1 000 MW锅炉分隔屏超温爆管原因分析与改造

许 良， 李荣春， 陈朝松

(1. 国家电投集团协鑫滨海发电有限公司， 江苏盐城 224000；2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

随着电站锅炉机组参数的不断提升，锅炉受热面设计使用的管材也不断升级。为了控制投资建设成本，新建超超临界锅炉在提高受热面所用管材等级的同时，可能会相应考虑减少总的受热面，提高某一级受热面的工质温升。当锅炉实际运行热偏差较大时，就可能会导致受热面超温爆管[1]，给机组锅炉正常的运行带来较大的经济损失和安全隐患。

某电厂1 000 MW锅炉投运1 a即出现分隔屏超温爆管，不得不降参数运行，通过对运行数据进行详细分析，得到爆管的根本原因是实际运行热偏差较大，各管子流量分配与烟气侧偏差不一致。锅炉设计厂家结合电厂运行情况和技术专家的建议，提出改造方案，改造后解决了锅炉正常运行时分隔屏超温爆管问题，主蒸汽温度和再热蒸汽温度达到设计值，提高了机组安全运行性能和经济效益。

1 锅炉概况

该电厂一期锅炉型号为HG-3077/28.3-YM4，一次中间再热、反向双切圆燃烧方式、高效超超临界压力变压运行锅炉，带循环泵启动系统、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、露天布置的П形炉。锅炉主要设计参数见表1。

表1 锅炉主要设计参数

该锅炉过热器系统采用三级布置，沿蒸汽流程依次为水平与立式低温过热器、分隔屏过热器和末级过热器。

分隔屏沿炉宽方向共有12片大屏，每片大屏沿深度方向又由6片小屏组成，由前至后分别为A、B、C、D、E、F小屏。每片小屏由15根管组成，原设计壁温测点在各小屏第1根管出口，同时单独选取第4片大屏的所有管加装温度测点，整个分隔屏原设计温度测点共计156个。分隔屏报警温度为593 ℃，参照各小屏第1根管壁温测点值。

2 分隔屏超温爆管原因分析

2.1 分隔屏超温爆管情况

运行约1 a后1号炉分隔屏泄漏停机，检查发现分隔屏第7片大屏D小屏第9根管(简称7D9管)出口段弯头过热爆管(见图1)。

图1 分隔屏7D9管爆口

割管检查7D9管内氧化皮生成较多并附着在内壁上。扩大检查发现1号炉分隔屏第5、6、7、8片大屏受热面出现不同程度的过热现象，其中第6、7片大屏的C、D、E小屏部分出口管子超温，变黑情况尤为严重。

为了保证锅炉安全运行，电厂控制分隔屏第4～9片大屏运行壁温不超过610 ℃，低于运行控制报警值(635 ℃)，同时通过燃烧调整将分隔屏烟气侧热负荷向炉膛两侧偏移。虽然可以将分隔屏壁温控制在报警值以内，但是蒸汽参数无法达到设计值。主蒸汽温度一般在590 ℃左右，欠温15 K左右；再热蒸汽温度一般在603 ℃左右，欠温10 K左右。

2.2 改造前热偏差及流量偏差计算与分析

热偏差系数ε是指受热面某一管圈的焓增Δhx与整个管组各管焓增的平均值Δhpj之比[2]，其计算公式为：

(1)

流量偏差系数η是指受热面某一管圈的质量流量qm,x与整个管组各管质量流量的平均值qm,pj之比，其计算公式为：

(2)

根据采集的实际运行分隔屏改造前6个负荷工况(500 MW、650 MW、730 MW、750 MW、960 MW、970 MW，下同)的运行数据，分别计算A、B、C、D、E、F小屏第1根管屏间热偏差系数，列出热偏差系数较大的4个小屏(见图2～图5)。

图2 改造前分隔屏各大屏A小屏第1根管屏间热偏差系数

图3 改造前分隔屏各大屏B小屏第1根管屏间热偏差系数

图4 改造前分隔屏各大屏C小屏第1根管屏间热偏差系数

图5 改造前分隔屏各大屏D小屏第1根管屏间热偏差系数

从图2～图5可知，两侧大屏吸热量较小，中间偏右的第6、7、8、9、10片大屏吸热量较大。改造前各大屏屏间最大热偏差系数εmax与最小热偏差系数εmin比较见表2。由表2可以看出：热偏差系数最大值与最小值之比最大超过2，说明分隔屏屏间热偏差变化比较剧烈。

