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1、超超临界锅炉受热面壁温异常分析及对策王宝华 (国电泰州发电有限公司 江苏泰州 225327)摘要:根据1000MW垂直管屏超超临界锅炉的结构特点,结合泰州电厂锅炉在制造、安装、调试中的成功经验，全面分析超超临界锅炉水冷壁及过/再热器壁温异常产生的原因及危害，并提出在设计、安装、调试中预防锅炉受热面超温爆管的有效手段。关键词： 超超临界 垂直管屏 水冷壁过热器 壁温异常 氧化膜 剥落 Abstract：According to the structrual characteristics of vertical pipe bundles of 1000MW ultra-supercritical
2、 boiler, and the experience of successful experiments at boiler production, installation, and commission in TaiZhou Power Plant, we completely analyze reasons and dangers resulted from abnormal temperature of the water wall and reheater wall, and put forward effective measures to prevent from the ex
3、plosion tube resulted from overtemperature of boiler heat-delivery surface during the process of design, installation and commission.Key words:ultra-supercriticalvertical pipe bundleswater wall superheater abnormal temperature oxide film flaking off1. 引言1000MW超超临界直流锅炉容量大，蒸汽参数高，受热面面积较大，布置较为复杂。由于没有汽包，
4、因此水冷壁管内径都选得较小，对壁温异常较为敏感，一旦发生壁温异常，将可能导至水冷壁管内工质的热物理特性发生剧烈变化，进而产生流量偏差和传热特性恶化，严重时会导致水冷壁管爆管失效；而过热器由于工质参数高，大量使用奥氏体不锈钢材料，而奥氏体不锈钢管内壁氧化膜剥落堵塞管子弯头部位，引起过热器爆管，无论哪种型式的超温爆管，都危及锅炉的安全稳定运行。影响锅炉受热面超温的因素较多，结合泰州电厂1000MW超超临界锅炉在制造、安装及调试中的成功经验，全面分析锅炉受热面壁温异常原因，并提出预防措施。2. 锅炉及受热面概况国电泰州电厂锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进日本三菱重工业株式会社（MHI）技术生产的H
5、G-2980/26.25YM2型超超临界参数、变压运行直流锅炉。锅炉采用型布置、单炉膛、低NOX PM主燃烧器和MACT型低NOx分级送风燃烧系统、反向双切园燃烧方式，平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，燃用神府东胜煤。#1机组于2007-12-04通过168小时试运行。锅炉水冷壁结构为膜式水冷壁，全部为垂直管屏，采用改进型的内螺纹管垂直水冷壁，水冷壁管入口段设计有572只节流孔圈，通过二次三叉管过渡的方法，与垂直水冷壁相连接，水冷壁管规格为D28.6mm5.8mm,材质为SA213T12。在上下炉膛之间设计了水冷壁中间混合集箱，经2级混合后进入上炉膛。锅炉启动系统设计有1台B
