高溫再熱器管壁超溫原因分析

   某熱電公司3、4號鍋爐自投產(chǎn)以來，其主要性能參數(shù)均能達(dá)到設(shè)計要求，運(yùn)行情況良好，但高溫再熱器出口管組的管壁溫度一直存在著超溫現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。為此，針對3、4號鍋爐高溫再熱器現(xiàn)場檢查情況，進(jìn)行了試驗研究，分析了造成管壁超溫的原因，提出了初步的解決措施。
1　設(shè)備概況
    該公司總裝機(jī)容量1200MW，其中3、4號鍋爐為北京巴威公司生產(chǎn)制造的B&WB-1025/18.3-M型鍋爐。鍋爐為露天布置，平衡通風(fēng)，中間再熱，亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐，設(shè)計使用煤種為山西陽泉無煙煤，采用鋼球磨中間儲倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，W型火焰燃燒方式，前后墻各布置8個B&W公司標(biāo)準(zhǔn)的EI-XCL型旋流燃燒器。
    鍋爐爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成，爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛折焰角上方布置二級過熱器，在水平煙道二級過熱器后部布置水平再熱器，尾部豎井煙道由中隔墻分成前后兩個煙道，前部布置水平再熱器，后部為一級過熱器和省煤器，在分煙道底部設(shè)置了煙氣調(diào)節(jié)擋板裝置，用來分流煙氣量，以保持控制負(fù)荷范圍內(nèi)的再熱蒸汽出口溫度。煙氣通過調(diào)節(jié)擋板后又匯集在一起，經(jīng)兩個尾部煙道引入左右各一的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。
再熱器來汽和回汽布置形式為雙進(jìn)雙出方式，再熱器流程為：從高壓缸排出的蒸汽經(jīng)由兩根φ558.8×16.66的蒸汽管道引入再熱器進(jìn)口集箱，先通過布置在尾部豎井前部的4個水平管組，然后經(jīng)過渡管組進(jìn)入垂直管組，最后匯集到再熱器出口集箱，由兩端引出。緊急噴水減溫器布置在鍋爐兩側(cè)的再熱蒸汽入口管道內(nèi)。再熱器水平管組3管圈并繞，沿爐寬布置186片，過渡管組6管圈并經(jīng)沿爐寬93片，與垂直管組相對應(yīng)。出口垂直管組有四種材質(zhì)分別為12Cr1MoV、SA-213T22、SA-213T91、SA-213TP304H。
2　現(xiàn)場設(shè)備狀況
    該公司為有效實(shí)時監(jiān)測鍋爐受熱面管壁溫度，將壁溫實(shí)時監(jiān)測傳輸?shù)焦綧IS網(wǎng)，從而發(fā)現(xiàn)3、4號爐高溫再熱器出口管壁超溫頻繁，持續(xù)時間長，且幅度較大，沿爐膛寬度方向，兩側(cè)管排與中間管排壁溫差值在100--150℃之間,超溫管子主要集中于鍋爐中部。在3、4號爐停機(jī)時對受熱面進(jìn)行現(xiàn)場詳細(xì)檢查：
  （1）3號鍋爐高溫再熱器出口管排第38、39、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56排第1根氧化皮較明顯。在3號鍋爐大修期間，對氧化皮較重的管子（材質(zhì)為SA-213T22）送國電熱工研究院進(jìn)行實(shí)驗室分析，向火面強(qiáng)度參數(shù)為445-450Mpa, 背火面強(qiáng)度參數(shù)為495-500Mpa,強(qiáng)度參數(shù)正常值為510Mpa，強(qiáng)度明顯下降；材料韌性也明顯下降。
  （2） 4號鍋爐高溫再熱器出口管排第20--68排第一根管均出現(xiàn)氧化皮和變色現(xiàn)象，對第50、51排第1根進(jìn)行了割管取樣（材質(zhì)均為SA-213T22），送省電科院進(jìn)行檢驗，結(jié)果如下：機(jī)械性能結(jié)果：第50、51排第1根管向火面σS（屈服強(qiáng)度）均低于ASTMA213-85的下限，第50排第1根管向火面σb（抗拉強(qiáng)度）已接近下限，第51排第1根管向火面σb已低于下限，背火面σS已接近下限。標(biāo)準(zhǔn)見下表：
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值σS標(biāo)準(zhǔn)值σb備注
ASTMA213-85≥205≥415SA-213T22
3　管壁超溫原因分析
    引起高溫再熱器超溫的原因較復(fù)雜，它與鍋爐的燃燒調(diào)整、再熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置、管材的選用和運(yùn)行操作等因素有關(guān)。
