350 MW超临界机组锅炉金属壁温测量元件安装工艺优化

徐新平,于国华,张士军

(黑龙江省火电第三工程公司，哈尔滨 150016)

350 MW超临界机组锅炉金属壁温测量元件安装工艺优化

徐新平,于国华,张士军

(黑龙江省火电第三工程公司，哈尔滨 150016)

电厂机组运行期间,无法对顶棚罩室内的铠装热电偶进行检修维护,已成为安装亟待解决的问题。对华能大庆热电厂锅炉顶棚保温密封结构特点,与金属壁温测量元件进行了安装工艺分析,提出锅炉顶棚包覆式框架结构金属壁温测量元件的安装工艺优化方案。此安装工艺优化后,在工程实践中,提高了锅炉顶棚金属壁温测量正确率,应用效果良好。

锅炉;包覆式框架结构;金属壁温;数据采集;安装工艺

锅炉顶棚金属壁温不仅是监视锅炉安全运行的重要参数；而且,其测量元件安装数量庞大,位置相对集中,作业空间狭小,安装环境复杂。合理的安装方式,不仅能给运行人员提供准确的运行信息,同时也能给机组商业运行后的检修维护带来极大的方便。近些年来,随着“关停小火电”、“节能减排”等电力建设的宏观政策的调控,火电建设基本趋于大型火电机组,300 MW、600 MW、1000 MW等大型火电机组的建设如雨后春笋,锅炉顶棚框架式密封罩的出现也逐渐增多。由于多方原因,一些地方在包覆式框架结构密封的顶棚金属壁温安装中,仍然沿袭着普通顶棚壁温安装形式,结果给今后机组检修维护工作留下很棘手的 “隐性”问题,这就给人们提出新的课题—— 如何优化其安装已成为许多同行探索的共识[1]。

1 金属壁温测量元件的安装环境

1.1 普通锅炉顶棚保温(见图1),顶棚集箱及管束处于相对开式的环境中,安装工作后期其外层包裹耐火纤维板、护网、抹面料等保温材料。机组运行时，热控检修和维护工作可以进行。对于金属壁温测量元件安装来说可用安装方式较多,也比较灵活。

1.2 锅炉顶棚包覆式框架结构密封,相当于在普通锅炉顶棚保温外又增加了框架结构密封罩(如图2所示),其外罩高自顶棚管到罩顶高度通常为6～8 m大框架罩室,密封罩墙板内夹有保温层,大罩内所包容的汽水集箱及管排束因炉子类型而不同,其中容纳:分隔屏集箱、过热器集箱、再热器集箱,个别的把垂直水冷壁集箱也罩入其中。保温完成后,大罩全部密封,包括检修人孔门,机组运行时罩室内温度高达450～500 ℃,属处于密闭的高温环境中,补偿导线及热电偶冷端端头必须引出大罩室外,正常情况下检修人员无法进入其中,即使停炉也需6～7天的降温处理。

1.3 华能大庆2台350 MW超临界机组的锅炉顶棚为包覆式框架结构密封,其又具有一定的特殊性,相对施工环境更为复杂恶劣、各专业交叉作业更为密集,保温密封结构更繁琐、空间更紧缩。其大罩内又将集箱管束按位置区域用内护板形成几个分包罩室,分别为垂直水冷壁集箱、分隔屏集箱、末级过热器和末级再热器集箱等,给顶棚金属壁温测量元件安装增加的难度可以预见。

图1 普通锅炉顶棚保温示意图

图2 锅炉顶棚包覆式框架结构密封示意图

2 常规锅炉顶棚金属壁温元件安装方式分析[2]

顶棚金属壁温测量元件安装是工种配合、工序衔接和专业性都比较强的热控单项施工。任何一方面出现差错都可能给安装造成资源的浪费或设备元件的损坏。金属壁温采集点通常选在过热器、再热器等集箱下管排某一炉管的管壁,离顶棚管上面高度约100～150 mm范围,热控安装完成后由锅炉专业保温密封。由于锅炉顶棚管束密布、空间狭小,施工存在一定的难度。