6、CP（炉水循环泵）、3只WDC阀（分离器水箱水位调节阀）。锅炉过热器采用4级布置，三级喷水调节，再热器二级布置方式，过热器与再热器的高温段都采用奥氏体不锈钢材料，主要有超细晶粒的Super304H(18Cr钢)和HR3C(25Cr钢)，这两种都是目前世界上最顶级的材料。3水冷壁管壁温异常原因分析及对策31 水冷壁管壁温异常类型 超超临界锅炉受热面布置复杂，当系统工况（给水、煤量、配风等）发生变化时，将可能造成水冷壁壁温异常；同时由于水冷壁各根管结构尺寸、管内壁的粗糙程度以及运行中受热情况的差异等因素的影响，各管入口的工质参数虽然相同，混合集箱入口处的工质参数将存在偏差，锅炉制造商通过水动力的精
7、确计算，可将混合集箱入口介质的温度偏差控制在一定范围内，但实际锅炉启动调试时还会发生一定的偏差。根据泰州电厂锅炉调试及试运行情况，水冷壁壁温异常通常有以下2种主要类型：（1） 某一区域水冷壁出口管壁温度出现异常升高，通常在4根管以上。水冷壁入口处的节流孔通常是4根管共用（燃烧器区域是2根管共用），当4根以上管同时发生温度升高时，定义为区域性壁温异常现象。（2） 个别水冷壁的出口管壁温出现异常升高，数量较少，通常4根以下。因此4根以下管发生温度升高时定义为个别管壁温异常现象。32 区域性水冷壁出口管壁温异常原因分析及对策321 燃烧区水冷壁的局部多吸热现象（1）燃烧器投用次序的影响。泰州电厂锅炉
8、燃烧器共分6层，从上到下依次为F、E、D、C、B、A，油燃烧器共分上、中、下三层，日本三菱重工推荐的点火方式为：先点中间层油枪，再点上层油枪，最先投F层磨煤机，然后依次投E、D、C、B，最下层A磨为备用磨。而国内通常的点火方式是自下而上，与三菱推荐的方案相反，再加上泰州电厂锅炉将A层燃烧器改为等离子燃烧器，这就必须从最下层开始点火。这就导至燃烧区水冷壁管吸热的高度增加，造成水冷壁管热偏差增大、水冷壁管壁温局部超标。按照本台锅炉设计思想，正常情况下，磨组投用应遵循自上而下的原则。（2）燃烧器摆角的影响。燃烧器的摆角是上下摆动的，如果摆角向下，火焰下倾，则对应的燃烧器下部水冷壁管存在多吸热现象，将
9、造成该区域的壁温升高。调整试验证明，燃烧器摆角改变时，水冷壁壁温变化较敏感。（3）启动阶段油、煤燃烧器同时使用。在泰州电厂#1炉冲管过程中，由于A磨故障，须先投用B磨点火，这就出现了在启动初期油、煤混燃的阶段，而油燃烧器功率较大（每只油枪1吨/小时或1.6吨/小时），该角的邻近水冷壁吸收了过多的辐射热，造成局部水冷壁温度过高。一般在磨组稳定后，应尽早地将油燃烧器退出运行。（4）燃烧器二次风配风不良。燃烧器配风不良将造成某只燃烧器的二次风量过大，此燃烧器火焰中心温度较高，该燃烧器区域的水冷壁存在过量吸热，也会导致水冷壁壁温异常升高。可通过燃烧调整达到二次风量的调平目的。（5）等离子点火的影响。等
10、离子是一种利用等离子体引弧来直接点燃煤粉的技术，此种技术在国内600MW以下电厂应用较成熟，但在1000MW机组锅炉上还是首次使用。其煤粉的着火是在燃烧器一次风喷口内进行，类似于预燃室的结构，此种结构将造成煤粉着火距离较近，如果磨煤机出口一次风均匀性不好时，会引起局部水冷壁管温度异常升高。建议到一定的负荷后尽快退出等离子点火系统。322 磨煤机出口煤粉管不平衡（1）同一台磨煤机出口各粉管一次风流量偏差影响。同一台磨煤机出口煤粉管如果发生一次风流量偏差，导致四角火焰形状差异，将造成水冷壁壁温局部升高，因此在磨煤机投用前应做好煤粉管调整工作。（2）不适当的风煤比。一次风流量变送器的显示值应与实际一
11、次风流量偏差不能过大，当二者偏差较大时，实际风粉比不正确，会造成煤粉火焰不连续，导致局部水冷壁壁温升高，一次风测量装置投用前应精确校准。（3）磨煤机出口动态分离器不合适的转速。磨煤机出口粉管煤粉的均匀性主要由动态分离器转速决定的，不合适的转速或停用，将导至煤粉管均匀性差，从而影响到各个角的燃烧，同样会导致局部水冷壁超温现象。323燃烧器切圆中心偏移 泰州电厂锅炉采用的是单炉膛双切圆，如果前后墙的二次风压不平衡，将造成火焰中心偏移，偏离锅炉中心线，使靠近火焰中心的一侧水冷壁壁温升高，通过对二次风的调平可较好地解决。324 燃烧室各区域水冷壁向火侧沾污情况差异 在锅炉燃烧过程中，由于局部结焦、结渣
