超临界锅炉垂直水冷壁裂纹产生的原因及处理措施

李 宽,郑 媛,赵星海,孙海天

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,长春 130021;2.吉林农业工程职业技术学院机电工程系,吉林 四平 136001;3.东北电力大学 能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012)

●新技术与应用●

超临界锅炉垂直水冷壁裂纹产生的原因及处理措施

李 宽1,郑 媛2,赵星海3,孙海天1

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,长春 130021;2.吉林农业工程职业技术学院机电工程系,吉林 四平 136001;3.东北电力大学 能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012)

针对某电厂超临界运行锅炉垂直水冷壁出口处出现多处裂纹导致锅炉停运的问题,借助锅炉相关运行参数曲线对裂纹的位置、产生原因及外貌特征进行了研究,研究发现:锅炉垂直水冷壁出口处裂纹是由管间较大温差和管温快速变化产生的热应力引起的,管间较大温差一般出现在锅炉转干态后的低负荷工况下,且锅炉给水流量的变化与垂直水冷壁管温的波动存在对应关系;建议尽量减少该型锅炉在转干态后的长期低负荷运行,同时加强对垂直水冷壁出口处壁温的监视,出现较大偏差时及时调整;改进给水自动和给煤自动对水煤比的调整能力,防止负荷变化过程中的水煤比失调。

热应力;垂直水冷壁;温差;超临界锅炉

LI Kuan1, ZHENG Yuan2, ZHAO Xinghai3, SUN Haitian1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Company Limited, Changchun 130021, China;

2. School of Electrical and Mechanical Engineering, Jilin Engineering Vocational Collage, Siping 136001, China;

目前,随着超临界及超超临界技术在中国电站锅炉上的应用[1-2],锅炉的设计及运行方式也出现了相应的改变。由于部分超临界及超超临界锅炉在炉膛下辐射区使用螺旋管圈水冷壁结构,在炉膛上辐射区的低热强度区域使用垂直管屏结构[3-4],使该型号锅炉在运行中出现了垂直水冷壁热应力随负荷而变化的问题[5-6]。某电厂超临界锅炉在运行中垂直水冷壁出口处出现多处裂纹,导致垂直水冷壁失效,锅炉停运。为了找出导致垂直水冷壁裂纹产生的原因,本文对该电厂超临界锅炉垂直水冷壁出口处裂纹的特点和垂直水冷壁出口处管子壁温、锅炉给水量、给煤量及分离器出口压力等运行参数曲线进行了分析,提出了控制裂纹产生的应对措施,以为该型锅炉的正常运行及改造提供借鉴。

1 设备概况

该电厂锅炉为350MW HG-1110/25.4-HM2型超临界直流锅炉,采用∏型布置、平衡通风、一次中间再热、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构。锅炉为单炉膛,宽14.6273 m,深14.6273 m。BMCR工况下,锅炉过热器出口蒸汽压力为25.4 MPa,温度为571 ℃;再热器蒸汽出口压力为4.287 MPa,温度为569 ℃;给水温度为284.1 ℃。

锅炉制粉系统为中速磨正压直吹式系统,配置6台HP863型中速磨煤机,煤粉细度R90=37%。SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方炉膛的四角,以实现分级燃烧降低NOx的排放。

锅炉汽水流程以内置式汽水分离器为界成双流程,锅炉启动系统由内置式汽水分离器、贮水箱、水位控制阀等组成。水冷壁为膜式水冷壁,从冷灰斗进口一直到中间混合集箱之间为螺旋管圈水冷壁,经中间集箱过渡转换为垂直管屏,并形成上炉膛的前墙、侧墙、后墙及后水吊挂管。在垂直水冷壁出口处每8根管安装了1个温度测点,水冷壁出口集箱经小连接管汇集到下降管入口,经下降管进入布置在折焰角处的汇集集箱,分别经折焰角进入水冷壁对流管束和经水平烟道侧墙入口集箱进入水平烟道侧墙,从水平烟道侧墙和对流管束的出口集箱引入汽水分离器。

2 垂直水冷壁出口处裂纹位置及外貌特征

某电厂超临界锅炉在运行中发现垂直水冷壁出口处多处泄漏,导致垂直水冷壁失效,锅炉停运。停炉后,检查发现前侧、后侧、左侧、右侧墙垂直水冷壁出口处出现多处横向裂纹。垂直水冷壁出口处裂纹照片如图1所示。

