1、全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉177500MW 超临界直流炉水冷壁超温爆管研究治理孙宝华 王树怀 （神华国华盘山发电公司 天津 蓟县 301900） 【摘 要】天津国华盘山发电有限责任公司（以下简称盘电公司）#2 锅炉自投产以来，在运行中发生过多次“四管”泄漏，尤其是在 2000 年以后出现水冷壁大面积爆管，严重影响了机组的安全稳定运行，给盘电公司带来了巨大的经济损失。2003 年以后盘电公司着手进行#2 炉水冷壁爆管的问题查找，从运行方式上进行大量的试验与调整，解决了水冷壁超温过热爆管的现象，水冷壁泄漏次数明显减少，为机组的安全稳定运行奠定了基础。本文通过对锅炉
2、下辐射区的水动力工况计算肯定了运行调整方面对防止超温爆管所做的工作，从而规范锅炉运行方式的管理。【关键词】锅炉 水冷壁 爆管 研究1 锅炉设备及运行情况简介天津国华盘山发电有限责任公司安装两台由前苏联成套引进的 500MW 超临界燃煤发电机组，锅炉为俄罗斯波道尔斯克奥尔忠尼启泽机器制造厂制造的 165025545（76 型）超临界压力、直流、一次中间再热、平衡通风的固态排渣煤粉炉。表一 锅炉主要设计参数参数名称 单位 100%额定负荷锅炉最大连续蒸发量 t/h 1650一次蒸汽出口压力 MPa 25一次蒸汽出口温度 545给水温度 275二次蒸汽流量 t/h 1380二次蒸汽出口压力 MPa
3、4二次蒸汽出口温度 545二次蒸汽进口温度 295锅炉热效率 % 91.96锅炉燃料耗量 t/h 208排烟温度 134热风温度 320锅炉设计为室内布置，单炉膛全悬吊结构，左右两侧各有一对流竖井，炉本体呈“T”型结构。炉膛断面呈矩形 2308013864mm，四壁由 326、12Cr1MnV 的膜式水冷壁构成。锅炉一、二次汽水流程以炉膛前、后墙中心线为界分为左、右两个对称的独立流程，每个流程的给水和汽温调节都是独立的。炉膛受热面为垂直往复一次上升布置，标高 44.7m 以上为上辐射区，以下为下辐射区。全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉178下辐射区前后墙分别有 6
4、个组件，两侧墙各有 10 个组件。前后墙相邻的 3 个组件与侧墙的半个组件组成下辐射，侧墙每 4 个组件加上相邻半个组件构成下辐射。上辐射区前后墙各有 6 个组件，组成上辐射，两侧墙各有 10 个组件，组成上辐射。每个组件由 48 根水冷壁组成，半组则为24 根。一次汽水流程由省煤器、下辐射、下辐射、上辐射、上辐射、汽-汽交换器、顶棚和包墙受热面、内置阀门、级屏式过热器和高温过热器组成。在锅炉两个流程中，给水进入省煤器前各设有一旁路，即 21%旁路，可控制相当 021%主汽流量的给水不经省煤器、下辐射区加热而与下辐射出口“热水”混合后进入下辐射区。制造厂设计流量为不论何种负荷，旁路的流量均为
5、21%，两级喷水减温流量为 6%，而经下辐射区的流量为 73%。每台炉设有 8 套制粉系统，每台 ZGM-95G 型中速辊式磨煤机各自带 4 只旋流燃烧器，燃烧器共32 只，分四层布置，每层共 8 只，分列于左、右侧墙形成对冲燃烧方式。图 1 锅炉总体布置图1、#2 炉分别于 1995 年 12 月 31 日、1996 年 5 月 15 日由华北电力科学研究院进行调试通过168 小时试运行移交电厂，于 1999 年开始试烧神华煤，从 2000 年 3 月开始全部燃用。1999 年 12月为防止冷灰斗斜坡被掉焦砸伤引起水冷壁管因流水不畅而过热爆管，在#2 炉左侧斜坡试装了防磨瓦。从 1999 年
6、 8 月至 2001 年 10 月，经过 19190 小时低于 60%负荷运行之后，发现前后墙大量水冷壁超温爆管，被迫将前墙从左第 1 根到 144 根标高 2139 米区段全部更换，将后墙 73 根到 288根同样标高全部更换。在此之后，又经过 7000 小时大于 80%负荷率运行之后，于 2002 年 12 月中旬在后墙发生少量爆管。为了查明原因委托东北电科院于 2003 年初大修开始进行内窥镜查堵、冷态流量测量、加装壁温测点、燃烧调整以及大量试验分析，从 2003 年初至今，#2 炉从壁温测量以及割管取样均未发现超温过热现象。本文试图从下辐射区的壁温工况来探讨爆管原因以及有效的对策。全国
