鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電站鍋爐上的應(yīng)用

引言

近年來(lái),我國(guó)大容量高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)快速發(fā)展成為電力行業(yè)的主力設(shè)備。機(jī)組容量愈大,參數(shù)愈高,則爐內(nèi)熱負(fù)荷愈高,爐內(nèi)水冷壁、屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器和再熱器等受熱面將在更復(fù)雜、更惡劣的環(huán)境下工作。特別是當(dāng)鍋爐尺寸增大時(shí),設(shè)計(jì)和運(yùn)行中實(shí)際存在的爐內(nèi)熱負(fù)荷分布不均勻性和受熱面內(nèi)工質(zhì)流量分配的不均勻性,給受熱面的安全運(yùn)行帶來(lái)了潛在的、更加嚴(yán)重的威脅。過(guò)熱器和再熱器管壁壁溫偏差導(dǎo)致超溫爆管和高溫下管內(nèi)生成的氧化垢脫落阻塞導(dǎo)致爆管的問(wèn)題開始突顯,直接影響著鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

本文提出應(yīng)用鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)電站鍋爐過(guò)熱器、再熱器等管壁溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的有效監(jiān)測(cè)分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,調(diào)整有關(guān)運(yùn)行,切實(shí)保障鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1存在的問(wèn)題

福建華電可門發(fā)電有限公司鍋爐是由上海鍋爐廠制造的sG-1913/25.4-M958型超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐,單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、I型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐自投運(yùn)以來(lái),實(shí)際燃煤和蒸汽參數(shù)均和設(shè)計(jì)值存在偏差。鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中過(guò)熱器曾發(fā)生過(guò)超溫爆管的情況,主要原因是管內(nèi)氧化皮的生成和脫落使工質(zhì)流量減小。針對(duì)這種情況,為保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,需結(jié)合多年來(lái)在各種復(fù)雜多變環(huán)境條件下,高溫受熱面輻射、對(duì)流傳熱熱負(fù)荷分布特殊規(guī)律性問(wèn)題進(jìn)行深入的分析研究和統(tǒng)計(jì)歸納,在深刻認(rèn)識(shí)高溫受熱面結(jié)構(gòu)、流動(dòng)和傳熱規(guī)律的基礎(chǔ)上,綜合集成創(chuàng)建熱偏差、流量偏差及高溫受熱面壁溫計(jì)算方法,通過(guò)實(shí)爐考察改造統(tǒng)計(jì)所得的實(shí)際管壁積灰厚度作為壁溫計(jì)算的重要依據(jù),使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集公司實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)以在線爐內(nèi)汽溫、壁溫計(jì)算模塊和在線壽命損耗計(jì)算模塊為核心的計(jì)算,可以對(duì)鍋爐運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行智能診斷,并根據(jù)診斷結(jié)果提供優(yōu)化運(yùn)行策略。

2改進(jìn)措施

2.1沿爐膛寬度上煙氣側(cè)偏差的調(diào)整

根據(jù)沿爐寬布置的出口壁溫(實(shí)際為出口蒸汽溫度）測(cè)點(diǎn),過(guò)濾掉沿鍋爐寬度方向各屏蒸汽流量對(duì)爐外測(cè)點(diǎn)溫度的影響,實(shí)時(shí)定量給出沿爐膛寬度煙氣側(cè)熱負(fù)荷的吸熱偏差的幅度及分布,及時(shí)反饋的燃燒信息便于運(yùn)行人員調(diào)整燃燒,特別是在變負(fù)荷、變煤種等非標(biāo)準(zhǔn)工況下。

2.2沿爐膛深度上煙氣側(cè)偏差的調(diào)整

燃燒器動(dòng)量上的差異引起沿爐膛深度方向上的差異,這種差異過(guò)大對(duì)于水冷壁、爐膛充滿度及爐膛出口受熱面都是不利的。系統(tǒng)從吸熱量的差異情況計(jì)算出沿爐膛深度方向上煙氣的偏差指數(shù),為運(yùn)行調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

2.3屏式過(guò)熱器的結(jié)渣指數(shù)情況分析

屏式過(guò)熱器的嚴(yán)重結(jié)渣對(duì)于鍋爐的安全運(yùn)行也是一個(gè)威脅,特別是燃料多變的情況下更易發(fā)生問(wèn)題。系統(tǒng)根據(jù)屏式過(guò)熱器及其煙氣下游受熱面以時(shí)間為軸線的吸熱變化情況可得一管結(jié)渣指數(shù),以反映該屏的結(jié)渣嚴(yán)重程度,當(dāng)該值過(guò)大時(shí)系統(tǒng)將報(bào)警提示運(yùn)行人員采取措施,以免結(jié)渣嚴(yán)重引起安全事故。2.4爐膛出口煙溫偏差的顯示及分析

