300MW锅炉高温过热器超温爆管问题的试验研究

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300MW锅炉高温过热器超温爆管问题的试验研究

发电设备(2003No.5)300MW

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锅炉高温过热器超温爆管问题的试验研究研究与分析

施鸿飞1,　赵发明2,　徐新华2,　徐献忠2,　张富祥1,　李立人1

(1.上海发电设备成套设计研究所,上海200240;2.江苏常熟发电有限公司,江苏常熟215536)　　摘　要:对高温过热器出口段加装壁温测量在线检测系统和烟气温度的测点,确定锅炉在启动、220MW、300MW及运行工况改变时过热器出口管壁温度的变化情况,通过试验和分析计算,找出过热器超温爆管的原因,提出解决问题的办法。

　　关键词:锅炉;高温过热器;超温爆管;壁温;寿命评估

　　中图分类号:TK223.32　　　文献标识码:A　　　文章编号:16712086X(2003)0520006205

ExperimentalStudyontheOverheat2BurstingProblemof

a300MWBoiler’sHighTemperatureSuperheater

SHIHong2fei1,　ZHAOFa2ming2,　XUXin2hua2,

XUXian2zhong2,　ZHANGFu2xiang1,　LILi2ren1

(1.ShanghaiPowerEquipmentResearchInstitute,Shanghai200240,China;

2.JiangsuChangshouPowerCo.Ltd.,Changshou215536,China)

Abstract:Anextratemperaturesupervisorysystemwasinstalledatthehightemperaturesuperheater’soutletandanumberofgastemperaturemeasuringlocationswerefixedaswell.Then,afterhavingtakendownthesuper2heateroutletwall’stemperaturevariationsduringstart2up,at220MW,300MWandunderoperatingconditions,thecauseofoverheat2explosionwasrevealedbyadditionalanalyticalcalculation.Thepaperpresentssuggestionsforsolvingtheproblem.

Keywords:boiler;hightemperaturesuperheater;overheatburstingofpipes;walltemperature;lifeassessment0　前言

某公司4台300MW锅炉为1025t/h亚临界

压力UP型直流锅炉,单炉膛露天布置,一次上

升,三次中间混合,四角切圆,煤粉燃烧,固态排

渣,平衡通风。锅炉采用直吹式制粉系统,配用5

台MPS2190型中速磨煤机。锅炉自投运以来,高

温过热器爆管现象时有发生,尤其是出口段内圈

管,严重影响锅炉的安全正常运行,造成锅炉机组

经济性下降。

本试验通过在高温过热器出口段安装一系列

收稿日期:2003203218壁温和烟温测点,利用高温过热器出口段汽温在线检测系统进行了多个工况下汽温和烟温测量,获得各工况下高温过热器出口段沿烟道宽度方向同屏各管子间的汽温分布规律,并通过计算确定各状态时炉内危险点的管壁温度,对过热器壁温进行动态检测及预警。试验结果对同类型锅炉相似问题的处理具有一定的参考价值。1　结构和测点布置1.1　结构高温过热器位于炉膛出口折焰角的上方,沿

作者简介:施鸿飞(1963-),男,上海发电设备成套设计研究所高级工程师,主要从事锅炉技术开发及试验研究等工作。?6?

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炉膛宽度方向共布置30屏,每屏由10根U型管子组成。从后屏过热器引出的过热蒸汽经二级喷水减温器后通过大直径管子交叉进入高温过热器进口集箱,该管道上安装有蒸汽温度测点。高温过热器工作压力16.9MPa,出口工质温度540°C。详见图1

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。

热器的进出口集箱、管屏出口段内外圈管子装设壁温测点,另外在出口集箱三通对应的管屏处,从左至右分别为6,8,10,21,23,25共6个管屏的出口段每根管子均装设壁温测点,合计110个测点。烟温测量在高温过热器出口两侧水平烟道内,利用铠装热电偶在三层观察孔内进行网格法实时测量。

2　试验结果与分析

2.1　负荷变化对内圈管汽温的影响试验2.1.1　启动至220MW负荷

该工况的测量结果见图2,过热器出现超温的次数较多,且左侧比右侧严重。当负荷达到220MW时,出口汽温比较平稳,超温现象明显减轻,过热器左右侧的汽温偏差不大。分析其原因,主要是在启动阶段,运行方式不正常,磨煤机频繁切换,高压加热器时投时停所致。此时内圈管中的最高汽温达563°C。2.1.2　300MW负荷工况

