大型電站鍋爐過熱器失效原因分析及對策

1、概 述

電站鍋爐過熱器等高溫受熱面的工作條件比較惡劣，鍋爐過熱器超溫爆管的現象較普遍，不論是國產型、引進型、進口型都發生過超溫爆管事故，爐管爆破直接影響鍋爐的安全經濟運行。這里對過熱器的損傷機理進行分析：爐管損傷主要由超溫引起，長時間的超溫導致的蠕變損傷是管束金屬失效的主要原因，直接影響受熱面壽命，嚴重影響機組的安全運行。鄒縣發電廠Ⅲ期工程2×600MW 機組，鍋爐是美國Foster Wheeler 公司生產的亞臨界中間再熱自然循環單汽包2020t/h 燃煤鍋爐。過熱器由五級組成：頂棚、包覆、初級（低溫）、分割屏（全大屏）和末級（高溫）過熱器。蒸汽從初級過熱器出口聯箱引出，經一級噴水減溫器送到分割屏入口聯箱。再熱器為一級再熱器，分為高溫段、中溫段、低溫段。

2、受熱面超溫原因分析

2001至2003年，分割屏過熱器相繼發生爆管現象（目前改造后已消除了泄漏隱患）。宏觀檢查分割屏爆口似桃形，呈長期過熱特征，附近管子表面發黑、氧化剝皮，管材球化3～4級，機械性能不合格；檢查末級過熱器爆口開闊，呈脆性撕裂，氧化皮不厚，脹粗不明顯，附近的組織為奧氏體，少量碳化物沿晶界析出，并有晶界孔洞，呈短時過熱特征。分析過熱的原因有以下幾個方面引起：

2.1 熱偏差

過熱器同屏管間吸熱偏差較大是造成超溫的主要原因。同一屏中各根管子進出口汽溫有很大的偏差，同屏各排管子受爐膛或屏前煙氣輻射的角系數也不同，因而各排管子的吸熱偏差大，特別是外管圈、最內管圈吸熱量大，熱偏差大，該部位最易超溫爆管。為減少熱偏差，該爐在各級過熱器均采用了節流圈。當初設計節流孔時，考慮到外側的管排因離火焰中心距離近，受到高溫輻射，所以94～126 管排沒有設計節流孔，而只將管排內側的93 排管子加裝節流孔，而且1～31 管排孔徑最小只有11.11mm。末級過熱器在受熱負荷較少的11～13 內管圈節流孔徑為19.84mm。由于結構和運行條件的影響，運行中節流孔小的管子的蒸汽溫度和焓增量超過了整個管組的平均值，即產生熱偏差的管子，管內蒸汽溫度較高，甚至遠超過了金屬的管壁溫度，從而造成長期嚴重超溫。

2.2 煤質變差

由于電煤供應日趨市場化、多元化，造成煤質波動幅度增大，使鍋爐燃煤偏離設計煤種，揮發分含量降低，煤粉氣流著火溫度顯著升高，著火熱也隨著增大，著火困難，達到著火所需的時間變長，燃燒穩定性降低，著火中心上移，爐膛輻射受熱面吸收的熱量降低，對流受熱面吸收的熱量增加，造成了鍋爐運行調整困難，加大了鍋爐的熱偏差，雖然主汽溫度不超溫，但容易造成過熱器超溫甚至爆管。

2.3 燃燒器內部損壞缺陷

該爐為前后墻濃淡分離旋流式燃燒器，經過多年的運行，發現燃燒器內部的耐磨陶瓷破碎、脫落，有的耐磨陶瓷板松脫后卡在燃燒器的內套管上，還有的一次風噴口燒毀變形，燃燒器旋口的耐火材料燒損脫落和結焦。嚴重的影響了燃燒器通道內一次風粉氣流的正常旋流。由此造成燃燒器噴口噴出的一次風旋流強度降低，而且許多破碎的耐磨陶瓷板被吹至燃燒器的噴嘴，堵塞濃淡噴口下部（濃）噴口，減少了其通流面積，迫使較濃的煤粉通過中心（淡）噴口，有的燃燒器濃淡噴口已經燒毀嚴重變形。不但降低了通過燃燒器旋轉后分離在外側煤粉濃度，結果還使噴出一次風的剛性增強，也就減弱了旋流強度，形成直流噴出。嚴重的影響了二次風旋流強度，由于一、 二次風旋流方向與強度的改變，造成燃燒器噴口外側卷吸高溫氣流的能力差了，因而著火點遠了。