系統(tǒng)通過(guò)遍布于整個(gè)爐寬的爐外溫度測(cè)點(diǎn)及爐內(nèi)實(shí)時(shí)壁溫計(jì)算值,反推得到最大煙溫的偏差值,可以更加真實(shí)準(zhǔn)確地表述爐膛出口煙溫偏差,為運(yùn)行提供幫助。

2.5高溫管屏積灰程度分析

高溫管屏的吹灰是通過(guò)高壓蒸汽完成的,吹灰太頻繁既浪費(fèi)蒸汽也易吹損管子。系統(tǒng)根據(jù)積灰對(duì)各受熱面吸熱的影響,及時(shí)準(zhǔn)確地將各屏的積灰指數(shù)顯示出來(lái),為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員優(yōu)化吹灰的操作提供了參考。

2.6各高溫管屏超溫程度統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)實(shí)時(shí)顯示高溫管屏的超溫情況,對(duì)各管屏各管段的超溫情況進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)分析,這樣就可以對(duì)各管段的超溫時(shí)間和超溫幅度有一個(gè)總體的掌握,便于在檢修時(shí)對(duì)各管屏進(jìn)行檢修和處理。

2.7各高溫管屏剩余壽命統(tǒng)計(jì)分析

基于高溫管屏各管段的金屬壁溫及蒸汽壓力等因素計(jì)算各管段的剩余壽命,隨著時(shí)間的積累,就可將剩余壽命少的管子統(tǒng)計(jì)分析出來(lái),使檢修更有針對(duì)性,同時(shí)對(duì)少部分接近失效的管段在正常停爐檢修時(shí)進(jìn)行更換,防患于未然,避免非計(jì)劃停機(jī)的隱患。

2.8異常溫度測(cè)點(diǎn)的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)篩查

溫度測(cè)點(diǎn)的正確與否對(duì)判斷管屏的超溫情況至關(guān)重要,異常測(cè)點(diǎn)需要及時(shí)處理。當(dāng)測(cè)點(diǎn)明顯偏離預(yù)計(jì)數(shù)值時(shí)較易判斷,可通過(guò)靜態(tài)篩查進(jìn)行解決:當(dāng)某測(cè)點(diǎn)與其他測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律明顯不同時(shí),該測(cè)點(diǎn)也有可能發(fā)生諸如安裝等方面的問(wèn)題。系統(tǒng)可通過(guò)動(dòng)態(tài)特性對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行篩查,對(duì)不符合負(fù)荷變化規(guī)律的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行篩除并提示篩除原因,方便了檢修人員進(jìn)行檢查修理。

2.9預(yù)測(cè)管內(nèi)氧化皮的生成厚度

管內(nèi)氧化皮的生成與很多因素有關(guān),包括管壁溫度、蒸汽壓力、時(shí)間及材料等,通過(guò)試驗(yàn)得到管內(nèi)氧化皮生成的在線數(shù)學(xué)模型,以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)得到的管壁溫度、蒸汽壓力及材料結(jié)構(gòu)對(duì)氧化皮的生成進(jìn)行跟蹤計(jì)算,可全面掌握當(dāng)時(shí)各管段管內(nèi)氧化皮生成厚度情況。

2.10預(yù)測(cè)管內(nèi)氧化皮的脫落概率

管內(nèi)氧化皮的脫落是超臨界鍋爐面臨的一大問(wèn)題,氧化皮的脫落與氧化皮生成厚度、煙氣溫度變化、蒸汽溫度變化及管子結(jié)構(gòu)等因素都有關(guān)系。系統(tǒng)通過(guò)氧化皮脫落模型和計(jì)算得的氧化皮生成厚度,基于鍋爐的各運(yùn)行參數(shù)可求出氧化皮脫落的部位和程度,以預(yù)測(cè)氧化皮的脫落。

2.11氧化皮脫落的臨界溫度梯度

氧化皮脫落是由于氧化皮與基材的線膨脹系數(shù)存在較大差異,當(dāng)二者在溫度變化的非穩(wěn)態(tài)條件下會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力及其他附加應(yīng)力,當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)氧化皮的屈服應(yīng)力時(shí)氧化皮就有可能脫落。系統(tǒng)可根據(jù)氧化皮已經(jīng)生成的厚度,對(duì)其脫落的臨界應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,再反推產(chǎn)生該臨界應(yīng)力時(shí)煙氣或蒸汽側(cè)的臨界溫度梯度,將該溫度梯度反饋給運(yùn)行人員,以調(diào)整鍋爐的各參數(shù)變化。

3系統(tǒng)應(yīng)用分析及效果

鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于WindoWs系統(tǒng),包括在線數(shù)據(jù)采集模塊、實(shí)時(shí)壁溫計(jì)算模塊、實(shí)時(shí)汽溫計(jì)算模塊、實(shí)時(shí)壽命計(jì)算模塊、實(shí)時(shí)煙溫偏差計(jì)算模塊。系統(tǒng)以在線爐內(nèi)壁溫計(jì)算模塊和在線壽命損耗計(jì)算模塊為核心,采用計(jì)算機(jī)在線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示技術(shù),從sIs系統(tǒng)讀取所需數(shù)據(jù),結(jié)果以動(dòng)態(tài)顯示方式顯示爐內(nèi)每根管子沿長(zhǎng)度各點(diǎn)的汽溫、壁溫、壽命損耗、高溫管屏的煙溫偏差以及沿?zé)煹缹挾鹊奈鼰崞畹取?

