亞臨界鍋爐屏式過熱器的安全性分析

張立峰 王義廂

（1.宿州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宿州 234000；2.安徽省特種設(shè)備檢測院，安徽 合肥 230051）

1 前言

過熱器是鍋爐受熱管道爆管泄露的主要部件，尤其是高溫過熱器，其內(nèi)外介質(zhì)的溫度比較高，工作條件惡劣，包含復(fù)雜的多相流和傳熱傳質(zhì)問題，管壁的高溫腐蝕、結(jié)垢和超溫運(yùn)行均會導(dǎo)致過熱器爆管泄露。對于大型機(jī)組，由于受熱面管內(nèi)蒸汽的溫度和壓力都比較高，過熱器泄露占鍋爐泄露的一半以上。因此針對每臺鍋爐的特性，找出爆管泄露的主要原因，提出有效的整改措施，調(diào)整合理準(zhǔn)確的運(yùn)行參數(shù)范圍，對機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用。

2 鍋爐基本情況及事故描述

鍋爐為亞臨界、一次再熱、自然循環(huán)，設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為1160t/h，過熱蒸汽出口溫度541℃、出口壓力17.29MPa，再熱蒸汽入口溫度316℃、壓力3.37MPa，再熱蒸汽出口溫度541℃、壓力3.20MPa，給水溫度285℃，采用蒸汽吹灰。鍋爐燃燒器前墻布置，計(jì)4層，自上而下編號為A、B、C和D，每層燃燒器布置4只旋流煤粉燃燒器，4臺NPF型中速磨煤機(jī)分別與4層燃燒器對應(yīng)，編號與4層燃燒器相同。

屏式過熱器位于爐膛上方并靠近前墻，沿爐寬方向布置5屏，每片屏式過熱器由64根管組成，管子規(guī)格Ф50.8×9.04，材質(zhì)為SA213T22，最外側(cè)的第64根管子規(guī)格為Ф50.8×5.82，材質(zhì)為SA213TP304H，原設(shè)計(jì)說明書給出的屏式過熱器受熱管的極限溫度為541℃。機(jī)組運(yùn)行1年左右，爐左數(shù)第3片屏式過熱器從爐前數(shù)第32根管子發(fā)生爆管事故。在停爐檢修期間進(jìn)行了割管金相分析，確定爆管附近有超溫跡象，為了判斷其爆管原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，對屏式過熱器進(jìn)行了測試和分析。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)方法

通常引起過熱器爆管的原因有兩方面：

其一是機(jī)組運(yùn)行方式不當(dāng)，導(dǎo)致受熱面管壁超溫；

其二是過熱器材質(zhì)選取不當(dāng)。分析爆管原因需要現(xiàn)場測量過熱器的管壁溫度。現(xiàn)場測試在屏式過熱器上安裝了若干個(gè)溫度測點(diǎn)，這些測點(diǎn)分別位于鍋爐爐膛內(nèi)部和鍋爐爐頂至大罩殼之間。

溫度測點(diǎn)分新增設(shè)測點(diǎn)和原設(shè)計(jì)測點(diǎn)兩部分：

（1）新增測點(diǎn)：爆管發(fā)生在第3片屏式過熱器，第3片屏式過熱器位于爐膛中部，工作條件最差，新增測點(diǎn)均在第3片屏式過熱器，爐外測點(diǎn)位于爐頂以上約0.6m處；爐內(nèi)測點(diǎn)位于標(biāo)高49.2米處，選擇19處過熱器管，標(biāo)號分別為爐前數(shù)第1、10、14、17、20、24、28、32、35、36、40、44、49、51、54、55、59、63和64根管，裝設(shè)19個(gè)爐內(nèi)測點(diǎn)。

（2）原設(shè)計(jì)測點(diǎn)：每片屏式過熱器的第1和第64根管上裝設(shè)了爐外測點(diǎn)，5片屏式過熱器共計(jì)10點(diǎn)，位置接近爐頂。

