锅炉蒸汽侧超温爆管原因分析与防治措施综述

2018-01-25伍建洲

浙江电力 2018年6期

伍建洲

（广东粤电博贺煤电有限公司，广东　茂名　525000）

0　引言

现代大型锅炉的热负荷大、参数高，已使高温受热面的管壁温度接近钢材最高许用温度。已投运的600 MW超超临界机组水冷壁等受热面爆管现象频繁发生，已成为困扰超超临界燃煤发电机组安全的主要隐患。锅炉事故中最多的是“四管（即省煤器、水冷壁、过热器和再热器）爆漏”，由于过热器和再热器长期工作在高温烟气的严酷环境中，因此，常见锅炉爆管事故中过热器和再热器的超温爆管比例较大。并联管组存在的热偏差和流量偏差，会使偏差管的壁温超过管组的平均壁温，甚至超过最高许用温度；水冷壁管传热恶化（如膜态沸腾），会使放热系数急剧下降，管壁温度急剧增加，甚至造成管壁过热而烧坏。“四管”的超温爆管事故已成为降低锅炉利用率的主要因素之一。

随着锅炉不断朝着大容量、高参数方向发展，锅炉高温受热面因为超温所引起的问题主要有管内氧化皮快速生成造成脱落引起的爆管、超温爆管、降参数运行等，归根结底是由于炉内高温受热面金属壁温超温所造成。

以下就大型发电厂锅炉高温受热面蒸汽侧超温导致爆管事故的原因与防治措施进行了系统研究，为我国发电厂锅炉防止超温爆管事故，提供了重要的借鉴经验。

1　蒸汽侧超温爆管原因分析

导致高温受热面超温爆管的根本原因在于蒸汽侧的流量偏差，造成流量偏差的原因一般有以下几种情况：

（1）由于集箱效应导致屏间流量分配不均。

（2）由于管子排列结构差异而引起的管间流量不均。

（3）由于热效应引起的流量分配不均。

（4）高温受热面的结构设计问题、调温装置系统的设计问题以及异物堵塞等。

1.1　爆管事故案例

华能某发电厂600 MW机组锅炉侧包墙发生了爆管事故[1]，对爆管事故进行分析发现，造成超温爆管的主要原因是由于受热面结构设计有缺陷，联箱静压分布不均，导致了部分侧包覆墙管子质量流速过低，流量不足，使该部分的受热面无法得到足够的冷却介质。为此提出了4种改造方案：完善连通管系、饱和蒸汽直入包覆前侧墙入口联箱、改变侧包覆墙管规格、增加节流圈。通过技术经济性比较，认为采用增加节流圈的措施为最佳，并根据计算确定了改造的具体实施方案。改造后的运行情况表明，相同负荷下，对比侧包墙低温过热器壁温分布，侧包墙改造后各负荷下壁温分布趋于合理，受热面管子最高壁温点比改造前大幅度降低，受热面改造达到了预期目的。

河北国华某发电厂4号锅炉水冷壁连续发生2次漏泄事故，2次爆管情况相同，爆管标高相同[2]。结合宏观爆口和电镜分析，推断出爆管部位的管壁温度曾超过700℃，在该温度下材料的强度急剧下降，最终导致短时超温爆管。进一步分析认为，2次水冷壁爆管主要原因均为管子水流不畅通，造成冷却条件恶化，在短期内被加热到较高的温度，金属强度下降，在内部介质压力的作用下，炉管以较大的变形速度使管径胀大，管壁减薄，当管壁强度不能承受介质压力的作用时，管子开裂。

