防止高溫再熱器管壁超溫的措施探討

麥勇軍+馮基洲

【摘 要】 電廠發(fā)電用鍋爐使用時常會發(fā)生鍋爐高溫再熱器爆管泄漏事故，爆管的原因大多數(shù)由于管壁超溫所致。針對管壁超溫采用雙層耐高溫不銹鋼防磨瓦卷板進行隔熱，根據(jù)運行的管壁溫度情況進行添加隔熱層直至達到理想效果，可以有效防止高溫再熱器管壁超溫。

【關鍵詞】 管壁超溫 再熱器 爆管 隔熱

電廠發(fā)電用鍋爐使用過程中常會發(fā)生鍋爐高溫再熱器爆管泄漏事故，爆管的原因大多數(shù)由于管壁超溫所致。本文針對廣西柳州發(fā)電有限責任公司（柳電公司）裝機容量為2×220MW超高壓火電機組及武漢鍋爐廠生產(chǎn)的WGZ670/13.7—3型超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包煤粉爐，進行防止高溫再熱器管壁超溫的技術改造措施探討。

1 技改裝置

1.1 鍋爐結構

廣西柳州發(fā)電有限責任公司（柳電公司）裝機容量為2×220MW超高壓火電機組，#1、#2機組分別于1994和1995年投產(chǎn)。鍋爐為武漢鍋爐廠生產(chǎn)的WGZ670/13.7—3型，超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包煤粉爐，原設計煤種為山西西山、潞安混貧煤。鍋爐采用直流式煤粉燃燒器，原設計為四角各一組呈對角單切圓布置，切圓800mm逆時針旋轉。2011年兩臺機組完成供熱改造，成功實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)。

鍋爐的低溫再熱器和低溫過熱器布置于尾部豎井煙道中，高溫過熱器布置則布置在爐膛出口，其后是高溫再熱器。過熱汽溫主要以減溫水調(diào)節(jié)為主，再熱汽溫以煙氣擋板調(diào)節(jié)為主。

1.2 高溫再熱器結構布置

柳電公司#1、#2鍋爐高溫再熱器一共有116排受熱面，每排受熱面有6根蛇形管，對應有一個進口和出口小集箱，蒸汽介質(zhì)流向都是從A、B兩側大管箱進入，經(jīng)過58+58排蛇形管加熱，然后從大管兩端輸出，大管中間不連通，間匯合受熱面管排內(nèi)5圈管材為鋼研102，外1圈管材為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，全部蛇形管進、出口均用一截1000mm左右的12Cr1MoV材質(zhì)短管與小集箱連接。

根據(jù)金屬材料使用說明要求，柳電公司鍋爐高溫再熱器的金屬壁溫560°C時為報警溫度，580°C時為極限溫度。由于設計制造的原因，投產(chǎn)時只有部分管排受熱面蛇形管出口和小集箱布置有溫度測點，其中管排受熱面蛇形管出口有16個壁溫測點，小集箱有22個壁溫測點，受金屬材料耐溫極限所限制，鍋爐管壁溫度的測點布置在爐外。

2 管壁超溫成因分析

為了保證高溫再熱器管壁溫度不超過報警值560°C，通過降低再熱汽溫運行來實現(xiàn)，但高溫再熱器出口汽溫僅能維持在505°C左右，距離額定參數(shù)540°C相差很遠，經(jīng)濟性非常差。因此，分析高溫再熱器管壁超溫的真正原因，并針對原因采取相應的有效措施，在保證管壁不超溫的情況下，提高高溫再熱器出口汽溫，是一個亟待我們解決并且是迫在眉睫的課題。

2.1 煙氣走廊

在運行當中，煙氣流過受熱面時，受多種因素影響在通道中很容易形成煙氣走廊現(xiàn)象，這種現(xiàn)象極其容易造成局部受熱面煙氣流速過高。根據(jù)換熱原理，煙氣流速高的受熱面換熱量肯定比流速低的受熱面高，在管內(nèi)蒸汽介質(zhì)流量不變的情況下，煙氣流速高的受熱面管壁溫度肯定比流速低的高，而且成幾何性增高，最終導致管壁超溫。

形成煙氣走廊的主要原因是鍋爐爐膛四角切圓布置火嘴所致。當風粉在四角切圓布置的爐膛內(nèi)燃燒時，就必定形成一個旋轉的火球，火球一直旋轉持續(xù)到爐膛出口，仍然有旋轉殘余。在爐膛出口處，如果是逆時針旋轉的煙氣由A側旋到B側，當煙氣旋轉到A側時，就很容易被引風機吸力帶走，而達到B側出口的煙氣就比較少，因此A側的煙氣量和煙溫要比B側要高得多，理論上A側煙氣流速比B側高1-2倍左右；順時針布置時則相反。