測點(diǎn)采用校驗(yàn)合格的Ⅱ級精度的K型鎧裝熱電偶，新增設(shè)測點(diǎn)的熱電偶信號接入IMP分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)每隔5s采集一次數(shù)據(jù)，每10min記錄一個(gè)周期內(nèi)的平均值，原設(shè)計(jì)測點(diǎn)的熱電偶信號接入電廠DCS。在試驗(yàn)過程中的運(yùn)行參數(shù)均按運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行操作，并由電廠DCS記錄，所涉及的運(yùn)行表計(jì)在試驗(yàn)前均已校驗(yàn)合格。

試驗(yàn)選擇了三種方法：

（1）在不同負(fù)荷350MW、330MW、300MW、260MW和180MW，投運(yùn)A、B和C磨煤機(jī)；

（2）額定負(fù)荷情況下改變磨機(jī)組合方式；

（3）額定負(fù)荷情況下投、停高壓加熱器。

4 結(jié)果分析

4.1 機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)

在不同負(fù)荷350MW、330MW、 300MW、260MW和180MW，投運(yùn)A、B和C磨煤機(jī)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷改變時(shí)，選取某一時(shí)間段的溫度值（如圖1、圖2所示），圖中包含了新增設(shè)的測點(diǎn)和原設(shè)計(jì)測點(diǎn)，圖1中測點(diǎn)編號-3和68分別為原設(shè)計(jì)的第1根和第64根受熱管的爐外測點(diǎn)，其它測點(diǎn)為新增設(shè)的爐外測點(diǎn)。圖2為新增設(shè)的爐內(nèi)測點(diǎn)溫度值（圖2的表示法相同，不再說明）。

從圖1可見，就第1根和第64根受熱管而言，原設(shè)計(jì)的爐外測點(diǎn)溫度均比新增設(shè)的爐外測點(diǎn)溫度高，而且各工況同根管子的爐外溫度相差不大，第1根的原設(shè)計(jì)測點(diǎn)高3.4℃~6.5℃，原因是原設(shè)計(jì)測點(diǎn)更接近爐頂，這也說明了新增設(shè)的爐外測點(diǎn)和原設(shè)計(jì)測點(diǎn)具有可信性，另外兩種試驗(yàn)條件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以證實(shí)以上現(xiàn)象，將不再贅述。

通過圖1和圖2可以看出：機(jī)組在額定負(fù)荷時(shí)，屏式過熱器的爐內(nèi)和爐外壁溫最高，但是隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，屏式過熱器壁溫并隨之降低，而是有一些波動(dòng)，在試驗(yàn)過程中，計(jì)劃進(jìn)一步降低機(jī)組負(fù)荷（至110MW），但由于電網(wǎng)用電緊張，最低機(jī)組負(fù)荷的試驗(yàn)僅做到185MW，但此時(shí)屏式過熱器壁溫已有上升的趨勢，因此，在低負(fù)荷時(shí)要密切注意屏式過熱器的壁溫變化，防止屏式過熱器超溫運(yùn)行。

4.2 變磨煤機(jī)組合方式試驗(yàn)

圖3為機(jī)組負(fù)荷為350MW，磨煤機(jī)組合分別為A、B、C和D磨，A、B和C磨時(shí)爐內(nèi)和爐外壁溫。圖4為機(jī)組負(fù)荷為250MW，以上兩種磨煤機(jī)組合時(shí)爐外和爐內(nèi)壁溫。

從圖3和圖4可見，當(dāng)改變磨煤機(jī)的組合方式時(shí)，屏式過熱器爐內(nèi)壁溫和爐外壁溫的變化幅度較小，原因是屏式過熱器位于爐膛上方，燃燒器前墻布置，而且沿高度方向比較集中，上兩層燃燒器的距離僅5.410m，當(dāng)改變磨煤機(jī)的組合方式時(shí)，對爐膛火焰中心的位置和爐膛出口溫度等的影響不大，因此，屏式過熱器壁溫波支較小。

4.3 投、停高壓加熱器試驗(yàn)

圖5和圖6為機(jī)組負(fù)荷為350MW，投運(yùn)A、B和C磨，投、停高壓加熱器試驗(yàn)的爐內(nèi)和爐外壁溫變化：

從圖5和圖6可見，投、停高壓加熱器對屏式過熱器爐內(nèi)和爐外壁溫的影響較小，機(jī)組熱力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能較好。

