高溫管屏爐內壁溫在線監測系統技術及應用

郭敏鑒，胡旦華

（福建省電力勘測設計院，福建福州 350003）

高溫管屏爐內壁溫在線監測系統技術及應用

郭敏鑒，胡旦華

（福建省電力勘測設計院，福建福州 350003）

超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐的高溫受熱面工作環境惡劣，很容易導致事故的發生，鍋爐高溫管屏爐內壁溫在線監測系統技術的應用，幫助相關工作人員及時調整鍋爐內部的熱溫差，提高鍋爐運行中的安全性，也保障了工作人員的人身安全，提高了工作效率，可以獲得更高的經濟效益。

高溫管屏爐內壁溫；實時監測技術；應用

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.50

1 項目背景及設計的必要性

超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐壓力和溫度高，管子和集箱的應力大，而且沒有鍋筒，要求有高自控性能的運行水平。如果控制系統與鍋爐的動態特性配合不好，或者在突發性擾動和煤水比控制不當時，會發生出口汽溫飛升或過熱器中間點溫度波動大，使爐內管子成片受損并使集箱受到過大的內外壁動態溫差應力，影響受壓件的使用壽命。相關設備在運行過程中，煙道中煙溫偏差較大會導致鍋爐超溫和爆管，特別是對于對流吸熱偏差的前期設計與實際情況差距較大，更容易產生爆管現象。一旦爆管事故發生，設備管子則會大幅度的被破壞，形成安全隱患。因此，對于鍋爐爆漏事故的處理，一是小范圍的更換管子（但仍存在超溫隱患），二是投入巨資進行改造。

高溫管屏爐內壁溫在線監測系統，采用一套鍋爐過熱器再熱器熱偏差及管子壁溫的計算方法，為電廠研發出的解決方案，指導司爐進行燃燒調整，避免爐內管子壁溫超溫；對爐內管子剩余壽命進行量化評估，避免運行中因超溫引起的爆管事故等，延長鍋爐的使用壽命，提高鍋爐運行的穩定性、安全性和經濟性；實現電廠安全經濟運行“狀態檢修”和“壽命監測”的高科技管理，隨時監視和指導鍋爐的運行情況，避免發生超溫、避免鍋爐降參數運行，并指導鍋爐的檢修工作，延長高溫部件的壽命，及時給用戶提供掌握設備在役情況和使用壽命的可量化的精確數據，為電廠適時安排機組檢修提供精確可靠的第一手資料。

超超臨界鍋爐高溫管屏運行過程中，過、再熱器存在嚴重的熱偏差帶來的爆管隱患，以及管內氧化皮快速生成脫落，堵塞引起爆管的問題，都是由于無法檢測到爐膛內過熱器再熱器實時壁溫，造成部分管段運行于超溫及氧化加劇狀態，同時大量管屏處于降參數運行造成鍋爐運行的不經濟。高溫管屏爐內壁溫在線監測系統的實施，可以避免鍋爐運行中爐膛內的超溫及降低鍋爐發電煤耗，減少二氧化碳和硫化物氮化物的排放，保障超超臨界鍋爐更加安全、經濟、穩定運行。利用鍋爐原有的爐外測點數據和鍋爐設計數據及鍋爐運行參數，可2次/min顯示過熱器再熱器所有管子爐內各點的汽溫、壁溫和壽命損耗等情況，可以在線查明鍋爐存在的設計和運行缺陷，指導和優化運行，減小熱偏差，消除因超溫引起的爆管，延長高溫部件的使用壽命和延緩管內氧化皮生成速度。

2 高溫管屏爐內壁溫在線監測系統技術

2.1 技術基礎

高溫管屏爐內壁溫在線監測系統技術的主要依據是鍋爐過、再熱器的熱偏差以及內壁溫的計算方式，除此之外，根據相關電廠每一臺鍋爐的實際情況，研究出符合要求的過熱器再熱器在線監測管理系統。監測管理系統的核心部分是內壁溫和設備壽命損耗的計算模塊。通過計算機實時監控，從電廠設置的網絡系統中讀取數據，通過計算機計算，將收集到的數據進行整理，形成數據庫儲存在計算機中，方便以后的查找。如果發現有超溫情況，則發出報警提示信號，并顯示超溫的部位。整體而言，高溫管屏爐內壁溫在線監測系統技術具有功能廣、精度高、可靠性高的優點。

