趙志宏, 付喜亮, 劉　吉，史艷強，劉文毅

(1. 內蒙古京隆發(fā)電有限責任公司， 內蒙古豐鎮(zhèn)012100；2. 華北電力大學 國家火力發(fā)電工程技術研究中心，北京102206)

爐內壁溫測點的應用及分析

趙志宏1, 付喜亮1, 劉吉1，史艷強1，劉文毅2

(1. 內蒙古京隆發(fā)電有限責任公司， 內蒙古豐鎮(zhèn)012100；2. 華北電力大學 國家火力發(fā)電工程技術研究中心，北京102206)

摘要：京隆發(fā)電公司600 MW機組鍋爐受熱面溫度測點取自爐頂大罩殼內，這種方法并不能很好反映爐內管壁實際溫度變化趨勢與爐內實際溫度，尤其是易超溫的管壁。針對此種情況，文章對鍋爐運行中容易超溫的受熱面管壁加裝了爐內壁溫測點，并通過機組啟動、正常運行、滑停過程以及停爐通風冷卻過程中的爐內外壁溫對比分析，證明爐內測點能夠很好反映爐內管壁實際溫度及其變化趨勢，能夠為正常運行提供有益的指導。

關鍵詞：爐內壁溫；爐外壁溫；管壁；受熱面；鍋爐

中圖分類號:TK311

文獻標識碼:??碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.011

收稿日期：2015-09-30。

作者簡介：趙志宏(1974-)，男，工程師，從事電廠鍋爐及運行管理工作，E-mail: zhaozhihong@jinglongpower.com。

Abstract：The temperature sensor of 600 MW boiler heating surface of Jinglong Power Plant was usually installed in the ceiling of the boiler, where the temperature sensor cannot truly feedback the actual temperature changing trend of the furnace wall or the actual temperature of the furnace. Thus, the heating surface is easy to get overheated. In view of the present situation, some temperature sensors are installed on the furnace heating surface, which used to be easily overheated in the normal operation. Through the comparison analysis of the internal and external wall temperatures of the furnace in the process of the unit start-up, normal operation, sliding parameter shutdown and the furnace ventilation cooling, it is found that those temperature sensors inside the boiler can reflect the actual temperature and its changing trend. Accordingly, it can provide useful guidance for the normal operation.

Keywords：the furnace wall temperature；outer furnace wall temperature；tube wall；heating surface；the boiler

0引言

近年來，大中型燃煤電廠中發(fā)生事故最多的是鍋爐，鍋爐事故約占總事故的70 %，其中最多的是“四管爆漏”，約占鍋爐事故的60 %～70 %[1]，其中過熱器與再熱器所占比例最大。而且一旦發(fā)生超溫爆管，不僅要損失大量工質和燃料，影響機組的經(jīng)濟性，還容易引起群體效應，成片受熱面受傷，影響機組的安全性，并沖擊電網(wǎng)穩(wěn)定性[2]。因此，對于爐管性能的研究尤為重要，其中管壁金屬溫度是影響爐管性能的主要因素， 也是開展爐管狀態(tài)評估和安全性評價工作的關鍵指標。目前， 通常是將熱電偶安裝在爐頂大罩殼內監(jiān)測爐外出口段的金屬壁溫， 因為熱電偶的安裝、 可靠性及使用壽命等原因很少對爐內段金屬壁溫進行監(jiān)測。而爐內金屬壁溫一般采取在爐外測量值的基礎上加上一固定值的近似方法進行簡化估算[3]， 這種方法雖然提高了工程應用的效率， 但并未反映出爐內管壁溫度的真實水平及其與負荷及主汽壓力之間的關系，同時也影響了受熱面評估的準確性。因此，本文中對鍋爐運行中容易超溫的受熱面管壁加裝了爐內壁溫測點，并通過對機組啟動、正常運行、滑停過程以及停爐通風冷卻的三個典型過程中的爐內外壁溫對比分析，驗證爐內的溫度變化趨勢可以更好的對爐管狀態(tài)進行評估，同時對機組的正常運行有指導意義。

1設備概況

京隆發(fā)電公司600 MW亞臨界空冷機組，鍋爐型號為SG2059-17.5-M915型的控制循環(huán)、四角切向燃燒、一次中間再熱、固態(tài)排渣的Ⅱ型汽包爐[4]。在爐內延煙氣流向分別布置著分隔屏過熱器、后屏過熱器、屏式再熱器、末級再熱器和末級過熱器等，出口蒸汽參數(shù)為17.5 MPa/540 ℃/540 ℃。配備6臺中速磨煤機，布置在爐前。2013年進行了低氮燃燒器和脫硝改造，在改造時為了便于監(jiān)視和控制管壁溫度，對運行中易超溫的爐內受熱面管增加了爐內溫度測點。

