運(yùn)行因素造成的過熱器爆管原因案例分析

案例一:由于控制不當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況引起的爆管

   一、概述

    某發(fā)電廠裝有2臺(tái)俄羅斯制造的5ooMW超臨界機(jī)組。該機(jī)組由波道爾斯克鍋爐廠(IIK3)生產(chǎn)的IIII -1650 -25 -545bT CII一78)型鍋爐和列寧格勒重型機(jī)器廠(JIM3) 生產(chǎn)的K一500一240型汽輪發(fā)電機(jī)組配套組成。

    IIK3的500MW超臨界直流鍋爐原設(shè)計(jì)燃用煙煤，II - 78型是以我國褐煤為設(shè)計(jì)煤種的燃褐煤鍋爐(單爐膛，T形布置)，采用風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)，八角切圓燃燒方式。首臺(tái)鍋爐自1998年8月試運(yùn)以來，一級屏式過熱器多次發(fā)生超溫爆管事故，爆管部位多發(fā)生在右側(cè)煙道一級屏式過熱器距頂棚3~5m標(biāo)高處，負(fù)荷在350MW以上。此外，進(jìn)爐膛檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，一級屏式過熱器的管屏和同屏中的一些管子變形嚴(yán)重。

圖3 -72給出了爐膛出口水平煙道和尾部對流豎井中受熱面的布置情況。由圖3 -72可見，一級屏式過熱器位于水平煙道中費(fèi)斯頓-I和三級屏式過熱器之間。

從水冷壁上輻射區(qū)來的蒸汽，依次流經(jīng)一級對流過熱器、主蒸汽一級減溫器、一級屏式過熱器、二級屏式過熱器、主蒸汽二級減溫器、三級屏式過熱器和二級對流過熱器進(jìn)入鍋爐主蒸汽管道。一級屏式過熱器為垂直單回路順流布置，在左右兩側(cè)煙道各有30屏，每屏由14根U形管組成，管徑為32mm ,壁厚為6mm，節(jié)距為576mm/38mm，管材為12Cr1MoV。表3-34給出了一級屏式過熱器的主要熱力特性。

二、爆管事故屬性

從爆管外貌特性來看，破口呈喇叭口張開形，邊緣減薄顯著，管子除破口處以外沒有脹粗，斷裂口為塑性，屬“短期過熱”特性。

在接近破口邊緣、背火處分別取樣進(jìn)行顯微組織分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除破口邊緣顯微組織為不完全重結(jié)晶形態(tài)外，其余均為12Cr1MoV鋼鐵素體加珠光體組織形態(tài)，而且在破口邊緣還清楚地顯現(xiàn)出破裂前劇烈塑變的組織纖維被拉伸伸長，方向與破口幾乎垂直，即與主應(yīng)力大體平行的走向，故顯微組織也具有“短期過熱”形態(tài)。

為了驗(yàn)證管壁超溫現(xiàn)象，在一級屏式過熱器爆管位置上安裝了6點(diǎn)爐內(nèi)壁溫測點(diǎn)。壁溫是將鎧裝熱點(diǎn)偶用一小壓塊壓在管壁上測量的，盡管存在一定的誤差，但仍可明顯反映出壁溫隨負(fù)荷增高而增高的趨勢(如圖3 - 73所示)，而且在70%負(fù)荷以上，壁溫超過了管材的極限使用溫度。

三、事故原因

由于爆管事故發(fā)生在機(jī)組投運(yùn)初期，因而自然首先想到管內(nèi)是否有雜物堵塞和運(yùn)行控制不當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況的問題。通過對7個(gè)管屏割管檢查表明，管內(nèi)無雜質(zhì)，可以排除堵塞造成管壁超溫這一因素。從一級屏式過熱器的設(shè)計(jì)特性來看，在額定負(fù)荷下入口煙溫為950℃，由于入口工質(zhì)溫度(448℃)較低，質(zhì)量流速[1400kg/(m2.s)〕比較高，所以采用12Cr1MoV管材應(yīng)該是安全的。但是由于運(yùn)行控制不當(dāng)，爐膛煙溫分布偏離了設(shè)計(jì)工況。表3 - 35給出了鍋爐汽水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參考和設(shè)計(jì)參數(shù)的對比情況。

由表3-35可知，水冷壁出口內(nèi)置閥前的工質(zhì)溫度，運(yùn)行值明顯低于設(shè)計(jì)值，說明水冷壁的吸熱量偏小，而過熱器的吸熱量偏大，造成這種現(xiàn)象的主要原因是燃燒中心偏高，引起高比熱區(qū)相變點(diǎn)向過熱區(qū)域推移。此外，水冷壁下輻射區(qū)出口工質(zhì)溫度運(yùn)行也低于設(shè)計(jì)值，該點(diǎn)溫度是煤水比控制點(diǎn)，該點(diǎn)溫度偏低說明給水流量偏大，是造成相變點(diǎn)后移的主要原因。

圖3-74給出了超臨界壓力相變點(diǎn)的變動(dòng)情況。從設(shè)計(jì)參數(shù)來看，在7000^-10000負(fù)荷范圍內(nèi)，爐膛水冷壁的運(yùn)行壓力為26~30MPa、由圖3-74可知，與此相對應(yīng)的相變點(diǎn)溫度為390~410℃，亦即水冷壁上輻射區(qū)已處于過熱段。從1998年9月7日的運(yùn)行記錄來看，一級屏式過熱器在70%負(fù)荷下的工質(zhì)入口溫度僅為394℃，即相變點(diǎn)進(jìn)入到一級屏式過熱器，致使一級對流過熱器和一級屏式過熱器。”進(jìn)水“，這是造成一級屏式過熱器超溫爆管事故的直接原因。從一級屏式過熱器管屏和同屏中一些管子的嚴(yán)重變形也可以證實(shí)這一點(diǎn)。此外，由于蒸發(fā)受熱面吸熱量少，過熱器進(jìn)口溫度偏低，致使出口汽溫達(dá)不到設(shè)計(jì)值。

由于是“水塞”造成的爆管，所以有些爆管發(fā)生在一級屏式過熱器的進(jìn)口段，這里工質(zhì)溫度雖然較低，但入口煙溫高。與國產(chǎn)大容量煤粉鍋爐過熱器、再熱器爆管通常發(fā)生在下彎頭處不同的是，一級屏式過熱器的爆管均發(fā)生在距頂棚3~3. 5m標(biāo)高處。這主要與水平煙道入口折焰角的設(shè)計(jì)有關(guān)，國產(chǎn)鍋爐的傾角一般為30°，本爐為45°，所以爐膛上升氣流轉(zhuǎn)入水平煙道后偏向上部，即水平煙道中上部熱負(fù)荷比下部高。

此外，爆管事故均發(fā)生在右側(cè)煙道的一級屏式過熱器上，而且右側(cè)一級屏式過熱器爆管比左側(cè)嚴(yán)重得多，說明T形布置兩側(cè)煙道的熱負(fù)荷分布也是不均勻的，右側(cè)煙道灰斗中的灰量明顯大于左側(cè)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

    綜上所述，II -78型鍋爐一級屏式過熱器超溫爆管事故主要是由于控制不當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況引起的。在機(jī)組投運(yùn)初期，燃燒系統(tǒng)尚未經(jīng)過認(rèn)真調(diào)整，飛灰的粒徑較粗，含碳量高，煤粉的細(xì)度不夠，燃燒不良造成火炬拉長燃燒中心抬高。此外，設(shè)計(jì)采用風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)磨與一臺(tái)四層煤粉赫燒器相配，各層之間的粉量的分配不盡均勻也是爆管的原因之一。