300MW负荷时的测量结果见图3。该工况

时高温过热器出口的汽温较前一工况时平稳,温度的波动范围和超温情况好于启动至220MW工况,但管屏内汽温大于540°C的时段有所增加。其最高汽温达562°C。且多数情况下右侧汽温高

图1

1.2　测点布置

根据对锅炉高温过热器的结构特点和实际超

温爆管情况的分析,U型管圈的出口段管壁温度较高,且爆管多发生在出口段的内侧,故在高温过

于左侧。主要是锅炉热负荷的提高及炉膛出口烟气残余旋转的影响所致。2.2　同屏各管汽温变化试验

试验按启动至220MW和300MW两种工况进行。图4和图5分别是第10管屏各管子在

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这

图2　启动至220MW内圈管汽温变化情况

?7?

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图3　300MW

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内圈管汽温变化情况

图4　启动至220MW

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同屏各管出口汽温分布情况图5　300MW同屏各管出口汽温分布情况

两种工况下的温度变化情况。结果表明,无论是负荷变化还是稳定状态,锅炉高温过热器出口段10根管子的蒸汽温度偏差很大。表现为外圈的第10根管子的温度最高,中间管子的温度正常,到内圈的几根管子温度又开始提高,内圈管尤为明显。对于外圈管内可能出现的超温,设计时已有考虑,材料为SA213T91;对于出口段内圈管,因节距S2较大,除对流传热外,辐射传热亦较强,即使没有热偏差,其管壁温度要比中间的管子?8?高,选用12Cr1MoV材料,设计欠妥。2.3　烟气温度偏差对过热蒸汽温度的影响过热器出口的烟气温度场很不均匀,左右侧烟温偏差较大,最大值为164°C,平均烟温左侧比右侧高58°C。说明在过热器出口烟气的残余旋转尚未完全消除,当运行工况改变或炉内燃烧组织不良时,会加大左右侧管子的壁温偏差,易导致偏差管的超温爆管。

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3　壁温计算

及烟温的分布规律,结合该炉实际情况,对部分管

子在不同负荷下危险点的壁温进行了计算。结果

通过试验获得的锅炉高温过热器出口的汽温见表1。

表1　管壁温计算结果汇总表

进口汽温

/°C485

负荷

/MW220

屏号

温度

/°C

155759655139558601565435485945504653758656649

254357554231547581557355325695413752656455840

354257454134549582559345325695414052856655938

454457654233550583559355355725424052956656040

同屏管号

554657754331553585561335385755433653356956237

654557754334554586562335375745433953457056339

754857954533556587565365395765454053757356737

855058154836561592571345425795484153957457240

955658655455565595580555475835546354557958260

1057961156332589620594315716105673956960559636

出口汽温

A点壁温B点壁温

附加壁温

480

出口汽温

A点壁温B点壁温

附加壁温

300

494

出口汽温

A点壁温B点壁温

附加壁温

494

出口汽温

A点壁温B点壁温

附加壁温

　　计算结果表明:高温过热器出口段内圈管壁温附加值300MW时为50°C左右,220MW时为

40°C左右《水管锅炉受压元件强度计算》,标准推荐的壁温附加值为50°C。试验结果与标准推荐附加壁温值基本相同。如果将炉内管子实际壁温加上附加壁温后,则过热器出口段大部分内圈管的壁温都超过了580°C,超出12Cr1MoV材料允许使用范围,从而降低管子使用寿命。

/°C560580600

表2　高温过热器内圈出口管段应力

工作温度持久强度许用应用无减薄管子8年壁厚减薄后管子

/MPa(105h)

987859

/MPa6550/

应力/MPa减薄/mm

41.3

0.720.961.28

应力/MPa

44.946.348.2

数据显示:当管壁工作温度<580°C时,在设计工作压力下,12Cr1MoV管能够满足10万h的设计寿命,只是安全裕度较小,但是,当管壁工作温度>580°C时,材料持久强度下降,氧化减薄速度加快,在设计工作压力下,12Cr1MoV管将无法满足10万h的设计寿命。