某发电厂1 900 t/h超临界压力锅炉发生一次螺旋水冷壁管泄漏事故[3],通过水冷壁管爆管部位宏观分析、割管取样检测、回路通气、联箱接口和管路变径部位内窥镜检查以及回路分段通球等多项技术手段进行了检查,最终查明泄漏原因为螺旋水冷壁管为避让燃烧器喷口弯头部位，造成内部卡塞,回路内部通流面积减小，导致管子局部长期过热所致。文献[4]介绍了多种由异物堵塞引起的“四管泄漏”事故，按异物形成阶段不同，将堵塞异物分为基建、检修和自身产生异物。文献[5]同样介绍了某火电厂660 MW机组锅炉由于异物长期粘结在管内壁，使得管子内部流通介质不足，造成管子长期超温运行，导致组织老化，蠕变胀粗，最终爆管泄露。文献[6]介绍了某发电厂末级再热器爆管事故，通过初步现场分析、金相试验分析和力学性能分析发现，判断为异物堵塞管子造成管内介质流通不畅，最终导致管壁温度升高爆管。珠海发电厂2×700 MW机组锅炉高温对流受热面多次发生管壁超温甚至爆管问题[7]，从煤种、烟道烟气温度分布以及蒸汽侧流量分布3个方面进行的分析表明，超温爆管主要由蒸汽侧的流量分布偏差引起，烟气侧的温度分布偏差则为次要原因。

1.2　爆管原因的系统分析

1.2.1高温受热面结构设计不合理

（1）管组的进/出口集箱的引入、引出方式布置不当，使蒸汽在集箱中流动时静压变化过大，从而造成较大的流量偏差。

（2）过热器或再热器的前后级之间没有布置中间混合联箱而直接连接，或者未进行左右交叉，这样使得前后级的偏差相互叠加，导致末级受热面产生过大热偏差。

（3）因同屏（片）并联各管的结构（如管长、内径、弯头数）差异，引起各管的阻力系数相差较大，造成较大的同屏（片）流量偏差、结构偏差和热偏差等。

1.2.2调温装置系统设计不合理

（1）某些锅炉在喷水减温系统设计中，往往通过1只喷水调节阀来调节一级喷水的总量，将喷水平均分配到左右2个回路。这时，当左右侧的燃烧工况或汽温有较大偏差时，无法调整左右侧喷水量来平衡两侧的气温。

（2）喷水式减温器一般设计喷水量约为锅炉额定蒸发量的3%～5%，当汽温偏离设计值较严重时，发现喷水减温器容量不够。

以上原因均可能造成高温受热面（过、再热器）的超温爆管事故。

1.2.3异物堵塞

（1）制造或安装时，管道和联箱组装焊接对口前未彻底清理内部遗留物。施工过程中未采取好防异物措施，造成焊渣、钢管、焊条头等杂物遗留在汽水管道及联箱内，导致部分管道口或节流孔堵塞，致使蒸汽流量不足，从而造成锅炉受热面管过热爆管[4]。

（2）机组检修时，防异物措施如通球、封堵、检查清理等执行不到位，异物进入管道内，不能及时发现和清除，致使运行中发生堵塞爆管。

（3）汽水管道内结构件固定不牢或损坏。如减温器设计制造存在质量隐患，焊接强度不足，在运行过程中，由于联箱内蒸汽冲击，扁钢垫板固焊点强度下降，导致扁钢垫板脱落堵塞在管中，进而造成高温过热器爆管。

1.2.4运行状况不佳引起的超温爆管

（1）当锅炉运行状况不佳，导致各管子吸收管外烟气热量存在较大偏差时，导致管内流量发生偏差，从而使蒸汽流量较小的管子内蒸汽超温。

（2）高压加热器（简称高加）投入率低，容易导致锅炉给水温度降低。计算及运行经验表明，给水温度每降低1℃，过热蒸汽温度上升0.4～0.5℃。因此，高加停运时，省煤器入口的给水温度降低，在保证主蒸汽流量不变的情况下，需要增加入炉煤量，锅炉烟气量增大，造成锅炉对流和辐射吸热量发生变化，从而造成主蒸汽温度升高[8]。