裂纹出现于垂直水冷壁出口处,靠近集箱的焊口,位于锅炉的非受热部位,而且出现裂纹的位置全部位于两管之间,呈横向状态,左右两侧全部存在,同时蒸汽从裂纹中吹出,吹薄了邻近水冷壁管。

3 裂纹产生的原因分析及控制措施

3.1 裂纹产生的原因分析

为了找出导致锅炉垂直水冷壁出口处产生裂纹的原因,调取了机组从50%BMCR至35%BMCR工况下滑压停炉运行过程中垂直水冷壁出口处相邻温度测点的温度曲线及对应的给水量、给煤量及分离器出口压力曲线,曲线如图2所示。图2(a)为锅炉滑停运行过程中垂直水冷壁出口处相邻8个温度测点的温度曲线,对应时间21时41分45秒的温度值如表1所示,对应时间21时49分25秒的温度值如表2所示。图2(b)为对应壁温时间段内的锅炉给水流量、汽水分离器出口压力、锅炉总给煤量的运行参数曲线。

图1 垂直水冷壁出口处裂纹照片

图2 锅炉滑停运行过程中参数曲线图

表1 21时41分45秒对应曲线从高到低的温度值

Tab.1 21:41:45 corresponding curves from highto low temperature ℃

温度1温度2温度3温度4温度5温度6温度7温度8415.6394.1390.7362.1351.8347.0344.6340.5

表2 21时49分25秒对应曲线从高到低的温度值

从图2(a)和表1可以看出,垂直水冷壁管间存在温度差,从时间21时41分45秒的温度值(表1)可以发现温差值最大值达到75.1 ℃。考虑到不是每根管都安装有温度测点,所以部分管的温度偏差可能更大,较大的温度偏差导致管子伸缩不同产生较大的管间应力。对比表1和表2可以发现垂直水冷壁出口处管温出现较大降低且快速变化,降低幅度达到79.9 ℃,变化速率达到10.4 ℃/min,远大于垂直水冷壁管温允许变化速率2.5 ℃/min。管间较大温差及管温快速变化,对管材和集箱都会产生较大的热冲击,以致爆裂。所以可以确认垂直水冷壁出口处裂纹的原因为管间较大温差和管温快速变化产生的热应力引起的。对比图2(a)和图2(b),还可以发现锅炉给水流量的变化与垂直水冷壁管温的波动存在对应关系。

3.2 水冷壁温度偏差特点

为找出垂直水冷壁温度偏差与负荷的关系,分别调取了锅炉完整的升负荷过程中垂直水冷壁出口处温度曲线和降负荷过程中垂直水冷壁出口处温度曲线,如图3所示。图3(a)为锅炉垂直水冷壁出口处温度在升负荷过程中的曲线,图3(b)为锅炉垂直水冷壁出口处温度在降负荷过程中的曲线。

图3 锅炉升、降负荷垂直水冷壁出口处温度曲线图

从图3可以看出,管间温度较大偏差一般出现在锅炉转干态后的低负荷工况下,其中80%BMCR工况下的锅炉垂直水冷壁出口处对应图2位置的温度值如表3所示,25%BMCR工况下的垂直水冷壁出口处对应图2位置的温度值如表4所示。

从表3可以看出,垂直水冷壁出口处温度偏差较小,最大值为9.7 ℃，在锅炉大负荷运行工况下，温度虽然较高，但偏差不大。从表4可以看出,在锅炉湿态运行工况下,垂直水冷壁出口处温度分布均匀,偏差较小,最大值为3.6 ℃。因此,垂直水冷壁管间较大温差一般出现在转干态后的低负荷工况下。

表3 80%BMCR工况下的温度值

表4 25%BMCR工况下的温度值

3.3 控制裂纹产生的措施

1) 由于垂直水冷壁管间较大温差一般出现在锅炉转干态后的低负荷工况下,因此应尽量减少锅炉在转干态后的长期低负荷运行。

2) 在锅炉转干态后的低负荷工况下,运行人员应加强垂直水冷壁出口处壁温的监视,出现较大偏差时及时调整。

3) 由于锅炉给水流量的变化与垂直水冷壁管温的波动存在对应关系,建议锅炉在运行中改进给水自动和给煤自动对水煤比的调整能力,防止负荷变化过程中的水煤比失调。

3.4 措施有效性的验证

对锅炉垂直水冷壁裂纹处理完成,且水压试验合格后锅炉点火。在锅炉转干态后,给水自动切除,由运行人员按照控制裂纹产生的措施进行升负荷,负荷大于75%BMCR后,投入锅炉给水自动。锅炉升负荷期间,对应图2位置的垂直水冷壁出口壁温如图4所示,对应图2位置温差最大值点的温度如表5所示。