4　寿命评估

为分析高温过热器内圈管超温对运行寿命的影响,对高温过热器内圈出口管工作应力进行了计算,计算公式为:

σ=2t

　　式中p为工作压力MPa;D为管子中径mm;t为管子壁厚mm;对于出口段内圈管,管材为12Cr1MoV,管子尺寸为<54×10mm,工作压力为16.9MPa,管子工作应力见表2。　　应力计算结果考虑了10%的管壁负偏差。

5　结论

(1)高温过热器内圈管出口段因结构原因,

所受的对流、辐射传热较强,其管壁工作温度偏高。超温是由于设计结构造成高温过热器管间热偏差所致,为减少爆管频率,应提高材料的档次,

试验结果可以为设计提供参考。

?9?

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　　(2)锅炉正常运行时,汽温变化平稳。在变负荷阶段、磨煤机切换及炉内燃烧工况不良时,超温现象明显,尤其是内圈管。建议用户加装壁温测量在线检测装置,以指导运行。

(3)炉膛出口处烟气的残余旋转使左右侧的烟温存在较大偏差,不确定的左旋或右旋烟气导致内圈管超温爆管表现为一定的随机性。

(4)现场进行管子氧化皮普查及割管检查,其结果与试验结果一致,表明本试验方法与结果

具有一定的代表性,可以为其它同类型锅炉相似问题的解决提供有益的参考。参考文献:

[1]　容銮恩,袁镇福.电站锅炉原理[M].北京:中国电力出版

社,1997.

[2]　王孟浩,杨淙煊.屏式过热器同屏热偏差的成因和计算方

法.动力工程,1986,(6):18226.

[3]　锅炉机组热力计算标准方法[M].北京:机械工业出版社,

1976.

行业信息

东方电机制造的三峡转轮和发电机线棒通过业主验收

　　2003年6月,东方电机股份有限公司制造的

三峡水轮发电机的心脏———水轮机转轮和发电机定子线棒各项技术指标达到合同要求,通过了三峡总公司、VGS联合体(VOITH、GE、SEIMENS公司)和法国BV/EDF国际检验局的联合验收。标志着中国巨型混流式水轮发电机组制造水平达到了世界一流。

三峡工程集防洪、发电、航运等于一体,效益巨大。三峡电站装机26台,单机容量700MW,总装机容量达18200MW,是目前世界上最大的水电站。三峡水轮发电机组是当今世界上最大的混流式水轮发电机组。

东方电机制造的三峡水轮机转轮由上冠、下环和13片叶片组焊而成。叶片每片毛坯重28t,加工后净重18.5t,转轮装焊重量为434t,直径10m,高度5.4m,是当今世界上重量最重,尺寸最大的混流式转轮。制造三峡机组难度最大的是转轮,涉及到叶片数控加工、转轮组装焊接等难关。为保证三峡转轮的加工质量,东方电机采用国际水平的“大型水轮机转轮叶片五坐标联动数控加工工艺技术”在国内最大的数控加工设备上加工三峡转轮叶片。经光电经纬仪测量,叶片加

工精度和加工效率达到国际先进水平。

要在52条截面尺寸随空间曲面变化的坡口中熔敷14t不锈钢焊丝,既要保证转轮各种尺寸的精度,又要保证焊缝无缺陷,焊接技术难度甚高。东方电机开发了新型的焊接材料和优良的焊接工艺,确保了所有焊缝金属的综合性能达到了VGS联合体的要求。

三峡定子绕组额定电压为20kV,定子线棒单面主绝缘厚度为4.6mm,主绝缘的工作场强约为2.51kV/mm,这是VGS联合体的设计要求。

根据三峡水轮发电机组第三次设计联络会的要求,东方电机必须送三峡定子试验线棒给VGS联合体进行绝缘结构性能评估试验,以验证采用模压绝缘工艺生产的多胶绝缘体系定子线棒的绝缘性能是否能够满足三峡机组绝缘性能的要求。

东方电机高度重视三峡定子试验线棒的研制工作,拟定周密的试验生产和研制计划,保证了送VGS联合体评定的试验线棒通过试验评定,取得了三峡机组定子线棒的制造资格。随即东方电机马上投入了三峡真机定子线棒的生产并取得成功。

(余小波)

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