芮文明,魏健鵬,牛世斌
(1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院,蘭州 730070;2.中國(guó)鋁業(yè)蘭州分公司自備電廠,蘭州 730070)
近年來(lái),我國(guó)的火電機(jī)組逐漸向大容量的方向發(fā)展,要求機(jī)組參與50%額定負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行,因此機(jī)組面臨低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)鍋爐過(guò)熱器管壁超溫和爆管問(wèn)題,尋求相應(yīng)的技術(shù)手段來(lái)解決此類問(wèn)題是十分必要的。某廠鍋爐長(zhǎng)期在低負(fù)荷下運(yùn)行,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中卻出現(xiàn)了分隔屏過(guò)熱器及后屏過(guò)熱器超溫現(xiàn)象和高溫過(guò)熱器爆管現(xiàn)象,筆者分析了機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)段及變負(fù)荷時(shí)段運(yùn)行時(shí),鍋爐管壁超溫的原因。
某電廠1號(hào)鍋爐為某制造廠生產(chǎn)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(huán)汽包爐,采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式,設(shè)計(jì)燃料為煙煤,設(shè)計(jì)高溫過(guò)熱器出口壓力為17.50 MPa,設(shè)計(jì)高溫過(guò)熱器出口溫度為540 ℃,最大蒸發(fā)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(jī)組進(jìn)行了低氮燃燒器改造。分隔屏過(guò)熱器布置在爐膛頂部,沿爐膛寬度自左至右共4個(gè)大排管屏,每個(gè)管屏沿爐膛出口煙道深度方向,自前向后共有6個(gè)小片管屏,每個(gè)小片管屏有8根U形管,分隔屏管壁溫度報(bào)警值為495 ℃。后屏過(guò)熱器沿爐膛出口煙道寬度方向,自左至右共20個(gè)管屏,每個(gè)管屏有14根U形管,后屏管壁溫度報(bào)警值為578 ℃。高溫過(guò)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(zhì)為T(mén)23,高溫過(guò)熱器管壁溫度報(bào)警值為589 ℃。
近年來(lái),機(jī)組長(zhǎng)期在50%額定負(fù)荷運(yùn)行,早晚高峰負(fù)荷配合電網(wǎng)調(diào)峰,調(diào)峰范圍在50%~100%額定負(fù)荷,其間,分隔屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器出現(xiàn)頻繁超溫現(xiàn)象,造成高溫過(guò)熱器多次爆管。
分隔屏過(guò)熱器超溫及蠕脹情況見(jiàn)圖1、圖2和表1,后屏過(guò)熱器超溫情況見(jiàn)表2,高溫過(guò)熱器超溫情況見(jiàn)表3。
圖1 分隔屏過(guò)熱器出列變形
圖2 分隔屏過(guò)熱器管排夾管與排底部
表1 分隔屏過(guò)熱器管壁超溫情況
表2 后屏過(guò)熱器管壁超溫情況
表3 高溫過(guò)熱器管壁超溫情況
通過(guò)比較表1、表2、表3、圖1和圖2及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知,過(guò)熱器管壁超溫及蠕脹有如下特點(diǎn):
(1)分隔屏過(guò)熱器管壁超溫及蠕脹、后屏過(guò)熱器超溫時(shí),機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行(150 MW工況下)。
(2)活動(dòng)夾塊焊接質(zhì)量存在問(wèn)題,造成活動(dòng)夾塊脫落或分隔屏中間夾管預(yù)留間隙不夠(設(shè)計(jì)要求35 mm)管子膨脹受阻,出列管子熱輻射較正常狀態(tài)下增大,造成進(jìn)一步變形出列。
(3)分隔屏過(guò)熱器管壁溫度較高的部位主要集中在3號(hào)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(guò)熱器管壁溫度較高的部位主要集中在7~13號(hào)管屏由外至里第2根管子上。高溫過(guò)熱器管壁溫度較高的部位主要集中在27~69號(hào)管排由外至里第2根管子上。
宏觀檢查發(fā)現(xiàn)爆口位于高溫過(guò)熱器管彎管外彎沿軸向開(kāi)裂,爆口開(kāi)口長(zhǎng)度為61.9 mm,寬度為5.1 mm,肉眼可見(jiàn)爆口邊緣有5條平行裂紋,從爆口兩側(cè)邊緣測(cè)量管子外壁周長(zhǎng)為160 mm,折算管徑為51.96 mm,爆開(kāi)前爆口處管徑脹粗量很?。槐谂c徑向傾角約30°,對(duì)外壁脫落的氧化皮測(cè)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(nèi)壁氧化皮厚度平均為0.42 mm;爆口附近管外表面存在樹(shù)皮狀開(kāi)裂紋理,具有長(zhǎng)期超溫?cái)嗔押暧^特征,見(jiàn)圖3。
圖3 爆口宏觀
2.2.1 材質(zhì)分析
對(duì)高溫過(guò)熱器爆管及周邊對(duì)比管樣進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 高溫過(guò)熱器管化學(xué)成分 %
