芮文明，魏健鵬，牛世斌

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院,蘭州 730070；2.中國鋁業(yè)蘭州分公司自備電廠,蘭州 730070)

近年來，我國的火電機(jī)組逐漸向大容量的方向發(fā)展，要求機(jī)組參與50%額定負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行，因此機(jī)組面臨低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)鍋爐過熱器管壁超溫和爆管問題，尋求相應(yīng)的技術(shù)手段來解決此類問題是十分必要的。某廠鍋爐長期在低負(fù)荷下運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行過程中卻出現(xiàn)了分隔屏過熱器及后屏過熱器超溫現(xiàn)象和高溫過熱器爆管現(xiàn)象，筆者分析了機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)段及變負(fù)荷時(shí)段運(yùn)行時(shí)，鍋爐管壁超溫的原因。

1 鍋爐概況

某電廠1號鍋爐為某制造廠生產(chǎn)的HG-1065/17.5-YM24型亞臨界鍋爐。該鍋爐為一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為煙煤，設(shè)計(jì)高溫過熱器出口壓力為17.50 MPa，設(shè)計(jì)高溫過熱器出口溫度為540 ℃，最大蒸發(fā)量為1 065 t/h，水處理方式為二次脫鹽、熱力除氧，給水溫度為280 ℃，給水壓力為21.6 MPa。2015年機(jī)組進(jìn)行了低氮燃燒器改造。分隔屏過熱器布置在爐膛頂部，沿爐膛寬度自左至右共4個(gè)大排管屏，每個(gè)管屏沿爐膛出口煙道深度方向，自前向后共有6個(gè)小片管屏，每個(gè)小片管屏有8根U形管，分隔屏管壁溫度報(bào)警值為495 ℃。后屏過熱器沿爐膛出口煙道寬度方向，自左至右共20個(gè)管屏，每個(gè)管屏有14根U形管，后屏管壁溫度報(bào)警值為578 ℃。高溫過熱器布置在爐膛出口水平煙道寬度方向，自左至右共90排管排，每片排管有4根蛇形管。管徑為51 mm，壁厚為8 mm，材質(zhì)為T23，高溫過熱器管壁溫度報(bào)警值為589 ℃。

近年來，機(jī)組長期在50%額定負(fù)荷運(yùn)行，早晚高峰負(fù)荷配合電網(wǎng)調(diào)峰，調(diào)峰范圍在50%～100%額定負(fù)荷，其間，分隔屏過熱器、后屏過熱器和高溫過熱器出現(xiàn)頻繁超溫現(xiàn)象，造成高溫過熱器多次爆管。

2 鍋爐過熱器超溫情況

2.1 分隔屏、后屏和高溫過熱器超溫

分隔屏過熱器超溫及蠕脹情況見圖1、圖2和表1，后屏過熱器超溫情況見表2，高溫過熱器超溫情況見表3。

圖1 分隔屏過熱器出列變形

圖2 分隔屏過熱器管排夾管與排底部

表1 分隔屏過熱器管壁超溫情況

表2 后屏過熱器管壁超溫情況

表3 高溫過熱器管壁超溫情況

通過比較表1、表2、表3、圖1和圖2及現(xiàn)場實(shí)際情況可知，過熱器管壁超溫及蠕脹有如下特點(diǎn)：

(1)分隔屏過熱器管壁超溫及蠕脹、后屏過熱器超溫時(shí)，機(jī)組長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行(150 MW工況下)。

(2)活動(dòng)夾塊焊接質(zhì)量存在問題，造成活動(dòng)夾塊脫落或分隔屏中間夾管預(yù)留間隙不夠(設(shè)計(jì)要求35 mm)管子膨脹受阻，出列管子熱輻射較正常狀態(tài)下增大，造成進(jìn)一步變形出列。

(3)分隔屏過熱器管壁溫度較高的部位主要集中在3號管屏第2片小管排最外圈管子及第3片小管排最外圈管子上；后屏過熱器管壁溫度較高的部位主要集中在7～13號管屏由外至里第2根管子上。高溫過熱器管壁溫度較高的部位主要集中在27～69號管排由外至里第2根管子上。

2.2 高溫過熱器爆管分析

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)爆口位于高溫過熱器管彎管外彎沿軸向開裂，爆口開口長度為61.9 mm，寬度為5.1 mm，肉眼可見爆口邊緣有5條平行裂紋，從爆口兩側(cè)邊緣測量管子外壁周長為160 mm，折算管徑為51.96 mm，爆開前爆口處管徑脹粗量很?。槐谂c徑向傾角約30°，對外壁脫落的氧化皮測量3次，厚度分別為0.54 mm、0.50 mm、0.62 mm，平均值為0.55 mm，內(nèi)壁氧化皮厚度平均為0.42 mm；爆口附近管外表面存在樹皮狀開裂紋理，具有長期超溫?cái)嗔押暧^特征，見圖3。

