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        超超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋原因分析及控制策略

        2020-03-20 08:32:42陳建江童家麟郭洪濤
        浙江電力 2020年2期
        關(guān)鍵詞:壁溫水冷壁爐膛

        陳建江,童家麟,郭洪濤

        (1.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司玉環(huán)電廠,浙江 玉環(huán) 317604;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014)

        0 引言

        隨著近年來(lái)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的不斷提高和運(yùn)行負(fù)荷的頻繁變動(dòng),鍋爐水冷壁、過(guò)熱器等受熱面的一系列問(wèn)題在運(yùn)行中不斷暴露出來(lái)[1],對(duì)于1 000 MW 超超臨界鍋爐,由于爐內(nèi)水冷壁、再熱器等區(qū)域截面熱負(fù)荷更高,因而鍋爐更易產(chǎn)生諸如水冷管壁橫向裂紋、再熱器管壁泄漏等問(wèn)題[2-3],一定程度上已影響到了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。特別是近年來(lái)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整速度加快,清潔能源已進(jìn)入了規(guī)?;l(fā)展的新階段,燃煤機(jī)組承擔(dān)了更為頻繁的負(fù)荷調(diào)節(jié)任務(wù)[4-5],國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明,機(jī)組的頻繁啟停和長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行是水冷壁管低周疲勞裂紋的重要原因[6]。因此,分析水冷壁管橫向裂紋形成原因并開(kāi)發(fā)相應(yīng)治理技術(shù)具有非常重要的意義。

        國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)不同類(lèi)型鍋爐水冷壁管橫向裂紋的形成原因進(jìn)行了較為深入的研究,并取得了許多有意義的結(jié)論。李斌等[7]建立了水冷壁管的三維有限元模型,對(duì)不同傳熱條件下水冷壁管的溫度和熱應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究,得出了傳熱惡化的反復(fù)出現(xiàn)引起的交變應(yīng)力是最終導(dǎo)致水冷壁管橫向裂紋產(chǎn)生重要原因的結(jié)論。張興豪等[8]對(duì)某超臨界鍋爐水冷壁管外壁的橫向裂紋的性質(zhì)和形成原因等進(jìn)行了分析,得出了水冷壁管外壁橫向裂紋的重要原因是腐蝕性熱疲勞。徐賢等[9]對(duì)某發(fā)電廠水冷壁管橫向裂紋現(xiàn)象進(jìn)行了力學(xué)性能、金相顯微組織分析等,指出其主要原因是機(jī)組頻繁啟停、燃煤含硫量偏高等。但國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)有效治理橫向裂紋的相關(guān)報(bào)道還較少,特別是對(duì)近年來(lái)機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行方式下的水冷壁管橫向裂紋綜合治理鮮有報(bào)道。因此,本文以某1 000 MW超超臨界鍋爐為研究對(duì)象,運(yùn)用理化分析、數(shù)值模擬等方式對(duì)其水冷壁管橫向裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行詳盡分析,并提出了有針對(duì)性的設(shè)備改造、運(yùn)行優(yōu)化等措施,以期為同類(lèi)型機(jī)組控制水冷壁管橫向裂紋提供參考。

        1 研究對(duì)象概況

        某發(fā)電廠1 號(hào)鍋爐為超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐,采用П 型布置、單爐膛、低NOXPM 主燃燒器和MACT 型低NOX分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、反向雙切圓燃燒方式,由哈爾濱鍋爐廠制造、三菱重工業(yè)株式會(huì)社提供技術(shù)支持。爐膛水冷壁采用焊接膜式壁、內(nèi)螺紋管垂直上升式,爐膛斷面尺寸為32 084 mm×15 670 mm,水冷壁管共有2 144 根,均為Φ28.6 mm×5.8 mm(最小壁厚)四頭螺紋管,管材為具有較高的抗氧化性、熱強(qiáng)性能以及良好持久性能的SA213-T12 鐵素體低合金耐熱鋼[10]。在2015 年的入爐檢查中發(fā)現(xiàn),鍋爐水冷壁管出現(xiàn)了大量的橫向裂紋,特別在39~42 m 區(qū)域的水冷壁管,橫向裂紋最為明顯。圖1 為該鍋爐39 m 處水冷壁管真實(shí)存在的橫向裂紋現(xiàn)象,其表面存在著明顯的橫向裂紋,并已引起了水冷壁管的縱向拉裂現(xiàn)象,縱向裂紋長(zhǎng)度可達(dá)8 cm。