常规锅炉顶棚金属壁温测量元件采用的两种安装形式。

2.1 温度元件厂家提供带有顶丝和可插入铠装热偶的集热块,将集热块点焊于所要监测的炉管管壁,铠装热电偶冷端与热端之间采用不锈钢管保护,接近集热块处断开,以便能调整铠偶热端位置穿入其安装孔,铠偶插入到位后锁紧顶丝。冷端由不锈钢管保护引出顶棚。这种方法能够保证热电偶测温的精度。但是检修极不方便,需要扒掉保温层才进行,恢复起来相对困难。

2.2 温度元件厂家未提供集热块,根据现场条件选择材质1Cr18Ni9Ti规格Φ18×2不锈钢管做保护管,保护管的测量端点焊于所要监测的炉管管壁,并将该管端头切去一小偏角,以便检查所安装铠偶是否安装到位。不锈钢管上端将铠偶引出炉外便于检修处。这种安装方法优点是便于检修,也可有效防止成品损坏。但缺点是,管壁接触面小不好,存在一定的动态误差相对较大。

顶棚壁温选型的铠装热电偶最大特点,细而长,直径Φ5、长度通常在5～30 m不等,护套壁薄易损(约0.5 mm),内填充白色粉末MgO绝缘层。如安装折弯过度或安装后的成品保护不当,甚至振动等都很容易造成温度元件断线或短路、合金丝接地等现象,尤其外专业被踩踏、电焊击穿事件时常出现。所以,合理的测温元件安装方式,不但能有安全保障,还可以提供可靠的工艺质量,便利的检修维护条件。然而,顶棚框架大罩出现,使得多年沿袭的金属壁温测量元件安装不得不面对以下问题:机组运行情况下壁温一旦出现故障如何处理?这种由热控设计与锅炉设计在技术衔接方面所产生的问题,不得不正视。因其已不能满足现代火电机组运行需要,寻求新颖可行的金属壁温测温元件安装优化方式势在必行。

3 包覆式框架结构顶棚金属壁温测量元件安装工艺与优化改进

华能大庆热电联营项目2台350 MW超临界机组,锅炉金属壁温测量元件特点:a.数量多。锅炉壁温测点356支,其中大罩顶棚壁温测点290支;b.安装障碍多,铠偶引出顶棚需穿透集箱保温层内护板及大密封罩;c.安装空间狭小,因与同类型的大罩式密封相比,集箱外多一层内护板。如不改进以往的安装方式,不仅难以保证工艺质量及温度元件安全,也给今后检修维护带来极大后患。因此,该工程金属壁温测量元件安装的首要任务是寻求一个可行的新方法、新安装工艺。

伊敏电厂一期工程,因锅炉增加临时监测的爆管监测点,采用2.2安装方式,但所采集数据相对偏差较大,同为过热器出口管壁温度相差3～5 ℃。处对流受热面同一截面位置温度应相同,测温铠偶已经过校验，排除超差问题。经过分析查找原因,在于采集方式。显然,作为设计的DAS点,应用该安装方式不太适合;但其优点是,可以在罩外实现壁温安装与检修维护工作。大庆330 MW新华电厂锅炉顶棚为同类型结构,工程初期便开始探索新的可行、准确的壁温测量元件安装方式。鉴于上述安装经验,2.2安装方式有其独到的可取之处;另一方面,所应关注的环节就是解决温差问题,即保证热电偶热接点处温度最大限度接近管壁的温度。于是,可以将炉管热量的传递方式以图式表述,从热接点处的热平衡来分析。所测量炉管铠偶热接点处热平衡如图3所示。

图3 铠装热电偶接点处热平衡示意图

(1)

(twb-trd)=(q1+q2)/αd

(2)

式中:αd为热电偶与管壁间的当放热系数,kJ/(m3·h);twb为炉管外壁温,℃;trd为热电偶热接点的温度,℃。

从式(1)、式(2)中可看出,要使采集值准确,即(twb-trd),应尽量减小q1、q2,并增大αd。减小q1,即测点处保温层完好;减小q2,热电偶热端应紧贴管壁,除集热块防腐漆,露出金属光泽,保持导热良好;并沿其长度保温良好,设法在结构上增大αd值。