7、火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉1792 计算分析2.1 锅炉水冷壁壁温计算俄方提供的锅炉是 70 年代末发展起来的，是比较成熟的炉型。从设计数据看下辐射区、管壁温度分别为 461和 515，选取管子材质为 12Cr1MoV，其十万小时许用温度 580，是比较保守的，相比之下，下辐射区的裕度比下辐射区小得多。为了验证俄方提供的 100%负荷下的壁温是否是最高壁温，同时也为了掌握负荷与壁温关系，应用电站锅炉水动力计算方法（JB/2201-83）进行了不同负荷下，下辐射区壁温计算。公式如下：公式 1.1.1 管子正面内壁温度 tn（正面即为向火面）qnnJtt 2 公式 1
8、.1.2 管子正面外壁温度 tw 12w2 qJnJtt公式 1.1.3 用作强度计算的平均管壁温度 tbttnb上述列式中：t-壁温计算点内介质温度q-计算点正面外壁辐射热负荷 Kcal/m2hJn-管子正面内壁热量均流系数-管子正面沿厚度方向上的平均热量均流系数-管子的外径与内径的比值 2-壁温计算点管子内壁与介质的放热系数 Kcal/m2h-管壁厚度 m-管子的金属导热系数 Kcal/mh根据公式及有关的表格线算图以及制造厂提供的 30%到 100%负荷的有关数据进行计算，另外，根据电站锅炉水动力计算方法 （JB/2201-83）推荐的燃烟煤的最大热负荷 350Kcal/m2h 作最高壁
9、温计算，计算结果见表二：表二 不同负荷下下辐射区壁温计算综合表名称 单位 100% 70% 60% 30% 100%负荷 t/h 1650 1150 988 485 1650平均辐射热负荷 103Kcal/m2h 120.7 97.97 86.13 41.85计算壁温用热负荷 103Kcal/m2h 230.2 186.9 164.3 79.82 350工质出口温度 398 390 386 381 398全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉180工质重量流速 kg/m2s 1584.5 1104.6 949 475.4 1589.5工质对管壁放热系数 Kcal/m2h
10、16500 12450 11100 6450 16500内壁温度 418.5 411.6 407.3 398.2 429.2外壁温度 475.2 457 447 417 516.9平均温度 447 434 427 403 473计算表明：1）前苏联计算比我国电站锅炉水动力计算方法 （JB/2201-83）更为保守，就 100%负荷而言相差 14（461-447） ，即使按最大热负荷计算 473的壁温比起许用温度 580仍有 107的裕度。2）壁温最高值在 100%负荷，随着负荷下降重量流速、介质放热系数下降，但是辐射热负荷以及内外壁温差下降更快，所以壁温下降，从表面看，负荷越低，安全裕度越大。
11、3）由内外壁温差很大如 100%负荷时高达 56.7，壁厚每毫米温降达到 9.5，因此壁温测点打孔必须精确。4）由于介质温度与平均壁温差有 50，与外壁温差达到 7080，因此在吹灰中影响传热的渣层被吹落时测点的温升 5080是正常传热变化。5）从 60%到 100%负荷变化，平均壁温仅变 20，因此在燃烧结渣比较强的神华煤时，装在热负荷较区域的壁温测点反映不出壁温与负荷的关系。通过两台炉共计 96 个装在热负荷最高区域 32 米测点的测量结果，证实（4） 、 （5）结论是正确的。2.2 水动力校验在水动力正常条件下锅炉水冷壁的安全裕度最大，因此校验不正常条件十分重要。通常此工作设计阶段已完成
12、，并在运行条件上有所反映，锅炉已经发生多次超温爆管，补做计算很有必要。2.2.1 停滞校验从壁温计算看，负荷越低下辐射区受热面越安全。但是，由于热负荷不均匀，造成个别管子内介质停滞或几乎停滞，因此必须进行停滞校验。下辐射区属于垂直上升的受热面，在不考虑联箱中压降时，可以认为上下两联箱之间并联的48 根管子得到同样的压降P，管子的压降包括流动压降与重位压降，于是对于偏差管压降可以表达为： HGKP2对于其它管子可以用平均值来表示： pjpj2j 上述两式中： 、 偏差管与平均管的阻力系数 j、 偏差管与平均管的流量 kg/sGpj全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉181
13、、 偏差管与平均管的比容 m3/kgpj、 偏差管与平均管的联箱高度差 mHj、 偏差管与平均管的重度 kgf/m3 pj在总压降相等时： pjHGKGK pj2j2 式中 、 、 、 因为结构相同可以用 H 代替 、 ，用 K 表示 Hpjj pj pj21)d(gfL式中 、 局部阻力系数和沿程阻力系数 、 分别为管子截面积 m2和重力加速度 9.8m/sfg当停滞发生时， =0，G于是 pjHKH pj2jpjjp上式意义为，当停滞发生时，偏差管内平均重度为平均管内平均重度与平均管的流动压降除以联箱高度差产生的附加重度之和。在不同负荷下，有不同的介质入口温度 ，当 1 时，停滞就不会发生
