超超臨界鍋爐水冷壁超溫原因分析及對策

摘要

本文分析了超超臨界鍋爐水冷壁超溫的現象， 確定了鍋爐執行過程中水冷壁頻繁超溫的原因，通 過調整執行方式和裝置改造等方法，有效的控制了 水冷壁超溫的發生，減少水冷壁超溫次數，提高機 組執行安全性和經濟性。

關鍵詞：超超臨界 水冷壁 超溫 監測 改造

1前言

近年來，為提高發電經濟性、降低能耗和緩解環境汙染的治理壓力，同時促進火電事業發展，國家對火電廠實施了相應的發展 和限制政策，新建了很多低能耗、熱效率高、排放指標達標的大型火電機組。隨著“上大 壓小”等政策的逐步實施，200MW 級以下 機組已逐漸關停，300MW 級多轉向供熱， 超臨界和超超臨界 600MW至1000MW級機組成為了電網生產的主力軍。2007年至2012 年期間，遼寧省投產的超臨界和超超臨界裝機容量近10000MW，這些機組的安全、穩 定執行是遼寧電網的安全執行的必要條件。水冷壁超溫歷來都是困擾（超）超臨界鍋 爐執行的重要安全問題。對於（超）超臨界鍋 爐，水冷壁既是蒸發受熱面也是過熱受熱面，其工作環境相對惡劣，與汽包鍋爐相比，水冷壁安全性較差，超溫、漏洩事故率較高。如果能有效控制（超）超臨界鍋爐水冷壁超溫 現象的產生，那就可以大幅降低機組的非停 次數，減少經濟損失，提高機組可用性和經濟性。

2（超）超臨界鍋爐水冷壁執行特點

在超臨界壓力下，水的相變現象不明顯，無明顯的飽和蒸汽區，決定了超臨界鍋 爐只能採用直流方式，工質在水冷壁中一次 流動完成加熱和過熱過程後，再進入過熱器 系統達到最終引數。近年投產的超超臨界機 組多為滑壓執行機組，隨機組出力變化，水冷壁內部工作壓力可經歷超臨界、亞臨界甚 至超高壓狀態，工作壓力跨度大，內部工質 引數變化幅度相對汽包鍋爐明顯擴大。機組投入 AGC 後，出力受聯絡線負荷自動控制，電網對 AGC 響應速率進行考核，

機組負荷波動速度和幅度均增大，影響水

壁內部傳熱工況、爐內燃燒工況，使水冷壁 金屬極易出現超溫現象。隨著機組投產時間增加，機組經歷的各 種技改專案增多，部分裝置磨損老化等因素出現，對機組執行特性存在影響，原有自

控制相關引數可能不適合當前裝置執行狀態，造成自動相關引數與系統不匹配使得

動跟蹤特性差、部分自動控制不能投入等現 象頻繁發生發生，影響超超臨界鍋爐安全。

3裝置概況

華能營口電廠 3 號機組為國產首臺 600MW 級超超臨界發電機組，於 2007 年正 式投入商業執行。3 號機組鍋爐為哈爾濱鍋 爐

廠引進日本三菱重工技術設計並製造的。爐膛上、下部均採

用垂直管膜式水冷壁管 屏，中間設有混合集箱和兩級分配器，下水 冷壁入口處佈置節流孔和兩級 U 型三通分

叉管，下部水冷壁為四頭 60°上升內螺紋垂 直管，尺寸為 φ28。6 mm×6。4 mm（最小壁 厚）。上部水冷壁採用光管，上、下水冷壁 管材質均為 15CrMoG。爐膛斷面尺寸為 17666mm×17628 mm，水冷壁管共有 1584 根，前、後牆和兩側牆均為 396 根，節距為 44。5 mm，膜片為寬 15。9 mm、厚 6 mm 的 15CrMo 扁鋼。機組投產後一直存在水冷壁區域性溫度 過高的現象，在基建期間安裝了大量爐外測 溫熱電偶，依靠測量水冷壁中間引出管溫度 來監視水冷壁金屬安全，如圖 1 所示。從測 點安裝位置可以判斷，由於測點安裝在引出 管進中間混合集箱前，沒有爐內輻射熱負 荷，該測點測量結果相當於管內介質溫度。