        2 橫向裂紋產(chǎn)生原因分析

        圖2 為圖1 中橫向裂紋區(qū)域斷口形貌掃描電鏡結(jié)果。由圖2 可知,斷口出現(xiàn)了清晰的疲勞弧線,呈現(xiàn)出由外向內(nèi)發(fā)展的特點(diǎn),說(shuō)明管壁外側(cè)存在較大的疲勞應(yīng)力。截面上已附著有大量熔融的金屬球,組織變得較為疏松。

        圖1 水冷壁管的橫向裂紋及其拉裂現(xiàn)象

        圖2 橫向裂紋區(qū)域斷口形貌掃描電鏡結(jié)果

        圖3 為滿負(fù)荷下沿爐膛高度方向截面煙氣平均溫度分布情況。由圖3 可知,在主燃燒區(qū),大量煤粉的著火使得煙氣溫度迅速升高,一、二次風(fēng)間隔噴入,所以平均煙氣溫度呈鋸齒形分布;隨著COFA(緊湊燃盡風(fēng),37.9 m)和SOFA(分散燃盡風(fēng),43.3 m)的補(bǔ)入,爐內(nèi)煙氣溫度明顯下降。由上述分析可知,爐內(nèi)煙氣溫度較高區(qū)域主要集中在主燃燒區(qū)中上部水冷壁和COFA 與SOFA 之間區(qū)域,高煙氣溫度區(qū)域往往也是高金屬壁溫區(qū)域,而水冷壁管橫向裂紋的產(chǎn)生與高金屬壁溫、壁溫大幅波動(dòng)等密切相關(guān)[11],相對(duì)而言,這2 個(gè)區(qū)域產(chǎn)生橫向裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很高。另外,39 m 處還存在著較強(qiáng)的CO 和H2S 等還原性氣氛,圖4為滿負(fù)荷下39.7 m 層CO 和H2S 在爐膛四周近壁區(qū)域的分布,可見(jiàn)39.7 m 層CO 和H2S 濃度均較高,部分區(qū)域H2S 達(dá)到了700 μL/L。表1 為裂紋斷面垢樣能譜分析結(jié)果。由表1 可知,Mn 等堿金屬元素由外層到內(nèi)層逐漸降低,而S 元素變化趨勢(shì)相反,越往內(nèi)層含量越高。說(shuō)明隨著腐蝕的不斷深入,S 元素不斷向基體內(nèi)部發(fā)展。同時(shí),中層和內(nèi)層斷面的O 元素在16%~24%,說(shuō)明有較多金屬氧化物生成。結(jié)合H2S 氣體分布和裂紋斷面垢樣能譜分析結(jié)果可知,H2S 腐蝕導(dǎo)致的S 元素深入基體和金屬氧化物的大量生成,亦是造成疲勞裂紋發(fā)生腐蝕性擴(kuò)展的重要原因。

        圖3 沿爐膛高度方向截面煙氣平均溫度分布

        圖4 39.7 m 層CO 和H2S 在爐膛四周近壁區(qū)域的分布

        圖5 為39 m 處不同負(fù)荷下的管內(nèi)蒸汽溫度,該處蒸汽溫度在全負(fù)荷下圍繞在飽和蒸汽溫度線附近,這使得該處容易出現(xiàn)汽水兩相間的轉(zhuǎn)化,造成工質(zhì)側(cè)的傳熱性能波動(dòng),進(jìn)而引起水冷壁管明顯的壁溫波動(dòng)。圖6 為前墻同一根水冷壁向火側(cè)分別在33 m,39 m 和46 m 3 處為期1 個(gè)月的壁溫變化情況比較。結(jié)果顯示,33 m 處溫度階躍為18 次,39 m 處為60 次,46 m 處為24 次??梢?jiàn)39 m 處亦是向火側(cè)水冷壁壁溫變化頻次最高的位置,這與該處工質(zhì)側(cè)傳熱性能較易波動(dòng)有關(guān),且39 m 處向火側(cè)金屬壁溫曲線的峰頂和峰谷分別處于3 條曲線的最上端和最下端,屬于變化頻度和幅度都最高的位置,也是最容易發(fā)生金屬疲勞的位置。

