锅炉长周期运行寿命管理模式应用

华能海门电厂

锅炉长周期运行寿命管理模式应用

华能海门电厂

海门电厂探索1000MW级机组锅炉“四管”泄漏的特性与规律，能够提前发掘潜在的隐患并治理，保障电厂4台锅炉不发生四管泄漏事故。通过防磨防爆管控管理体系循环有效运作，对电厂锅炉长周期运行寿命管理，提高机组运行可靠性和经济效益具有重大借鉴和参考价值。

华能海门电厂通过创建适应超超临界百万机组长周期防磨防爆品质管理，通过8年来不断探索、研究、总结，强化多项预控体系建设和标准化管理体系建设，提升在四管防磨防爆工作中加强和改善超超临界防磨防爆管理的制度标准化、装置规范化、流程程序化、技术标准化、行为规范化、四管可视化，形成了一套有效的PDCA（PLAN-DO-CHECK-ACT）闭环管理标准模式，使四管防磨防爆工作做到网格化、全覆盖、无死角、定责任、定标准。

一、概况及成果

华能海门电厂一期4台1036MW燃煤汽轮发电机组。锅炉主设备由东方锅炉（集团）股份有限公司、BHK、BHDB制造。锅炉型号：DG3000/26.15-Ⅱ1型锅炉。锅炉型式为高效超超临界参数变压直流炉、对冲燃烧方式、固态排渣、采用单炉膛、一次中间再热、平衡通风、露天布置、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。

1.防磨防爆课题长期研究

海门电厂从09年机组逐步调试投产，至11年4台机组全部正式商业运行，不断完善、总结、提升锅炉长周期运行管理水平，至12年已经初步形成了标准化的预控和管理体系、可视化检查菜单、可靠检查工具及技术水平等，目前电厂摸清了1000MW级机组锅炉“四管”泄漏的特性与规律，能够提前发掘潜在的隐患并治理，确保电厂4台锅炉不发生四管泄漏事故，全面打造超超临界百万机组防磨防爆的“海门电厂”品牌和效应。

锅炉受热面管防磨防爆工作是一项长期而艰巨的任务，需要全员参与，专业化技术团队共同努力，才能为机组安全、稳定、长周期运行打下坚实的基础。领导重视是做好防磨防爆的关键，预控体系是做好防磨防爆的基础，管理体系是做好防磨防爆的保证，PDCA体系运作是做好防磨防爆的核心。这其中有四个主要点：

（1）各级领导高度重视。公司、分公司、电厂领导多次亲临现场指导锅炉“四管”防磨防爆工作，电厂内部成立以生产厂长为组长的三级检查监督网络，本着“逢停必查，查必彻底”的原则，认真细致的组织开展锅炉“四管”防磨防爆检查工作。落实责任，划分区域，确保“分工明确，责任到人，检查到位”。推行“四管”防磨防爆检查标准卡模式和评价标准，固化防磨防爆流程，闭环监督，推动该体系周期滚动提升运作。

（2）强化预控和管理体系建设。一是强化预控体系建设，主要有：实时给水加氧控制、实时壁温检测分析（PSSS）调整、运行燃烧调整控制、壁温及氧化皮多级预控、停机氨水碱化烘干和真空干燥法保养、检修锅炉防磨防爆三维数字化虚拟仿真、检修防磨防爆检查、锅炉技术监督等；二是通过健全防磨防爆制度标准化、装置规范化、流程程序化、技术标准化、行为规范化、四管可视化，摸索出一套行之有效的解决方案、技术措施，并形成了从计划-执行-检查-行动提升的PDCA闭环管理标准模式体系的运作，使四管防磨防爆工作做到网格化、全覆盖、无死角、定责任、定标准，摸清1000MW级机组锅炉“四管”泄漏的特性与规律，提前发掘潜在的隐患并治理，确保了电厂4台锅炉连续四年未发生一起四管泄露非计划停机造成的经济损失。

表1 锅炉四管爆漏机理分类

（3）电厂强化PDCA过程管控。举一反三、杜绝任何可能，重视受热面检查中发现的问题，任何一台炉发现的问题，必须立刻组织专业人员分析讨论，寻找导致缺陷发生的原因，推广至其中锅炉加以普查，保证了在其他锅炉不重复发生同类事件，严格控制检修质量，逐步提高设备的健康水平。结合东方锅炉特性，重点处理的工作有：

