350 MW超臨界機組鍋爐金屬壁溫測量元件安裝工藝優化

徐新平,于國華,張士軍

(黑龍江省火電第三工程公司，哈爾濱 150016)

350 MW超臨界機組鍋爐金屬壁溫測量元件安裝工藝優化

徐新平,于國華,張士軍

(黑龍江省火電第三工程公司，哈爾濱 150016)

電廠機組運行期間,無法對頂棚罩室內的鎧裝熱電偶進行檢修維護,已成為安裝亟待解決的問題。對華能大慶熱電廠鍋爐頂棚保溫密封結構特點,與金屬壁溫測量元件進行了安裝工藝分析,提出鍋爐頂棚包覆式框架結構金屬壁溫測量元件的安裝工藝優化方案。此安裝工藝優化后,在工程實踐中,提高了鍋爐頂棚金屬壁溫測量正確率,應用效果良好。

鍋爐;包覆式框架結構;金屬壁溫;數據采集;安裝工藝

鍋爐頂棚金屬壁溫不僅是監視鍋爐安全運行的重要參數；而且,其測量元件安裝數量龐大,位置相對集中,作業空間狹小,安裝環境復雜。合理的安裝方式,不僅能給運行人員提供準確的運行信息,同時也能給機組商業運行后的檢修維護帶來極大的方便。近些年來,隨著“關停小火電”、“節能減排”等電力建設的宏觀政策的調控,火電建設基本趨于大型火電機組,300 MW、600 MW、1000 MW等大型火電機組的建設如雨后春筍,鍋爐頂棚框架式密封罩的出現也逐漸增多。由于多方原因,一些地方在包覆式框架結構密封的頂棚金屬壁溫安裝中,仍然沿襲著普通頂棚壁溫安裝形式,結果給今后機組檢修維護工作留下很棘手的 “隱性”問題,這就給人們提出新的課題—— 如何優化其安裝已成為許多同行探索的共識[1]。

1 金屬壁溫測量元件的安裝環境

1.1 普通鍋爐頂棚保溫(見圖1),頂棚集箱及管束處于相對開式的環境中,安裝工作后期其外層包裹耐火纖維板、護網、抹面料等保溫材料。機組運行時，熱控檢修和維護工作可以進行。對于金屬壁溫測量元件安裝來說可用安裝方式較多,也比較靈活。

1.2 鍋爐頂棚包覆式框架結構密封,相當于在普通鍋爐頂棚保溫外又增加了框架結構密封罩(如圖2所示),其外罩高自頂棚管到罩頂高度通常為6～8 m大框架罩室,密封罩墻板內夾有保溫層,大罩內所包容的汽水集箱及管排束因爐子類型而不同,其中容納:分隔屏集箱、過熱器集箱、再熱器集箱,個別的把垂直水冷壁集箱也罩入其中。保溫完成后,大罩全部密封,包括檢修人孔門,機組運行時罩室內溫度高達450～500 ℃,屬處于密閉的高溫環境中,補償導線及熱電偶冷端端頭必須引出大罩室外,正常情況下檢修人員無法進入其中,即使停爐也需6～7天的降溫處理。

1.3 華能大慶2臺350 MW超臨界機組的鍋爐頂棚為包覆式框架結構密封,其又具有一定的特殊性,相對施工環境更為復雜惡劣、各專業交叉作業更為密集,保溫密封結構更繁瑣、空間更緊縮。其大罩內又將集箱管束按位置區域用內護板形成幾個分包罩室,分別為垂直水冷壁集箱、分隔屏集箱、末級過熱器和末級再熱器集箱等,給頂棚金屬壁溫測量元件安裝增加的難度可以預見。

圖1 普通鍋爐頂棚保溫示意圖

圖2 鍋爐頂棚包覆式框架結構密封示意圖

2 常規鍋爐頂棚金屬壁溫元件安裝方式分析[2]

