李兆祥

(華能羅源發(fā)電有限責任公司，福建 福州 350000)

近年來，大型鍋爐“四管爆漏”造成的事故越來越多。據(jù)統(tǒng)計，鍋爐事故中的60%～70%為“四管爆漏”所致，“四管爆漏”已經(jīng)成為大中型燃煤機組非正常停機的首要原因。在“四管爆漏”事故中末級過熱器超溫爆管所占比例較大[1-3]。雖然目前大型鍋爐末級過熱器已采用Super304H、HR3C等更耐高溫的奧氏體耐熱鋼[4-5]，但運行中熱偏差過大仍會使熱負荷偏大的管子壁溫超過材料許用溫度而發(fā)生超溫爆管。文獻[6]指出HR3C管材壁溫超過許用溫度10 ℃，其使用壽命將由1.0×105h降至6.7×104h，壽命縮短33%。由此可見，運行過程中控制管子壁溫，特別是掌握末級過熱器區(qū)域高溫管屏所在位置以及屏中危險管的爐內(nèi)壁溫水平至關(guān)重要。目前，大型鍋爐通過在末級過熱器管屏安裝爐內(nèi)測溫點來判斷該區(qū)域熱負荷分布情況，從而能夠及時采取措施，控制末級過熱器壁溫。然而爐內(nèi)壁測溫點所處工作環(huán)境極為惡劣，長期受到高溫煙塵和高速氣流沖擊，容易出現(xiàn)故障。在實際生產(chǎn)過程中，常發(fā)生熱電偶損壞后無法更換，從而影響爐內(nèi)溫度監(jiān)測，給鍋爐安全運行帶來極大威脅?；诖?，有必要建立末級過熱器爐內(nèi)外壁溫關(guān)系，一旦爐內(nèi)測點發(fā)生故障，仍可利用爐外壁溫對爐內(nèi)壁溫進行監(jiān)視。

目前關(guān)于爐內(nèi)壁溫與爐外壁溫以及負荷等參數(shù)間的關(guān)系研究主要針對∏型爐，而在塔式爐上的應用與研究，文獻鮮有報道。因此，有必要通過研究建立塔式鍋爐在不同運行工況下爐內(nèi)壁溫與爐外壁溫的對應關(guān)系，為該類鍋爐末級過熱器管壁溫度監(jiān)測以及壽命診斷提供參考。

1 鍋爐概況

某電廠建設(shè)2臺660 MW超超臨界參數(shù)變壓運行由螺旋管圈、單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的塔式爐，其主要參數(shù)設(shè)計如表1所示。

表1鍋爐主要技術(shù)參數(shù)
Table1Main technical parameters of boiler

參 數(shù)BMCRBRL主蒸汽流量/(t·h-1)2025.501929.10主蒸汽溫度/℃605.00605.00主蒸汽壓力(表壓)/MPa29.3029.30再熱器進口壓力(表壓)/MPa5.855.54再熱器進口溫度/℃361.00366.00再熱器出口壓力(表壓)/MPa5.685.38再熱器出口溫度/℃623.00623.00再熱蒸汽流量/(t·h-1)1692.201605.70給水溫度/℃305.70302.00

注：BMCR為鍋爐最大連續(xù)出力工況；BRL為鍋爐額定出力工況。

鍋爐給水由爐前管道依次流經(jīng)一級省煤器、二級省煤器，匯合在水冷壁下集箱；然后螺旋進入爐膛四周螺旋段水冷壁，經(jīng)水冷壁過渡連接管引至水冷壁中間集箱；經(jīng)中間集箱混合后再由連接管引出，經(jīng)過渡段形成中部垂直段水冷壁；水在水冷壁內(nèi)吸熱形成汽水混合物，匯集至水冷壁上集箱，通過水冷壁引出管引入到汽水分離器，在汽水分離器內(nèi)進行汽水分離。從汽水分離器引出的蒸汽依次流過一級過熱器進口段、懸吊管過熱器、屏式過熱器、二級過熱器和末級過熱器，然后通過主蒸氣管道送出，其受熱面布置如圖1所示。由圖1可知，爐膛出口高溫煙氣依次流過屏式過熱器、末級過熱器、末級再熱器、二級過熱器、一級再熱器、二級省煤器、一級過熱器進口段以及SCR出口布置的一級省煤器。

2 爐內(nèi)外壁溫測量

本鍋爐的末級過熱器管屏共20片，沿爐膛寬度均勻布置，其橫向節(jié)距為960 mm，縱向節(jié)距為60 mm。每片管屏有40根管子組成，將管屏自下而上編號，則1號管表示最外圈管，40號管為最內(nèi)圈管；1～10號管以及40號管的水平段在爐膛寬度方向較短形成一個矮胖型U型管組，11～39號管則在爐膛寬度方向伸展為瘦長型U型管組，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 受熱面布置圖Fig.1 Layout of the heating surface

圖2 末級過熱器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural diagram of final superheater

為了了解末級過熱器爐內(nèi)外壁溫的關(guān)系以及沿爐膛寬度方向熱負荷分布情況，在左起第5片、第8片、第12片、第15片管屏的第40根管子的外壁分別裝設(shè)爐內(nèi)外壁溫測點以及在第5、第15片管屏所有管子出口處裝設(shè)爐外壁溫測點，采用鎧裝型熱電偶進行測量。爐內(nèi)壁溫測點的熱電偶通過保護套管穿過水冷壁鰭片引出，與爐外測點的熱電偶沿線盒一起引至鍋爐壁溫數(shù)據(jù)采集控制柜。采集數(shù)據(jù)引入DCS，并同步存入MIS系統(tǒng)中的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫。