4執行情況

機組執行中頻繁出現超溫現象，主要分為兩方面主要問題。

4。1 溫度偏差較大

機組投產後一直存在下水冷壁溫度偏差過大的現象，以 600MW 穩定工況時前牆溫度為例，前牆溫度最大偏差達到88℃，與設計最大偏差 28℃相比高出 60℃，除後牆溫度最大偏差51℃外，兩側牆面水冷壁最大偏差也超過80℃。具體資料對比見表1所示，水冷壁溫度按管號分佈情況見圖2。

4。2 溫度波動大

從連續對水冷壁溫度採集檢測的結果可以看出，水冷壁溫度在部分時間內大幅、快速波動，溫度高點可以達到 540℃，溫度升高後快速下降。典型水冷壁溫度測點隨時 間變化趨勢見圖3 所示。超溫工況下水冷壁溫度變化速率較高， 可以達到 10~20℃/min 甚至更高；並且多數超溫過程中都伴隨高溫升速率。溫度見圖 4。a） 水冷壁溫度有30 多次超過480℃， 超過 500℃的次數為15 次，位置主要在前牆和左牆，部分工況超過 520℃，相鄰管屏最 大溫度偏差超過100℃；

b） 左牆超溫區域對應溫度測點為 40~100 點，右牆為 68~128 點，前牆為40~88 點，後牆為68~100 點；後牆區域超溫次數 與其餘3 面水冷壁相比略少；

c） 在 b 項所述區域水冷壁金屬溫度最高時，它們與相鄰管的溫度差也是較高的，說明該區域與其他位置相比對工況變化的敏感程度高；

根據計算，最高單次波動幅度超過 140℃。從水冷壁溫度和時間曲線可以看出，每面牆的溫度變化趨勢基本是一致的，只是 波幅不同，波幅較小的管子如 168 號之後各 管，波幅僅10℃左右；波幅大的管子如 48 至 88 號之間的部分，波幅在 40~50℃之間，特殊工況波幅甚至超過100℃，短時速率超20℃/min。

5水冷壁金屬溫度計算

採用《JB/Z 201-83 電站鍋爐水動力計算方法》中提及的水冷壁管壁溫度計算方法進行計算。管子正面內壁溫度 tn 計算按照公式（1） 計算；管子正面外壁溫度tw 按照公式（2）計算，tw 不應超過鋼材允許極限氧化速度下的溫度；用作強度計算的平均管壁溫度tb 按照公式（3）計算。

式中：t -壁溫計算點處管壁內介質溫度，℃；J n -管子正面內壁熱量均流係數；β -管子外徑與內徑的比值；α 2 -壁溫計算點管子內壁與介質間的 放熱係數，kcal/m2h℃ q-壁溫計算點處正面外壁輻射熱負 荷，kcal/m2h；J -管子正面沿厚度方向上的平均熱量 均流係數；δ -管壁厚度；λ - 管子部分的金屬導熱係數 ， kcal/mh℃；因為水冷壁管 40~100 號區域爐內熱負 荷最高，所以選取當中任意一根管作為計算物件，根據引出管溫度推算引出前水冷壁金 屬溫度。從計算結果來看，當介質溫度達到510℃時，水冷壁向火面垂直徑向位置金屬 平均溫度達到589。4℃，高出介質溫度約 80℃，已超過 15CrMoG 的 φ28。6mm×6。4mm 管材在該工作壓力下的 許用溫度，執行中存在超溫現象。

6具體措施

水冷壁頻繁出現超溫現象對機組安全 穩定執行十分不利，必須採取必要措施控制 超溫現象。透過對該機組進行摸底試驗，找 出機組執行中存在的問題，以及裝置在技術 引進過程中存在的非針對性設計等問題，確 定適合於機組的可行方案。

6。1 燃燒調整試驗透過燃燒調整試驗，均衡爐內熱負荷，減少出現區域性熱負荷過高的機率，從燃燒側降低水冷壁金屬的最大熱負荷強度。試驗結果顯示改變二次風配風、一次風母管壓力、最佳化燃盡風比例、調整執行氧量、最佳化磨煤機風煤比等手段可以在一定程度上緩解局 部水冷壁溫度過高和偏差大的問題。