1）所有受热面进口集箱的检查清理；

2）水平烟道包墙与后竖井包墙过热器交汇处鳍片结构不合理，应力集中导致管道开裂；

3）顶棚出口集箱疏放水管安装不规范造成膨胀不畅拉裂管子；

4）水冷壁吹灰器让管附近鳍片开裂，导致延伸至水冷壁管开裂；

5）燃烧器安装偏差，导致锅炉偏烧；

6）大包密封受热面预埋件安装质量及结构原因导致管道开裂；

7）锅炉尾部半伸缩吹灰器设计不合理，枪管弯曲无法投运；

8）再热器减温器喷管开裂；

9）尾部烟道受热面及炉内吊杆吹灰器吹损区域加装防磨瓦；

10）水冷壁燃尽风区域高温腐蚀部位防腐喷涂、高过高再区域防磨喷涂；

11）坚持对高温受热面氧化皮脱落的监督检查。

（4）强化内外协同合作。充分利用国内科研单位经验、设备有利优势，与西安热工院、国内专业队伍合作，起到交叉、互补的作用。各次检修、调停期间对四管全面检查。由西安热工院，中国特检院，上海电建，广东拓奇（或安徽二建）、广州帕理与我厂检修部、策划部共同完成。检修人员严格按照“宁繁不简，宁细不滥，全面检查，把握重点”工作要求，做到“分工明确，责任到人，检查到位”，发现吹灰器附近鳍片裂纹、水冷壁漏焊及鼓包、冷灰斗砸伤、防磨瓦翻转等多处缺陷，检修期间彻底消除，确保全年实现锅炉零泄漏。

2.防磨防爆重要性

目前，火力发电厂锅炉受热面管爆漏是影响发电设备安全可靠性的一个主要因素。受热面管爆漏造成的主设备非计划停运次数占火力发电机组非计划停运总次数的40-50%，有些机组比这个比例还要大。受热面管爆漏直接威胁到电厂的安全运行，同时也给电网安全稳定运行带来了极大的困难，特别是对于大容量高参数的超超临界机组。随着机组容量、运行参数、使用材料等级的提高，机组的安全性尤为重要，特别是锅炉受压部件的防爆管已放在了电厂运行安全运行的首要位置。一台超超临界锅炉一旦出现受热面泄漏、爆管将给发电企业造成巨大的经济损失：1000MW 机组锅炉一次爆管造成停炉的直接经济损失在500 万人民币以上，若考虑发电量减少，损失将达超过千万元人民币，所以大容量超超临界机组锅炉防泄漏、防爆的重要性不言而喻。同时，近年来进口煤炭存在价格低廉的优势，为了降低燃料成本，燃用煤种严重偏离设计煤种。这些外部因素加重了锅炉受热面的结焦程度、腐蚀程度和疲劳损伤程度，间接降低了受热面管的安全可靠性。此外，超超临界机组锅炉受热面采用了大量的新钢种，比如T/P92、Super304H、HR3C等新型耐热钢，对于这些材料的使用性能和工艺性能的掌握还有待于提高，尤其是奥氏体不锈钢的蒸汽氧化问题成为了影响锅炉安全运行的一大隐患。

3.国内及电厂“四管”安全现状

锅炉过热器、省煤器、水冷壁、再热器管(简称“四管”)爆漏，是影响火电机组安全、经济运行的主要因素之一。据近年来的统计，我国大型电站因“四管”爆漏引起的停机事故，占机组非计划停用时间的40%，占锅炉设备非计划停用时间的70%，而且随机组参数的提高和新机组投运的增加，这类事故还有上升的趋势。可以看出，锅炉设备事故中“四管”爆漏的事故所占比例较大，在所发生的非计划停运事故中，有近一半是锅炉“四管”爆漏造成的。锅炉“四管”爆漏对机组可用率的影响，NERC（北美电力可靠性委员会）的统计分析表明，每减少1%的可用率意味着3000-7000万美元的经济损失。因此，如何更加有效地开展锅炉“四管”爆漏防治工作，提高设备的可用率，进而提高企业经济效益是一个具有现实意义的课题。

