鍋爐長周期運行壽命管理模式應用

華能海門電廠

鍋爐長周期運行壽命管理模式應用

華能海門電廠

海門電廠探索1000MW級機組鍋爐“四管”泄漏的特性與規律，能夠提前發掘潛在的隱患并治理，保障電廠4臺鍋爐不發生四管泄漏事故。通過防磨防爆管控管理體系循環有效運作，對電廠鍋爐長周期運行壽命管理，提高機組運行可靠性和經濟效益具有重大借鑒和參考價值。

華能海門電廠通過創建適應超超臨界百萬機組長周期防磨防爆品質管理，通過8年來不斷探索、研究、總結，強化多項預控體系建設和標準化管理體系建設，提升在四管防磨防爆工作中加強和改善超超臨界防磨防爆管理的制度標準化、裝置規范化、流程程序化、技術標準化、行為規范化、四管可視化，形成了一套有效的PDCA（PLAN-DO-CHECK-ACT）閉環管理標準模式，使四管防磨防爆工作做到網格化、全覆蓋、無死角、定責任、定標準。

一、概況及成果

華能海門電廠一期4臺1036MW燃煤汽輪發電機組。鍋爐主設備由東方鍋爐（集團）股份有限公司、BHK、BHDB制造。鍋爐型號：DG3000/26.15-Ⅱ1型鍋爐。鍋爐型式為高效超超臨界參數變壓直流爐、對沖燃燒方式、固態排渣、采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。

1.防磨防爆課題長期研究

海門電廠從09年機組逐步調試投產，至11年4臺機組全部正式商業運行，不斷完善、總結、提升鍋爐長周期運行管理水平，至12年已經初步形成了標準化的預控和管理體系、可視化檢查菜單、可靠檢查工具及技術水平等，目前電廠摸清了1000MW級機組鍋爐“四管”泄漏的特性與規律，能夠提前發掘潛在的隱患并治理，確保電廠4臺鍋爐不發生四管泄漏事故，全面打造超超臨界百萬機組防磨防爆的“海門電廠”品牌和效應。

鍋爐受熱面管防磨防爆工作是一項長期而艱巨的任務，需要全員參與，專業化技術團隊共同努力，才能為機組安全、穩定、長周期運行打下堅實的基礎。領導重視是做好防磨防爆的關鍵，預控體系是做好防磨防爆的基礎，管理體系是做好防磨防爆的保證，PDCA體系運作是做好防磨防爆的核心。這其中有四個主要點：

（1）各級領導高度重視。公司、分公司、電廠領導多次親臨現場指導鍋爐“四管”防磨防爆工作，電廠內部成立以生產廠長為組長的三級檢查監督網絡，本著“逢停必查，查必徹底”的原則，認真細致的組織開展鍋爐“四管”防磨防爆檢查工作。落實責任，劃分區域，確保“分工明確，責任到人，檢查到位”。推行“四管”防磨防爆檢查標準卡模式和評價標準，固化防磨防爆流程，閉環監督，推動該體系周期滾動提升運作。

（2）強化預控和管理體系建設。一是強化預控體系建設，主要有：實時給水加氧控制、實時壁溫檢測分析（PSSS）調整、運行燃燒調整控制、壁溫及氧化皮多級預控、停機氨水堿化烘干和真空干燥法保養、檢修鍋爐防磨防爆三維數字化虛擬仿真、檢修防磨防爆檢查、鍋爐技術監督等；二是通過健全防磨防爆制度標準化、裝置規范化、流程程序化、技術標準化、行為規范化、四管可視化，摸索出一套行之有效的解決方案、技術措施，并形成了從計劃-執行-檢查-行動提升的PDCA閉環管理標準模式體系的運作，使四管防磨防爆工作做到網格化、全覆蓋、無死角、定責任、定標準，摸清1000MW級機組鍋爐“四管”泄漏的特性與規律，提前發掘潛在的隱患并治理，確保了電廠4臺鍋爐連續四年未發生一起四管泄露非計劃停機造成的經濟損失。

表1 鍋爐四管爆漏機理分類

（3）電廠強化PDCA過程管控。舉一反三、杜絕任何可能，重視受熱面檢查中發現的問題，任何一臺爐發現的問題，必須立刻組織專業人員分析討論，尋找導致缺陷發生的原因，推廣至其中鍋爐加以普查，保證了在其他鍋爐不重復發生同類事件，嚴格控制檢修質量，逐步提高設備的健康水平。結合東方鍋爐特性，重點處理的工作有：

