鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測系統(tǒng)在電站鍋爐上的應用

引言

近年來,我國大容量高參數(shù)火力發(fā)電機組已經(jīng)快速發(fā)展成為電力行業(yè)的主力設備。機組容量愈大,參數(shù)愈高,則爐內(nèi)熱負荷愈高,爐內(nèi)水冷壁、屏式過熱器、高溫過熱器和再熱器等受熱面將在更復雜、更惡劣的環(huán)境下工作。特別是當鍋爐尺寸增大時,設計和運行中實際存在的爐內(nèi)熱負荷分布不均勻性和受熱面內(nèi)工質流量分配的不均勻性,給受熱面的安全運行帶來了潛在的、更加嚴重的威脅。過熱器和再熱器管壁壁溫偏差導致超溫爆管和高溫下管內(nèi)生成的氧化垢脫落阻塞導致爆管的問題開始突顯,直接影響著鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性。

本文提出應用鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測系統(tǒng),對電站鍋爐過熱器、再熱器等管壁溫度進行實時在線的有效監(jiān)測分析,及時發(fā)現(xiàn)問題,調(diào)整有關運行,切實保障鍋爐安全、經(jīng)濟運行。

1存在的問題

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、I型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結構。鍋爐自投運以來,實際燃煤和蒸汽參數(shù)均和設計值存在偏差。鍋爐在運行過程中過熱器曾發(fā)生過超溫爆管的情況,主要原因是管內(nèi)氧化皮的生成和脫落使工質流量減小。針對這種情況,為保證機組安全經(jīng)濟運行,需結合多年來在各種復雜多變環(huán)境條件下,高溫受熱面輻射、對流傳熱熱負荷分布特殊規(guī)律性問題進行深入的分析研究和統(tǒng)計歸納,在深刻認識高溫受熱面結構、流動和傳熱規(guī)律的基礎上,綜合集成創(chuàng)建熱偏差、流量偏差及高溫受熱面壁溫計算方法,通過實爐考察改造統(tǒng)計所得的實際管壁積灰厚度作為壁溫計算的重要依據(jù),使計算結果更符合實際。鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測系統(tǒng)通過采集公司實時運行監(jiān)測的數(shù)據(jù),經(jīng)過以在線爐內(nèi)汽溫、壁溫計算模塊和在線壽命損耗計算模塊為核心的計算,可以對鍋爐運行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性進行智能診斷,并根據(jù)診斷結果提供優(yōu)化運行策略。

2改進措施

2.1沿爐膛寬度上煙氣側偏差的調(diào)整

根據(jù)沿爐寬布置的出口壁溫(實際為出口蒸汽溫度）測點,過濾掉沿鍋爐寬度方向各屏蒸汽流量對爐外測點溫度的影響,實時定量給出沿爐膛寬度煙氣側熱負荷的吸熱偏差的幅度及分布,及時反饋的燃燒信息便于運行人員調(diào)整燃燒,特別是在變負荷、變煤種等非標準工況下。

2.2沿爐膛深度上煙氣側偏差的調(diào)整

燃燒器動量上的差異引起沿爐膛深度方向上的差異,這種差異過大對于水冷壁、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算出沿爐膛深度方向上煙氣的偏差指數(shù),為運行調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

2.3屏式過熱器的結渣指數(shù)情況分析

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

系統(tǒng)通過遍布于整個爐寬的爐外溫度測點及爐內(nèi)實時壁溫計算值,反推得到最大煙溫的偏差值,可以更加真實準確地表述爐膛出口煙溫偏差,為運行提供幫助。

2.5高溫管屏積灰程度分析

高溫管屏的吹灰是通過高壓蒸汽完成的,吹灰太頻繁既浪費蒸汽也易吹損管子。系統(tǒng)根據(jù)積灰對各受熱面吸熱的影響,及時準確地將各屏的積灰指數(shù)顯示出來,為現(xiàn)場運行人員優(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)計分析

通過實時顯示高溫管屏的超溫情況,對各管屏各管段的超溫情況進行記錄和統(tǒng)計分析,這樣就可以對各管段的超溫時間和超溫幅度有一個總體的掌握,便于在檢修時對各管屏進行檢修和處理。

2.7各高溫管屏剩余壽命統(tǒng)計分析

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

2.8異常溫度測點的靜態(tài)/動態(tài)篩查

溫度測點的正確與否對判斷管屏的超溫情況至關重要,異常測點需要及時處理。當測點明顯偏離預計數(shù)值時較易判斷,可通過靜態(tài)篩查進行解決:當某測點與其他測點的變化規(guī)律明顯不同時,該測點也有可能發(fā)生諸如安裝等方面的問題。系統(tǒng)可通過動態(tài)特性對測點進行篩查,對不符合負荷變化規(guī)律的測點進行篩除并提示篩除原因,方便了檢修人員進行檢查修理。

