尖端處母材及對比管樣母材，分別取切割環及鑲嵌樣進行金相組織分析。高溫過熱器爆口裂紋尖端母材金相照片見圖4、圖5和圖6，高溫過熱器對比管樣母材金相照片見圖7。

圖4 裂紋尖端形貌(放大200倍)

圖5 裂紋尖端附近母材組織(放大500倍)

圖6 裂紋尖端附近氧化皮形貌(放大100倍)

由爆管試樣可以看出：在爆口主裂紋附近管子外壁，有7條與主裂紋平行的小裂紋，主裂紋為沿晶開裂，在其尖端附近存在數條互不相連的蠕變微裂紋，裂紋邊緣有殘留氧化物痕跡，爆口裂紋尖端附近母材金相組織為貝氏體組織，貝氏體相位明顯分散，晶界變粗，晶界碳化物沿與應力垂直方向呈鏈狀分布，老化程度為完全老化，評級為4級。從顯微鏡下觀測，爆口附近外壁氧化皮厚度為227.4 mm,小于從爆管上脫落氧化皮厚度值，這是由于爆口附近管子外壁氧化皮受到蒸汽沖刷減薄所致。從上述特征看爆管性質為長期過熱造成的蠕變開裂。

對比管樣母材金相組織為貝氏體組織，晶界內碳化物粒子數量減少，尺寸粗化，晶界碳化物沿與應力垂直方向呈方向性分布，貝氏體位相已明顯分散，老化程度為中度老化，評級為3級。

3 受熱面壁溫超溫分析

3.1 各過熱器管屏及管子存在熱偏差

由于鍋爐運行條件的影響和各管屏或管子的設計結構不同，在機組低負荷及變負荷運行中某些管屏或管子工質的溫度和焓增量會超過整個管組的平均值，這就是熱偏差[1]。當熱偏差過高就會造成超溫、蠕脹及爆管。形成各過熱器管屏及管子熱偏差的原因有以下2個方面：

(1)各過熱器管屏及管子吸熱不均勻。

對于四角切圓鍋爐，在低負荷及變負荷運行時，爐膛出口處存在殘余的旋轉氣流[2]，致使爐膛出口的煙溫和煙速存在一定偏差，進而造成煙氣的溫度場和速度場分布不均勻，各個管屏或者管子所接受的爐膛出口水平煙道內的熱輻射及煙氣溫度有差別，進而造成管屏和管子所吸收的熱量不相同。

(2)管內流量不均勻。

對于各過熱器而言，蒸汽引入管、引出管與聯箱的接引方式不合理，聯箱內沿軸向壓力不相等，致使各個管屏和管子兩端的靜壓差不相等；各個管屏和管子的長度和彎頭不相同，致使管內工質流動的阻力也有很大的差別；吸熱不均使工質流速不均，各管的流動阻力不相等，造成流量不均。

3.2 低負荷及變負荷運行調整不當

(1)對于機組在低負荷及變負荷運行時，鍋爐燃燒調整不當，造成爐內火焰中心上移或偏斜。運行中不能根據調峰所需的用電負荷及燃燒的需要及時調整各層燃燒器的數量及配風，使火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，局部熱負荷過高，加大局部超溫的幅度；同層燃燒器各角一次風口的射流動量及風速不均勻，在機組調峰期間層間燃燒器燃燒熱功率偏差較大等造成風煤比的浮動增大，使爐內燃燒偏斜，使爐膛出口溫度場和速度場分布不均勻，加大了局部短時間超溫的可能。對于低負荷工作狀態下的鍋爐，由于投入的煤粉量較少，燃燒所需要的總風量也相應地減少，一、二次風速普遍降低，爐內燃燒的穩定性變差，這對煤粉氣流火焰配合要求較高發生著火不穩和火焰脈動的可能性大大增加。

(2)過熱蒸汽溫度調節采用兩級噴水減溫器，分別布置在過熱器前后。一級噴水減溫器為粗調，同時也起保護過熱器的作用；二級噴水減溫器為細調。但在快速升負荷調峰運行中為了保證蒸汽溫度穩定，經常用一級噴水減溫器調節汽溫來控制金屬壁溫，忽略了一級噴水減溫器前的蒸汽溫度前饋燃燒干預控制，是鍋爐低負運行超溫的主要原因之一。

