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(xiàn)象較普遍，不論是國產(chǎn)型、引進(jìn)型、進(jìn)口型都發(fā)生過超溫爆管事故，爐管爆破直接影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運行。這里對過熱器的損傷機(jī)理進(jìn)行分析：爐管損傷主要由超溫引起，長時間的超溫導(dǎo)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(yán)重影響機(jī)組的安全運行。鄒縣發(fā)電廠Ⅲ期工程2×600MW 機(jī)組，鍋爐是美國Foster Wheeler 公司生產(chǎn)的亞臨界中間再熱自然循環(huán)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(lián)箱引出，經(jīng)一級噴水減溫器送到分割屏入口聯(lián)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(fā)生爆管現(xiàn)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(fā)黑、氧化剝皮，管材球化3～4級，機(jī)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(jìn)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(shù)也不同，因而各排管子的吸熱偏差大，特別是外管圈、最內(nèi)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(jié)流圈。當(dāng)初設(shè)計節(jié)流孔時，考慮到外側(cè)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(shè)計節(jié)流孔，而只將管排內(nèi)側(cè)的93 排管子加裝節(jié)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(fù)荷較少的11～13 內(nèi)管圈節(jié)流孔徑為19.84mm。由于結(jié)構(gòu)和運行條件的影響，運行中節(jié)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(chǎn)生熱偏差的管子，管內(nèi)蒸汽溫度較高，甚至遠(yuǎn)超過了金屬的管壁溫度，從而造成長期嚴(yán)重超溫。

2.2 煤質(zhì)變差

由于電煤供應(yīng)日趨市場化、多元化，造成煤質(zhì)波動幅度增大，使鍋爐燃煤偏離設(shè)計煤種，揮發(fā)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(dá)到著火所需的時間變長，燃燒穩(wěn)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(diào)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(nèi)部損壞缺陷

該爐為前后墻濃淡分離旋流式燃燒器，經(jīng)過多年的運行，發(fā)現(xiàn)燃燒器內(nèi)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(nèi)套管上，還有的一次風(fēng)噴口燒毀變形，燃燒器旋口的耐火材料燒損脫落和結(jié)焦。嚴(yán)重的影響了燃燒器通道內(nèi)一次風(fēng)粉氣流的正常旋流。由此造成燃燒器噴口噴出的一次風(fēng)旋流強(qiáng)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(jīng)燒毀嚴(yán)重變形。不但降低了通過燃燒器旋轉(zhuǎn)后分離在外側(cè)煤粉濃度，結(jié)果還使噴出一次風(fēng)的剛性增強(qiáng)，也就減弱了旋流強(qiáng)度，形成直流噴出。嚴(yán)重的影響了二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，由于一、 二次風(fēng)旋流方向與強(qiáng)度的改變，造成燃燒器噴口外側(cè)卷吸高溫氣流的能力差了，因而著火點遠(yuǎn)了。

2.4 低負(fù)荷運行造成爐膛輻射過熱器超溫爆管

受電網(wǎng)負(fù)荷需求的影響，自投用以來，鍋爐經(jīng)常帶50%～70%的低負(fù)荷，且調(diào)峰較頻繁，調(diào)整幅度也較大。負(fù)荷變化時輻射過熱器受熱情況：當(dāng)負(fù)荷從低往高增加時，燃料和風(fēng)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(fù)荷時吸收的輻射熱份額并不比600MW 負(fù)荷時吸收的輻射熱少多少，而分割屏內(nèi)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(fā)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(fù)荷和燃料增加，流過對流過熱器的煙氣質(zhì)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(nèi)蒸汽量的增加所引起的吸熱增加。分割屏多數(shù)爆管位置在（A 區(qū)）前（南）數(shù)31 排以內(nèi)，即節(jié)流孔徑比較小的管排，本來加裝節(jié)流孔是按照鍋爐正常負(fù)荷和正常燃燒工況設(shè)計的。現(xiàn)在由于鍋爐負(fù)荷偏低，燃燒工況紊亂，火焰中心改變并上移，分割屏上段內(nèi)側(cè)爐膛溫度不正常升高，再加上節(jié)流孔限制流量，使工質(zhì)冷卻受熱面管排能力降低。