2安裝爐內壁溫測點的必要性

一般管壁溫度的測量方法是將熱電偶安裝在爐頂大罩殼內監(jiān)視爐外出口段的金屬溫度，爐內金屬壁溫采取在爐外測量值的基礎上加上一固定值的近似方法進行簡化估算，但大量的失效案例表明，爐內管子的實際運行溫度水平并不像設計計算書上所說的按爐外管壁監(jiān)測溫度加30～50 ℃簡單疊加即可，因爐膛出口煙氣殘余旋轉和燃燒器的組合情況等，導致的煙溫偏差，有的部位爐內管壁實際溫度要比爐外測量壁溫高60～80 ℃甚至更高，再加上爐內煙氣流量分布不均和不同部位管屏、管圈吸熱不均勻性、噴水減溫等因素導致爐內不同管屏(圈)、不同部位管子的實際金屬溫度水平差異很大。另外，由于爐頂大罩殼內管壁監(jiān)測溫度的滯后性也給鍋爐啟停操作、通風冷卻、運行調整時合理控制實際管壁金屬溫度帶來很大的困難，如監(jiān)視不當，極易發(fā)生短期超溫爆管。

京隆發(fā)電公司1號爐日常運行情況的統(tǒng)計來看，過熱器前分隔屏第5點、后屏過熱器61點及末級再熱器的21點對應管束存在超溫現(xiàn)象，由此可推斷其對應的爐內受熱管段溫度可能會更高，不利于鍋爐受熱面的壽命管理，也不利于鍋爐啟停的控制和正常運行調整，也可能由于調整不當滋生氧化皮并導致氧化皮脫落而爆管。因此，在這些存在經(jīng)常超溫的管段上加裝爐內壁溫測點對監(jiān)視鍋爐整體的運行工況、促進燃燒調整、控制啟停速度等起到積極作用，在爐內安裝壁溫測點可以解決以下主要問題:

(1)對于大容量煤粉鍋爐其爐內煙氣溫度分布較為復雜,利用爐內壁溫測量值可修正壁溫計算值。

(2)利用爐內、外壁溫測點,可以研究大容量鍋爐受熱面煙氣流量及溫度的分布,可為爐內壁溫的準確把握提供試驗數(shù)據(jù)。

(3)對于鍋爐啟停、升降負荷、燃燒器組合、吹灰器投運等變工況過程中，通過對爐內壁溫的監(jiān)視，為研究鍋爐變工況過程中受熱面的壁溫分布情況及對異常分析提供依據(jù)。

(4)在鍋爐大幅的變工況運行時，通過對爐內壁溫測溫點的變化趨勢及幅度監(jiān)視，提前判斷鍋爐受熱情況，及時采取措施，防止受熱面超溫及汽溫、壁溫大幅度波動，確保鍋爐安全穩(wěn)定運行。

3安裝位置和方法

3.1安裝位置的確定

爐內安裝壁溫測點，一般應在過熱器、再熱器吸熱偏差較大的管屏安裝，為了掌握受熱面爐內壁溫沿寬度方向的分布情況，在較小吸熱偏差的管屏處也應適當安裝爐內壁溫測點[5]。京隆發(fā)電公司根據(jù)爐內高溫煙氣的流向及日常運行的超溫情況，選擇在前分隔屏、后屏過熱器及末級再熱器上安裝爐內壁溫測點，具體如表1所示。

根據(jù)表1爐內溫度測點統(tǒng)計的示意圖如圖1所示。

表1　爐內溫度測點安裝統(tǒng)計

圖1　爐內溫度測點位置示意圖

3.2　安裝方法

因爐內溫度高約1 000 ℃，因此選擇能耐高溫1 200 ℃的鎳鉻鎳硅材料熱電偶，以防止高溫下壽命的縮短。同時為了減少煙氣沖刷和磨損，延長測量裝置的使用壽命，選用了鎧裝型熱電偶對爐內壁溫進行測量，在日常壁溫較高的管壁背火側距爐頂2 500 mm～3 000 mm的位置焊接加裝集熱塊，再通過整體焊接的金屬套管將電偶絲穿過爐頂棚引出，如圖1所示。在安裝前，對對應的管子進行了拋光，并使熱電偶套管緊貼管子外壁，有利于管子內部的蒸汽對熱電偶的冷卻，在安裝結束后進行了滲透探傷，確保焊縫沒有裂紋、氣孔等缺陷。最終將測量數(shù)據(jù)引至DCS進行監(jiān)視，并同步引入SIS系統(tǒng)，生成數(shù)據(jù)庫，便于監(jiān)視和分析。

圖2　爐內溫度測點安裝示意圖

4應用效果及分析

為了檢驗其效果和實際投運意義，調取了鍋爐的啟動、正常運行、滑停及停爐后冷卻等幾個階段的曲線，進行分析研究。

4.1　啟動過程

4.1.1 機組啟動時的相關參數(shù)