因此,提高金属壁温采集信息准确性,着手于两个方面实现:a.增大接触面积,采用集热块采集热源; b.解决不锈钢保护管与集热块的平滑过度连接。按设想加工1:1的实物模型,经过几次集热块改进和安装试验,具备可行性。最终确定安装方案[3-4],如4图所示。

a.随温度元件配供规格集热块如图5所示,锁紧抱箍;

b.冷端与测量端间部分铠偶采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管保护;

c.集热块三面固定焊于管壁,安装前部位打磨除去油漆防腐层,露出金属光泽。

图4 框架罩式顶棚金属壁温测量元件安装示意图

图5 包覆式框架结构顶棚壁温集热块

经新华电厂工程实践,在机组168 h试运过程中,锅炉顶棚金属壁温测量正确率100%,仅初期发生了很小的检修维护量。此金属壁温测量元件安装工艺优化是可行的。

4 壁温采集与监测

壁温测点采集采用国产智能前端或者DCS远程I/O。国产智能前端防护等级达到IP56,防尘、防水、防磁场、抗震,并有完善的硬件隔离和自检电路,可在恶劣环境下长期可靠地运行,且布置方式灵活,能够更好的适应炉顶罩壳上环境。壁温系统的监控可全部接入到DCS系统或者单独设置监控系统。全部接入DCS的优点是机组监控统一、便捷,但是因大量模拟量点接入会增加系统的负荷率,对DCS 系统可能会有一定的影响。建议,如果全部接入DCS,尽量采用单独的控制器。当单独设置壁温监控系统时,可采用智能终端+上位机的形式,多台智能前置器通过通讯总线串联而成,通信接口采用双路。此方法可以在不加任何中间环节的情况下直接实现和上位监控系统的通信,减少采用非标准接口和协议时所必须增加的中间转换设备，减少现场网络通信所需的额外通信时间,同时减少了因中间环节故障可能导致的各种隐患,具有可靠性高、实时性好、维护量小等优越性。锅炉壁温监控系统与SIS系统联网,向SIS系统传输锅炉实时壁温信号,可利用SIS系统强大的历时数据库记录锅炉壁温信息,实现全厂锅炉壁温数据共享,用于锅炉运行、检修、寿命管理。

5 工程应用与建议

5.1 应用效果

在华能大庆350 MW热电厂项目,顶棚框架式密封罩金属壁温测量元件安装中,选用新华电厂的安装方式。通过不锈钢保护管可实现穿过顶棚、密封护板、保温材料等不同结构,解决了空间狭小难于安装问题;通过增加特型金属壁温集热块加大了数据采集的准确性、减小测量迟滞时间。大庆新华首次成功应用,华能哈热电厂第二次应用,伊敏二期因错过仪表设备订货期未能实施。为说明统计不同现场的金属壁温测量元件安装状况[5-6],见表1。

分析表1数据,第1列测量值,运行期间时而存在动态误差,不作为可行的安装方式;其他工程采用优化安装工艺,效果明显。

5.2 工程建议

5.2.1 应在测点处管外加保温层。炉外壁温测点所测量的温度是管内的蒸汽温度,要测量准确,首先应使测点处管子外壁温度尽量接近管内汽温;其次要使热电偶热接点的温度尽量接近管子外壁温度。这就要求尽量减小测点处沿管子径向和沿热电偶本身的散热热流。因此,必须在测点处管外设置保温层,建议保温层的厚度不小于100 mm。

5.2.2 应将从集热块引出 的一段热电偶(约150～300 mm)紧贴在被测管壁上,以尽量减小沿热电偶本身的散热,该段管子应做保温处理。

5.2.3 集热块与管壁应三面满焊。有些施工单位对集热块只用点焊固定在管壁上,这样使得集热块不能很好地与管壁接触。集热块的作用是形成一个内部等温腔室,只有集热块的三面与管壁满焊(除了引出热电偶的一面以外),才能最大限度地加大与管壁的接触面积,使集热块腔室内的温度最大限度地接近管子外壁温度,从而提高测量准确性。