材質(zhì)分析結(jié)果顯示兩個(gè)試樣成分含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.2.2 力學(xué)性能分析
對(duì)高溫過(guò)熱器爆管及周邊對(duì)比管樣進(jìn)行力學(xué)性能分析,結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 高溫過(guò)熱器管力學(xué)性能分析
試驗(yàn)結(jié)果表明:2個(gè)試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均低于GB 5310—2008 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的規(guī)定值,其中爆管試樣低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的幅度較對(duì)比管更大,力學(xué)性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.2.3 顯微組織分析
對(duì)高溫過(guò)熱器管爆口裂紋尖端處母材及對(duì)比管樣母材,分別取切割環(huán)及鑲嵌樣進(jìn)行金相組織分析。高溫過(guò)熱器爆口裂紋尖端母材金相照片見(jiàn)圖4、圖5和圖6,高溫過(guò)熱器對(duì)比管樣母材金相照片見(jiàn)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(kāi)裂,在其尖端附近存在數(shù)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(yīng)力垂直方向呈鏈狀分布,老化程度為完全老化,評(píng)級(jí)為4級(jí)。從顯微鏡下觀測(cè),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(zhì)為長(zhǎng)期過(guò)熱造成的蠕變開(kāi)裂。
對(duì)比管樣母材金相組織為貝氏體組織,晶界內(nèi)碳化物粒子數(shù)量減少,尺寸粗化,晶界碳化物沿與應(yīng)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(píng)級(jí)為3級(jí)。
由于鍋爐運(yùn)行條件的影響和各管屏或管子的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同,在機(jī)組低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行中某些管屏或管子工質(zhì)的溫度和焓增量會(huì)超過(guò)整個(gè)管組的平均值,這就是熱偏差[1]。當(dāng)熱偏差過(guò)高就會(huì)造成超溫、蠕脹及爆管。形成各過(guò)熱器管屏及管子熱偏差的原因有以下2個(gè)方面:
(1)各過(guò)熱器管屏及管子吸熱不均勻。
對(duì)于四角切圓鍋爐,在低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí),爐膛出口處存在殘余的旋轉(zhuǎn)氣流[2],致使?fàn)t膛出口的煙溫和煙速存在一定偏差,進(jìn)而造成煙氣的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布不均勻,各個(gè)管屏或者管子所接受的爐膛出口水平煙道內(nèi)的熱輻射及煙氣溫度有差別,進(jìn)而造成管屏和管子所吸收的熱量不相同。
(2)管內(nèi)流量不均勻。
對(duì)于各過(guò)熱器而言,蒸汽引入管、引出管與聯(lián)箱的接引方式不合理,聯(lián)箱內(nèi)沿軸向壓力不相等,致使各個(gè)管屏和管子兩端的靜壓差不相等;各個(gè)管屏和管子的長(zhǎng)度和彎頭不相同,致使管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的阻力也有很大的差別;吸熱不均使工質(zhì)流速不均,各管的流動(dòng)阻力不相等,造成流量不均。
(1)對(duì)于機(jī)組在低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí),鍋爐燃燒調(diào)整不當(dāng),造成爐內(nèi)火焰中心上移或偏斜。運(yùn)行中不能根據(jù)調(diào)峰所需的用電負(fù)荷及燃燒的需要及時(shí)調(diào)整各層燃燒器的數(shù)量及配風(fēng),使火焰中心上移,爐膛出口煙溫升高,局部熱負(fù)荷過(guò)高,加大局部超溫的幅度;同層燃燒器各角一次風(fēng)口的射流動(dòng)量及風(fēng)速不均勻,在機(jī)組調(diào)峰期間層間燃燒器燃燒熱功率偏差較大等造成風(fēng)煤比的浮動(dòng)增大,使?fàn)t內(nèi)燃燒偏斜,使?fàn)t膛出口溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布不均勻,加大了局部短時(shí)間超溫的可能。對(duì)于低負(fù)荷工作狀態(tài)下的鍋爐,由于投入的煤粉量較少,燃燒所需要的總風(fēng)量也相應(yīng)地減少,一、二次風(fēng)速普遍降低,爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性變差,這對(duì)煤粉氣流火焰配合要求較高發(fā)生著火不穩(wěn)和火焰脈動(dòng)的可能性大大增加。
(2)過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用兩級(jí)噴水減溫器,分別布置在過(guò)熱器前后。一級(jí)噴水減溫器為粗調(diào),同時(shí)也起保護(hù)過(guò)熱器的作用;二級(jí)噴水減溫器為細(xì)調(diào)。但在快速升負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行中為了保證蒸汽溫度穩(wěn)定,經(jīng)常用一級(jí)噴水減溫器調(diào)節(jié)汽溫來(lái)控制金屬壁溫,忽略了一級(jí)噴水減溫器前的蒸汽溫度前饋燃燒干預(yù)控制,是鍋爐低負(fù)運(yùn)行超溫的主要原因之一。