頂棚金屬壁溫測量元件安裝是工種配合、工序銜接和專業性都比較強的熱控單項施工。任何一方面出現差錯都可能給安裝造成資源的浪費或設備元件的損壞。金屬壁溫采集點通常選在過熱器、再熱器等集箱下管排某一爐管的管壁,離頂棚管上面高度約100～150 mm范圍,熱控安裝完成后由鍋爐專業保溫密封。由于鍋爐頂棚管束密布、空間狹小,施工存在一定的難度。

常規鍋爐頂棚金屬壁溫測量元件采用的兩種安裝形式。

2.1 溫度元件廠家提供帶有頂絲和可插入鎧裝熱偶的集熱塊,將集熱塊點焊于所要監測的爐管管壁,鎧裝熱電偶冷端與熱端之間采用不銹鋼管保護,接近集熱塊處斷開,以便能調整鎧偶熱端位置穿入其安裝孔,鎧偶插入到位后鎖緊頂絲。冷端由不銹鋼管保護引出頂棚。這種方法能夠保證熱電偶測溫的精度。但是檢修極不方便,需要扒掉保溫層才進行,恢復起來相對困難。

2.2 溫度元件廠家未提供集熱塊,根據現場條件選擇材質1Cr18Ni9Ti規格Φ18×2不銹鋼管做保護管,保護管的測量端點焊于所要監測的爐管管壁,并將該管端頭切去一小偏角,以便檢查所安裝鎧偶是否安裝到位。不銹鋼管上端將鎧偶引出爐外便于檢修處。這種安裝方法優點是便于檢修,也可有效防止成品損壞。但缺點是,管壁接觸面小不好,存在一定的動態誤差相對較大。

頂棚壁溫選型的鎧裝熱電偶最大特點,細而長,直徑Φ5、長度通常在5～30 m不等,護套壁薄易損(約0.5 mm),內填充白色粉末MgO絕緣層。如安裝折彎過度或安裝后的成品保護不當,甚至振動等都很容易造成溫度元件斷線或短路、合金絲接地等現象,尤其外專業被踩踏、電焊擊穿事件時常出現。所以,合理的測溫元件安裝方式,不但能有安全保障,還可以提供可靠的工藝質量,便利的檢修維護條件。然而,頂棚框架大罩出現,使得多年沿襲的金屬壁溫測量元件安裝不得不面對以下問題:機組運行情況下壁溫一旦出現故障如何處理?這種由熱控設計與鍋爐設計在技術銜接方面所產生的問題,不得不正視。因其已不能滿足現代火電機組運行需要,尋求新穎可行的金屬壁溫測溫元件安裝優化方式勢在必行。

3 包覆式框架結構頂棚金屬壁溫測量元件安裝工藝與優化改進

華能大慶熱電聯營項目2臺350 MW超臨界機組,鍋爐金屬壁溫測量元件特點:a.數量多。鍋爐壁溫測點356支,其中大罩頂棚壁溫測點290支;b.安裝障礙多,鎧偶引出頂棚需穿透集箱保溫層內護板及大密封罩;c.安裝空間狹小,因與同類型的大罩式密封相比,集箱外多一層內護板。如不改進以往的安裝方式,不僅難以保證工藝質量及溫度元件安全,也給今后檢修維護帶來極大后患。因此,該工程金屬壁溫測量元件安裝的首要任務是尋求一個可行的新方法、新安裝工藝。

伊敏電廠一期工程,因鍋爐增加臨時監測的爆管監測點,采用2.2安裝方式,但所采集數據相對偏差較大,同為過熱器出口管壁溫度相差3～5 ℃。處對流受熱面同一截面位置溫度應相同,測溫鎧偶已經過校驗，排除超差問題。經過分析查找原因,在于采集方式。顯然,作為設計的DAS點,應用該安裝方式不太適合;但其優點是,可以在罩外實現壁溫安裝與檢修維護工作。大慶330 MW新華電廠鍋爐頂棚為同類型結構,工程初期便開始探索新的可行、準確的壁溫測量元件安裝方式。鑒于上述安裝經驗,2.2安裝方式有其獨到的可取之處;另一方面,所應關注的環節就是解決溫差問題,即保證熱電偶熱接點處溫度最大限度接近管壁的溫度。于是,可以將爐管熱量的傳遞方式以圖式表述,從熱接點處的熱平衡來分析。所測量爐管鎧偶熱接點處熱平衡如圖3所示。