14、；当 1 / /时就可能停滞，而且比值越小，越容易停滞。因为，一定负荷下，管子受热最弱情况下就是温升等于 0，产生最大的重位压降为 H ，如果停滞重位压降 停滞必然消失。 H根据表盘记录进行五种工况计算，给水流量看来比较小的原因是锅炉设计流量分配造成的，其中旁路流量 21%，两级减温水流量 6%，下辐射区流量约为 73%，计算结果如表三：表三名称 符号 单位 100% 90% 70% 60% 50%负荷 N MW 500.32 456.89 352.26 304.76 255.76给水流量 G t/h 1168 1094 695 598 491入口温度 t 334.1 326.8 330.9
15、334.6 332.3出口温度 t 388.9 384 388.6 388.7 387全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉182入口水压 p kgf/cm2 290.7 280.5 263.9 261.7 255.9入口重度 kgf/m3 680.7 694.8 690 646.7 689出口重度 kgf/m3 436.2 449.5 263 263.5 238.8平均重度 pjkgf/m3 558.5 572.1 476.5 455.1 463.9联箱高度 H m 39.1 39.1 39.1 39.1 39.1总阻力系数 K 52.95 52.95 52.95 52
16、.95 52.95平均流速 wpj m/s 2.63 2.52 1.92 1.73 1.39流动压降 p d kgf/m2 10446 9783 4741 3675 2429附加重度 kgf/m3 267.2 250.2 121.2 94 62.1偏差管重度 kgf/m3 825.67 822.3 597.7 549.1 526偏差管重度比入口重度 / pj1.21 1.18 0.866 0.849 0.763在负荷 450MW 及以上时， 1，停滞决不可能发生，也就是说，此时无论结渣多么严重， /管子的流动正常，即使流量有大有小，但有 580-461的裕量可以充分利用。在 350MW 时，此
17、时蒸汽流量为 695/0.73=952t/h，停滞就可能发生了。这就是制造厂规程规定最低连续负荷为 60%额定负荷即 988t/h 的原因了。随着负荷降低， 的比值也随之下降，停滞 /过热的可能性增加，由此可见，在大负荷发生爆管最大可能是堵塞，低负荷时可能由于结渣产生吸热量小的管子流速缓慢甚至停滞而长期过热爆管。2.2.2 多值性校验多值性校验是指管子中的流量在一定条件下（一般负荷变化） ，从一种稳定的流量变到另一种稳定的流量，从而造成很大的流量偏差，危及安全运行，多值性产生的原因是管子的水动力特性（压差流量特性）呈多值曲线，即在一个压差下有几个流量，通常表现的形式为压差与流量的三次方关系。首
18、先从实践的角度看，近四年时间，从未发生在某种负荷下，前后墙的共 96 个测点温度有突然大幅度升高（流量减少） 、有大幅度下降（流量增加）的现象。从计算综合表 4 结果看，随着给水流量增加，重位压降也随之逐渐增加，而流动压降以平方关系增加，形成一个流量与总压降一一对应关系，单调上升。从理论上看上下联箱间流量与压降呈二次曲线，即 HKPG2式中 ， 不变， 是随负荷增加，基本呈上升趋势，流动压差占总压降比例在 30%左 右，这可能是不产生停滞的临界区。负荷越高，流动压差越大，提供的附加重度也越大，停滞的可能越小或者没有。表四全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉183名称 符
19、号 单位 100% 90% 70% 60% 50%负荷 N MW 500.32 456.89 352.26 304.76 255.76给水流量 G t/h 1168 1094 695 598 491流动压降 pd kgf/m2 10446 9783 4741 3675 2429重位压降 pZ kgf/m2 21837 22639 18631 17794 18138总压降 p kgf/m2 32283 32152 23372 21468 20567流动压降与总压降比 % 32.4 30.4 20.3 17.1 11.82.2.3 关于倒流校验电站锅炉水动力计算方法 （JB/2201-83）明确规
