1 000 MW超超臨界塔式鍋爐壽命管理系統研發

朱江濤，杜保華，楊中明，尹 剛，錢義生，劉振宇

（1.神華國華浙能發電有限公司，浙江 寧海 315612；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

0 引言

國華寧海電廠是國華電力集團首座裝備1 000 MW超超臨界機組的火電廠，二期2臺1 000 MW機組（5號機、6號機）于2009年投產發電。鍋爐由上海鍋爐廠引進Alstom德國EVT公司技術設計制造，為超超臨界變壓運行直流爐，采用塔式布置、螺旋管圈、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風、露天布置、固態排渣。鍋爐參數為27.46 MPa/605℃/603℃。

超超臨界塔式鍋爐與傳統機組有較多不同，爐內所有高溫受熱面采用水平臥式布置。由于蒸汽參數較高，使用了大量新型材料（寧海電廠1 000 MW塔式鍋爐所用新材料見表1），而國內對這些新材料也缺乏使用經驗，從而對鍋爐爐管與鍋爐部件的狀態評定及監督都具有一定的挑戰性。掌握鍋爐重要關鍵部件的狀態監測和壽命評估方法成為亟待解決的難題。

高溫部件壽命管理是一項需長期跟蹤管理的工作，如果從早期基建階段開始將具有很多優勢：設備資料齊全、運行數據完整、模型優化及時、經驗積累豐富等。所以，在多年的壽命管理技術研究基礎上[1-3]，從寧海電廠基建階段開始，結合電廠生產管理需求，構建了1 000 MW超超臨界塔式鍋爐壽命管理系統，實現在線壽命評估、受熱面壁溫監測、測點多級超限統計、異物堵塞監測、運行考核管理等功能，為運行和檢修提供實時指導。

表1 關鍵部件所用新材料

1 評估模型設計

在線壽命評估的方法是隨著軟件、硬件、通信等技術的快速發展而逐漸產生和成熟的，通過實時獲取高溫部件的溫度、壓力、負荷等基礎測點數據，結合設備的結構、尺寸等設計參數，在線監測和評估設備壽命損耗。在線壽命評估具有實時性、離散性和長期性的特點，貫穿于鍋爐整個生命周期，是一個長期跟蹤管理的過程。

為了反映微小時間段內實時溫度、壓力等參數對部件壽命的影響，在線評估模型中引入了壽命損耗倍數K，該參數定義過程如下：

依據基于老化因子修正的L-M公式，分別計算設計參數和實時參數下的蠕變壽命值td和t：

式中：Td為部件設計壁溫；td為設計壁溫和設計壓力下的蠕變壽命；σd為評估部位在設計壓力下的應力；T為實時壁溫；t為實時壁溫和壓力下的蠕變壽命；σ為評估部位在實際壓力下的應力。

定義壽命損耗倍數K，令：

K用于評定某評估時間段內實際溫度和實際壓力對壽命損耗影響的嚴重程度。該參數的意義在于提供了同一部位不同時刻壽命損耗比較的手段，而且可以比較某一時刻不同部位的壽命損耗。

圖1為6號爐三級過熱器第7屏17根爐管某天的壽命損耗倍數分布曲線，橫坐標為評估時刻，評估間隔為10 min。縱坐標為損耗倍數K，每個點對應一個評估時間段，從圖上可以準確掌握評估部位在各個時刻的壽命損耗程度。

圖1 某爐管的壽命損耗倍數隨時間變化曲線

實時在線獲取每個評估部位的壽命損耗倍數K后，便可掌握其殘余壽命tr：

式中：trn-1為上輪評估后的殘余壽命；Delt為在線評估時間間隔。

2 系統功能設計

寧海電廠1 000 MW塔式鍋爐壽命管理系統分為兩部分：生產控制網區的壁溫實時監測系統和MIS網區的鍋爐壽命管理系統。其中，生產控制網區壁溫實時監測系統的數據刷新頻率達到秒級，用于為運行人員提供監測、預警、歷史查詢等服務。MIS網區的鍋爐壽命管理系統主要為生產管理和檢修人員提供在線壽命評估、圖形化超溫監測、測點多級超限統計、異物堵塞監測、運行班值考核管理、歷史趨勢查詢分析等功能。系統的網絡架構如圖2所示。