在锅炉的整个运行周期中均存在爆管的可能性，但在试运初期受热面发生爆管事故的概率最大，投运一到两年之后爆管明显减少。不同参数与炉型的锅炉引起爆管的主要原因有所不同，在对东锅近几年内投运的42台超临界锅炉爆管统计，有23台锅炉发生过爆管事故，19台炉未发生爆管。在这23台爆管锅炉中，共发生62次爆管，引起受热面爆管的原因，排在第一位是异物堵塞，其次是制造缺陷包括安装缺陷，再其次是母材相关因素。

从目前国内已经投产或者在建的百万机组电厂，具有几个特点：

（1）几年内一跃成为世界上拥有超超临界机组最多的国家。机组温度、压力参数高，使用如Super304H，HR3C，T/P92等多种新型耐热钢材料，锅炉“四管”部件等泄漏风险大，设备管理难度大。

（2）基础薄弱，经验较少，认识不足等问题：旧防磨防爆管理模式、内容、制度不能适应超超临界百万电厂防磨防爆管理需要，一些电厂四管泄漏频繁，检修管理失控、受热面高温腐蚀严重，氧化皮剥落堆积导致超温、爆管等等，造成非计划停运和机组不能长周期安全稳定经济运行。

（3）人员缺乏管理和技术经验等。特别是新建电厂定员少，队伍精干，都没有自己的检修部门，日常维护和检修工作基本外委。

海门电厂1～4号机组现阶段运行状况良好，尤其是2012年下半年至今未发生因受热面爆漏而导致的非停，锅炉的安全可靠性良好。2012年以前出现过受热面管爆漏导致的机组非计划停运，主要是水冷壁吹灰器孔附近鳍片裂纹延伸至管子母材、水平烟道积灰结焦等问题。同时，鉴于国内其它早期投运的1000MW超超临界燃煤机组锅炉出现一些新的问题，比如奥氏体不锈钢管内壁蒸汽氧化、水冷壁管的大面积腐蚀疲劳开裂问题，导致受热面爆漏，给机组的安全运行带来威胁。随着机组运行时间的增加，燃用煤种的参差不齐，锅炉受热面管的安全可靠性将会逐渐降低。

表2 百万千瓦容量机组发生一次爆管损失效益估算表

因此，为减少和避免因受热面爆漏导致的非计划停运，保证机组运行的安全可靠性，间接为节能减排工作做贡献，必须加强管理，延长运行周期，必须对锅炉受热面管的安全可靠性进行研究并优化，必须实现受热面管防磨防爆工作的规范化、程序化、标准化、常态化。

为此，必须探索研究、总结强化超超临界防磨防爆管理的制度标准化、装置规范化、流程程序化、技术标准化、行为规范化的标准体系和大数据挖潜化，形成了一套有效的PDCA闭环管理标准模式。最终实现 “一个检修周期内不发生四管泄漏”的目标，保证机组运行的安全可靠性，延长机组运行周期和安全寿命。

4.“四管”失效机理研究

（1）数据的分析和归类。

锅炉“四管”失效的分布没有显著的分布规律；锅炉“四管”爆漏分析及预防是一个复杂的问题，尽管锅炉“四管”爆漏的机理复杂，目前已知的有20余种，但是基于对历史数据的分析，发现绝大部分爆漏问题可以划归在3类型式中。

1）慢性、累积型爆管：包括由蠕变、疲劳、腐蚀和磨损等引起的炉管爆漏。这类问题一般与运行时间相关，随着机组运行累计时间的延长和设备的老化，这类问题呈现上升的趋势。

2）先天缺陷引起的爆管：这往往由于制造、安装或检修等环节的质量控制问题引起，如焊接缺陷、缺陷部位的寿命因缺陷程度的大小变化很大。这类炉管爆漏随时间的推移呈逐渐下降的趋势。

3）快速、随意型爆管：这类爆管往往是由于运行中的短期异常问题引起，比如运行中的汽水回路流量中断、吹灰器异常吹损等。与前面两类不同，这类炉管爆漏问题一般是由短期因素作用引起，它的发生机率和机组的运行时间无关。