機(jī)組停運(yùn)檢查發(fā)現(xiàn),水平煙道的底部積灰相對(duì)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(méi)過(guò)高溫再熱器最下部管排。機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行期間,煙氣量下降、煙氣流速相對(duì)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(guò)熱器左右側(cè)管壁溫度差增大。
(1)在機(jī)組低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí),燃燒工況的改變對(duì)汽溫有一定影響。對(duì)超溫嚴(yán)重的各過(guò)熱器管屏及管子,對(duì)鍋爐進(jìn)行針對(duì)性較強(qiáng)的燃燒調(diào)整試驗(yàn),調(diào)整好鍋爐燃燒的配風(fēng)及火焰中心高度,找出合理的運(yùn)行方式,緩解超溫。
(2)在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),調(diào)整一、二級(jí)減溫水的比例。一級(jí)減溫器為粗調(diào),噴水量決定于減溫器前的蒸汽參數(shù),并保證屏式過(guò)熱器管壁溫度不超過(guò)允許值;二級(jí)減溫器為細(xì)調(diào),控制過(guò)熱器的出口汽溫在額定值??刂坪脿t膛出口煙溫和管內(nèi)蒸汽溫度并及時(shí)投入減溫裝置。
(3)調(diào)節(jié)燃燒風(fēng)量,保持合理的風(fēng)煤比。當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),應(yīng)適當(dāng)增大過(guò)量空氣系數(shù),降低一次風(fēng)率和風(fēng)速,煤粉細(xì)度較細(xì),盡量保持下排燃燒器的投運(yùn),合理的送、引風(fēng)配比,可保護(hù)爐膛的負(fù)壓,建立良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)和燃燒的穩(wěn)定性,避免爐內(nèi)溫度過(guò)高、火焰中心偏斜,造成過(guò)熱器的熱偏差增加,過(guò)熱器管局部超溫甚至爆管。
(4)在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),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(shè)沿爐膛寬度方向的前后兩排吹灰槍。
在機(jī)組鍋爐大小修和停爐期間,對(duì)鍋爐各過(guò)熱器進(jìn)行檢查和有關(guān)技術(shù)監(jiān)督工作:
(1)更換出列變形管子,保證管材質(zhì)量,確保受熱面管壽命。
(2)按設(shè)計(jì)要求整改分隔屏中間夾管預(yù)留間隙,U形管以上300 mm切除直管段300 mm,接管380 mm,保證預(yù)留間隙在35 mm以上,確保管排自由膨脹。
(3)嚴(yán)格按圖紙要求補(bǔ)齊脫落的活動(dòng)夾塊,并嚴(yán)格檢修,保證焊接工藝質(zhì)量、管排平整及膨脹自由。
(4)在機(jī)組低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行情況下,合理運(yùn)用兩級(jí)噴水減溫器粗細(xì)調(diào)。
(5)檢查各過(guò)熱器管高溫區(qū)域的各管屏或者管子的氧化皮厚度,當(dāng)氧化皮厚度超過(guò)0.6 mm時(shí)及時(shí)換管[1]。
(6)對(duì)各過(guò)熱器管屏或者管子的直管段脹粗測(cè)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(shí)更換。
(7)對(duì)各過(guò)熱器監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行割管鑒定,進(jìn)行金相組織分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。
(8)檢查并清理各過(guò)熱器管屏或者管子積灰、結(jié)垢,保證管排受熱均勻。
針對(duì)機(jī)組在低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí),分隔屏過(guò)熱器管出列變形、超溫及蠕脹,后屏過(guò)熱器管超溫,以及高溫過(guò)熱器管爆管的問(wèn)題,對(duì)高溫過(guò)熱器管進(jìn)行材質(zhì)分析、力學(xué)性能分析和金相顯微組織分析,找出低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各過(guò)熱器管屏及管子存在熱偏差、運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)、水平煙道底部積灰影響各過(guò)熱器管的超溫爆管原因,進(jìn)一步提出了機(jī)組在低負(fù)荷和變負(fù)荷時(shí)運(yùn)行調(diào)整及停爐期間的技術(shù)監(jiān)督,超溫及爆管現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn),為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保證。