1）所有受熱面進口集箱的檢查清理；

2）水平煙道包墻與后豎井包墻過熱器交匯處鰭片結構不合理，應力集中導致管道開裂；

3）頂棚出口集箱疏放水管安裝不規范造成膨脹不暢拉裂管子；

4）水冷壁吹灰器讓管附近鰭片開裂，導致延伸至水冷壁管開裂；

5）燃燒器安裝偏差，導致鍋爐偏燒；

6）大包密封受熱面預埋件安裝質量及結構原因導致管道開裂；

7）鍋爐尾部半伸縮吹灰器設計不合理，槍管彎曲無法投運；

8）再熱器減溫器噴管開裂；

9）尾部煙道受熱面及爐內吊桿吹灰器吹損區域加裝防磨瓦；

10）水冷壁燃盡風區域高溫腐蝕部位防腐噴涂、高過高再區域防磨噴涂；

11）堅持對高溫受熱面氧化皮脫落的監督檢查。

（4）強化內外協同合作。充分利用國內科研單位經驗、設備有利優勢，與西安熱工院、國內專業隊伍合作，起到交叉、互補的作用。各次檢修、調停期間對四管全面檢查。由西安熱工院，中國特檢院，上海電建，廣東拓奇（或安徽二建）、廣州帕理與我廠檢修部、策劃部共同完成。檢修人員嚴格按照“寧繁不簡，寧細不濫，全面檢查，把握重點”工作要求，做到“分工明確，責任到人，檢查到位”，發現吹灰器附近鰭片裂紋、水冷壁漏焊及鼓包、冷灰斗砸傷、防磨瓦翻轉等多處缺陷，檢修期間徹底消除，確保全年實現鍋爐零泄漏。

2.防磨防爆重要性

目前，火力發電廠鍋爐受熱面管爆漏是影響發電設備安全可靠性的一個主要因素。受熱面管爆漏造成的主設備非計劃停運次數占火力發電機組非計劃停運總次數的40-50%，有些機組比這個比例還要大。受熱面管爆漏直接威脅到電廠的安全運行，同時也給電網安全穩定運行帶來了極大的困難，特別是對于大容量高參數的超超臨界機組。隨著機組容量、運行參數、使用材料等級的提高，機組的安全性尤為重要，特別是鍋爐受壓部件的防爆管已放在了電廠運行安全運行的首要位置。一臺超超臨界鍋爐一旦出現受熱面泄漏、爆管將給發電企業造成巨大的經濟損失：1000MW 機組鍋爐一次爆管造成停爐的直接經濟損失在500 萬人民幣以上，若考慮發電量減少，損失將達超過千萬元人民幣，所以大容量超超臨界機組鍋爐防泄漏、防爆的重要性不言而喻。同時，近年來進口煤炭存在價格低廉的優勢，為了降低燃料成本，燃用煤種嚴重偏離設計煤種。這些外部因素加重了鍋爐受熱面的結焦程度、腐蝕程度和疲勞損傷程度，間接降低了受熱面管的安全可靠性。此外，超超臨界機組鍋爐受熱面采用了大量的新鋼種，比如T/P92、Super304H、HR3C等新型耐熱鋼，對于這些材料的使用性能和工藝性能的掌握還有待于提高，尤其是奧氏體不銹鋼的蒸汽氧化問題成為了影響鍋爐安全運行的一大隱患。

3.國內及電廠“四管”安全現狀

鍋爐過熱器、省煤器、水冷壁、再熱器管(簡稱“四管”)爆漏，是影響火電機組安全、經濟運行的主要因素之一。據近年來的統計，我國大型電站因“四管”爆漏引起的停機事故，占機組非計劃停用時間的40%，占鍋爐設備非計劃停用時間的70%，而且隨機組參數的提高和新機組投運的增加，這類事故還有上升的趨勢。可以看出，鍋爐設備事故中“四管”爆漏的事故所占比例較大，在所發生的非計劃停運事故中，有近一半是鍋爐“四管”爆漏造成的。鍋爐“四管”爆漏對機組可用率的影響，NERC（北美電力可靠性委員會）的統計分析表明，每減少1%的可用率意味著3000-7000萬美元的經濟損失。因此，如何更加有效地開展鍋爐“四管”爆漏防治工作，提高設備的可用率，進而提高企業經濟效益是一個具有現實意義的課題。