2.4 低負荷運行造成爐膛輻射過熱器超溫爆管

受電網負荷需求的影響，自投用以來，鍋爐經常帶50%～70%的低負荷，且調峰較頻繁，調整幅度也較大。負荷變化時輻射過熱器受熱情況：當負荷從低往高增加時，燃料和風量增加，此時爐膛溫度有所提高，輻射傳熱量也將增加。在360MW～420MW 負荷時吸收的輻射熱份額并不比600MW 負荷時吸收的輻射熱少多少，而分割屏內的蒸汽流量下降的幅度較大，且存在較大的流量偏差。但是，因爐膛溫度提高得不多，輻射傳熱量的增加趕不上蒸發量的增加，輻射傳熱的比例卻下降了，即輻射傳熱相對減少了。由于負荷和燃料增加，流過對流過熱器的煙氣質量流速與爐膛出口煙溫升高使傳熱增加，超過由于過熱器內蒸汽量的增加所引起的吸熱增加。分割屏多數爆管位置在（A 區）前（南）數31 排以內，即節流孔徑比較小的管排，本來加裝節流孔是按照鍋爐正常負荷和正常燃燒工況設計的。現在由于鍋爐負荷偏低，燃燒工況紊亂，火焰中心改變并上移，分割屏上段內側爐膛溫度不正常升高，再加上節流孔限制流量，使工質冷卻受熱面管排能力降低。

2.5 機組啟動初始階段，水塞造成鍋爐末級過熱器爆管

因立式末級對流過熱器的疏水管裝在上部聯箱上，鍋爐水壓試驗后，過熱器管子內積存的水放不出去。鍋爐停運過程中，部分蒸汽凝結水積于過熱器U 形管下部。位于末級過熱器的減溫水噴頭處的東西八排處的管子，鍋爐點火啟動初期，負荷較低時，減溫水量過大，減溫水未變成蒸汽就進入U 形管內。在鍋爐起動過程中，立式對流過熱器部分蛇行管下部，因各種原因在U形管內存有積水，形成水塞，因此造成管子內蒸汽停滯。對流過熱器內的積水，在鍋爐點火后經過相當長的時間才會逐漸蒸發掉。在點火初期投入的燃燒器較少，爐膛熱負荷分布不均，高壓加熱器尚未投入，給水溫度較低。為節約點火用油，投粉較早，爐膛熱負荷增加較快，減溫水投入較早且用量超標。外管圈吸收的熱量多，積水先蒸發掉，蒸汽便由該管通過，該管的水塞消除，內管圈吸收的熱量少，蒸汽在過熱器管內的流速低，進出口聯箱壓差小，該壓差不能消除內圈U形管內的積水，由此造成較長時間的水塞現象。因水塞現象造成內管圈無蒸汽流通，爐管長時間得不到冷卻，使末級過熱器超溫爆管。

3、采取對策

針對分割屏過熱器、末級過熱器超溫爆管的情況，從運行和檢修兩個方面采取了如下的對策：

3.1 運行方面。在機組運行時，做好機組的調整工作。

3.1.1 煙氣側的調節，改變過熱器的對流吸熱量，通常靠改變經過過熱器的煙氣量和煙氣溫度來實現。燃燒工況的改變對汽溫有一定影響，因此，在鍋爐運行中，根據煤質變化實際情況，改變上、下層燃燒器的運行方式，從而改變火焰中心的位置和爐膛出口煙溫，并通過調節風量擋板，使流經過熱器的煙氣量發生變化而達到調節汽溫的目的。應注意的是，燃燒器的運行方式和風量的調節，首先應滿足燃燒的要求，這有利于設備的安全和提高鍋爐效率，因此煙氣側調整只能作為輔助手段。