12、，导致这一区域的水冷壁管吸热能力下降，而对应不结焦、不结渣的其它区域管子会过多的吸热，引起局部水冷壁壁温升高。这种情况一般通过合理地过程吹灰来解决。325预防区域性水冷壁管壁温异常的措施（1）在下炉膛水冷壁出口处增加壁温测点，最好每个节流孔圈对应一个测点，以便及时发现超温的管子，并通过流量调节来增强超温水冷壁管的冷却；（2）通过及时调整已投磨的出力来控制；（3）根据三菱公司的建议，机组负荷在200MW到300MW之间尽量快速通过，因为此状态是湿式向干式转变，极不稳定，最易引起超温。3.3 个别水冷壁出口管壁温异常升高原因分析及对策锅炉调试过程中经常会发现个别水冷壁管壁温突然升高的情况,通常两三
13、根相邻管短时间温度突然升高,且升高辐度较大,造成这种现象主要有以下几种原因:(1) 单根水冷壁管存在制造安装缺陷，如砂眼、裂纹等造成局部泄漏，致使泄漏点下游的管子冷却不够，壁温超标，这种情况通检查发现，换管处理。(2) 水冷壁入口管节流孔堵塞、狭窄、孔径尺寸偏小等，也会造成与此节流孔圈相对应的水冷壁管内冷却流量不够，造成壁温超限。孔圈质量问题可以通过加强对制造及安装阶段的监督检查力度来解决；孔圈堵塞一般是在锅炉冲洗阶段形成的，由于孔圈内径很小（7-14mm），在安装阶段产生的垃圾很容易在此被截住，因此要解决此问题，一方面在安装过程中，要保证管道的清洁度，另外再停炉时用大流量水倒冲洗，使垃圾最终
14、排到炉疏放水管。(3) 制造厂弯头（特别是90直角弯头）成型不好，椭圆度超标，影响通流面积。主要在最上层及最下层燃烧器处以及中间集箱入口处，造成水冷壁内冷却流量不够，进而造成水冷壁管超温。(4) 制造及安装焊缝成型不好，影响流通面积。这种缺陷可以通射线检查及通球试验解决。4.过热器和再热器管壁温异常原因分析及处理对策4.1 过热器和再热器管壁温异常类型超超临界直流锅炉过热器与再热器壁温异常，从现阶段掌握的情况看，主要由两种因素导致：一是奥氏体不锈钢管内壁汽侧氧化膜剥落堵塞弯头引起超温；二是由于受热面管结构的特殊性，在制造或安装中，遗留的杂物堵塞管子引起超温。这两种类型都是由于杂物堵塞管子，使管
15、内通流面积变小，冷却不足引起超温爆管，但这两种因素形成的机理不同，对应的预防措施也不应相同，下面结合泰州电厂锅炉的结构，分别加以讨论。4.2锅炉受热面奥氏体不锈钢管内壁汽侧氧化膜剥落原因、产生危害及对策4.2.1 氧化膜剥落原因奥氏体不锈钢锅炉管内壁在高温、高压蒸汽作用下生成氧化膜，内壁氧化膜结构经分析一般分两层，两层的分界面为原母材表面，外层氧化膜的增厚是由于铁离子向外扩散的结果，内层是由于氧离子向内扩散的结果。管内壁氧化膜的外层一般主要由Fe3O4和少量的 Fe2O3组成，其中Fe3O4和Fe2O3的比例与介质氧化性的大小有关，氧化性大时则Fe2O3的比例大些，反之则小。内层主要由致密的F
16、e 、Cr、Ni的尖晶石氧化物组成。奥氏体不锈钢锅炉管内壁氧化膜剥落的主要原因是其外层厚度达到一定值时，由于Fe3O4的膨胀系数比常用奥氏体秒锈钢的小80%以上，在锅炉起、停过程中，因热膨胀差应力造成氧化膜的开裂和剥落。温度是造成氧化膜增厚的主要原因，介质额定参数高和超温都可造成氧化膜快速增厚而达到临界剥落厚度，在快速的启、停过程中造成氧化膜的开裂和剥落，根据国内外的实际案例表明，氧化膜的剥落情况更多的发生在停机降温过程中。4.2.2 氧化膜剥落产生危害奥氏体不锈钢锅炉管内壁氧化膜形状分为粉未状和片状，过热器管一般为粉未状或小片状，再热器管一般为大片或长条状。剥落后将堆积在下弯头及水平段部位。当一次剥落较多时会造成管子通流截面全部或部分堵塞，引起受热面过热爆管，泰州电厂由于运行
