陳建江，童家麟，郭洪濤

（1.華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著近年來鍋爐運行參數(shù)的不斷提高和運行負荷的頻繁變動，鍋爐水冷壁、過熱器等受熱面的一系列問題在運行中不斷暴露出來[1]，對于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題[2-3]，一定程度上已影響到了機組的安全穩(wěn)定運行。特別是近年來我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整速度加快，清潔能源已進入了規(guī)?；l(fā)展的新階段，燃煤機組承擔了更為頻繁的負荷調(diào)節(jié)任務(wù)[4-5]，國內(nèi)外相關(guān)研究表明，機組的頻繁啟停和長期低負荷運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發(fā)相應(yīng)治理技術(shù)具有非常重要的意義。

國內(nèi)學者對不同類型鍋爐水冷壁管橫向裂紋的形成原因進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，對不同傳熱條件下水冷壁管的溫度和熱應(yīng)力分布特征進行研究，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]對某發(fā)電廠水冷壁管橫向裂紋現(xiàn)象進行了力學性能、金相顯微組織分析等，指出其主要原因是機組頻繁啟停、燃煤含硫量偏高等。但國內(nèi)學者對有效治理橫向裂紋的相關(guān)報道還較少，特別是對近年來機組深度調(diào)峰運行方式下的水冷壁管橫向裂紋綜合治理鮮有報道。因此，本文以某1 000 MW超超臨界鍋爐為研究對象，運用理化分析、數(shù)值模擬等方式對其水冷壁管橫向裂紋產(chǎn)生原因進行詳盡分析，并提出了有針對性的設(shè)備改造、運行優(yōu)化等措施，以期為同類型機組控制水冷壁管橫向裂紋提供參考。

1 研究對象概況

某發(fā)電廠1 號鍋爐為超超臨界變壓運行直流鍋爐，采用П 型布置、單爐膛、低NOXPM 主燃燒器和MACT 型低NOX分級送風燃燒系統(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，縱向裂紋長度可達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，說明管壁外側(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，37.9 m）和SOFA（分散燃盡風，43.3 m）的補入，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、壁溫大幅波動等密切相關(guān)[11]，相對而言，這2 個區(qū)域產(chǎn)生橫向裂紋的風險很高。另外，39 m 處還存在著較強的CO 和H2S 等還原性氣氛，圖4為滿負荷下39.7 m 層CO 和H2S 在爐膛四周近壁區(qū)域的分布，可見39.7 m 層CO 和H2S 濃度均較高，部分區(qū)域H2S 達到了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 元素變化趨勢相反，越往內(nèi)層含量越高。說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，中層和內(nèi)層斷面的O 元素在16%～24%，說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 處不同負荷下的管內(nèi)蒸汽溫度，該處蒸汽溫度在全負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，進而引起水冷壁管明顯的壁溫波動。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?9 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 處不同負荷下的管內(nèi)蒸汽溫度

圖6 水冷壁不同標高的壁溫變化情況比較

此外，運行過程中水冷壁吹灰、給水流量偏低等亦會導(dǎo)致水冷壁壁溫躍升，進而產(chǎn)生橫向裂紋。1 號鍋爐在39 m 標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)則與吹灰器投運次數(shù)密切相關(guān)。近年來，由于機組深度調(diào)峰引起的啟停頻繁及長期低負荷運行，而本鍋爐采用低質(zhì)量流速垂直管圈水冷壁，低負荷條件下運行對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荷快速變化影響。該鍋爐從投產(chǎn)至今，在低負荷時極易發(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。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)過長期壁溫跟蹤發(fā)現(xiàn)，正常運行時的制粉系統(tǒng)啟停引起的投運燃燒器組合改變、鍋爐配風方式調(diào)整，入爐煤煤質(zhì)變化等都會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行研究，以下重點從設(shè)備改造、燃燒優(yōu)化、運行優(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方面進行：