5 屏式過熱器受熱管溫度極限值的確定

根據(jù)美國ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范計(jì)算受熱管的溫度極限，屏式過熱器原設(shè)計(jì)進(jìn)口蒸汽壓力為19.65MPa，則規(guī)格Ф50.8×9.04，材質(zhì)為SA213T22的管子內(nèi)外壁平均溫度的最高上限為550℃，規(guī)格為Ф50.8×5.82，材質(zhì)為SA213TP304H的管子內(nèi)外壁平均溫度的最高上限為573℃。在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，新增設(shè)測點(diǎn)的爐外壁溫最高值為479.2℃，新增設(shè)測點(diǎn)的爐內(nèi)壁溫最高值為522.4℃，新增設(shè)測點(diǎn)的爐外壁溫和爐內(nèi)壁溫的差值介于22.7℃~61.4℃之間，為了留有一定的裕度，取70℃，按運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為爐外溫度為管內(nèi)蒸汽溫度，則規(guī)格Ф50.8×9.04，材質(zhì)為SA213T22的管子可按如下方法計(jì)算：

其中：

t1—管子內(nèi)壁溫度，℃；

t2—管子外壁溫度，℃；

其中：

t3—管內(nèi)蒸汽溫度，℃；

按73年蘇聯(lián)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)有：

因此，t3=495.7，即爐外溫度的極限值為495.7℃，取495℃；同樣計(jì)算方法，規(guī)格為Ф50.8×5.82，材質(zhì)為SA213TP304H的管子極限值為518℃。

以上值為實(shí)驗(yàn)裝設(shè)測點(diǎn)的溫度極限值，鍋爐日常運(yùn)行監(jiān)測原設(shè)計(jì)測點(diǎn)的爐外壁溫值，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)測點(diǎn)的爐外壁溫的最高值為483.3℃，實(shí)驗(yàn)增設(shè)測點(diǎn)的爐外壁溫和原設(shè)計(jì)的爐外壁溫的差值介于3.4℃~7.7℃之間，取10℃的裕度，則規(guī)格Ф50.8×9.04，材質(zhì)為SA213T22的管子溫度極限值為505℃；規(guī)格為Ф50.8×5.82，材質(zhì)為SA213TP304H的管子溫度極限值為528℃。原設(shè)計(jì)說明書給出的屏式過熱器受熱管的極限溫度為541℃可能三合存在偏差。

由此可見，實(shí)驗(yàn)期間屏式過熱器未發(fā)生超溫現(xiàn)象，特別是第3片屏式過熱器從前墻數(shù)第32根管子的最高爐外溫度為468.2℃，低于其極限值505℃，該管發(fā)生爆管事故系特殊因素，如節(jié)流孔板處有臟物堵塞，管內(nèi)蒸汽流量減少，致使管壁超溫而發(fā)生爆管泄露事故，在以往其它鍋爐曾發(fā)生過因堵塞末級過熱器而發(fā)生爆管泄露的記錄。

在以上所有試驗(yàn)過程中，無論是爐內(nèi)壁溫，還是爐外壁溫，屏式過熱器相鄰兩管的溫度均小于20℃，說明屏式過熱器的熱偏差達(dá)到要求。

結(jié)論

（1）當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，改變磨煤機(jī)的組合，對屏式過熱器壁溫的影響較小，原因是燃燒器前墻布置，而且沿高度方向集中布置，對火焰中心的位置影響不大；

（2）投、停高壓加熱器對屏式過熱器壁溫的影響較??；

（3）在本文所述的實(shí)驗(yàn)范圍，當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，屏式過熱器比較安全，第3片屏式過熱器從前墻數(shù)第32跟管子發(fā)生爆管事故系特殊因素，如節(jié)流孔板處有臟物堵塞等原因，試驗(yàn)期間未發(fā)生超溫現(xiàn)象。

（4）當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，屏式過熱器壁溫有升高的趨勢，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，要密切注意壁溫的變化，防止超溫運(yùn)行。

（5）若以原設(shè)計(jì)的爐外壁溫測點(diǎn)為依據(jù)，屏式過熱器第1根受熱管的報(bào)警溫度為505℃，屏式過熱器第64根受熱管的報(bào)警溫度為528℃，原設(shè)計(jì)說明書給出的屏式過熱器受熱管的極限溫度為541℃可能存在偏差。

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