圖3 鎧裝熱電偶接點處熱平衡示意圖

(1)

(twb-trd)=(q1+q2)/αd

(2)

式中:αd為熱電偶與管壁間的當放熱系數,kJ/(m3·h);twb為爐管外壁溫,℃;trd為熱電偶熱接點的溫度,℃。

從式(1)、式(2)中可看出,要使采集值準確,即(twb-trd),應盡量減小q1、q2,并增大αd。減小q1,即測點處保溫層完好;減小q2,熱電偶熱端應緊貼管壁,除集熱塊防腐漆,露出金屬光澤,保持導熱良好;并沿其長度保溫良好,設法在結構上增大αd值。

因此,提高金屬壁溫采集信息準確性,著手于兩個方面實現:a.增大接觸面積,采用集熱塊采集熱源; b.解決不銹鋼保護管與集熱塊的平滑過度連接。按設想加工1:1的實物模型,經過幾次集熱塊改進和安裝試驗,具備可行性。最終確定安裝方案[3-4],如4圖所示。

a.隨溫度元件配供規格集熱塊如圖5所示,鎖緊抱箍;

b.冷端與測量端間部分鎧偶采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼管保護;

c.集熱塊三面固定焊于管壁,安裝前部位打磨除去油漆防腐層,露出金屬光澤。

圖4 框架罩式頂棚金屬壁溫測量元件安裝示意圖

圖5 包覆式框架結構頂棚壁溫集熱塊

經新華電廠工程實踐,在機組168 h試運過程中,鍋爐頂棚金屬壁溫測量正確率100%,僅初期發生了很小的檢修維護量。此金屬壁溫測量元件安裝工藝優化是可行的。

4 壁溫采集與監測

壁溫測點采集采用國產智能前端或者DCS遠程I/O。國產智能前端防護等級達到IP56,防塵、防水、防磁場、抗震,并有完善的硬件隔離和自檢電路,可在惡劣環境下長期可靠地運行,且布置方式靈活,能夠更好的適應爐頂罩殼上環境。壁溫系統的監控可全部接入到DCS系統或者單獨設置監控系統。全部接入DCS的優點是機組監控統一、便捷,但是因大量模擬量點接入會增加系統的負荷率,對DCS 系統可能會有一定的影響。建議,如果全部接入DCS,盡量采用單獨的控制器。當單獨設置壁溫監控系統時,可采用智能終端+上位機的形式,多臺智能前置器通過通訊總線串聯而成,通信接口采用雙路。此方法可以在不加任何中間環節的情況下直接實現和上位監控系統的通信,減少采用非標準接口和協議時所必須增加的中間轉換設備，減少現場網絡通信所需的額外通信時間,同時減少了因中間環節故障可能導致的各種隱患,具有可靠性高、實時性好、維護量小等優越性。鍋爐壁溫監控系統與SIS系統聯網,向SIS系統傳輸鍋爐實時壁溫信號,可利用SIS系統強大的歷時數據庫記錄鍋爐壁溫信息,實現全廠鍋爐壁溫數據共享,用于鍋爐運行、檢修、壽命管理。

5 工程應用與建議

5.1 應用效果

在華能大慶350 MW熱電廠項目,頂棚框架式密封罩金屬壁溫測量元件安裝中,選用新華電廠的安裝方式。通過不銹鋼保護管可實現穿過頂棚、密封護板、保溫材料等不同結構,解決了空間狹小難于安裝問題;通過增加特型金屬壁溫集熱塊加大了數據采集的準確性、減小測量遲滯時間。大慶新華首次成功應用,華能哈熱電廠第二次應用,伊敏二期因錯過儀表設備訂貨期未能實施。為說明統計不同現場的金屬壁溫測量元件安裝狀況[5-6],見表1。