（1）二次風箱流場優(yōu)化改造。鍋爐原熱二次風道結(jié)構(gòu)原始設(shè)計不盡合理，使得爐膛前后墻二次風箱入口二次風量以及二次風壓存在明顯偏差，原始二次風道流場CFD（計算流體力學）模擬結(jié)果顯示，原始二次風道布置形式下，爐膛前后墻二次風壓及二次風量偏差均非常明顯。爐膛前后墻主燃區(qū)二次風流量相對偏差近45%，燃盡風流量偏差也近30%，一定程度上導(dǎo)致了截面熱負荷更為不均。針對該問題進行二次風箱流場改造后，在前后墻風箱入口4 個電動調(diào)節(jié)擋板門開度基本一致的條件下，前后墻A 側(cè)、B 側(cè)燃燒器及燃盡風的二次風風量偏差均在9.0%以內(nèi)，二次風量偏差得到了明顯改善。

（2）二次小風門控制方式升級改造。原二次風門氣動執(zhí)行機構(gòu)控制方式使用一個電氣轉(zhuǎn)換器同時控制一層多個二次風門，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)換器控制的多個風門開度不一致，同樣也使得實際運行中截面熱負荷分布與設(shè)計工況有較大偏差。圖7 為改造前后二次小風門執(zhí)行機構(gòu)比較，改造后由信號分配器和智能分體定位器取代原有電氣轉(zhuǎn)換器和機械定位器，提高了各燃燒器二次風量控制精度，使鍋爐燃燒情況大為改善。

圖7 改造前后二次風門執(zhí)行機構(gòu)比較

（3）水冷壁管壁溫智能監(jiān)測改造。近年來利用智能前端技術(shù)實現(xiàn)對鍋爐壁溫數(shù)據(jù)的監(jiān)視、越限報警與統(tǒng)計管理正日益普遍，對爐管壁溫進行智能監(jiān)測改造，可實現(xiàn)對爐管異?，F(xiàn)象的特征提取和故障分類，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，提高了運行人員對水冷壁管壁溫的監(jiān)測效率。

3.2 燃燒及運行優(yōu)化

從燃燒優(yōu)化、運行優(yōu)化角度，金屬壁溫控制主要從以下幾個方面進行：

（1）優(yōu)化吹灰器運行。提高短吹負荷，機組短吹時盡量選擇負荷700 MW 以上進行。機組負荷低于700 MW 進行短吹時，控制過熱度不高于20 ℃；考慮到39 m 附近是疲勞裂紋的高發(fā)區(qū)，在實際運行中，降低該區(qū)域吹灰器的投運頻次；在未來改造時，可考慮將39 m 處的吹灰器移至熱負荷相對較低的區(qū)域。

（2）優(yōu)化燃燒方式。在爐膛出口NOX排放不超標的前提下可適當增大燃燒器區(qū)域二次風量，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展；同時，嚴禁高熱值、高揮發(fā)分印尼煤上相鄰兩倉，避免出現(xiàn)因局部爐膛熱負荷過高造成的水冷壁管壁溫異常升高。

（3）優(yōu)化配風方式。運行中提高二次風箱壓力，控制二次風箱風壓在0.5 kPa 以上，在低負荷時，可提高二次風箱風壓至0.65 kPa；同時，可開大部分日常運行中壁溫偏高區(qū)域的二次風門開度，避免由于局部二次風量不足造成的切圓貼壁。

（4）優(yōu)化水冷壁水動力循環(huán)。在低負荷運行時適當提高水冷壁工質(zhì)運行壓力，并盡量避免鍋爐在臨界區(qū)運行，或在近臨界負荷運行時迅速調(diào)整壓力以避開近臨界壓力。同時，應(yīng)盡量提高給水壓力，通過改善工質(zhì)的傳熱物理特性參數(shù)來提高工質(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

1 000 MW 超超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋已經(jīng)成為制約這些機組穩(wěn)定運行的掣肘之一，而水冷壁壁溫異常升高是引發(fā)該問題的重要原因。根據(jù)超超臨界垂直水冷壁鍋爐運行特點，經(jīng)過近2 年水冷壁超溫控制探索和實踐，從設(shè)備改造、燃燒優(yōu)化、運行優(yōu)化等角度對鍋爐水冷壁壁溫進行了有效控制。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大而引起的短時過熱爆管發(fā)生。多次入爐檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁微裂紋產(chǎn)生趨勢放緩，范圍縮小，水冷壁管橫向裂紋進而導(dǎo)致的爆管現(xiàn)象得到有效遏制，治理效果明顯。