圖3 爆口宏觀

2.2.1 材質(zhì)分析

對高溫過熱器爆管及周邊對比管樣進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析，結(jié)果見表4。

表4 高溫過熱器管化學(xué)成分 %

材質(zhì)分析結(jié)果顯示兩個(gè)試樣成分含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 力學(xué)性能分析

對高溫過熱器爆管及周邊對比管樣進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果見表5。

表5 高溫過熱器管力學(xué)性能分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：2個(gè)試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均低于GB 5310—2008 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規(guī)定值，其中爆管試樣低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的幅度較對比管更大，力學(xué)性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3 顯微組織分析

對高溫過熱器管爆口裂紋尖端處母材及對比管樣母材，分別取切割環(huán)及鑲嵌樣進(jìn)行金相組織分析。高溫過熱器爆口裂紋尖端母材金相照片見圖4、圖5和圖6，高溫過熱器對比管樣母材金相照片見圖7。

圖4 裂紋尖端形貌(放大200倍)

圖5 裂紋尖端附近母材組織(放大500倍)

圖6 裂紋尖端附近氧化皮形貌(放大100倍)

由爆管試樣可以看出：在爆口主裂紋附近管子外壁，有7條與主裂紋平行的小裂紋，主裂紋為沿晶開裂，在其尖端附近存在數(shù)條互不相連的蠕變微裂紋，裂紋邊緣有殘留氧化物痕跡，爆口裂紋尖端附近母材金相組織為貝氏體組織，貝氏體相位明顯分散，晶界變粗，晶界碳化物沿與應(yīng)力垂直方向呈鏈狀分布，老化程度為完全老化，評級為4級。從顯微鏡下觀測，爆口附近外壁氧化皮厚度為227.4 mm,小于從爆管上脫落氧化皮厚度值，這是由于爆口附近管子外壁氧化皮受到蒸汽沖刷減薄所致。從上述特征看爆管性質(zhì)為長期過熱造成的蠕變開裂。

對比管樣母材金相組織為貝氏體組織，晶界內(nèi)碳化物粒子數(shù)量減少，尺寸粗化，晶界碳化物沿與應(yīng)力垂直方向呈方向性分布，貝氏體位相已明顯分散，老化程度為中度老化，評級為3級。

3 受熱面壁溫超溫分析

3.1 各過熱器管屏及管子存在熱偏差

由于鍋爐運(yùn)行條件的影響和各管屏或管子的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，在機(jī)組低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行中某些管屏或管子工質(zhì)的溫度和焓增量會超過整個(gè)管組的平均值，這就是熱偏差[1]。當(dāng)熱偏差過高就會造成超溫、蠕脹及爆管。形成各過熱器管屏及管子熱偏差的原因有以下2個(gè)方面：

(1)各過熱器管屏及管子吸熱不均勻。

對于四角切圓鍋爐，在低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐膛出口處存在殘余的旋轉(zhuǎn)氣流[2]，致使?fàn)t膛出口的煙溫和煙速存在一定偏差，進(jìn)而造成煙氣的溫度場和速度場分布不均勻，各個(gè)管屏或者管子所接受的爐膛出口水平煙道內(nèi)的熱輻射及煙氣溫度有差別，進(jìn)而造成管屏和管子所吸收的熱量不相同。

(2)管內(nèi)流量不均勻。

對于各過熱器而言，蒸汽引入管、引出管與聯(lián)箱的接引方式不合理，聯(lián)箱內(nèi)沿軸向壓力不相等，致使各個(gè)管屏和管子兩端的靜壓差不相等；各個(gè)管屏和管子的長度和彎頭不相同，致使管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的阻力也有很大的差別；吸熱不均使工質(zhì)流速不均，各管的流動(dòng)阻力不相等，造成流量不均。

3.2 低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)

(1)對于機(jī)組在低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐燃燒調(diào)整不當(dāng)，造成爐內(nèi)火焰中心上移或偏斜。運(yùn)行中不能根據(jù)調(diào)峰所需的用電負(fù)荷及燃燒的需要及時(shí)調(diào)整各層燃燒器的數(shù)量及配風(fēng)，使火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，局部熱負(fù)荷過高，加大局部超溫的幅度；同層燃燒器各角一次風(fēng)口的射流動(dòng)量及風(fēng)速不均勻，在機(jī)組調(diào)峰期間層間燃燒器燃燒熱功率偏差較大等造成風(fēng)煤比的浮動(dòng)增大，使?fàn)t內(nèi)燃燒偏斜，使?fàn)t膛出口溫度場和速度場分布不均勻，加大了局部短時(shí)間超溫的可能。對于低負(fù)荷工作狀態(tài)下的鍋爐，由于投入的煤粉量較少，燃燒所需要的總風(fēng)量也相應(yīng)地減少，一、二次風(fēng)速普遍降低，爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性變差，這對煤粉氣流火焰配合要求較高發(fā)生著火不穩(wěn)和火焰脈動(dòng)的可能性大大增加。