(1）提供管屏應(yīng)力超溫和超氧化溫度兩種報(bào)警,能指導(dǎo)主、再汽溫提高參數(shù)運(yùn)行。根據(jù)PSSS系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù),從氧化皮、超溫情況、運(yùn)行寬度吸熱偏差、壽命損耗、出口各管金屬壁溫等幾個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,與實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的爐內(nèi)吸熱偏差曲線、超溫氧化的報(bào)警記錄情況、壽命損耗及管內(nèi)氧化皮的生成情況及鍋爐停爐割管檢查的情況進(jìn)行比較,都與實(shí)際相吻合,如圖1～4所示。

(2）對(duì)高溫過(guò)熱器、高溫再熱器進(jìn)行整體換管,運(yùn)行至同年11月底發(fā)現(xiàn)高過(guò)有較為嚴(yán)重的管內(nèi)氧化皮堵管現(xiàn)象,11月30號(hào)停爐進(jìn)行割管檢查,發(fā)現(xiàn)某些管子堵塞較為嚴(yán)重。將割管檢查情況與PSSS系統(tǒng)的管內(nèi)氧化皮厚度分布統(tǒng)計(jì)情況進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。

從圖中我們可以看到,割管檢查的氧化皮堵塞分布情況(上部咖啡色點(diǎn)為割管檢查堵塞的管子所對(duì)應(yīng)的屏號(hào)）與PSSS系統(tǒng)末過(guò)氧化皮厚度自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的分布規(guī)律基本一致。

從近兩個(gè)月的壽命損耗分布統(tǒng)計(jì)、管內(nèi)氧化皮厚度分布統(tǒng)計(jì)、超溫時(shí)長(zhǎng)分布統(tǒng)計(jì)、停爐前后各時(shí)段高過(guò)的吸熱偏差系數(shù)圖可以看出,管內(nèi)氧化皮的生成具有明顯的規(guī)律性。

對(duì)于超臨界機(jī)組來(lái)說(shuō),通常在中低負(fù)荷時(shí),過(guò)、再熱器汽溫會(huì)相應(yīng)偏低,而汽溫降低會(huì)極大地影響汽輪機(jī)效率,影響機(jī)組煤耗。報(bào)警值的優(yōu)化給予了運(yùn)行人員更大的調(diào)整空間,提高了中低負(fù)荷機(jī)組效率。

(3）經(jīng)濟(jì)性分析:基于該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化并指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)整,鍋爐主、再汽溫能維持569℃/54l℃長(zhǎng)期安全運(yùn)行,且壁溫仍保持一定裕量,避免了主、再汽溫降參數(shù)運(yùn)行。按避免降溫運(yùn)行,主蒸汽溫度平均提高3～5C,再熱汽溫平均提高8～10℃以及延長(zhǎng)高溫管屏的使用壽命兩個(gè)方面計(jì)算,可降低供電煤耗1.25g/kWh,以年發(fā)電110億kWh計(jì),節(jié)約標(biāo)煤17400t,年節(jié)約燃料成本1200萬(wàn)元。同時(shí),通過(guò)對(duì)高溫管屏進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),避免了因無(wú)法監(jiān)控而發(fā)生的過(guò)、再熱器超溫爆管。每減少一次非計(jì)劃停爐（以負(fù)荷率80%、發(fā)電利潤(rùn)0.1元/kWh、停爐檢修5天計(jì)),可減少損失2000萬(wàn)元以上。

4結(jié)語(yǔ)

目前,鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與實(shí)際相結(jié)合在華電可門電廠600MW超臨界鍋爐上的開發(fā)應(yīng)用,為完善鍋爐設(shè)計(jì)優(yōu)化,提高主、再汽溫安全運(yùn)行裕量,實(shí)現(xiàn)受熱面狀態(tài)檢修提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù):同時(shí)對(duì)指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行,減小吸熱偏差,控制受熱面結(jié)渣,降低再熱蒸汽減溫水量等具有顯著作用:另外,其還為提高鍋爐運(yùn)行管理專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化水平提供了指導(dǎo)依據(jù),為及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常和隱患提供了便利,同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。公司后續(xù)將結(jié)合機(jī)組檢修,進(jìn)一步對(duì)鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化,提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。