在鍋爐的整個運行周期中均存在爆管的可能性，但在試運初期受熱面發生爆管事故的概率最大，投運一到兩年之后爆管明顯減少。不同參數與爐型的鍋爐引起爆管的主要原因有所不同，在對東鍋近幾年內投運的42臺超臨界鍋爐爆管統計，有23臺鍋爐發生過爆管事故，19臺爐未發生爆管。在這23臺爆管鍋爐中，共發生62次爆管，引起受熱面爆管的原因，排在第一位是異物堵塞，其次是制造缺陷包括安裝缺陷，再其次是母材相關因素。

從目前國內已經投產或者在建的百萬機組電廠，具有幾個特點：

（1）幾年內一躍成為世界上擁有超超臨界機組最多的國家。機組溫度、壓力參數高，使用如Super304H，HR3C，T/P92等多種新型耐熱鋼材料，鍋爐“四管”部件等泄漏風險大，設備管理難度大。

（2）基礎薄弱，經驗較少，認識不足等問題：舊防磨防爆管理模式、內容、制度不能適應超超臨界百萬電廠防磨防爆管理需要，一些電廠四管泄漏頻繁，檢修管理失控、受熱面高溫腐蝕嚴重，氧化皮剝落堆積導致超溫、爆管等等，造成非計劃停運和機組不能長周期安全穩定經濟運行。

（3）人員缺乏管理和技術經驗等。特別是新建電廠定員少，隊伍精干，都沒有自己的檢修部門，日常維護和檢修工作基本外委。

海門電廠1～4號機組現階段運行狀況良好，尤其是2012年下半年至今未發生因受熱面爆漏而導致的非停，鍋爐的安全可靠性良好。2012年以前出現過受熱面管爆漏導致的機組非計劃停運，主要是水冷壁吹灰器孔附近鰭片裂紋延伸至管子母材、水平煙道積灰結焦等問題。同時，鑒于國內其它早期投運的1000MW超超臨界燃煤機組鍋爐出現一些新的問題，比如奧氏體不銹鋼管內壁蒸汽氧化、水冷壁管的大面積腐蝕疲勞開裂問題，導致受熱面爆漏，給機組的安全運行帶來威脅。隨著機組運行時間的增加，燃用煤種的參差不齊，鍋爐受熱面管的安全可靠性將會逐漸降低。

表2 百萬千瓦容量機組發生一次爆管損失效益估算表

因此，為減少和避免因受熱面爆漏導致的非計劃停運，保證機組運行的安全可靠性，間接為節能減排工作做貢獻，必須加強管理，延長運行周期，必須對鍋爐受熱面管的安全可靠性進行研究并優化，必須實現受熱面管防磨防爆工作的規范化、程序化、標準化、常態化。

為此，必須探索研究、總結強化超超臨界防磨防爆管理的制度標準化、裝置規范化、流程程序化、技術標準化、行為規范化的標準體系和大數據挖潛化，形成了一套有效的PDCA閉環管理標準模式。最終實現 “一個檢修周期內不發生四管泄漏”的目標，保證機組運行的安全可靠性，延長機組運行周期和安全壽命。

4.“四管”失效機理研究

（1）數據的分析和歸類。

鍋爐“四管”失效的分布沒有顯著的分布規律；鍋爐“四管”爆漏分析及預防是一個復雜的問題，盡管鍋爐“四管”爆漏的機理復雜，目前已知的有20余種，但是基于對歷史數據的分析，發現絕大部分爆漏問題可以劃歸在3類型式中。

1）慢性、累積型爆管：包括由蠕變、疲勞、腐蝕和磨損等引起的爐管爆漏。這類問題一般與運行時間相關，隨著機組運行累計時間的延長和設備的老化，這類問題呈現上升的趨勢。

2）先天缺陷引起的爆管：這往往由于制造、安裝或檢修等環節的質量控制問題引起，如焊接缺陷、缺陷部位的壽命因缺陷程度的大小變化很大。這類爐管爆漏隨時間的推移呈逐漸下降的趨勢。

3）快速、隨意型爆管：這類爆管往往是由于運行中的短期異常問題引起，比如運行中的汽水回路流量中斷、吹灰器異常吹損等。與前面兩類不同，這類爐管爆漏問題一般是由短期因素作用引起，它的發生機率和機組的運行時間無關。