表2 改造前各大屏屏间最大热偏差系数与最小热偏差系数比较

根据采集的实际运行分隔屏改造前6个负荷工况的运行数据，分别计算第4片大屏各小屏的同屏热偏差系数，列出热偏差系数较大的4个小屏(见图6～图9)。

图6 改造前分隔屏第4片大屏A小屏各管同屏热偏差系数

图7 改造前分隔屏第4片大屏B小屏各管同屏热偏差系数

图8 改造前分隔屏第4片大屏C小屏各管同屏热偏差系数

图9 改造前分隔屏第4片大屏D小屏各管同屏热偏差系数

从图6～图9可知，各小屏的同屏热偏差系数在不同工况下规律基本一致：各小屏都是第1根管的热偏差系数最小，第9～13根管的热偏差系数较大。改造前第4片大屏同屏热偏差系数最大值与最小值见表3。由表3可以看出：热偏差系数最大值与最小值之比均超过2，说明同屏各管热偏差差异较大。

表3 改造前第4片大屏同屏最大热偏差系数与最小热偏差系数比较

改造前第4片大屏各小屏的沿炉膛深度方向的同屏热偏差系数见图10。从图10可知：D小屏热偏差系数最大为1.2，A小屏热偏差系数最小，热偏差系数最大值与最小值之比最大为1.69，说明炉膛深度方向热偏差变化较为剧烈。

根据原设计分隔屏结构参数，各小屏管子规格相同、节流管规格相同，因此每片大屏各小屏的同屏流量偏差系数也相同；计算同屏流量偏差系数，结果见图11。

图11 改造前分隔屏各小屏各管的同屏流量偏差系数

从图11可知，各小屏同屏流量偏差系数的分布规律：第1根管的流量偏差系数最大，第14根管的流量偏差系数最小，流量偏差系数最大值与最小值之比超过2。

综上分析，造成分隔屏屏间热偏差较大的主要原因是蒸汽侧偏差和烟气侧偏差不一致；同屏热偏差相差较大的主要原因是同屏流量偏差较大；沿炉膛深度方向各小屏热偏差较大的主要原因是烟气侧沿炉膛深度方向烟温偏差较大。

2.3 原设计分隔屏报警温度分析

原设计分隔屏壁温测点在各小屏第1根管出口，报警温度为593 ℃，其余各管出口壁温为运行控制温度，详细控制温度见表4。由表4可知，原设计第1根管和其余管最大壁温差值只有42 K。

表4 分隔屏报警及运行控制温度

根据改造前6个负荷工况的运行数据，计算第4片大屏各小屏第1根管与其余管最高壁温的实际偏差见表5。从表5可知，第1根管与其余管子最高壁温的实际偏差最高可达111.4 K，远远大于原设计的预期偏差(42 K)。

表5 改造前第1根管与其余管最高壁温的偏差

由于原设计分隔屏各小屏第1根管的热偏差系数很小，实际运行中第1根管的出口壁温比其余管子低很多，该报警温度监测点位置不太合理[3]，其报警温度不能有效代表其他管子超温的情况。实际运行中其他管子发生超温和爆管时，第1根管并没有达到报警温度；而且很多发生超温甚至爆管的管子并没有安装壁温测点，不能对其进行有效监控。

2.4 分隔屏爆管原因总结

综合分隔屏超温爆管的计算与分析[4]，主要有以下5点原因：

(1) 屏间热偏差变化比较剧烈，热偏差系数最大值与最小值之比最大超过2。

(2) 各小屏同屏热偏差变化比较剧烈，热偏差系数最大值与最小值之比最大超过2.6。

(3) 沿炉膛深度方向各小屏热偏差较大，热偏差系数最大值与最小值之比最大超过1.6。

(4) 各小屏同屏流量偏差较大，流量偏差系数最大值与最小值之比超过2。

(5) 以各小屏第1根管壁温为监测点，其报警温度不能有效代表其他管子超温的情况，且原设计壁温测点数量偏少。

3 分隔屏改造方案制定与实施效果

3.1 分隔屏改造方案技术路线

局限于燃烧侧没有有效调整措施，根据分隔屏超温爆管的原因分析，改造的基本原则是将各管屏流量分配进行合理的调整，以适应锅炉烟气侧的偏差，从而减小各管屏的热偏差，降低各管出口的温度偏差，满足各管许用温度的安全裕度要求。确定的分隔屏的改造方案主要技术路线为：

