深度調峰下的鍋爐水冷壁上集箱裂紋解決方案

吳銘軒，董清梅，溫 立

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

為加快可再生能源發(fā)展，大力發(fā)展清潔能源已成為中國電力發(fā)展的重點。但由于風電、光伏發(fā)電等清潔能源自身的特性，其不具備調峰的能力，可能給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來負面影響。因此，國家發(fā)改委、國家能源局于2016年發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確提出全面推動煤電機組靈活性改造，承擔電網(wǎng)的調峰任務。

提高燃煤機組深度調峰能力，主要有以下幾方面的考量：水動力安全性問題；低負荷下穩(wěn)燃問題；煙氣側及蒸汽側的偏差問題；受熱面積灰問題；鍋爐輔機的適應性問題；鍋爐控制保護控制策略等[1-2]。

鍋爐水冷壁上集箱在負荷變化快、壁溫偏差大時本就易出現(xiàn)管接頭裂紋，該文主要針對低負荷下此情況做一些分析討論，為深度調峰時容易出現(xiàn)的水冷壁上集箱管接頭裂紋提供改造思路。

1 裂紋狀況分析

裂紋主要出現(xiàn)在前、側水冷壁上集箱管接頭焊縫區(qū)域，一般為橫向裂紋，詳見圖1，暫無后水冷壁上集箱出現(xiàn)裂紋的報告。

圖1 管接頭裂紋現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Scene photo of nozzle cracks

裂紋的總體分布具有一定的規(guī)律性，一般集中在爐膛的四個角，具體為前水冷壁靠爐兩側、側水冷壁靠爐前后的位置，詳見圖2。

圖2 管接頭裂紋高發(fā)區(qū)分布Fig.2 Distribution of high incidence area of nozzle cracks

裂紋的具體分布也具有一定的規(guī)律性，一般與集箱的軸向同向，即前水冷壁上集箱管接頭的裂紋分布在管接頭的左側或右側，側水冷壁上集箱管接頭的裂紋分布在管接頭的前側或后側。 裂紋情況嚴重的電廠，甚至出現(xiàn)上百道裂紋[3-4]。

2 裂紋原因分析

造成裂紋的根本原因在于集箱與管屏間存在脹差。因為水冷壁管屏吸收爐膛煙氣熱量，必然與大包內(nèi)的集箱存在溫差，這就導致水冷壁管屏與集箱的膨脹量不同，當兩者脹差超出現(xiàn)有結構能承受的上限時，管接頭根部作為整個結構中剛性較大的位置，率先出現(xiàn)裂紋[5-6]。此種裂紋情況主要由以下幾方面原因造成。

1)機組頻繁啟停、機組負荷波動頻繁。此類工況下集箱與管屏間的溫差遠遠超過正常運行工況，鍋爐長期在這類工況下運行，管接頭可能在短時間內(nèi)即會出現(xiàn)裂紋。如圖3所示，當鍋爐快速升溫時，爐膛吸熱量增加較快，導致水冷壁管屏膨脹量較大，而位于爐頂大包內(nèi)的集箱溫升速度跟不上水冷壁管屏的溫升速度，所以集箱自身軸向膨脹量較小，兩者產(chǎn)生較大的膨脹差，容易在管接頭根部產(chǎn)生面向膨脹中心的裂紋；鍋爐快速降溫時，爐膛吸熱量急劇減少，導致水冷壁管屏收縮量較大，而集箱在大包內(nèi)溫差變化不大，管接頭根部收縮量較小，兩者產(chǎn)生較大的膨脹差，容易在管接頭根部產(chǎn)生背向膨脹中心的裂紋[7-8]。這就解釋了裂紋具體分布的規(guī)律性。

圖3 機組啟停時水冷壁的膨脹與收縮Fig.3 Expansion and shrinkage of water wall during start and stop of unit

2)爐內(nèi)燃燒流場及熱負荷分布不均。受燃燒器噴口角度、一次風未調平、二次風及燃盡風配風調整不到位等可能因素的影響，尤其是切圓燃燒的爐型，將會影響爐內(nèi)空氣流場的分布情況，導致爐內(nèi)熱負荷分布偏差，造成水冷壁壁溫偏差。如圖4所示，若整個燃燒切圓向爐左側偏移，則會使爐內(nèi)熱負荷呈左高右低的分布。左墻壁溫整體偏高，則集箱與管屏的脹差增大，同時管接頭許用應力降低，顯然左墻更容易出現(xiàn)管接頭裂紋。

