1 000 MW鍋爐分隔屏超溫爆管原因分析與改造

許 良， 李榮春， 陳朝松

(1. 國家電投集團協鑫濱海發電有限公司， 江蘇鹽城 224000；2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

隨著電站鍋爐機組參數的不斷提升，鍋爐受熱面設計使用的管材也不斷升級。為了控制投資建設成本，新建超超臨界鍋爐在提高受熱面所用管材等級的同時，可能會相應考慮減少總的受熱面，提高某一級受熱面的工質溫升。當鍋爐實際運行熱偏差較大時，就可能會導致受熱面超溫爆管[1]，給機組鍋爐正常的運行帶來較大的經濟損失和安全隱患。

某電廠1 000 MW鍋爐投運1 a即出現分隔屏超溫爆管，不得不降參數運行，通過對運行數據進行詳細分析，得到爆管的根本原因是實際運行熱偏差較大，各管子流量分配與煙氣側偏差不一致。鍋爐設計廠家結合電廠運行情況和技術專家的建議，提出改造方案，改造后解決了鍋爐正常運行時分隔屏超溫爆管問題，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度達到設計值，提高了機組安全運行性能和經濟效益。

1 鍋爐概況

該電廠一期鍋爐型號為HG-3077/28.3-YM4，一次中間再熱、反向雙切圓燃燒方式、高效超超臨界壓力變壓運行鍋爐，帶循環泵啟動系統、單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、露天布置的П形爐。鍋爐主要設計參數見表1。

表1 鍋爐主要設計參數

該鍋爐過熱器系統采用三級布置，沿蒸汽流程依次為水平與立式低溫過熱器、分隔屏過熱器和末級過熱器。

分隔屏沿爐寬方向共有12片大屏，每片大屏沿深度方向又由6片小屏組成，由前至后分別為A、B、C、D、E、F小屏。每片小屏由15根管組成，原設計壁溫測點在各小屏第1根管出口，同時單獨選取第4片大屏的所有管加裝溫度測點，整個分隔屏原設計溫度測點共計156個。分隔屏報警溫度為593 ℃，參照各小屏第1根管壁溫測點值。

2 分隔屏超溫爆管原因分析

2.1 分隔屏超溫爆管情況

運行約1 a后1號爐分隔屏泄漏停機，檢查發現分隔屏第7片大屏D小屏第9根管(簡稱7D9管)出口段彎頭過熱爆管(見圖1)。

圖1 分隔屏7D9管爆口

割管檢查7D9管內氧化皮生成較多并附著在內壁上。擴大檢查發現1號爐分隔屏第5、6、7、8片大屏受熱面出現不同程度的過熱現象，其中第6、7片大屏的C、D、E小屏部分出口管子超溫，變黑情況尤為嚴重。

為了保證鍋爐安全運行，電廠控制分隔屏第4～9片大屏運行壁溫不超過610 ℃，低于運行控制報警值(635 ℃)，同時通過燃燒調整將分隔屏煙氣側熱負荷向爐膛兩側偏移。雖然可以將分隔屏壁溫控制在報警值以內，但是蒸汽參數無法達到設計值。主蒸汽溫度一般在590 ℃左右，欠溫15 K左右；再熱蒸汽溫度一般在603 ℃左右，欠溫10 K左右。

2.2 改造前熱偏差及流量偏差計算與分析

熱偏差系數ε是指受熱面某一管圈的焓增Δhx與整個管組各管焓增的平均值Δhpj之比[2]，其計算公式為：

(1)

流量偏差系數η是指受熱面某一管圈的質量流量qm,x與整個管組各管質量流量的平均值qm,pj之比，其計算公式為：

(2)

根據采集的實際運行分隔屏改造前6個負荷工況(500 MW、650 MW、730 MW、750 MW、960 MW、970 MW，下同)的運行數據，分別計算A、B、C、D、E、F小屏第1根管屏間熱偏差系數，列出熱偏差系數較大的4個小屏(見圖2～圖5)。

圖2 改造前分隔屏各大屏A小屏第1根管屏間熱偏差系數

圖3 改造前分隔屏各大屏B小屏第1根管屏間熱偏差系數

圖4 改造前分隔屏各大屏C小屏第1根管屏間熱偏差系數

圖5 改造前分隔屏各大屏D小屏第1根管屏間熱偏差系數

從圖2～圖5可知，兩側大屏吸熱量較小，中間偏右的第6、7、8、9、10片大屏吸熱量較大。改造前各大屏屏間最大熱偏差系數εmax與最小熱偏差系數εmin比較見表2。由表2可以看出：熱偏差系數最大值與最小值之比最大超過2，說明分隔屏屏間熱偏差變化比較劇烈。