由图4和表5可以看出,锅炉垂直水冷壁出口处温度较大偏差虽然在转干态后的低负荷工况下仍然存在,但在运行人员的干预下,温度偏差变小,最大为26.2 ℃,且温度波动幅度变小。在负荷大于75%BMCR后,给水自动投入,垂直水冷壁出口温度虽有波动,但偏差不大,垂直水冷壁出口处未再发生裂纹,验证了控制裂纹产生措施的有效性。

图4 锅炉垂直水冷壁出口处温度曲线图

表5 锅炉温差最大点的温度值

4 结论及建议

针对某电厂超临界运行锅炉垂直水冷壁出口处出现多处裂纹导致锅炉停运的问题,本文经过对裂纹位置及外貌特征、锅炉运行参数曲线进行的分析,得出如下结论及建议:

1) 锅炉垂直水冷壁出口处裂纹是由管间较大温差和管温快速变化产生的热应力引起的。

2) 锅炉垂直水冷壁管间较大温差一般出现在锅炉转干态后的低负荷工况下。

3) 锅炉给水流量的变化与垂直水冷壁管温的波动存在对应关系。

4) 建议该型锅炉尽量减少转干态后的长期低负荷运行,并加强垂直水冷壁出口处壁温的监视,出现较大偏差时及时调整。

5) 建议该型锅炉在运行中改进给水自动和给煤自动对水煤比的调整能力,防止负荷变化过程中的水煤比失调。

[1] 樊泉桂.新一代超临界锅炉的技术分析[J].锅炉技术,2005,36(4):13-15. FAN Quangui. Technical analysis of the new generation supercritical boiler [J]. Boiler Technolgoy, 2005,36(4):13-15.

[2] 王渡,孙海彦.1000 MW超超临界机组设计运行优化[J].电站系统工程,2014,30(2):28-30. WANG Du, SUN Haiyan. Optimization of 100 MW ultra supercritical unit operation [J]. Power Station Engineering, 2014,30(2):28-30.

[3] 高鹏里.超超临界锅炉水冷壁风险评估与管理探讨[J].浙江电力,2014(1):47-50. GAO Pengli. Discussion on water wall risk evaluation and management of ultra supercritical boiler [J]. Zhejiang Electric Power, 2014(1):47-50.

[4] BOWEN B D, FOURNIER M, GRACE J R. Heat transfer in membrane waterwalls[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1991, 34: 1043-1057.

[5] 刘旭东,盛伟,关多娇,等.600 MW超临界锅炉膜式水冷壁的热应力分析[J].锅炉技术,2010,41(6):11-17. LIU Xudong, SHENG Wei, GUAN Duojiao, et al. Analysis of the thermal stress of membrane waterwall of 600 MW supercritical boiler [J]. Boiler Technology, 2010,41(6):11-17.

[6] AHMAD J, PURBOLAKSONO J, BENG L C, et al. Failure investigation on rear water wall tube of boiler[J]. Engineering failure analysis, 2009, 16(7): 2325-2332.

(责任编辑 侯世春)

Reasons and countermeasures for vertical water wall crack of supercritical boiler

3. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

Aiming at the outage of the supercritical boiler caused by several cracks at the vertical water wall outlet in a power plant, this paper studied the location of cracks, reasons for the cracks and characteristics of the appearance according to the related operation parameter curves of boilers. The result shows that the cracks at the vertical water wall outlet are caused by the thermal stress due to the wide temperature difference among pipes and the rapid change of pipe temperature. The temperature difference among pipes becomes wide under the low load working condition after the boiler transferring to dry state, the change of boiler feed-water flow relating to the fluctuation of vertical water wall pipe temperature. Long term low-load operation of boiler transferring to dry state should be shortened, while wall temperature of vertical water wall pipe outlet should be monitored to regulate in time when wide deviation occurs. The regulation of automatic feed-water and feed-coal on coal-water ratio should be improved to prevent the imbalanced ratio during the change of load.

thermal stress; vertical water wall; temperature difference; supercritical boiler

2015-03-16。

李 宽(1984—),男,硕士,工程师。

TK223.3

A

2095-6843(2015)05-0456-04