        圖5 39 m 處不同負(fù)荷下的管內(nèi)蒸汽溫度

        圖6 水冷壁不同標(biāo)高的壁溫變化情況比較

        此外,運(yùn)行過(guò)程中水冷壁吹灰、給水流量偏低等亦會(huì)導(dǎo)致水冷壁壁溫躍升,進(jìn)而產(chǎn)生橫向裂紋。1 號(hào)鍋爐在39 m 標(biāo)高處布置了一排吹灰器,而此處正是疲勞裂紋的高發(fā)區(qū),吹灰器的投運(yùn)亦是直接導(dǎo)致附近水冷壁壁溫躍升的原因之一,而躍升次數(shù)則與吹灰器投運(yùn)次數(shù)密切相關(guān)。近年來(lái),由于機(jī)組深度調(diào)峰引起的啟停頻繁及長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行,而本鍋爐采用低質(zhì)量流速垂直管圈水冷壁,低負(fù)荷條件下運(yùn)行對(duì)水冷壁管壁溫變化較為敏感,易因水冷壁傳熱性能的改變和管內(nèi)工質(zhì)分布不勻等原因發(fā)生較大變化,一定程度上也導(dǎo)致了水冷壁管金屬壁溫易受負(fù)荷快速變化影響。該鍋爐從投產(chǎn)至今,在低負(fù)荷時(shí)極易發(fā)生超溫現(xiàn)象,在深度調(diào)峰已成為常態(tài)的現(xiàn)階段,水冷壁壁溫異常甚至超溫可能性更加顯見(jiàn)。2015—2017年,鍋爐水冷壁超溫頻次均在25~30 次/年,頻次較高。而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期壁溫跟蹤發(fā)現(xiàn),正常運(yùn)行時(shí)的制粉系統(tǒng)啟停引起的投運(yùn)燃燒器組合改變、鍋爐配風(fēng)方式調(diào)整,入爐煤煤質(zhì)變化等都會(huì)引起水冷壁溫度明顯變化。因此,有效控制壁溫的手段可以從上述方面進(jìn)行研究,以下重點(diǎn)從設(shè)備改造、燃燒優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化等角度提出金屬壁溫控制的有效措施。

        3 金屬壁溫控制措施

        3.1 設(shè)備改造

        從設(shè)備改造角度,金屬壁溫控制主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:

        (1)二次風(fēng)箱流場(chǎng)優(yōu)化改造。鍋爐原熱二次風(fēng)道結(jié)構(gòu)原始設(shè)計(jì)不盡合理,使得爐膛前后墻二次風(fēng)箱入口二次風(fēng)量以及二次風(fēng)壓存在明顯偏差,原始二次風(fēng)道流場(chǎng)CFD(計(jì)算流體力學(xué))模擬結(jié)果顯示,原始二次風(fēng)道布置形式下,爐膛前后墻二次風(fēng)壓及二次風(fēng)量偏差均非常明顯。爐膛前后墻主燃區(qū)二次風(fēng)流量相對(duì)偏差近45%,燃盡風(fēng)流量偏差也近30%,一定程度上導(dǎo)致了截面熱負(fù)荷更為不均。針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行二次風(fēng)箱流場(chǎng)改造后,在前后墻風(fēng)箱入口4 個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)擋板門(mén)開(kāi)度基本一致的條件下,前后墻A 側(cè)、B 側(cè)燃燒器及燃盡風(fēng)的二次風(fēng)風(fēng)量偏差均在9.0%以內(nèi),二次風(fēng)量偏差得到了明顯改善。

        (2)二次小風(fēng)門(mén)控制方式升級(jí)改造。原二次風(fēng)門(mén)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式使用一個(gè)電氣轉(zhuǎn)換器同時(shí)控制一層多個(gè)二次風(fēng)門(mén),不同執(zhí)行器與控制柜間的管路阻力等參數(shù)不同,導(dǎo)致同一電氣轉(zhuǎn)換器控制的多個(gè)風(fēng)門(mén)開(kāi)度不一致,同樣也使得實(shí)際運(yùn)行中截面熱負(fù)荷分布與設(shè)計(jì)工況有較大偏差。圖7 為改造前后二次小風(fēng)門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較,改造后由信號(hào)分配器和智能分體定位器取代原有電氣轉(zhuǎn)換器和機(jī)械定位器,提高了各燃燒器二次風(fēng)量控制精度,使鍋爐燃燒情況大為改善。