分析表1數據,第1列測量值,運行期間時而存在動態誤差,不作為可行的安裝方式;其他工程采用優化安裝工藝,效果明顯。

5.2 工程建議

5.2.1 應在測點處管外加保溫層。爐外壁溫測點所測量的溫度是管內的蒸汽溫度,要測量準確,首先應使測點處管子外壁溫度盡量接近管內汽溫;其次要使熱電偶熱接點的溫度盡量接近管子外壁溫度。這就要求盡量減小測點處沿管子徑向和沿熱電偶本身的散熱熱流。因此,必須在測點處管外設置保溫層,建議保溫層的厚度不小于100 mm。

5.2.2 應將從集熱塊引出 的一段熱電偶(約150～300 mm)緊貼在被測管壁上,以盡量減小沿熱電偶本身的散熱,該段管子應做保溫處理。

5.2.3 集熱塊與管壁應三面滿焊。有些施工單位對集熱塊只用點焊固定在管壁上,這樣使得集熱塊不能很好地與管壁接觸。集熱塊的作用是形成一個內部等溫腔室,只有集熱塊的三面與管壁滿焊(除了引出熱電偶的一面以外),才能最大限度地加大與管壁的接觸面積,使集熱塊腔室內的溫度最大限度地接近管子外壁溫度,從而提高測量準確性。

5.2.4 熱電偶在引出罩殼時應在罩殼上加裝保護管。為阻隔罩內的熱量從保護管散出,應在保護管與線槽接口處用耐高溫密封膠泥封堵。

5.2.5 做好施工組織措施。一是鍋爐安裝時,必須嚴格按照鍋爐廠提供的圖紙,查看哪些管排布置有壁溫測點及壁溫測點的設置數量,避免管排安裝錯誤;二是集熱塊焊接應盡量安排在鍋爐打水壓之前,尤其是直接在鍋爐管道上焊接時,必須在打水壓之前完成全部焊接。如果鍋爐廠在管壁上含有預焊板時,也可在打水壓之后進行,但是必須保證施工過程對管屏母材不造成損傷。應先檢驗集熱塊與預焊板的材質,確定兩者之間的可焊性。當沒有預焊板時,應對被焊管道做熱處理。

6 結 語

華能大慶熱電廠350 MW超臨界機組金屬壁溫測量元件安裝,遇到非常復雜的安裝環境。通過對不同安裝工藝的比較分析,為解決包覆式框架結構頂棚問題,找到了金屬壁溫測量元件安裝工藝優化方案。這樣,便于移交生產運行后,電廠檢修維護,判斷鍋爐運行狀態。需提示的,國內行業設計的金屬壁溫測量元件安裝并未規范;而且,此安裝方式涉及到熱電偶的訂貨選型問題。應提前建議設計院和承建方做好相關工作,才能確保優化方案的實施。

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(責任編輯 李世杰)

Installation procedure optimization for measurement elements of tubewall temperature of boiler in 350 MW supercritical units

XU Xinping,YU Guohua,ZHANG Shijun

(Heilongjiang Thermal Power No.3 Construction Corporation,Harbin 150016,China)

During the running period of power plant unit,it was unable to maintain and repair the armoured thermocouple inside the ceiling cover,which has become a problem to be settled in installation.Therefore,the characteristics of insulation and sealing structure for boiler ceiling in Daqing thermal power plant of China Huaneng Group and the installation procedure of measurement elements of tube wall temperature were analyzed.As a result,the scheme of installation procedure optimization for measurement elements of tube wall temperature of boiler ceiling with coated-type frame structure was put forward.After this optimization,in engineering practice,measurement accuracy of tube wall temperature of boiler ceiling is improved and application effect is satisfactory.

boiler; coated-type frame structure; tube wall temperature; data acquisition; installation procedure

2016-03-16;

2016-11-03。

徐新平(1969—),男,高級工程師,從事火電廠熱工自動化設備安裝及技術管理工作。

TK311

B

2095-6843(2016)06-0549-05