3.1　鍋爐燃燒調(diào)整對管壁溫度的影響
    該公司為了揭示再熱器管壁超溫現(xiàn)象，獲得超溫原因，在2003年3號鍋爐大修時，委托國電熱工研究院做了再熱器壁溫試驗，通過安裝于爐內(nèi)、爐外壁溫測點(diǎn)分析鍋爐在啟動過程中及不同運(yùn)行工況下再熱器壁溫狀況。
  （1）管壁超溫與燃燒器投運(yùn)方式有關(guān)。試驗中，對不同的工況投運(yùn)不同的燃燒器，再熱器管壁溫度的變化相差很大。啟動過程中，當(dāng)投運(yùn)燃燒器過分集中，燃料增加太快時，爐內(nèi)中部再熱器管壁溫度上升明顯，可達(dá)680℃。機(jī)組負(fù)荷低于260MW時，若投運(yùn)燃燒器集中于中部，爐內(nèi)中部再熱器管壁溫可達(dá)到600-660℃；若減少中部燃燒器投運(yùn)數(shù)量，增加兩側(cè)的燃燒器數(shù)量，再熱器管壁溫度可下降約40℃，緩解再熱器超溫。但在機(jī)組負(fù)荷較高時，由于16只燃燒器全投，沒有有效的調(diào)節(jié)手段來調(diào)節(jié)再熱器壁溫，發(fā)生管壁超溫。
  （2）對比測點(diǎn)位置，安裝測點(diǎn)的爐外再熱器壁溫比爐內(nèi)壁溫低38-78℃。爐外壁溫尚屬正常時，爐內(nèi)再熱器管外壁溫已經(jīng)達(dá)到甚至超過T22材料壁溫上限。實(shí)際運(yùn)行中，由于壁溫測點(diǎn)安裝在爐外，運(yùn)行調(diào)整以爐外的壁溫測點(diǎn)為依據(jù)進(jìn)行調(diào)整。
3.2　再熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置對壁溫的影響
    W型燃燒火焰鍋爐沿爐膛寬度熱負(fù)荷分布不均勻，中間熱負(fù)荷高于兩側(cè)，再熱器結(jié)構(gòu)布置上為雙進(jìn)雙出的H型布置，設(shè)計上講是合理的，但與爐膛熱負(fù)荷分布相對應(yīng)時，卻加劇了爐膛熱負(fù)荷分布的不均勻性：兩側(cè)管排蒸汽流速快，換熱快，中間管排蒸汽流速慢，換熱慢，與爐兩側(cè)煙溫低，中間煙溫高相互作用，使?fàn)t膛中部煙溫更高。再熱器管排設(shè)計上沿介質(zhì)流動方向無中間聯(lián)箱使蒸汽混合或交叉，會使低溫段再熱器和高溫段再熱器各自的熱偏差形成疊加，加劇了管排間熱偏差。再熱器管排設(shè)計上沿爐膛寬度方向未考慮熱負(fù)荷偏差和流量偏差。
3.3　再熱器管材選用不合適
管材SA213-T22的推薦使用溫度≤590℃。北京巴威公司設(shè)計計算高溫再熱器最高壁溫為599℃，在運(yùn)行中實(shí)測表明：爐外465～585℃，爐內(nèi)(試驗裝測點(diǎn))560～612℃。在鍋爐啟動時，再熱器無冷卻汽源，壁溫(爐外)往往高于600℃，甚至達(dá)620℃以上，高溫再熱器采用SA213-T22是不合適的。
3.4　其它
    由于目前電煤市場緊張，燃燒的煤質(zhì)達(dá)不到設(shè)計煤種，煤質(zhì)較差，灰分增加，也導(dǎo)致再熱器壁溫明顯增加。
4　防止超溫的措施
    從上述分析可看出，鍋爐燃燒調(diào)整只能緩解再熱器管壁超溫，不能徹底解決。要解決管壁超溫問題，重在考慮改善再熱器管內(nèi)蒸汽流量分配、提高管材等級等方案。
4.1　改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小熱偏差
    在低溫再熱器和高溫再熱器之間增設(shè)混合聯(lián)箱，進(jìn)行左右交叉，并在中間管排管口上增加節(jié)流孔。按照理論分析，采取該項措施后，可大大減小管屏間的熱偏差，從而減小管子的壁溫偏差，降低中間管排壁溫。
4.2　提高管材等級
    再熱器運(yùn)行壓力低，在未改善管內(nèi)蒸汽流量分配的前提下，用抗氧化溫度更高的材料來代換T22材料是必要的。首選的材料是SA231—T91，它的抗氧化溫度上限為650℃，主要用于電站鍋爐過熱器、再熱器管。其主要特點(diǎn)是高溫持久性能、蠕變性能優(yōu)異，沖擊韌性好，用于金屬壁溫≤625℃的高溫過熱器和金屬壁溫≤650℃的高溫再熱器管排及超臨界鍋爐高溫集箱和主蒸汽管道；具有良好的冷加工性能和傳熱性能。高一檔材料是SA213—TP304H，它的抗氧化溫度上限為704℃，但其成本更高。就現(xiàn)階段來看，提高管材等級，采用抗氧化溫度更高的材料，是防止高溫再熱器超溫的最直接而有效的措施。陽光公司已對3、4號爐氧化嚴(yán)重的部分管子更換為SA213—TP304H管材，目前運(yùn)行良好。
綜上所述，引起高溫再熱器管壁超溫的原因諸多，還需要從再熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、管材的選用、運(yùn)行操作調(diào)整等多方面綜合考慮，方能徹底解決再熱器管壁超溫，保障鍋爐的安全可靠運(yùn)行。