(1) 在分隔屏入口大连接管上设置节流孔。

(2) 为全部管屏的第1根管设置节流短管。

(3) 将炉膛两侧第1、12片大屏节流。

(4) 将热偏差较小区域的部分原设计节流管的节流孔放大；原设计无节流管的加装节流管。

(5) 将热偏差较大区域的管屏部分原设计节流管的节流孔放大。

(6) 加装更多的壁温监测点，设置更完善的运行监控点。

根据以上确定的改造方案技术路线，经过详细计算与设计，确定了相关管屏的改造方案；电厂负责现场设备的安装调试。

3.2 改造后分隔屏热偏差计算与分析

根据采集的实际运行分隔屏改造后6个负荷工况(397 MW、496 MW、556 MW、816 MW、894 MW、966 MW，下同)的运行数据，分别计算A、B、C、D、E、F小屏第1根管屏间热偏差系数，列出热偏差系数较大的4个小屏(见图12～图15)。

图12 改造后分隔屏各大屏A小屏第1根管屏间热偏差系数

图13 改造后分隔屏各大屏B小屏第1根管屏间热偏差系数

图14 改造后分隔屏各大屏C小屏第1根管屏间热偏差系数

图15 改造后分隔屏各大屏D小屏第1根管屏间热偏差系数

从图12～图15可知：对比改造前的屏间热偏差系数，改造后屏间热偏差系数的最大值都有所降低，最小值都有所增加。改造后各大屏屏间热偏差系数最大值与最小值比较，以及改造前后最大热偏差与最小热偏差之比的相对变化率见表6。由表6可知：热偏差系数最大值与最小值之比比改造前都减小，最高减小23.8%，改造后总体屏间热偏差变化比改造前较为平缓。

表6 改造前后各大屏屏间最大热偏差系数与最小热偏差系数比较

根据采集的实际运行分隔屏改造后6个负荷工况的运行数据，分别计算第4片大屏各小屏的同屏热偏差系数，列出热偏差系数较大的4个小屏(见图16～图19)。

图16 改造后分隔屏第4片大屏A小屏各管同屏热偏差系数

图17 改造后分隔屏第4片大屏B小屏各管同屏热偏差系数

图18 改造后分隔屏第4片大屏C小屏各管同屏热偏差系数

图19 改造后分隔屏第4片大屏D小屏各管同屏热偏差系数

从图16～图19可知，改造后各小屏的同屏热偏差系数在不同工况下规律基本一致：各小屏都是第1根管的热偏差系数最小，第9～14根管的热偏差系数较大。改造后同屏热偏差系数最大值与最小值比较，以及改造前后最大热偏差与最小热偏差之比的相对变化率见表7。

表7 改造前后第4片大屏后同屏最大热偏差系数与最小热偏差系数比较

由表7可知：改造后热偏差系数最大值都有所降低，最小值都有所增加，热偏差系数最大值与最小值之比比改造前都减小，最高减小45.5%，总体同屏热偏差变化比改造前较为平缓。

改造后各小屏的沿炉膛深度方向的同屏热偏差系数见图20。从图20可知：D小屏热偏差系数最大，为1.15，A小屏热偏差系数最小；热偏差系数最大值与最小值之比最高为1.47，比改造前减小13%，深度方向热偏差比改造前较为平缓。

图20 改造后分隔屏第4大屏各小屏沿炉膛深度方向热偏差

分隔屏改造后，锅炉运行情况取得较好的预期效果[5]：屏间热偏差系数和同屏热偏差系数均比改造前变化平缓，热偏差系数最大值都有所降低，热偏差系数最小值都有不同程度的增加，并且通过增加的壁温测点可以更好地监控超温情况，提高了机组的安全性。改造后主蒸汽及再热蒸汽均能达到额定温度，发电煤耗能降低约1.6 g/(kW·h)，提高了机组的经济性。实际运行监测到个别管子仍然存在一定程度的超温隐患，停炉检修时需要重点关注。

4 结语

(1) 针对某电厂分隔屏超温爆管，利用实际运行数据计算与分析改造前的屏间热偏差系数、同屏热偏差系数、炉深方向热偏差系数、同屏流量偏差系数规律，总结分隔屏超温的主要原因，并提出针对性的改造方案并实施。

(2) 改造后的运行数据表明，分隔屏的屏间热偏差系数和同屏热偏差系数分布规律都比改造前大幅改善，主蒸汽及再热蒸汽均能达到额定温度，发电煤耗降低约1.6g/(kW·h)，提高了机组运行经济性。

(3) 针对性地增加了壁温测点，可以更全面地监控分隔屏超温情况，提高了机组运行的安全性。