機組啟動并網(wǎng)前升壓過程中測取前分隔屏5點爐內外的溫度和后屏61點爐內外的溫度,整理數(shù)據(jù)得到表2。

表2　機組啟動并網(wǎng)前升壓過程爐內外壁溫對比

機組啟動并網(wǎng)后升負荷過程中側取前分隔屏5點爐內外的溫度和后屏61爐內外溫度，整理數(shù)據(jù)得到表3。

表3　機組啟動并網(wǎng)后升負荷過程爐內外壁溫對比

4.1.2鍋爐啟動時的相關曲線

根據(jù)鍋爐啟動時，分析表2中的數(shù)據(jù)繪制分隔屏5點爐內外溫度對比曲線，如圖3所示。

1—分隔屏爐內溫度(℃)；2—分隔屏爐外溫度(℃)；3—主汽壓力(MPa)；4—機組負荷( MW)圖3　鍋爐啟動分隔屏5點爐內外溫度對比圖

根據(jù)鍋爐啟動時，分析表3中的數(shù)據(jù)繪制后屏61點爐內外溫度對比曲線，如圖4所示。

1—后屏爐外溫度(℃)；2—后屏爐內溫度(℃)；3—主汽壓力(MPa)；4—機組負荷( MW)圖4　鍋爐啟動后屏61點爐內外溫度對比圖

4.1.3 鍋爐啟動時的壁溫分析

(1)鍋爐點火啟動，隨著壓力和溫度的上升，管壁溫度隨之上升，但點火初期到壓力5 MPa時，爐內壁溫較爐外壁溫高，最高時可達145 ℃，主要原因為爐外測點布置于爐頂大罩殼內，反應較慢，存在一個導熱的過程。

(2)隨著沖車參數(shù)的臨近，汽溫高于沖車要求，投入減溫水，由于蒸汽流量較少，汽溫不易控制，因此汽溫出現(xiàn)鋸齒形波動。

(3)機組并網(wǎng)帶負荷后，隨著燃料的增加，爐內熱負荷增加，管壁溫度呈上升趨勢[6]。

(4)壁溫出現(xiàn)較大幅度波動的主要原因為與升負荷過程中啟磨的操作和減溫水量的控制有關。也就是通過調整可以控制壁溫的波動幅度，上述啟動操作有改進的空間，要求運行人員總結提高調整方法[6]。

(5)由表2、表3可知，鍋爐在點火初期，低負荷時，鍋爐內外壁溫偏差較大，說明爐內煙氣流量及溫度分布不均勻，在機組啟動過程中可以監(jiān)視爐內外溫差，從而調整燃燒及升溫升壓速度，防止發(fā)生局部超溫現(xiàn)象。

4.2　機組正常運行

4.2.1機組正常運行時相關參數(shù)

機組正常運行時，中路內外壁不同測溫點的壁溫數(shù)據(jù)對比，如表4所示。

表4　機組正常運行過程中路內外壁溫對比

4.2.2機組正常運行時的相關歷史曲線

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，整理后分別繪制鍋爐正常運行時分隔屏5點，后屏61點和末再21點的爐內外溫度對比曲線，分別如圖5，圖6和圖7所示。

1—前分隔屏爐內溫度(℃)；2—前分隔屏爐外溫度(℃)； 3—機組負荷( MW)圖5　鍋爐正常運行分隔屏5點爐內外溫度對比圖

1—后屏爐內溫度(℃)；2—后屏爐外溫度(℃)； 3—機組負荷( MW)圖6　鍋爐正常運行后屏61點爐內外溫度對比圖

1—末再爐內溫度(℃)；2—末再爐外溫度(℃)； 3—機組負荷(MW)圖7　鍋爐正常運行末再21點爐內外溫度對比圖

4.2.3機組正常運行時的爐內外壁溫分析

(1)由上可以看出，在機組正常運行時爐內壁溫與爐外壁溫運行一致，不隨機組負荷的高低、煙氣量或蒸發(fā)量的變化而大幅波動。說明無論負荷高低，爐內換熱平衡，且爐內測點安裝可靠穩(wěn)定，具有監(jiān)視價值。

(2)所有測點的運行情況可以看出，爐內壁溫要高于爐外壁溫。其中分隔屏壁溫在運行中爐內較爐外一般高18 ℃左右，最大偏差58 ℃；后屏過熱器爐內較爐外壁溫高12～30 ℃；末級再熱器壁溫爐內較爐外高11 ℃左右。即單純的監(jiān)視爐外壁溫來判斷管壁是否超溫存在局限性[6]。