（3）锅炉负荷发生较大变化时，锅炉主汽压力发生变化，蒸发段及过热段的热量分配发生变化，容易引起主汽温度发生较大波动，甚至发生主蒸汽温度严重超温现象。

（4）当运行状况不佳引起水冷壁传热恶化时，将导致管内壁对工质的传热系数急剧减小，进而造成壁温飙升导致管壁超温甚至爆管。

1.2.5加工制造工艺缺陷

（1）当受热面存在管材质量缺陷或加工制造工艺缺陷时，管子容易因工作在高温高压环境下而发生超温爆管事故。例如高温受热面管内工质温度和压力均较高，对于焊口质量的要求非常严格。当焊接质量不佳时，容易引起焊接处的蒸汽部分或全部短路，造成管子内部蒸汽流量减少，管子冷却不佳，进而导致超温爆管。

（2）当管材的许用温度或应力不足时，即使管壁温度正常、管内压力正常，也可能发生爆管事故。

2　防止爆管的措施

2.1　保证高温受热面结构设计的合理性

（1）合理布置管组的进/出口集箱的引入与引出方式，如进行管组间的交叉布置等。

（2）同一种受热面若分为多级受热面时，根据需要布置中间集箱，以减小热偏差。

（3）设计时，考虑同屏各管间不同管径、不同管长等因素带来的不同阻力系数，通过增设节流圈等方法来保证各管间相同的工质流量，并保证不同区域管子的流量分配与所处位置的烟气放热量相匹配，从而减少工质的热偏差。

2.2　合理设计调温装置系统

（1）当同一受热面左右两侧蒸汽温度偏差较大时，对喷水减温系统的设计要求是：保证可以任意调节同一受热面左右两侧的减温水量，达到降低蒸汽温度同时，也能调节同一受热面两侧蒸汽温度使其相同。

（2）保证喷水减温器具有足够的容量，即使蒸汽温度偏离设计温度很多时，喷水减温系统也能将蒸汽温度降低到正常范围内，防止蒸汽超温。

2.3　防止异物堵塞

（1）在汽水系统安装、检修时，应做好防止异物进入的措施和清理措施。集箱内部100%进行清理检查，除去设备的毛刺等异物，防止制造和安装残留物堵塞管道。此外，利用机组停运机会，用内窥镜或其他方法对联箱内部及节流孔部位进行检查，发现异物及时进行清理。

（2）检修中做好防异物控制措施。受热面割管后及时封堵，坡口制作时，防止铁屑进入管道内部；新管更换前进行内部清洁度检查和通球试验，怀疑管内有异物时，用内窥镜或其他方法进行检查并彻底清理。

（3）加强汽水管道内构件检查，重点检查减温器、流量测量装置、温度测量装置内部构件的完整性。

（4）管屏弯头处容易发生异物堵塞，因此，设计时需适当加大弯头的直径，防止异物堵塞。

2.4　优化锅炉运行

（1）调整运行方式，优化烟气侧流场，减少烟气侧的热力不均匀性。

（2）优化运行，保证高加的投入率，防止由于高加解列造成的主蒸汽超温现象。

（3）当锅炉需要变负荷运行时，在保证机组负荷变化调度要求的同时，尽量保证较小蒸汽温度变化，以防主蒸汽发生短时超温现象。

2.5　保证加工制造工艺的质量

随着材料科学技术的发展以及加工制造技术的发展，高温受热面的材质质量能按照设计要求供货，并且高温受热面的加工制造工艺也能满足设计要求。因此，目前因受热面管材质量缺陷及加工制造工艺缺陷造成的超温爆管事故较少。但是，在制造厂制造加工和发电厂检修时仍须注意严格检查管材的质量，严把加工制造关，避免此类原因造成的超温爆管事故。

2.6　对管内蒸汽温度进行在线监测

通过实时测量或管内蒸汽温度在线计算方法，来实时掌握高温受热面各管子内部蒸汽温度，方便运行人员对锅炉运行状态进行优化调整，在保证机组安全性的同时提高机组运行的经济性。例如，对高温再热器各管子内的蒸汽温度进行在线监测，当有部分管子的蒸汽温度发生超温过大时，需首先通过烟气侧的再热汽温调节方法（如调整燃烧器角度、尾部烟气挡板、烟气再循环等）进行再热汽温的调整；当烟气侧调温作用有限时，则在必要时需将再热器事故喷水减温器阀门打开（会降低机组的经济性），将再热汽温控制在合理范围内。