1 000 MW超超临界塔式锅炉寿命管理系统研发

朱江涛，杜保华，杨中明，尹 刚，钱义生，刘振宇

（1.神华国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612；2.西安热工研究院有限公司，西安 710032）

0 引言

国华宁海电厂是国华电力集团首座装备1 000 MW超超临界机组的火电厂，二期2台1 000 MW机组（5号机、6号机）于2009年投产发电。锅炉由上海锅炉厂引进Alstom德国EVT公司技术设计制造，为超超临界变压运行直流炉，采用塔式布置、螺旋管圈、一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣。锅炉参数为27.46 MPa/605℃/603℃。

超超临界塔式锅炉与传统机组有较多不同，炉内所有高温受热面采用水平卧式布置。由于蒸汽参数较高，使用了大量新型材料（宁海电厂1 000 MW塔式锅炉所用新材料见表1），而国内对这些新材料也缺乏使用经验，从而对锅炉炉管与锅炉部件的状态评定及监督都具有一定的挑战性。掌握锅炉重要关键部件的状态监测和寿命评估方法成为亟待解决的难题。

高温部件寿命管理是一项需长期跟踪管理的工作，如果从早期基建阶段开始将具有很多优势：设备资料齐全、运行数据完整、模型优化及时、经验积累丰富等。所以，在多年的寿命管理技术研究基础上[1-3]，从宁海电厂基建阶段开始，结合电厂生产管理需求，构建了1 000 MW超超临界塔式锅炉寿命管理系统，实现在线寿命评估、受热面壁温监测、测点多级超限统计、异物堵塞监测、运行考核管理等功能，为运行和检修提供实时指导。

表1 关键部件所用新材料

1 评估模型设计

在线寿命评估的方法是随着软件、硬件、通信等技术的快速发展而逐渐产生和成熟的，通过实时获取高温部件的温度、压力、负荷等基础测点数据，结合设备的结构、尺寸等设计参数，在线监测和评估设备寿命损耗。在线寿命评估具有实时性、离散性和长期性的特点，贯穿于锅炉整个生命周期，是一个长期跟踪管理的过程。

为了反映微小时间段内实时温度、压力等参数对部件寿命的影响，在线评估模型中引入了寿命损耗倍数K，该参数定义过程如下：

依据基于老化因子修正的L-M公式，分别计算设计参数和实时参数下的蠕变寿命值td和t：

式中：Td为部件设计壁温；td为设计壁温和设计压力下的蠕变寿命；σd为评估部位在设计压力下的应力；T为实时壁温；t为实时壁温和压力下的蠕变寿命；σ为评估部位在实际压力下的应力。

定义寿命损耗倍数K，令：

K用于评定某评估时间段内实际温度和实际压力对寿命损耗影响的严重程度。该参数的意义在于提供了同一部位不同时刻寿命损耗比较的手段，而且可以比较某一时刻不同部位的寿命损耗。

图1为6号炉三级过热器第7屏17根炉管某天的寿命损耗倍数分布曲线，横坐标为评估时刻，评估间隔为10 min。纵坐标为损耗倍数K，每个点对应一个评估时间段，从图上可以准确掌握评估部位在各个时刻的寿命损耗程度。

图1 某炉管的寿命损耗倍数随时间变化曲线

实时在线获取每个评估部位的寿命损耗倍数K后，便可掌握其残余寿命tr：

式中：trn-1为上轮评估后的残余寿命；Delt为在线评估时间间隔。

2 系统功能设计

宁海电厂1 000 MW塔式锅炉寿命管理系统分为两部分：生产控制网区的壁温实时监测系统和MIS网区的锅炉寿命管理系统。其中，生产控制网区壁温实时监测系统的数据刷新频率达到秒级，用于为运行人员提供监测、预警、历史查询等服务。MIS网区的锅炉寿命管理系统主要为生产管理和检修人员提供在线寿命评估、图形化超温监测、测点多级超限统计、异物堵塞监测、运行班值考核管理、历史趋势查询分析等功能。系统的网络架构如图2所示。

2.1 壁温实时监测系统功能设计

壁温实时监测系统安装于5号机和6号机的操作员站，为运行人员监测一级过热器、二级过热器、三级过热器、一级再热器、二级再热器及水冷壁的壁温提供支持，其主要功能包括：壁温实时监测及报警、实时趋势图、历史曲线。

2.2 锅炉寿命管理系统功能设计

锅炉寿命管理系统安装于MIS网，用户在办公室即可访问。主要包括四大功能模块，显示页面示例见图3。

图2 宁海电厂塔式锅炉寿命管理系统架构

图3 5号炉二级再热器寿命分布曲线

2.2.1 在线状态监测及评估

通过实时获取高温部件的温度、压力、负荷等基础测点数据，结合设备的结构、尺寸等设计参数，在线监测及评估设备运行状态。实现超温风险的监测与管理、温度场图形化监测、炉管异物堵塞监测、测点多级超限监测及统计等功能。

2.2.2 在线寿命评估

根据设备状态（温度、应力）的评估结果，预测设备残余寿命。可实现在线寿命计算与管理、寿命损耗倍数曲线、炉管残余寿命报警及统计等功能。超超临界锅炉炉管设计寿命采用了保守处理，定为10万h。由于国内对1 000 MW超超临界锅炉所用新材料缺乏使用经验，并且本着在线评估与离线检验相结合的全寿命周期管理宗旨，宜采用逐渐逼近的办法偏可靠处理。

2.2.3 运行超限考核

根据电厂生产管理需求，设计了运行班值超限考核功能，自动监测各运行班组当值期间发生的超限信息，并计算对应时间范围内的主蒸汽温度、再热蒸汽温度及负荷等，从安全和效率两方面综合考评运行班值，主要包括：值班运行记录报表、值班运行统计报表。

2.2.4 设备信息管理

对高温设备的设计、制造、安装、运行、检验、维修、经济性等方面的信息进行管理，提供设备综合风险预测结果，提供检验与维修决策建议。其中的关键技术包括：失效风险预测与管理，失效原因分析与统计、维修、更换及检验建议。

3 结语

以宁海电厂1 000 MW超超临界塔式锅炉为对象，基于关键技术的研究成果，结合电厂生产管理需求，开发了超超临界塔式锅炉寿命管理系统。该系统采用全新的架构，功能完善，既满足了安全3区（MIS网区）技术人员对高温部件的状态监测和管理需求，又满足安全1区（生产控制区）运行人员对高温受热面壁温的实时监控要求。

系统在宁海电厂5号、6号机组上线运行以来，电厂人员利用超温风险监测、异物堵塞监测、多级超限统计模块，开展对高温受热面的监督，降低炉管泄漏风险。利用运行考核管理模块从安全和效率两方面对运行班组进行综合考评，已成为电厂重要的管理手段。该系统在宁海电厂1 000 MW超超临界塔式锅炉上的成功应用对同类机组具有重要的示范作用。

[1]李耀君，任爱.火电厂重要部件的寿命管理[J].热力发电，1994（04）:19-22.

[2]杜保华，李耀君，刘振宇.锅炉高温联箱寿命管理系统研发[J].热力发电，2010，39（9）:106-109.

[3]谢宋钊，杜保华，杨二鲁.珠江电厂2号锅炉末级再热器氧化皮剥落与运行特性分析[J].广东电力，2009，22（6）:64-66.