2.5 機(jī)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(lián)箱上，鍋爐水壓試驗后，過熱器管子內(nèi)積存的水放不出去。鍋爐停運過程中，部分蒸汽凝結(jié)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(fù)荷較低時，減溫水量過大，減溫水未變成蒸汽就進(jìn)入U 形管內(nèi)。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(nèi)存有積水，形成水塞，因此造成管子內(nèi)蒸汽停滯。對流過熱器內(nèi)的積水，在鍋爐點火后經(jīng)過相當(dāng)長的時間才會逐漸蒸發(fā)掉。在點火初期投入的燃燒器較少，爐膛熱負(fù)荷分布不均，高壓加熱器尚未投入，給水溫度較低。為節(jié)約點火用油，投粉較早，爐膛熱負(fù)荷增加較快，減溫水投入較早且用量超標(biāo)。外管圈吸收的熱量多，積水先蒸發(fā)掉，蒸汽便由該管通過，該管的水塞消除，內(nèi)管圈吸收的熱量少，蒸汽在過熱器管內(nèi)的流速低，進(jìn)出口聯(lián)箱壓差小，該壓差不能消除內(nèi)圈U形管內(nèi)的積水，由此造成較長時間的水塞現(xiàn)象。因水塞現(xiàn)象造成內(nèi)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(jī)組運行時，做好機(jī)組的調(diào)整工作。

3.1.1 煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)，改變過熱器的對流吸熱量，通常靠改變經(jīng)過過熱器的煙氣量和煙氣溫度來實現(xiàn)。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(jù)煤質(zhì)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(diào)節(jié)風(fēng)量擋板，使流經(jīng)過熱器的煙氣量發(fā)生變化而達(dá)到調(diào)節(jié)汽溫的目的。應(yīng)注意的是，燃燒器的運行方式和風(fēng)量的調(diào)節(jié)，首先應(yīng)滿足燃燒的要求，這有利于設(shè)備的安全和提高鍋爐效率，因此煙氣側(cè)調(diào)整只能作為輔助手段。

3.1.2 控制壁溫的變化。在經(jīng)常發(fā)生超溫和爆管的管段加裝壁溫測點，當(dāng)壁溫超過報警溫度時，調(diào)整燃燒方式，保持合理的風(fēng)、粉配比和一、二次風(fēng)量配比，應(yīng)保證煤粉迅速著火、燃燒完全，合理的送、引風(fēng)配比，可保持爐膛的負(fù)壓，減少漏風(fēng)，建立良好的爐內(nèi)空氣動力場和燃燒的穩(wěn)定性，避免爐內(nèi)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(fù)荷的增加。

3.1.3 加強(qiáng)吹灰工作。確保吹灰器的正常投用，在低負(fù)荷時，為避免過熱器超溫增加爐膛吹灰次數(shù)，安裝智能吹灰系統(tǒng)，根據(jù)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(dǎo)致超溫甚至爆管，采取多種措施消除水塞。當(dāng)水壓試驗后，只打開過熱器系統(tǒng)的疏水門、空氣門，暫時不開其他各門，將管束內(nèi)的積水利用虹吸現(xiàn)象把水吸出去。在鍋爐啟動初期，不要過早停油投粉，50％負(fù)荷下盡量不投減溫水。控制啟動速度，爐膛熱負(fù)荷分布均勻，定期切換油槍和煤粉燃燒器，低于20％負(fù)荷時，控制末級過熱器的煙溫在650℃內(nèi)，超過該溫度時，應(yīng)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(shè)備的過熱情況制定防磨計劃，利用停爐機(jī)會有計劃地對鍋爐受熱面進(jìn)行整治；充分利用機(jī)組大修機(jī)會對鍋爐受熱面進(jìn)行重點整治，脹粗、熱腐蝕嚴(yán)重超標(biāo)的管子及時予以更換。利用超聲波內(nèi)層氧化皮測厚儀，檢查高溫區(qū)管的氧化皮厚度情況，當(dāng)氧化皮厚度超標(biāo)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(dá)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(qū)向火側(cè)高溫腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重腐蝕坑部位，打磨測厚，當(dāng)厚度不能滿足強(qiáng)度要求時，更換管子。

3.2.3 認(rèn)真學(xué)習(xí)和執(zhí)行國家和電力行業(yè)有關(guān)技術(shù)規(guī)程和法規(guī)，做好過熱器管的壽命評估，進(jìn)行金相組織分析和機(jī)械性能試驗。當(dāng)發(fā)現(xiàn)珠光體球化嚴(yán)重時，機(jī)械性能試驗低于標(biāo)準(zhǔn)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(guī)律。停爐后通過測量鍋爐管內(nèi)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(jìn)而在考慮溫度、應(yīng)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(fā)生。

3.2.4 利用停爐機(jī)會，及時修復(fù)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(jié)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(fā)得到了控制，同時為同類型機(jī)組提供借鑒價值。