20、定，对于向上流动的直流炉不必进行倒流校验。2.3 对于下辐射区的安全评价与下辐射区相比，相同的材质、壁厚，相同的质量流速，虽然计算壁温达 515，但是对于两台炉十一、二年运行中从未发生过热爆管，其原因还需要从水动力着手，水动力中主要问题是停滞校验，从综合表五可以看出，停滞负荷已经降到 250MW，其安全性与下辐射区在 350MW 工况相当，相应的蒸汽流量为 764t/h（718/(0.21+0.73)）,为额定负荷的 46%，因此，除非结渣十分严重并且不均匀，否则管内工质流动不成问题。表五 下辐射区停滞校核计算名称 单位 70% 60% 50%负荷 MW 352.26 304.76 255.7
21、6给水流量 t/h 1010 849 718入口温度 373 374.5 371.6出口温度 402.7 408 407.2入口水压 kgf/cm2 261.5 259.5 254.2入口重度 kgf/m3 520.7 495.2 521.1出口重度 kgf/m3 170.5 147.6 145.9联箱高度 m 39.55 39.55 39.55总阻力系数 56.82 56.82 56.82平均流速 m/s 2.99 2.7 2.2流动压降 kgf/m2 8963 6810 3635附加重度 kgf/m3 226.6 172.2 118.7偏差管重度 kgf/m3 572.2 493.6 45
22、2.2偏差管重度比入口重度 1.1 0.997 0.8682.4 防止下辐射区循环停滞的方法产生停滞有两个原因，一、为低负荷时流动阻力提供附加重度小，二、受热不均匀容易使个别管子太冷、太重，从而停滞。那么，采取的措施为：全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉184（1）关闭 21%旁路。关闭 21%旁路就使全部给水进入下辐射区，使流量占主汽流量份额的0.73 增加 0.21 达到 0.94，在平均重度、入口重度不变的条件下，流动压降以 关系）（ 0.94/732增加， 其结果是抗停滞的能力提高到 300MW，而 250MW 时抗停滞能力与全开 21%旁路时 350MW 相
23、当，可以基本避免由于停滞引起的过热爆管，如表六。表六 下辐射区21%旁路全关时停滞校核概算名称 单位 70% 60% 50%负荷 MW 352.26 304.76 255.76关后流量比开始流量 1010/695 849/598 718/491流动压降 kgf/m2 10012.5 7407 5194附加重度 kgf/m3 256 189 132.8偏差管重度 kgf/m3 732.6 644.5 596.7入口重度 kgf/m3 690 646.7 689偏差管重度比入口重度 1.06 0.9976 0.866关闭 21%旁路可能引起下辐射区和下辐射区之间温差变化造成压力破坏，但是这个温差值
24、很大，基本超不过规程规定的 40，俄方于 2003 年 7 月 9 日书面签发为 100%负荷可以到 70，低负荷可到 60，切除高加不大于 90。我国的电站锅炉水动力计算方法 （JB/2201-83）规定为 50，总之温差不是问题。关闭 21%旁路是简单易行的抗停滞的方法，另外优点是省煤器水量增加，吸热量增加，可以使排烟温度降低 23。（2）在燃烧神华煤的条件下，从以往的一周 3 次水吹灰改为每天 12 次，使水冷壁结渣始终处于可控的状态，做到了不影响参数控制、不影响除灰运行，也是十分有效的方法。理论上讲，只要吸热均匀就不存在停滞问题。对于盘电#2 炉而言及时拆除冷灰斗斜坡的防磨瓦消除了结渣
25、的根基，也是十分重要的控制措施，至于掉焦能否影响流量、从而引起过热，从实践上看两台炉从未发生过；从理论上讲，管子阻力系数高达 58.62，小坑、小弯、焊缝内凸引起的阻力都是微不足道的。3 结论（1）俄方规定的最低负荷为 60%即 988t/h，考虑了下辐射区的停滞问题。（2）低负荷和结渣，可能是 2001 年 10 月和 11 月两次锅炉发生管子长期超温爆管的原因。（3）高负荷条件下，下辐射区非常安全，除非发生管子堵塞，否则不会发生超温爆管。（4）关闭 21%旁路是简单易行的抗停滞措施，同时在排烟损失的降低上也是十分有利的。（5）现有的吹灰方式有利于水冷壁安全运行。参考文献：1电站锅炉水动力计算方法 （JB/2201-83）2直流锅炉 西安交通大学全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉185作者简介：孙宝华（1968.7.3 - ） ，男，大学毕业，工程师，生产技术部节能主管，现主要从事从事发电厂运行、节能管理工作。联系电话：02282705135；通讯地址：天津蓟县国华盘山发电有限责任公司生产技术部；电子邮件地址：sbh_。王树怀，发电运行部经理，从事运行管理和锅炉技术研究工作