由此，區分了以上3類爆管的特點，就可以采用不同的處理方案。

第1類爆管數量上一般占總爆漏次數的50%以上。對于此類爆管，針對爆漏失效機理可采取相應的預防、控制措施。第2類爆管問題可以通過加強質量管理，抓好從管材采購到制造、安裝各環節的檢查和檢驗工作得到控制。第3類爆管的發生雖然呈現一定的隨意性，但是通過加強設備技術管理工作也可以降低其發生的機率。

（2）爆漏機理分析。

國內外在鍋爐管的失效機理方面進行了大量的研究，引起四管爆漏的原因很多，包括設計、制造、安裝、檢修、運行及煤種等多方面，某一四管爆漏故障往往非單一因素所致，而是多種因素同時存在并交互作用的結果。根據全國大機型鍋爐四管爆漏事故的統計，磨損、焊縫、過熱、腐蝕、拉裂等是引起鍋爐四管爆漏的主要原因。通過故障事故的分析，引起鍋爐四管爆漏可歸納如下幾方面原因：

（3）四管爆漏故障診斷識別。

鍋爐“四管泄漏”通常不僅發生率高，而且危害性大，往往造成巨大損失。及時準確地預防及處理“四管泄漏”，有利于發電機組經濟安全運行，避免人員和財產損失。鍋爐爐管泄漏監測系統用于監測鍋爐過熱器、再熱器、省煤器、水冷壁等鍋爐受熱面管道的早期水汽泄漏，以及吹灰運行工況。鍋爐爐管監測系統實現對鍋爐爐管泄漏進行監視，在顯示器上以模擬圖等形式顯示各點傳感器在本體上的分布，并能以不同顏色實時顯示各點的正常運行、報警、故障的狀態。通過對聲音強度、頻率和持續時間的分析及判斷，發現鍋爐的泄漏點，根據趨勢圖監視其發展和變化。

1）鍋爐爐管泄漏早期報警：自鍋爐四管（省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器）發生砂眼、裂紋開始，裝置應能逐級報警，并發出無源干接點報警信號；自動檢測泄漏過程中，顯示器上的“棒圖”應能以顏色變化分別表示：正常（綠色）、異常（黃色）、泄漏（紅色）。

2）判定泄漏區域位置：通過泄漏點附近分布的“測點”所反映的泄漏程度，并結合各“測點”先后報警順序能綜合判斷出泄漏區域位置：分辨率≥4米的隔離范圍。

3）顯示泄漏噪聲頻譜：能顯示各測點所“聽到”的爐內聲音頻譜，顯示譜段為1-15kHz。能明顯地判別出爐管泄漏及蒸汽吹灰的聲音。泄漏故障發生后，根據檢修經驗和故障特性，形成故障判別表，并記錄機組歷史事故具體檔案。

二、安全經濟效益

為降低機組泄漏風險，提高機組安全穩定運行的可靠性、經濟性，積極采取各種管理措施，加強風險分析、預控和檢修檢查、運行控制，努力提高機組防磨防爆工作成效，確保了機組修后長周期穩定運行；著力打造超超臨界百萬機組防磨防爆的“海門電廠”品牌和效應；實現“新起點、新目標、新超越”，為電力行業防磨防爆做出更大的貢獻。

每發生一次四管泄漏，電廠損失嚴重，據一般經驗數據估算，主要包括三個方面：

1.四管泄漏電量損失計算：搶修時間5天，則直接減少發電，效益損失：1000000（千瓦）＊0.75（75%負荷率）＊24（小時/天）＊ 5（搶修天數）＊0.2（邊際貢獻，元）＊0.5（年次/臺）＊4（臺）=3600萬元。

2.檢修、啟機費用：按最低檢修費用至少20萬/臺/次；主要包括檢修的人力、物力成本核算。

3.機組啟停直接費用至少80萬/次。主要包括啟停機過程的燃料、電量、水量、低品質參數等的工質能源損耗。

以上三個方面，可以看出，以每臺機組0.5次/年的概率，見表2，電廠構建實施超超臨界鍋爐防磨防爆管理體系效益至少達3800萬/四臺機組/年。

項目實施以來，通過管理創新、理念創新、模式創新、技術創新等，有效避免了鍋爐“四管”及機組重要部件泄漏發生，降低了機組非計劃停運風險，安全效益、經濟效益、品牌效益明顯。

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