2.1 壁溫實時監測系統功能設計

壁溫實時監測系統安裝于5號機和6號機的操作員站，為運行人員監測一級過熱器、二級過熱器、三級過熱器、一級再熱器、二級再熱器及水冷壁的壁溫提供支持，其主要功能包括：壁溫實時監測及報警、實時趨勢圖、歷史曲線。

2.2 鍋爐壽命管理系統功能設計

鍋爐壽命管理系統安裝于MIS網，用戶在辦公室即可訪問。主要包括四大功能模塊，顯示頁面示例見圖3。

圖2 寧海電廠塔式鍋爐壽命管理系統架構

圖3 5號爐二級再熱器壽命分布曲線

2.2.1 在線狀態監測及評估

通過實時獲取高溫部件的溫度、壓力、負荷等基礎測點數據，結合設備的結構、尺寸等設計參數，在線監測及評估設備運行狀態。實現超溫風險的監測與管理、溫度場圖形化監測、爐管異物堵塞監測、測點多級超限監測及統計等功能。

2.2.2 在線壽命評估

根據設備狀態（溫度、應力）的評估結果，預測設備殘余壽命。可實現在線壽命計算與管理、壽命損耗倍數曲線、爐管殘余壽命報警及統計等功能。超超臨界鍋爐爐管設計壽命采用了保守處理，定為10萬h。由于國內對1 000 MW超超臨界鍋爐所用新材料缺乏使用經驗，并且本著在線評估與離線檢驗相結合的全壽命周期管理宗旨，宜采用逐漸逼近的辦法偏可靠處理。

2.2.3 運行超限考核

根據電廠生產管理需求，設計了運行班值超限考核功能，自動監測各運行班組當值期間發生的超限信息，并計算對應時間范圍內的主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度及負荷等，從安全和效率兩方面綜合考評運行班值，主要包括：值班運行記錄報表、值班運行統計報表。

2.2.4 設備信息管理

對高溫設備的設計、制造、安裝、運行、檢驗、維修、經濟性等方面的信息進行管理，提供設備綜合風險預測結果，提供檢驗與維修決策建議。其中的關鍵技術包括：失效風險預測與管理，失效原因分析與統計、維修、更換及檢驗建議。

3 結語

以寧海電廠1 000 MW超超臨界塔式鍋爐為對象，基于關鍵技術的研究成果，結合電廠生產管理需求，開發了超超臨界塔式鍋爐壽命管理系統。該系統采用全新的架構，功能完善，既滿足了安全3區（MIS網區）技術人員對高溫部件的狀態監測和管理需求，又滿足安全1區（生產控制區）運行人員對高溫受熱面壁溫的實時監控要求。

系統在寧海電廠5號、6號機組上線運行以來，電廠人員利用超溫風險監測、異物堵塞監測、多級超限統計模塊，開展對高溫受熱面的監督，降低爐管泄漏風險。利用運行考核管理模塊從安全和效率兩方面對運行班組進行綜合考評，已成為電廠重要的管理手段。該系統在寧海電廠1 000 MW超超臨界塔式鍋爐上的成功應用對同類機組具有重要的示范作用。

[1]李耀君，任愛.火電廠重要部件的壽命管理[J].熱力發電，1994（04）:19-22.

[2]杜保華，李耀君，劉振宇.鍋爐高溫聯箱壽命管理系統研發[J].熱力發電，2010，39（9）:106-109.

[3]謝宋釗，杜保華，楊二魯.珠江電廠2號鍋爐末級再熱器氧化皮剝落與運行特性分析[J].廣東電力，2009，22（6）:64-66.