圖4 某電廠運行時的燃燒切圓Fig.4 Combustion tangent circle during operation of a power plant

3)水冷壁集箱偏長。常規(guī)設計中，水冷壁集箱一般為通長的集箱，水冷壁集箱越長，則集箱端部距離鍋爐膨脹中心越遠，相同溫度下集箱端部的脹差比其他位置更大，便越容易出現(xiàn)裂紋，這就解釋了裂紋總體分布一般集中在爐膛四個角的規(guī)律性。

4)水冷壁與集箱連接位置的無鰭片管長度偏短。如圖5所示，考慮到鍋爐密封結構，鰭片截止位置一般在頂棚管以上，因此無鰭片管長度偏短，鰭片管的剛性顯然大于無鰭片管，無鰭片管長度偏短，柔性偏低，以至于不足以吸收溫度偏差(即水冷壁管屏與水冷壁上集箱之間的溫差)引起的溫度應力，則可能導致管接頭根部出現(xiàn)裂紋。后水冷壁上集箱未反饋過出現(xiàn)裂紋，也與后水冷壁均為吊掛管散管接集箱有關，管接頭柔性足夠。

圖5 水冷壁上集箱無鰭片區(qū)域Fig.5 Fin-free area of furnace upper header

5)制造安裝過程中存在偏差。由于制造及安裝誤差，可能存在強制對口甚至折口，當安裝完成時整個結構中已經(jīng)存在較大的安裝預應力，此預應力最后集中在剛度較大的上集箱管座焊縫處，導致此處產(chǎn)生疲勞裂紋。

3 低負荷下運行問題

鍋爐低負荷運行過程中，實際運行情況與設計參數(shù)會出現(xiàn)較大偏差，燃燒器投運方式的不同，機組輔機的運行波動及其他不可預見性情況均會使爐內(nèi)熱流密度發(fā)生變化。鍋爐低負荷工況運行時，水冷壁各回路質量流速相比于滿負荷運行會出現(xiàn)較大的偏差。

機組在深度調峰時將處于濕態(tài)運行，水冷壁中間集箱內(nèi)的工質處于汽水混合物的兩相狀態(tài)。一方面，工質在兩相的狀態(tài)下通過水冷壁中間集箱時容易造成流量分配不均，造成垂直水冷壁的壁溫出現(xiàn)較大的波動，極易造成垂直水冷壁的超溫，另一方面，在低負荷下，燃燒不穩(wěn)定，爐內(nèi)熱負荷偏差加劇，這就更加加重了垂直水冷壁的流量分配及壁溫波動[2]。

對于上述原因分析中的1)、2)，低負荷工況下情況將更為惡劣，這就導致了水冷壁與集箱間的膨脹更為復雜，局部脹差更大，管接頭更容易出現(xiàn)裂紋。電廠深度調峰時，常規(guī)設計已無法滿足要求，部分改造后的電廠甚至仍出現(xiàn)了管接頭裂紋，因此，針對有深度調峰需求的機組，應在設計初期即會對上述原因分析中的3)、4)給予考慮。對于在運行的機組，做深度調峰改造時也有必要同時對水冷壁上集箱進行改造。

4 解決方案

1)嚴格控制鍋爐啟停速度，嚴格按鍋爐運行說明書及相關規(guī)程執(zhí)行，減小集箱與管屏的溫差。

2)燃燒調整，防止爐內(nèi)燃燒流場及爐內(nèi)熱負荷分布導致水冷壁局部壁溫偏高甚至超溫。

3)低負荷運行時，盡量投運靠上層磨。對水冷壁整體壁溫的控制以及對壁溫偏差的控制，都是有利的。

4)前、側水冷壁上集箱分段設計，可減小管屏與集箱的累積脹差，增加安全裕量。

5)增加水冷壁與集箱間的無鰭片管長度，可提高管接頭柔性，增加安全裕量。一般對于已運行機組，可切割鰭片，增加密封材料或密封盒，對于新設計機組，可降低鰭片高度，并調整相應密封結構。

6)嚴格控制安裝質量，避免強制對口甚至折口，以消除安裝應力。

5 結 語

國內(nèi)超臨界及以上機組運行以來，水冷壁上集箱管接頭產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象較為普遍。通過上述分析，給多個電廠提供了解決方案及運行建議，能有效解決該問題。不過鑒于當前國內(nèi)火電機組深度調峰的全面推動，該問題必然將更為突出。因此，建議在役機組在做深度調峰改造時，有必要同時對水冷壁上集箱進行優(yōu)化，并全面結合上述推薦方案，通過集箱改造、運行控制等多種手段相結合，以解決該問題。