準確的在線監測是及時調整狀態檢修的有效方法。鍋爐在設計的時候，每個過熱器和再熱氣的管子都裝有爐外壁溫測點，這些溫測點顯示的結果，影響在線監測對狀態檢修的調控。監測系統利用鍋爐上原有的爐外壁溫測點在線計算每根管子沿長度各點的爐內壁溫，算出沿煙道寬度的熱負荷偏差和同片各管熱偏差。計算管子壽命損耗的基礎是爐內壁溫在線計算的準確性。監測軟件考慮實際運行的蒸汽流量偏差和各種輻射和對流傳熱偏差等因素，經過多年的電廠實踐，證實具有很高的計算精度。內壁溫的準確性影響在線監測數據的準確性，鍋爐的過熱器和再熱器運行情況復雜，若鍋爐燒兩側的煙溫檢測點插入過少，只顯示結果便不能正確代表真正的溫差值。因此，鍋爐燒兩側的煙溫檢測點呈現數據的準確性影響著在線監測系統。

2.2 技術原理

計算管子壽命損耗的基礎是準確計算管子的爐內壁溫。每一點汽溫和壁溫的高低受到各種蒸汽流動條件和輻射對流傳熱條件的影響。該計算軟件考慮實際運行工況中各屏間和同屏各管間蒸汽流量的偏差、屏前、屏后、屏間及屏下輻射和對流傳熱偏差，以及管子阻力系數等9個偏差因素，給出數學模型，管組中任一個管段 i的焓增計算見式（1）。

式中 Di，Kr，Kh———蒸汽流量（kg/h），寬度和高度吸熱偏差系數

li，E0，d——計算管段長度，面積折算系數和管子外徑（m）

qf，pi———屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負荷（W/m2）及偏差系數

qp，qd，ξ1i，ξ2i———屏間煙氣輻射和對流熱負荷（W/m2）及偏差系數

計算點的汽溫計算見式（2）。

式中 tj，R———管進口溫度（℃）和蒸汽比熱，kJ/kg/℃

計算點的壁溫計算見式（3）。

式中 J，β，α2——熱均流系數、管徑比和管內蒸汽對管壁的放熱系數，W（/m2K）

δ，λ———管壁厚度（m）和金屬導熱系數，W（/mK）

2.3 系統功能

鍋爐高溫管屏爐內壁溫在線監測系統的核心是實時進行爐內汽溫、壁溫的計算，檢測的精度較高，爐內壁溫計算精度可達到3～5℃。系統可記錄優化運行工況下，鍋爐的實時負荷、燃煤、配風等100多個數據。運行人員可借鑒此數據進行運行調整，技術人員可借鑒此數據進行超溫分析。采用此系統后可使鍋爐經濟并且安全運行，減少機組的非計劃停運，延長高溫管屏壽命，主要優勢：①可以防止過熱器、再熱器在運行中發生因超溫引起的爆管；②實現高溫管屏爐內管子壁溫在線監測及超溫報警；③在線計算爐內各管段的氧化皮形成和壽命損耗累積值，為高溫受熱面狀態檢修提供依據；高溫再熱器壽命損耗排序見表1④防止因部分管子超溫而被迫采取的降溫運行，對降低機組發電煤耗、減少CO2，NOX，SO2等的排放提供間接經濟效益；⑤系統可以提供鍋爐優化運行方案，減小熱偏差，提高集控運行人員的操作技能、故障判斷處理能力和綜合分析能力，保證鍋爐的安全經濟運行；⑥超溫點及超溫時段統計，實現重要數據的歷史追憶及查詢；⑦與DAS，DCS，MIS或SIS系統實現數據交換，方便網絡查詢。

表1 高溫再熱器壽命損耗排序表

3 結論及評價

（1）動態反映鍋爐過熱器、再熱器實時運行狀況，及時形成直觀數據，為鍋爐運行人員提供參考，確保鍋爐安全、經濟運行。

（2）能提供準確動態數據并加以積累存儲，為以后鍋爐運行分析、技術改造、計劃檢修提供基礎數據保障。實現對鍋爐“狀態檢修”，“壽命監測”的現代化管理。

（3）提供優化運行工況和參數，為鍋爐運行人員提供操作指導，避免由于操作不當對鍋爐造成的損傷，縮短了運行人員的經驗積累時間。

（4）降低非生產能源損失，實現安全節能、安全創效，科學的提高電廠“反措”能力。

高溫管屏爐內壁溫在線監測系統應用于超超臨界參數變壓直流爐，可大大減少非計劃停機等導致的經濟損失，經濟效益明顯。

［1］周江，俞明芳，楊卓軍.超超臨界1000MW機組鍋爐高溫受熱面壁溫變化規律分析［J］.熱力發電，2013（2）：45-49.

［2］杜保華，王大鵬，董雷，李耀君，王智微，傅望安，劉鴻國.超超臨界1000MW機組鍋爐高溫受熱面爐內壁溫測量及分析［J］.熱力發電，2013（7）：32-35.

［3］劉進，丁士發.超臨界參數鍋爐高溫受熱面管氧化皮生成評估研究［C］.中國動力工程學會鍋爐專業委員會2013年學術研討會論文集，2013.

TK223.3

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〔編輯 李 波〕