3 結(jié)果及分析

末級過熱器左起第5片、第8片、第12片、第15片管屏的第40根管子測得的爐內(nèi)外壁溫與機組負荷間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，各屏爐內(nèi)外壁溫隨機組負荷變化規(guī)律相同，均呈先上升后下降再上升的趨勢，但爐內(nèi)壁溫的波動幅度較大。其中機組負荷升至270 MW時，各屏爐內(nèi)壁溫均達到一個小高峰；進一步增加負荷，各屏壁溫開始下降，至400 MW時壁溫又開始上升，滿負荷時壁溫達到峰值?？梢姡拓摵蓵r末級過熱器壁溫甚至超過高負荷時的壁溫。文獻[7]認為這種現(xiàn)象與機組啟動調(diào)整過程中負荷的波動幅度較大、風量過小、風速過快以及工質(zhì)流量過小等有關(guān)，本文在分析本鍋爐運行數(shù)據(jù)后，認為本鍋爐末級過熱器出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是由于低負荷時工質(zhì)流量偏小以及運行方式改變造成的。從圖3還可以看出，無論負荷高低，末級過熱器左起第5片屏的爐內(nèi)外壁溫最低，第15片屏的爐內(nèi)外壁溫最高，呈現(xiàn)出明顯的“左低右高”現(xiàn)象。同時，查閱運行記錄也發(fā)現(xiàn)末級過熱器右側(cè)出口蒸汽溫度明顯高于左側(cè)，二者相差約為10 ℃。由此可見，末級過熱器區(qū)域熱負荷分布存在明顯差異，這可能由以下原因所致：一、爐膛出口存在一定程度的煙氣殘余旋轉(zhuǎn)；二、四個角風速不均造成火焰中心偏斜；三、燃燒器在制造、安裝、調(diào)試過程中產(chǎn)生偏差導致運行中火球不居中?；诖?，為了有效減輕甚至消除管屏間溫度差異，一方面通過水冷壁出口壁溫、各級高溫受熱面左右側(cè)溫升判斷火焰中心偏斜程度以便及時調(diào)整四個角配風來糾正火焰中心位置；另一方面當火焰中心居中后，通過調(diào)整SOFA水平擺角和風門開度，消減煙氣殘余旋轉(zhuǎn)動量。

a 外壁溫 b 內(nèi)壁溫圖3 不同負荷下末級過熱器管屏的最內(nèi)圈管測得的內(nèi)外壁溫分布Fig.3 The inner and outer wall temperature distribution measured by the innermost tube of the final superheater under different loads

比較圖3a和圖3b，可知各屏的第40根管子測得的爐內(nèi)壁溫均高于爐外，二者溫差見表2。由表2可知，不同管屏的同根管子在不同負荷下的爐內(nèi)外壁溫差均不同，但在一定范圍內(nèi)波動；滿負荷時，各屏爐內(nèi)外壁溫差達到最大，其中又以第15片屏偏差最大，達45 ℃。因此，一旦爐內(nèi)測點發(fā)生故障，在爐外壁溫的基礎(chǔ)上加上50 ℃可估算末級過熱器爐內(nèi)壁溫，且具有一定的安全裕度，這與文獻[8-9]研究結(jié)果一致。但滿負荷時，爐內(nèi)溫度最高測點(第15屏)所對應的爐外壁溫僅為590℃，明顯低于當時主汽溫度，排除測量熱電偶故障，主要考慮該測點可能安裝在同屏管中溫度較低的管子上。為此，分別對滿負荷時末級過熱器左起第5、第15片屏爐外壁溫測點數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖4所示。由圖4可知，最內(nèi)圈管子壁溫最低，最外圈管子壁溫非最高，壁溫最高的是第27號管，同屏管間最大偏差可達20 ℃。顯然，同屏管間存在明顯的熱偏差，爐內(nèi)測點所在位置不一定是壁溫最高處。在現(xiàn)有運行方式下要重點監(jiān)控第15片屏第27號管的爐外壁溫，該管爐內(nèi)壁溫可按爐外壁溫加50 ℃來確定，即可對末級過熱器區(qū)域管壁溫度做到胸中有數(shù)，避免超溫和氧化垢過量生成。綜上可知，機組運行過程中，壁溫監(jiān)測需要爐內(nèi)外壁溫測點相互配合，以防爐內(nèi)測點所在位置不是熱負荷高的區(qū)域。

表2不同負荷下管屏的最內(nèi)圈管測得的爐內(nèi)外壁溫差
Table2Temperature difference between the inner andouter walls of the furnace measured by the innermosttube under different loads ℃

負荷/MW第5屏第8屏第12屏第15屏1502426303427032374340400232427355302527324066035424345

圖4 滿負荷時同屏管子溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the same panel of final superheater under full load

4 結(jié)論

通過對超超臨界660 MW塔式鍋爐末級過熱器爐內(nèi)外壁溫數(shù)據(jù)的對比分析，得出如下結(jié)論：

(1)機組運行過程中，要關(guān)注管屏以及同屏管間熱負荷分布情況，以便及時通過燃燒調(diào)整消除熱偏差。

(2)隨負荷變化，爐內(nèi)外壁溫變化趨勢相同，爐外壁溫經(jīng)估折算后能夠反映爐內(nèi)的實際管壁溫度。

(3)壁溫監(jiān)測需要爐內(nèi)外壁溫測點相互配合，以防爐內(nèi)測點所在位置不是熱負荷高的區(qū)域。