2.2 管內(nèi)結垢

鍋爐爐膛出口煙氣溫度正常情況下都相當高，特別是四角火嘴切圓布置的鍋爐，逆時針布置時A側煙溫比B側要高得多，在運行當中A側煙溫要比B側煙溫高100-150°C左右，通常A側煙溫高達900°C以上；順時針布置時則相反。在運行當中，如果受熱面管壁熱阻大導致熱量無法及時散發(fā)（傳熱）到蒸汽介質(zhì)中時，就會造成受熱面管壁自身溫度升高而超溫。這種管壁超溫的現(xiàn)象還無法在溫度測點中體現(xiàn)出來，因此在日常運行當中無法監(jiān)視。這一管壁超溫的現(xiàn)象主要原因大多數(shù)是由于管內(nèi)結垢所致，管內(nèi)一旦結垢，熱阻就變大，管壁與蒸汽介子之間就無法及時導熱，所以管內(nèi)結垢后運行起來幾乎百分之百會爆管。

2.3 蒸汽流速不均勻

蒸汽在管道中流動時，在其它條件都不變的情況下如果管道出入口壓差不一樣則蒸汽流速就不一樣，在相同時間內(nèi)流經(jīng)管道中的蒸汽量就會有大有小，與管道出入口壓差成對應的正比關系。在換熱量相同的情況下，蒸汽介質(zhì)流量小的受熱面勢必會造成蒸汽介子和管壁溫度升高。

2.4 鍋爐升負荷速度過快

在鍋爐升負荷過程中，當我們快速增加燃料量時，鍋爐燃燒得到加強，燃料燃燒后發(fā)熱量和煙氣量同時增加，此時，大量的高溫煙氣快速流經(jīng)各個受熱面，煙氣與受熱面管內(nèi)蒸汽對流換熱得到加強。同時，水冷壁內(nèi)的汽水混合物輻射吸熱量增加，蒸發(fā)量相應提高，但是，水冷壁內(nèi)蒸發(fā)增加的蒸汽還需要經(jīng)過汽包、低溫過熱器、高溫過熱器、汽輪機高壓缸、低溫再熱器等才能達到高溫再熱器，而煙氣對流換熱已經(jīng)得到了加強，所以，單位面積內(nèi)的高溫再熱器受熱面吸熱量得到大幅度增加，管壁和汽溫相對升高，此時非常容易超溫爆管，只有當新增加蒸汽到達高溫再熱器時，才能建立新的平衡點。

2.5 管內(nèi)有雜物

鍋爐在運行當中，為了能夠及時控制蒸汽出口溫度，通常設置有多套減溫水裝置。一般減溫水裝置內(nèi)都有一個保護套管，套管的周圍焊接有一些小鐵片作為支撐，長時間運行以后，小鐵片容易脫落，脫落之后就堵住蛇形管入口或者是出口。這樣一來，被堵住的蛇形管就容易超溫爆管。

2.6 蛇形管水塞endprint

鍋爐大小修后，為了檢驗受熱面的檢修情況，通常都做鍋爐水壓試驗進行檢查。通過了水壓試驗檢查后，高溫再熱器蛇形管內(nèi)肯定存有大量的積水，這些積水沒有辦法排出，形成一個U型“水塞”的現(xiàn)象，只能在點火升爐過程中會慢慢地蒸發(fā)消除。因此，如果在水壓試驗后，我們點火升爐的速度過快，在蛇形管中的水還沒有全部蒸發(fā)完時，煙氣溫度太高，那么受U型“水塞”的影響，蛇形管中就沒有蒸汽流通，管壁得不到冷卻，很容易發(fā)生管壁超溫爆管事故。

3 技術措施

3.1 主流解決措施

目前，針對煙氣走廊的影響和蒸汽流速不均勻的影響，主流解決的措施有：（1）在鍋爐制造時合理設計交叉布置管道走向，盡量做到蒸汽介質(zhì)流量均勻。但是，無論是哪一種管道布置方式，在實際使用中還是存在受熱面流量不均勻的問題。（2）通過精確計算，在部分阻力小的管道中加裝節(jié)流孔板，以達到所有管道的流量均勻。經(jīng)驗證明這種方法實施困難，而且管道阻力不好計算，一旦控制不好反而成了爆管因素，因此，目前不宜采用。（3）針對超溫的受熱面蛇形管采取一定的隔熱措施，合理減少其吸熱量，同時提高其它受熱面蛇形管的吸熱量，以平衡各根蛇形管的蒸汽介子溫度，最終達到提高再熱汽溫的目的。這個措施在安全性、經(jīng)濟性、可操作性、可逆性非常強，是目前最佳首選。唯一的要求是必須保證有足夠的再熱器換熱面積。（4）應用更高等級的受熱面管材來提高管壁耐受溫度。這種方法是不錯，但是安裝造價高，而且再好的金屬其耐熱溫度也是有限制的，所以我們要有選擇性地應用。（5）為了消除煙氣走廊的影響，將燃燒器頂層二次風或者是三次風進行反切布置，以此消除旋轉殘余從而減少形成煙氣走廊的可能。這個技術措施是目前應用最廣泛的措施，是消除煙氣走廊形成的最佳方法。