由此，区分了以上3类爆管的特点，就可以采用不同的处理方案。

第1类爆管数量上一般占总爆漏次数的50%以上。对于此类爆管，针对爆漏失效机理可采取相应的预防、控制措施。第2类爆管问题可以通过加强质量管理，抓好从管材采购到制造、安装各环节的检查和检验工作得到控制。第3类爆管的发生虽然呈现一定的随意性，但是通过加强设备技术管理工作也可以降低其发生的机率。

（2）爆漏机理分析。

国内外在锅炉管的失效机理方面进行了大量的研究，引起四管爆漏的原因很多，包括设计、制造、安装、检修、运行及煤种等多方面，某一四管爆漏故障往往非单一因素所致，而是多种因素同时存在并交互作用的结果。根据全国大机型锅炉四管爆漏事故的统计，磨损、焊缝、过热、腐蚀、拉裂等是引起锅炉四管爆漏的主要原因。通过故障事故的分析，引起锅炉四管爆漏可归纳如下几方面原因：

（3）四管爆漏故障诊断识别。

锅炉“四管泄漏”通常不仅发生率高，而且危害性大，往往造成巨大损失。及时准确地预防及处理“四管泄漏”，有利于发电机组经济安全运行，避免人员和财产损失。锅炉炉管泄漏监测系统用于监测锅炉过热器、再热器、省煤器、水冷壁等锅炉受热面管道的早期水汽泄漏，以及吹灰运行工况。锅炉炉管监测系统实现对锅炉炉管泄漏进行监视，在显示器上以模拟图等形式显示各点传感器在本体上的分布，并能以不同颜色实时显示各点的正常运行、报警、故障的状态。通过对声音强度、频率和持续时间的分析及判断，发现锅炉的泄漏点，根据趋势图监视其发展和变化。

1）锅炉炉管泄漏早期报警：自锅炉四管（省煤器、水冷壁、过热器、再热器）发生砂眼、裂纹开始，装置应能逐级报警，并发出无源干接点报警信号；自动检测泄漏过程中，显示器上的“棒图”应能以颜色变化分别表示：正常（绿色）、异常（黄色）、泄漏（红色）。

2）判定泄漏区域位置：通过泄漏点附近分布的“测点”所反映的泄漏程度，并结合各“测点”先后报警顺序能综合判断出泄漏区域位置：分辨率≥4米的隔离范围。

3）显示泄漏噪声频谱：能显示各测点所“听到”的炉内声音频谱，显示谱段为1-15kHz。能明显地判别出炉管泄漏及蒸汽吹灰的声音。泄漏故障发生后，根据检修经验和故障特性，形成故障判别表，并记录机组历史事故具体档案。

二、安全经济效益

为降低机组泄漏风险，提高机组安全稳定运行的可靠性、经济性，积极采取各种管理措施，加强风险分析、预控和检修检查、运行控制，努力提高机组防磨防爆工作成效，确保了机组修后长周期稳定运行；着力打造超超临界百万机组防磨防爆的“海门电厂”品牌和效应；实现“新起点、新目标、新超越”，为电力行业防磨防爆做出更大的贡献。

每发生一次四管泄漏，电厂损失严重，据一般经验数据估算，主要包括三个方面：

1.四管泄漏电量损失计算：抢修时间5天，则直接减少发电，效益损失：1000000（千瓦）＊0.75（75%负荷率）＊24（小时/天）＊ 5（抢修天数）＊0.2（边际贡献，元）＊0.5（年次/台）＊4（台）=3600万元。

2.检修、启机费用：按最低检修费用至少20万/台/次；主要包括检修的人力、物力成本核算。

3.机组启停直接费用至少80万/次。主要包括启停机过程的燃料、电量、水量、低品质参数等的工质能源损耗。

以上三个方面，可以看出，以每台机组0.5次/年的概率，见表2，电厂构建实施超超临界锅炉防磨防爆管理体系效益至少达3800万/四台机组/年。

项目实施以来，通过管理创新、理念创新、模式创新、技术创新等，有效避免了锅炉“四管”及机组重要部件泄漏发生，降低了机组非计划停运风险，安全效益、经济效益、品牌效益明显。

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