表2 改造前各大屏屏間最大熱偏差系數與最小熱偏差系數比較

根據采集的實際運行分隔屏改造前6個負荷工況的運行數據，分別計算第4片大屏各小屏的同屏熱偏差系數，列出熱偏差系數較大的4個小屏(見圖6～圖9)。

圖6 改造前分隔屏第4片大屏A小屏各管同屏熱偏差系數

圖7 改造前分隔屏第4片大屏B小屏各管同屏熱偏差系數

圖8 改造前分隔屏第4片大屏C小屏各管同屏熱偏差系數

圖9 改造前分隔屏第4片大屏D小屏各管同屏熱偏差系數

從圖6～圖9可知，各小屏的同屏熱偏差系數在不同工況下規律基本一致：各小屏都是第1根管的熱偏差系數最小，第9～13根管的熱偏差系數較大。改造前第4片大屏同屏熱偏差系數最大值與最小值見表3。由表3可以看出：熱偏差系數最大值與最小值之比均超過2，說明同屏各管熱偏差差異較大。

表3 改造前第4片大屏同屏最大熱偏差系數與最小熱偏差系數比較

改造前第4片大屏各小屏的沿爐膛深度方向的同屏熱偏差系數見圖10。從圖10可知：D小屏熱偏差系數最大為1.2，A小屏熱偏差系數最小，熱偏差系數最大值與最小值之比最大為1.69，說明爐膛深度方向熱偏差變化較為劇烈。

根據原設計分隔屏結構參數，各小屏管子規格相同、節流管規格相同，因此每片大屏各小屏的同屏流量偏差系數也相同；計算同屏流量偏差系數，結果見圖11。

圖11 改造前分隔屏各小屏各管的同屏流量偏差系數

從圖11可知，各小屏同屏流量偏差系數的分布規律：第1根管的流量偏差系數最大，第14根管的流量偏差系數最小，流量偏差系數最大值與最小值之比超過2。

綜上分析，造成分隔屏屏間熱偏差較大的主要原因是蒸汽側偏差和煙氣側偏差不一致；同屏熱偏差相差較大的主要原因是同屏流量偏差較大；沿爐膛深度方向各小屏熱偏差較大的主要原因是煙氣側沿爐膛深度方向煙溫偏差較大。

2.3 原設計分隔屏報警溫度分析

原設計分隔屏壁溫測點在各小屏第1根管出口，報警溫度為593 ℃，其余各管出口壁溫為運行控制溫度，詳細控制溫度見表4。由表4可知，原設計第1根管和其余管最大壁溫差值只有42 K。

表4 分隔屏報警及運行控制溫度

根據改造前6個負荷工況的運行數據，計算第4片大屏各小屏第1根管與其余管最高壁溫的實際偏差見表5。從表5可知，第1根管與其余管子最高壁溫的實際偏差最高可達111.4 K，遠遠大于原設計的預期偏差(42 K)。

表5 改造前第1根管與其余管最高壁溫的偏差

由于原設計分隔屏各小屏第1根管的熱偏差系數很小，實際運行中第1根管的出口壁溫比其余管子低很多，該報警溫度監測點位置不太合理[3]，其報警溫度不能有效代表其他管子超溫的情況。實際運行中其他管子發生超溫和爆管時，第1根管并沒有達到報警溫度；而且很多發生超溫甚至爆管的管子并沒有安裝壁溫測點，不能對其進行有效監控。

2.4 分隔屏爆管原因總結

綜合分隔屏超溫爆管的計算與分析[4]，主要有以下5點原因：

(1) 屏間熱偏差變化比較劇烈，熱偏差系數最大值與最小值之比最大超過2。

(2) 各小屏同屏熱偏差變化比較劇烈，熱偏差系數最大值與最小值之比最大超過2.6。

(3) 沿爐膛深度方向各小屏熱偏差較大，熱偏差系數最大值與最小值之比最大超過1.6。

(4) 各小屏同屏流量偏差較大，流量偏差系數最大值與最小值之比超過2。

(5) 以各小屏第1根管壁溫為監測點，其報警溫度不能有效代表其他管子超溫的情況，且原設計壁溫測點數量偏少。

3 分隔屏改造方案制定與實施效果

3.1 分隔屏改造方案技術路線

局限于燃燒側沒有有效調整措施，根據分隔屏超溫爆管的原因分析，改造的基本原則是將各管屏流量分配進行合理的調整，以適應鍋爐煙氣側的偏差，從而減小各管屏的熱偏差，降低各管出口的溫度偏差，滿足各管許用溫度的安全裕度要求。確定的分隔屏的改造方案主要技術路線為：