3.1.2 控制壁溫的變化。在經常發生超溫和爆管的管段加裝壁溫測點，當壁溫超過報警溫度時，調整燃燒方式，保持合理的風、粉配比和一、二次風量配比，應保證煤粉迅速著火、燃燒完全，合理的送、引風配比，可保持爐膛的負壓，減少漏風，建立良好的爐內空氣動力場和燃燒的穩定性，避免爐內溫度過高、火焰中心偏斜，造成過熱器的熱偏差增加，適量投入減溫水，控制負荷的增加。

3.1.3 加強吹灰工作。確保吹灰器的正常投用，在低負荷時，為避免過熱器超溫增加爐膛吹灰次數，安裝智能吹灰系統，根據受熱面的污染程度吹灰，保持受熱面的清潔，使受熱面受熱均勻。實踐證明，每次吹灰受熱面的溫度會降低20℃～30℃，由此可見吹灰對鍋爐受熱面壁溫的影響程度較大。按程序吹灰，是鍋爐過熱器安全運行的必要手段。

3.1.4 為防止對流過熱器因水塞導致超溫甚至爆管，采取多種措施消除水塞。當水壓試驗后，只打開過熱器系統的疏水門、空氣門，暫時不開其他各門，將管束內的積水利用虹吸現象把水吸出去。在鍋爐啟動初期，不要過早停油投粉，50％負荷下盡量不投減溫水。控制啟動速度，爐膛熱負荷分布均勻，定期切換油槍和煤粉燃燒器，低于20％負荷時，控制末級過熱器的煙溫在650℃內，超過該溫度時，應控制煤粉燃燒器的運行。

3.2 檢修方面。在檢修過程中，搞好過熱器的防爆檢驗工作。

3.2.1 針對設備的過熱情況制定防磨計劃，利用停爐機會有計劃地對鍋爐受熱面進行整治；充分利用機組大修機會對鍋爐受熱面進行重點整治，脹粗、熱腐蝕嚴重超標的管子及時予以更換。利用超聲波內層氧化皮測厚儀，檢查高溫區管的氧化皮厚度情況，當氧化皮厚度超標時，及時換管。檢查管子的表面是否有微裂紋，有裂紋時更換。管材達不到抗氧化溫度時，提高管材的安全裕度等級。

3.2.2 做好脹粗測量，合金管不大于2.5％，碳鋼管不大于3.5％。檢查高溫區向火側高溫腐蝕情況，發現有嚴重腐蝕坑部位，打磨測厚，當厚度不能滿足強度要求時，更換管子。

3.2.3 認真學習和執行國家和電力行業有關技術規程和法規，做好過熱器管的壽命評估，進行金相組織分析和機械性能試驗。當發現珠光體球化嚴重時，機械性能試驗低于標準要求時，制定更換計劃。做好記錄整理和檔案管理，研究過熱器管的損壞規律。停爐后通過測量鍋爐管內壁氧化層厚度及金屬層厚度，解決電廠鍋爐管金屬壁厚測量方法存在的問題，為鍋爐金屬管壁實際運行溫度提供間接有效的檢測手段，進而在考慮溫度、應力、壁厚減薄等綜合因素情況下估算每根管子的剩余壽命。在掌握了每根管子的剩余壽命后及時合理更換管子，減少和防止過熱爆管事故的發生。

3.2.4 利用停爐機會，及時修復損壞的燃燒器，保證燃燒器建立良好的空氣動力場，燃料與空氣充分匯合，使燃料充分燃盡。

4、結論

綜上所述，本文討論鍋爐過熱器爆管的原因是多方面的，通過運行和檢修采取上述行之有效的措施，使過熱器爆管事故的頻發得到了控制，同時為同類型機組提供借鑒價值。