5.2.4 热电偶在引出罩壳时应在罩壳上加装保护管。为阻隔罩内的热量从保护管散出,应在保护管与线槽接口处用耐高温密封胶泥封堵。

5.2.5 做好施工组织措施。一是锅炉安装时,必须严格按照锅炉厂提供的图纸,查看哪些管排布置有壁温测点及壁温测点的设置数量,避免管排安装错误;二是集热块焊接应尽量安排在锅炉打水压之前,尤其是直接在锅炉管道上焊接时,必须在打水压之前完成全部焊接。如果锅炉厂在管壁上含有预焊板时,也可在打水压之后进行,但是必须保证施工过程对管屏母材不造成损伤。应先检验集热块与预焊板的材质,确定两者之间的可焊性。当没有预焊板时,应对被焊管道做热处理。

6 结 语

华能大庆热电厂350 MW超临界机组金属壁温测量元件安装,遇到非常复杂的安装环境。通过对不同安装工艺的比较分析,为解决包覆式框架结构顶棚问题,找到了金属壁温测量元件安装工艺优化方案。这样,便于移交生产运行后,电厂检修维护,判断锅炉运行状态。需提示的,国内行业设计的金属壁温测量元件安装并未规范;而且,此安装方式涉及到热电偶的订货选型问题。应提前建议设计院和承建方做好相关工作,才能确保优化方案的实施。

[1] 国家电力公司发输电运营部.电力工业技术监督标准汇编(热工监督)[M].湖南.湖南大学出版社,2003:36-51.Dept.of Generation & Transmission Operation,State Power Corporation of China.Compilation of technical supervision standard of power industry (Thermal Engineering Supervision[M].Hunan.Hunan University Press,2003:36-51.

[2] 王孟浩.超(超)临界锅炉炉外壁温测点的测量误差[J].中国电力,2009(2):23-26.WANG Menghao.Measuring errors of external wall temperature for supercritical and ultra-supercritical boilers[J].Electric Power,2009(2):23-26.

[3] 叶江祺.热工仪表和控制设备的安装[M].北京.水利电力出版社,2005:99-151.YE Jiangqi.Installation of thermal instrumentation and control equipment [M].Beijing.Water Resources and Electric Power Press,2005:99-151.

[4] 冯龙江.火力发电厂热工仪表安装技术研究[M].北京.化工工业出版社,2011:110-118.FENG Longjiang.Research on installation technology of thermal instrument in thermal power plant [M].Beijing.Chemical Industry Press,2011:110-118.

[5] 开平安.火电厂热工过程先进控制技术[M].北京.中国电力出版社,2010:43-58.KAI Pingan.Advanced control technology of thermal power plant in thermal process [M].Beijing.China Electric Power Press,2010:43-58.

[6] 程蓓.火电厂热工检测技术[M].北京.中国电力出版社,2008:57-77.CHENG Bei.Thermal detection technology in thermal power plant [M].Beijing.China Electric Power Press,2008:57-77.

(责任编辑 李世杰)

Installation procedure optimization for measurement elements of tubewall temperature of boiler in 350 MW supercritical units

XU Xinping,YU Guohua,ZHANG Shijun

(Heilongjiang Thermal Power No.3 Construction Corporation,Harbin 150016,China)

During the running period of power plant unit,it was unable to maintain and repair the armoured thermocouple inside the ceiling cover,which has become a problem to be settled in installation.Therefore,the characteristics of insulation and sealing structure for boiler ceiling in Daqing thermal power plant of China Huaneng Group and the installation procedure of measurement elements of tube wall temperature were analyzed.As a result,the scheme of installation procedure optimization for measurement elements of tube wall temperature of boiler ceiling with coated-type frame structure was put forward.After this optimization,in engineering practice,measurement accuracy of tube wall temperature of boiler ceiling is improved and application effect is satisfactory.

boiler; coated-type frame structure; tube wall temperature; data acquisition; installation procedure

2016-03-16;

2016-11-03。

徐新平(1969—),男,高级工程师,从事火电厂热工自动化设备安装及技术管理工作。

TK311

B

2095-6843(2016)06-0549-05