6。2 節流孔尺寸與實際熱負荷特性匹配

對比圖5 所示的下水冷壁出口溫度與管號和對應節流孔尺寸與管號兩條曲線可以看出，水冷壁溫度最高的部分與節流孔尺寸最大的部分在水平位置上並不是對應的，說明執行工況與原設計存在一定偏差，透過水動力計算以實際熱負荷為準，重新核算節流孔尺寸，改變高溫區域水冷壁水動力特性，降低其出口溫度，進而縮小管屏之間溫度差距，提高機組執行安全性。改造後，介質溫度最高點基本控制在 440℃左右，相鄰管屏間溫差明顯降低。

6。3 增加水冷壁溫度監控手段

由於原有水冷壁溫度測點所測量的數 值基本為介質溫度，無法真實反映水冷壁金屬工作溫度，測量數值變化幅度遠小於金屬 實際溫度，執行中以這部分資料來判斷超溫 現象不夠直觀和準確，所以根據水冷壁超溫 位置以及鍋爐熱負荷分佈情況，在標高 36m~47。69m 的位置佈置長效水冷壁向火 面金屬壁溫測量裝置，共安裝 66 個測點，測點示意圖見圖 6。安裝新型長效水冷壁向 火面壁溫測點，真實測量爐內熱負荷變化時大比熱區水冷壁壁溫飛昇程度，不同執行方式下該壁溫飛昇幅度的差異，確定合理的執行方式，避免危機水冷壁安全的執行方式。透過該測點的安裝可以觀測出超臨界水冷 壁內蒸發段和過熱段的位置，合理調整過熱 度等引數，提高水冷壁安全性。測量裝置投 入使用 1 年，未發生損壞。

在節流孔尺寸改造後，超溫現象得到明顯緩解，從向火面溫度測量和原有測點測量 結果對比可以看出，改造後兩者偏差明顯變小，說明節流孔改造改變了水動力，管壁得 到了良好的冷卻效果。對比結果見表3。從表 3 所列資料可以看出，隨負荷升高，爐內 熱負荷升高，介質溫度升高，管壁金屬溫度 水冷壁管壁溫 ℃與介質溫度偏差值也呈現升高趨勢。

6。4 控制適合的燃燒工況和變工況速率

節流孔改造雖然有效地降低了水冷壁 相鄰管屏間的溫度偏差，但是透過對新裝向 火面金屬溫度測量裝置對向火面溫度進行 監視時發現，在特殊工況下向火面溫度變化 速率明顯過快，表4 中列舉了部分工況下向 火面金屬溫度變化情況。

從表 4 所列資料可以看出，在安裝的大量向火面壁溫測量裝置中，47。69m 標高的水 冷壁溫度變化速率最大，最高變化速率可達 約 190℃/10min，各面牆均發生過溫度變化 速率過大的情況，最高金屬溫度也曾超過 550℃。根據這部分測量結果可以看出，節流孔改造後，工況變化對水冷壁溫度的影響 仍然較大，但是現有相關資料無法斷定當前 的影響幅度是否滿足水冷壁金屬安全。機組 按照電網要求需要投入AGC 執行，負荷受 聯絡線控制。由於煤質變化幅度大、部分輔 機狀態較差、機組協調和風煤自動調節品質 差等方面影響，機組在高負荷變動速率時引數變化幅度較大，尤其是過熱度波動水冷壁溫度影響特別明顯，所以在負荷大幅、頻繁變動過程極易造成過熱度大幅、快速波動，使水冷壁溫度大幅波動，甚至出現水冷壁金 屬超溫，對水冷壁安全造成威脅，建議短時 間內將負荷速率控制在 9MW/min 以內。個人認為只能透過人為控制溫度變化 速率，透過時間檢驗金屬對該速率的承受能 力，如經時間驗證對金屬、管材損傷較小， 再進一步放開控制程度。

7結論

a） 透過綜合治理，機組執行1年多以來 未發生因超溫引起的爆管漏洩事故，狀況較往年明顯好轉，安全、穩定性大幅提升。

b） 節流孔改造可有效降低管屏之間溫度偏差，減少熱應力，防止擠壓和拉裂。

c） 在超超臨界鍋爐內螺紋管水冷壁上安裝向火面溫度測量裝置是切實可行的，測點壽命長，測量資料能夠準確、直觀反映水冷壁金屬溫度值和變化趨勢，能夠有效指導執行人員進行及時調整。