(1) 在分隔屏入口大連接管上設置節流孔。

(2) 為全部管屏的第1根管設置節流短管。

(3) 將爐膛兩側第1、12片大屏節流。

(4) 將熱偏差較小區域的部分原設計節流管的節流孔放大；原設計無節流管的加裝節流管。

(5) 將熱偏差較大區域的管屏部分原設計節流管的節流孔放大。

(6) 加裝更多的壁溫監測點，設置更完善的運行監控點。

根據以上確定的改造方案技術路線，經過詳細計算與設計，確定了相關管屏的改造方案；電廠負責現場設備的安裝調試。

3.2 改造后分隔屏熱偏差計算與分析

根據采集的實際運行分隔屏改造后6個負荷工況(397 MW、496 MW、556 MW、816 MW、894 MW、966 MW，下同)的運行數據，分別計算A、B、C、D、E、F小屏第1根管屏間熱偏差系數，列出熱偏差系數較大的4個小屏(見圖12～圖15)。

圖12 改造后分隔屏各大屏A小屏第1根管屏間熱偏差系數

圖13 改造后分隔屏各大屏B小屏第1根管屏間熱偏差系數

圖14 改造后分隔屏各大屏C小屏第1根管屏間熱偏差系數

圖15 改造后分隔屏各大屏D小屏第1根管屏間熱偏差系數

從圖12～圖15可知：對比改造前的屏間熱偏差系數，改造后屏間熱偏差系數的最大值都有所降低，最小值都有所增加。改造后各大屏屏間熱偏差系數最大值與最小值比較，以及改造前后最大熱偏差與最小熱偏差之比的相對變化率見表6。由表6可知：熱偏差系數最大值與最小值之比比改造前都減小，最高減小23.8%，改造后總體屏間熱偏差變化比改造前較為平緩。

表6 改造前后各大屏屏間最大熱偏差系數與最小熱偏差系數比較

根據采集的實際運行分隔屏改造后6個負荷工況的運行數據，分別計算第4片大屏各小屏的同屏熱偏差系數，列出熱偏差系數較大的4個小屏(見圖16～圖19)。

圖16 改造后分隔屏第4片大屏A小屏各管同屏熱偏差系數

圖17 改造后分隔屏第4片大屏B小屏各管同屏熱偏差系數

圖18 改造后分隔屏第4片大屏C小屏各管同屏熱偏差系數

圖19 改造后分隔屏第4片大屏D小屏各管同屏熱偏差系數

從圖16～圖19可知，改造后各小屏的同屏熱偏差系數在不同工況下規律基本一致：各小屏都是第1根管的熱偏差系數最小，第9～14根管的熱偏差系數較大。改造后同屏熱偏差系數最大值與最小值比較，以及改造前后最大熱偏差與最小熱偏差之比的相對變化率見表7。

表7 改造前后第4片大屏后同屏最大熱偏差系數與最小熱偏差系數比較

由表7可知：改造后熱偏差系數最大值都有所降低，最小值都有所增加，熱偏差系數最大值與最小值之比比改造前都減小，最高減小45.5%，總體同屏熱偏差變化比改造前較為平緩。

改造后各小屏的沿爐膛深度方向的同屏熱偏差系數見圖20。從圖20可知：D小屏熱偏差系數最大，為1.15，A小屏熱偏差系數最小；熱偏差系數最大值與最小值之比最高為1.47，比改造前減小13%，深度方向熱偏差比改造前較為平緩。

圖20 改造后分隔屏第4大屏各小屏沿爐膛深度方向熱偏差

分隔屏改造后，鍋爐運行情況取得較好的預期效果[5]：屏間熱偏差系數和同屏熱偏差系數均比改造前變化平緩，熱偏差系數最大值都有所降低，熱偏差系數最小值都有不同程度的增加，并且通過增加的壁溫測點可以更好地監控超溫情況，提高了機組的安全性。改造后主蒸汽及再熱蒸汽均能達到額定溫度，發電煤耗能降低約1.6 g/(kW·h)，提高了機組的經濟性。實際運行監測到個別管子仍然存在一定程度的超溫隱患，停爐檢修時需要重點關注。

4 結語

(1) 針對某電廠分隔屏超溫爆管，利用實際運行數據計算與分析改造前的屏間熱偏差系數、同屏熱偏差系數、爐深方向熱偏差系數、同屏流量偏差系數規律，總結分隔屏超溫的主要原因，并提出針對性的改造方案并實施。

(2) 改造后的運行數據表明，分隔屏的屏間熱偏差系數和同屏熱偏差系數分布規律都比改造前大幅改善，主蒸汽及再熱蒸汽均能達到額定溫度，發電煤耗降低約1.6g/(kW·h)，提高了機組運行經濟性。

(3) 針對性地增加了壁溫測點，可以更全面地監控分隔屏超溫情況，提高了機組運行的安全性。