2.9預測管內(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,包括管壁溫度、蒸汽壓力、時間及材料等,通過試驗得到管內(nèi)氧化皮生成的在線數(shù)學模型,以現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)得到的管壁溫度、蒸汽壓力及材料結構對氧化皮的生成進行跟蹤計算,可全面掌握當時各管段管內(nèi)氧化皮生成厚度情況。

2.10預測管內(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構等因素都有關系。系統(tǒng)通過氧化皮脫落模型和計算得的氧化皮生成厚度,基于鍋爐的各運行參數(shù)可求出氧化皮脫落的部位和程度,以預測氧化皮的脫落。

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,當二者在溫度變化的非穩(wěn)態(tài)條件下會產(chǎn)生熱應力及其他附加應力,當該應力超過氧化皮的屈服應力時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,對其脫落的臨界應力進行計算,再反推產(chǎn)生該臨界應力時煙氣或蒸汽側的臨界溫度梯度,將該溫度梯度反饋給運行人員,以調(diào)整鍋爐的各參數(shù)變化。

3系統(tǒng)應用分析及效果

鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測系統(tǒng)基于WindoWs系統(tǒng),包括在線數(shù)據(jù)采集模塊、實時壁溫計算模塊、實時汽溫計算模塊、實時壽命計算模塊、實時煙溫偏差計算模塊。系統(tǒng)以在線爐內(nèi)壁溫計算模塊和在線壽命損耗計算模塊為核心,采用計算機在線動態(tài)實時顯示技術,從sIs系統(tǒng)讀取所需數(shù)據(jù),結果以動態(tài)顯示方式顯示爐內(nèi)每根管子沿長度各點的汽溫、壁溫、壽命損耗、高溫管屏的煙溫偏差以及沿煙道寬度的吸熱偏差等。

(1）提供管屏應力超溫和超氧化溫度兩種報警,能指導主、再汽溫提高參數(shù)運行。根據(jù)PSSS系統(tǒng)運行數(shù)據(jù),從氧化皮、超溫情況、運行寬度吸熱偏差、壽命損耗、出口各管金屬壁溫等幾個方面進行統(tǒng)計分析,與實際運行過程中的爐內(nèi)吸熱偏差曲線、超溫氧化的報警記錄情況、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行比較,都與實際相吻合,如圖1～4所示。

(2）對高溫過熱器、高溫再熱器進行整體換管,運行至同年11月底發(fā)現(xiàn)高過有較為嚴重的管內(nèi)氧化皮堵管現(xiàn)象,11月30號停爐進行割管檢查,發(fā)現(xiàn)某些管子堵塞較為嚴重。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)計情況進行對比,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(上部咖啡色點為割管檢查堵塞的管子所對應的屏號）與PSSS系統(tǒng)末過氧化皮厚度自動統(tǒng)計的分布規(guī)律基本一致。

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

對于超臨界機組來說,通常在中低負荷時,過、再熱器汽溫會相應偏低,而汽溫降低會極大地影響汽輪機效率,影響機組煤耗。報警值的優(yōu)化給予了運行人員更大的調(diào)整空間,提高了中低負荷機組效率。

(3）經(jīng)濟性分析:基于該系統(tǒng)進行設計優(yōu)化并指導運行調(diào)整,鍋爐主、再汽溫能維持569℃/54l℃長期安全運行,且壁溫仍保持一定裕量,避免了主、再汽溫降參數(shù)運行。按避免降溫運行,主蒸汽溫度平均提高3～5C,再熱汽溫平均提高8～10℃以及延長高溫管屏的使用壽命兩個方面計算,可降低供電煤耗1.25g/kWh,以年發(fā)電110億kWh計,節(jié)約標煤17400t,年節(jié)約燃料成本1200萬元。同時,通過對高溫管屏進行實時在線監(jiān)測,避免了因無法監(jiān)控而發(fā)生的過、再熱器超溫爆管。每減少一次非計劃停爐（以負荷率80%、發(fā)電利潤0.1元/kWh、停爐檢修5天計),可減少損失2000萬元以上。

4結語

目前,鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測系統(tǒng)與實際相結合在華電可門電廠600MW超臨界鍋爐上的開發(fā)應用,為完善鍋爐設計優(yōu)化,提高主、再汽溫安全運行裕量,實現(xiàn)受熱面狀態(tài)檢修提供了科學、準確的依據(jù):同時對指導鍋爐燃燒調(diào)整優(yōu)化運行,減小吸熱偏差,控制受熱面結渣,降低再熱蒸汽減溫水量等具有顯著作用:另外,其還為提高鍋爐運行管理專業(yè)化、標準化、自動化水平提供了指導依據(jù),為及時發(fā)現(xiàn)設備異常和隱患提供了便利,同時具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。公司后續(xù)將結合機組檢修,進一步對鍋爐高溫管屏安全性在線監(jiān)測系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化,提高機組運行的安全性和可靠性。