3.2 技改采用措施

（1）加強監(jiān)視手段：目前，柳電公司鍋爐高溫再熱器管壁溫度測點布置較少，難以全面監(jiān)視管壁是否超溫運行，這個問題必須優(yōu)先解決。因為無論是采用什么方法來降低受熱面壁溫，都需要通過溫度顯示提供依據(jù)。因此，柳電公司#1、#2鍋爐高溫再熱器受熱面蛇形管出口分別增加24個溫度測點。

（2）消除煙氣走廊的影響：綜合考慮外廠經(jīng)驗，利用小修機會，調(diào)整鍋爐頂層二次風反切角度調(diào)整至18°，為了不至于破壞燃燒，三次風全部調(diào)整為對沖布置，目的都是為了消除火焰殘余旋轉的影響，避免形成煙氣走廊通道，除了對高溫再熱器壁溫控制有利外，也有利于對高溫過熱器壁溫的控制，同時可以控制A、B兩側煙溫差。

（3）采用獨創(chuàng)的隔熱措施：柳電公司鍋爐高溫再熱器前的煙氣溫度大約900°C左右，最高也不會超過1000°C，采用耐火溫度1100°C的耐火泥材料就可以滿足要求。不過，一般的耐火泥材料難以敷設到光滑的蛇形管上，即使是敷設以后也容易脫落，特別是吹灰時脫落最嚴重。本方案采用2.0mm厚的雙層耐高溫不銹鋼防磨瓦卷板，制作時先在外卷板內(nèi)側先敷設耐火泥，然后用內(nèi)卷板壓制后焊接即可完成，內(nèi)夾層耐火泥厚度約5mm，單塊長度統(tǒng)一為1000mm。根據(jù)#1鍋爐高溫再熱器蛇形管壁溫的超溫的具體情況，經(jīng)過綜合分析計算，采用相應數(shù)量長度夾有耐火泥的不銹鋼防磨瓦卷板包裹在超溫的蛇形管上，安裝方法與防磨瓦相同。然后根據(jù)運行的管壁溫度情況不斷地作出調(diào)整，直到添加的隔熱層達到理想效果。

4 技改成效

（1）據(jù)觀察，在運行當中，開大或者關小頂層二次風時，可以明顯觀察到高溫過熱器A側72點壁溫和B側74點壁溫交替發(fā)生變化，特別是加強調(diào)節(jié)頂層二次風時，高溫這再熱器第15-29排蛇形管壁溫可以很明顯地降下來。結果表明，這就是反切二次風消除火焰旋轉殘余的影響，直接改變了煙氣走廊危害的結果。

（2）#1、#2鍋爐分別添加了500-800m2左右低溫再熱器受熱面，取消了前、后屏區(qū)域衛(wèi)燃帶。技改后運行當中低溫再熱器側煙氣擋板開度為30%，低溫過熱器側開度為100%，這為柳電公司應用隔熱措施提供了一定的基礎條件。

（3）初技改措施完成后，在所有管壁都不超過560°C的情況下，#1鍋爐高溫再熱器出口溫度基本上可以穩(wěn)定在530-535°C運行，達到預期的目的。

5 下一步設想

（1）柳電公司#1、#2鍋爐目前管壁溫度測點仍然太少，無法全面監(jiān)視管壁溫度，高溫再熱器出口溫度不可盲目提高，以免發(fā)生管壁超溫爆管事故，下一步將繼續(xù)增加高溫再熱器出口管壁溫度測點數(shù)量。

（2）柳電公司#1鍋爐頂層二次風初步調(diào)整時，受現(xiàn)場條件（構架）限制只能反切11.6°（設計為18°），下一步將調(diào)整到18°，在#1、#3角三次風進行對沖布置的基礎上，#2、#4角三次風也要進行對沖布置，進一步消除煙氣走廊的影響。

（3）柳電公司#1、#2鍋爐高溫再熱器蛇形管出口直管段有一截1000mm左右12Cr1MoV的材料，耐溫性能偏低，可以考慮更換成鋼研102的材料，提高其整體的耐溫性能?，F(xiàn)在，#1鍋爐低溫過熱器和再熱器側煙氣擋板開度均為50%左右，說明柳電公司繼續(xù)應用隔熱措施提高再熱汽溫還有一定的基礎條件，下一步柳電公司將不斷完善調(diào)整隔熱層數(shù)量，有針對性地減少超溫管段的吸熱量，大幅度提高其它管段的吸熱量，在保證管壁不超溫的情況下，最終達到高溫再熱器出口溫度能夠穩(wěn)定在額定參數(shù)540°C運行。

（4）柳電公司#2鍋爐也存在同樣的高溫再熱器超溫問題，目前，出口再熱汽溫僅能維持500°C左右，比#1鍋爐還要低，根據(jù)#1鍋爐取得的成果，解決相同問題的#2鍋爐為期已經(jīng)不遠。

參考文獻：

[1]吳非文.火力發(fā)電廠高溫金屬運行[M].北京：水利電力出版社1979.

[2]馬建隆.宋之平.實用熱工手冊 [M ].北京：水利電力出版社1987.

[3]胡蔭平.《電站鍋爐手冊》.中國電力出版社2005.

[4]章德龍.《鍋爐設備及系統(tǒng)》.中國電力出版社2006.endprint