3.3 低負荷運行水平煙道底部積灰

機組停運檢查發現，水平煙道的底部積灰相對較多，且沿爐膛寬度方向積灰的厚度存在不同程度差別，有的甚至沒過高溫再熱器最下部管排。機組在低負荷運行期間，煙氣量下降、煙氣流速相對降低，致使水平煙道底部積灰加劇，煙氣分配不均，造成煙氣溫差增大，加劇屏式過熱器左右側管壁溫度差增大。

4 改進措施

4.1 機組低負荷及變負荷運行調整

(1)在機組低負荷及變負荷運行時，燃燒工況的改變對汽溫有一定影響。對超溫嚴重的各過熱器管屏及管子，對鍋爐進行針對性較強的燃燒調整試驗，調整好鍋爐燃燒的配風及火焰中心高度，找出合理的運行方式，緩解超溫。

(2)在機組低負荷運行時，調整一、二級減溫水的比例。一級減溫器為粗調，噴水量決定于減溫器前的蒸汽參數，并保證屏式過熱器管壁溫度不超過允許值；二級減溫器為細調，控制過熱器的出口汽溫在額定值。控制好爐膛出口煙溫和管內蒸汽溫度并及時投入減溫裝置。

(3)調節燃燒風量，保持合理的風煤比。當機組低負荷運行時，應適當增大過量空氣系數，降低一次風率和風速，煤粉細度較細，盡量保持下排燃燒器的投運，合理的送、引風配比，可保護爐膛的負壓，建立良好的爐內空氣動力場和燃燒的穩定性，避免爐內溫度過高、火焰中心偏斜，造成過熱器的熱偏差增加，過熱器管局部超溫甚至爆管。

(4)在機組低負荷運行時，鍋爐的煙氣量下降、煙氣流速降低，造成水平煙道底部積灰加劇，可在水平煙道底部增設沿爐膛寬度方向的前后兩排吹灰槍。

4.2 進一步加強技術監督

在機組鍋爐大小修和停爐期間，對鍋爐各過熱器進行檢查和有關技術監督工作：

(1)更換出列變形管子，保證管材質量，確保受熱面管壽命。

(2)按設計要求整改分隔屏中間夾管預留間隙，U形管以上300 mm切除直管段300 mm，接管380 mm，保證預留間隙在35 mm以上，確保管排自由膨脹。

(3)嚴格按圖紙要求補齊脫落的活動夾塊，并嚴格檢修，保證焊接工藝質量、管排平整及膨脹自由。

(4)在機組低負荷及變負荷運行情況下，合理運用兩級噴水減溫器粗細調。

(5)檢查各過熱器管高溫區域的各管屏或者管子的氧化皮厚度，當氧化皮厚度超過0.6 mm時及時換管[1]。

(6)對各過熱器管屏或者管子的直管段脹粗測量，合金管外徑蠕脹變形不大于2.5%，低碳鋼管外徑蠕脹變形不大于3.5%，檢查管的外表面是否有宏觀裂紋，微觀檢查是否有蠕變裂紋，有裂紋時更換。

(7)對各過熱器監測點進行割管鑒定，進行金相組織分析和力學性能試驗。

(8)檢查并清理各過熱器管屏或者管子積灰、結垢，保證管排受熱均勻。

5 結語

針對機組在低負荷及變負荷運行時，分隔屏過熱器管出列變形、超溫及蠕脹，后屏過熱器管超溫，以及高溫過熱器管爆管的問題，對高溫過熱器管進行材質分析、力學性能分析和金相顯微組織分析，找出低負荷運行時各過熱器管屏及管子存在熱偏差、運行調整不當、水平煙道底部積灰影響各過熱器管的超溫爆管原因，進一步提出了機組在低負荷和變負荷時運行調整及停爐期間的技術監督，超溫及爆管現象明顯好轉，為機組安全經濟運行提供了保證。