(3)從歷史曲線可以看出，再熱器無論是爐內還是爐外壁溫，偏差較恒定，且波動幅度較小；而分隔屏和后屏過熱器爐內外壁溫波動幅度較大。說明對流區(qū)域的受熱面的煙氣分布基本均衡，運行工況較為穩(wěn)定，半輻射區(qū)域受熱面壁溫是受爐內著火工況的影響而出現(xiàn)了波動。

(4)前分隔屏爐內外壁溫存在偏差大和超過運行規(guī)定值(500 ℃)的現(xiàn)象，說明爐內火焰中心偏高或二次風配比不當造成火焰上飄，預警運行人員應進行相應燃燒調整。

4.3　機組滑停及停爐后的冷卻

4.3.1機組滑停及冷卻時相關參數(shù)

機組滑停及冷卻時，測取機組停機解列前降負荷過程爐內外壁溫的變化，整理數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　機組停機解列前降負荷過程爐內外壁溫對比

機組滑停及冷卻時，測取機組停機解列后鍋爐冷卻降壓過程爐內外壁溫的變化，整理數(shù)據(jù)如表6所示。

表6　機組停機解列后鍋爐冷卻降壓過程爐內外壁溫對比

4.3.2機組滑停及冷卻時的相關歷史曲線

根據(jù)表5和表6中的數(shù)據(jù)，繪制機組滑停及冷卻時分隔屏5點和后屏61點的爐內外溫度對比曲線，如圖8和圖9所示。

1—前分隔屏爐外溫度(℃)；2—前分隔屏爐內溫度(℃)；3—主汽壓力(MPa)；4—機組負荷(MW)圖8　機組滑停及冷卻時分隔屏5點爐內外溫度對比圖

1—后屏爐外溫度(℃)；2—后屏爐內溫度(℃)；3—主汽壓力(MPa)；4—機組負荷(MW)圖9　機組滑停及冷卻時后屏61點爐內外溫度對比圖

4.3.3機組滑停及冷卻時的爐內外壁溫分析

(1)隨著機組負荷的降低，爐內外壁溫逐漸接近一致，待負荷到零，鍋爐熄火后，爐內壁溫開始低于爐外壁溫。

(2)爐內壁溫下降較快時段為啟動引風機進行強制通風冷卻，強制冷卻時爐外壁溫沒有明顯變化，而爐內壁溫變化明顯，下降較快。第一次強制冷卻時間為2 h，爐內壁溫下降37 ℃，平均下降18.5 ℃/h，第二次強制冷卻時間為7 h 25 min，平均下降速度為13.8 ℃/h，符合規(guī)程規(guī)定的冷卻時間，對受熱面沒有安全威脅。

(3)鍋爐在密閉冷卻和自然通風冷卻時段內，爐內外壁溫下降趨勢基本一致，說明鍋爐本體保溫和大罩殼內保溫良好，汽水系統(tǒng)閥門無內漏，同時也說明自然通風冷卻與密閉冷卻效果基本相同，經(jīng)分析主要是由于增加脫硝催化劑后煙風道阻力增加，自然通風效果不明顯。

5應用價值評估

(1)從上述歷史曲線的分析可知，爐內壁溫基本與爐外壁溫反應趨勢一致，正常運行時爐外溫度測點經(jīng)過折算后能夠反映爐內的實際管壁溫度。但遇到機組啟停、鍋爐冷卻等過程就不能夠很好的反映爐內實際管壁溫度，也就是單純靠爐外壁溫說明金屬部件的超溫情況存在一定的局限性。

(2)爐內壁溫測點的安裝對于機組啟停的控制、通風冷卻、燃燒調整均有指導作用。可以根據(jù)爐內壁溫的上升和下降速度控制機組啟停時爐膛內部燃燒強度，控制機組停爐后鍋爐冷卻速度，以保證鍋爐設備的安全。

(3)機組在正常運行中，通過對爐內壁溫測點和爐外壁溫測點溫度的綜合分析，可以得到鍋爐整個受熱面煙氣溫度的分布情況，為運行調整提供一定依據(jù)[7]。

(4)對于爐內壁溫與爐外壁溫相差較大的管壁，如前分隔屏5點，運行中應結合爐內壁溫，合理控制管壁溫度，這樣能夠很好地防止鍋爐受熱面管壁超溫爆管，對鍋爐長周期安全穩(wěn)定運行有指導意義[8]。

(5)在安裝爐內壁溫測點后，對運行規(guī)程中壁溫的控制重新進行了完善和規(guī)定，將爐內壁溫納入控制范圍和考核體系，對防止鍋爐受熱面超溫爆管起到積極作用。

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Application and Analysis of the Furnace Wall Temperature Measuring Points

Zhao Zhihong1，F(xiàn)u Xiliang1，Liu Ji1，Shi Yanqiang1，Liu Wenyi2(1.Inner Mongolia Jing Long Power Generation Corporation Limited，F(xiàn)engzhen 012100，China；2. National Thermal Power Research Center，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)