        圖7 改造前后二次風(fēng)門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較

        (3)水冷壁管壁溫智能監(jiān)測(cè)改造。近年來(lái)利用智能前端技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐壁溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)視、越限報(bào)警與統(tǒng)計(jì)管理正日益普遍,對(duì)爐管壁溫進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)改造,可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐管異?,F(xiàn)象的特征提取和故障分類(lèi),區(qū)分了傳感器異常和爐管異常,亦可根據(jù)異常原因給出應(yīng)急處理策略,提高了運(yùn)行人員對(duì)水冷壁管壁溫的監(jiān)測(cè)效率。

        3.2 燃燒及運(yùn)行優(yōu)化

        從燃燒優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化角度,金屬壁溫控制主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:

        (1)優(yōu)化吹灰器運(yùn)行。提高短吹負(fù)荷,機(jī)組短吹時(shí)盡量選擇負(fù)荷700 MW 以上進(jìn)行。機(jī)組負(fù)荷低于700 MW 進(jìn)行短吹時(shí),控制過(guò)熱度不高于20 ℃;考慮到39 m 附近是疲勞裂紋的高發(fā)區(qū),在實(shí)際運(yùn)行中,降低該區(qū)域吹灰器的投運(yùn)頻次;在未來(lái)改造時(shí),可考慮將39 m 處的吹灰器移至熱負(fù)荷相對(duì)較低的區(qū)域。

        (2)優(yōu)化燃燒方式。在爐膛出口NOX排放不超標(biāo)的前提下可適當(dāng)增大燃燒器區(qū)域二次風(fēng)量,以降低水冷壁近壁區(qū)域H2S 等腐蝕性氣體濃度,抑制疲勞裂紋的腐蝕性擴(kuò)展;同時(shí),嚴(yán)禁高熱值、高揮發(fā)分印尼煤上相鄰兩倉(cāng),避免出現(xiàn)因局部爐膛熱負(fù)荷過(guò)高造成的水冷壁管壁溫異常升高。

        (3)優(yōu)化配風(fēng)方式。運(yùn)行中提高二次風(fēng)箱壓力,控制二次風(fēng)箱風(fēng)壓在0.5 kPa 以上,在低負(fù)荷時(shí),可提高二次風(fēng)箱風(fēng)壓至0.65 kPa;同時(shí),可開(kāi)大部分日常運(yùn)行中壁溫偏高區(qū)域的二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度,避免由于局部二次風(fēng)量不足造成的切圓貼壁。

        (4)優(yōu)化水冷壁水動(dòng)力循環(huán)。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)適當(dāng)提高水冷壁工質(zhì)運(yùn)行壓力,并盡量避免鍋爐在臨界區(qū)運(yùn)行,或在近臨界負(fù)荷運(yùn)行時(shí)迅速調(diào)整壓力以避開(kāi)近臨界壓力。同時(shí),應(yīng)盡量提高給水壓力,通過(guò)改善工質(zhì)的傳熱物理特性參數(shù)來(lái)提高工質(zhì)側(cè)的吸熱能力,減少和緩解工質(zhì)傳熱能力下降引起的壁溫升高。

        4 結(jié)語(yǔ)

        1 000 MW 超超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋已經(jīng)成為制約這些機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的掣肘之一,而水冷壁壁溫異常升高是引發(fā)該問(wèn)題的重要原因。根據(jù)超超臨界垂直水冷壁鍋爐運(yùn)行特點(diǎn),經(jīng)過(guò)近2 年水冷壁超溫控制探索和實(shí)踐,從設(shè)備改造、燃燒優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化等角度對(duì)鍋爐水冷壁壁溫進(jìn)行了有效控制。在深度調(diào)峰已成為常態(tài)的現(xiàn)階段,鍋爐水冷壁異常升高頻次得到了有效控制,避免了由于超溫幅度過(guò)大而引起的短時(shí)過(guò)熱爆管發(fā)生。多次入爐檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁微裂紋產(chǎn)生趨勢(shì)放緩,范圍縮小,水冷壁管橫向裂紋進(jìn)而導(dǎo)致的爆管現(xiàn)象得到有效遏制,治理效果明顯。

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