(2)過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用兩級噴水減溫器，分別布置在過熱器前后。一級噴水減溫器為粗調(diào)，同時(shí)也起保護(hù)過熱器的作用；二級噴水減溫器為細(xì)調(diào)。但在快速升負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行中為了保證蒸汽溫度穩(wěn)定，經(jīng)常用一級噴水減溫器調(diào)節(jié)汽溫來控制金屬壁溫，忽略了一級噴水減溫器前的蒸汽溫度前饋燃燒干預(yù)控制，是鍋爐低負(fù)運(yùn)行超溫的主要原因之一。

3.3 低負(fù)荷運(yùn)行水平煙道底部積灰

機(jī)組停運(yùn)檢查發(fā)現(xiàn)，水平煙道的底部積灰相對較多，且沿爐膛寬度方向積灰的厚度存在不同程度差別，有的甚至沒過高溫再熱器最下部管排。機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行期間，煙氣量下降、煙氣流速相對降低，致使水平煙道底部積灰加劇，煙氣分配不均，造成煙氣溫差增大，加劇屏式過熱器左右側(cè)管壁溫度差增大。

4 改進(jìn)措施

4.1 機(jī)組低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)整

(1)在機(jī)組低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃燒工況的改變對汽溫有一定影響。對超溫嚴(yán)重的各過熱器管屏及管子，對鍋爐進(jìn)行針對性較強(qiáng)的燃燒調(diào)整試驗(yàn)，調(diào)整好鍋爐燃燒的配風(fēng)及火焰中心高度，找出合理的運(yùn)行方式，緩解超溫。

(2)在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，調(diào)整一、二級減溫水的比例。一級減溫器為粗調(diào)，噴水量決定于減溫器前的蒸汽參數(shù)，并保證屏式過熱器管壁溫度不超過允許值；二級減溫器為細(xì)調(diào)，控制過熱器的出口汽溫在額定值。控制好爐膛出口煙溫和管內(nèi)蒸汽溫度并及時(shí)投入減溫裝置。

(3)調(diào)節(jié)燃燒風(fēng)量，保持合理的風(fēng)煤比。當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大過量空氣系數(shù)，降低一次風(fēng)率和風(fēng)速，煤粉細(xì)度較細(xì)，盡量保持下排燃燒器的投運(yùn)，合理的送、引風(fēng)配比，可保護(hù)爐膛的負(fù)壓，建立良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)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，過熱器管局部超溫甚至爆管。

(4)在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐的煙氣量下降、煙氣流速降低，造成水平煙道底部積灰加劇，可在水平煙道底部增設(shè)沿爐膛寬度方向的前后兩排吹灰槍。

4.2 進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督

在機(jī)組鍋爐大小修和停爐期間，對鍋爐各過熱器進(jìn)行檢查和有關(guān)技術(shù)監(jiān)督工作：

(1)更換出列變形管子，保證管材質(zhì)量，確保受熱面管壽命。

(2)按設(shè)計(jì)要求整改分隔屏中間夾管預(yù)留間隙，U形管以上300 mm切除直管段300 mm，接管380 mm，保證預(yù)留間隙在35 mm以上，確保管排自由膨脹。

(3)嚴(yán)格按圖紙要求補(bǔ)齊脫落的活動(dòng)夾塊，并嚴(yán)格檢修，保證焊接工藝質(zhì)量、管排平整及膨脹自由。

(4)在機(jī)組低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行情況下，合理運(yùn)用兩級噴水減溫器粗細(xì)調(diào)。

(5)檢查各過熱器管高溫區(qū)域的各管屏或者管子的氧化皮厚度，當(dāng)氧化皮厚度超過0.6 mm時(shí)及時(shí)換管[1]。

(6)對各過熱器管屏或者管子的直管段脹粗測量，合金管外徑蠕脹變形不大于2.5%，低碳鋼管外徑蠕脹變形不大于3.5%，檢查管的外表面是否有宏觀裂紋，微觀檢查是否有蠕變裂紋，有裂紋時(shí)更換。

(7)對各過熱器監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行割管鑒定，進(jìn)行金相組織分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。

(8)檢查并清理各過熱器管屏或者管子積灰、結(jié)垢，保證管排受熱均勻。

5 結(jié)語

針對機(jī)組在低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，分隔屏過熱器管出列變形、超溫及蠕脹，后屏過熱器管超溫，以及高溫過熱器管爆管的問題，對高溫過熱器管進(jìn)行材質(zhì)分析、力學(xué)性能分析和金相顯微組織分析，找出低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各過熱器管屏及管子存在熱偏差、運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)、水平煙道底部積灰影響各過熱器管的超溫爆管原因，進(jìn)一步提出了機(jī)組在低負(fù)荷和變負(fù)荷時(shí)運(yùn)行調(diào)整及停爐期間的技術(shù)監(jiān)督，超溫及爆管現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保證。