锅炉高温管屏安全性在线监测系统在电站锅炉上的应用

引言

近年来,我国大容量高参数火力发电机组已经快速发展成为电力行业的主力设备。机组容量愈大,参数愈高,则炉内热负荷愈高,炉内水冷壁、屏式过热器、高温过热器和再热器等受热面将在更复杂、更恶劣的环境下工作。特别是当锅炉尺寸增大时,设计和运行中实际存在的炉内热负荷分布不均匀性和受热面内工质流量分配的不均匀性,给受热面的安全运行带来了潜在的、更加严重的威胁。过热器和再热器管壁壁温偏差导致超温爆管和高温下管内生成的氧化垢脱落阻塞导致爆管的问题开始突显,直接影响着锅炉运行的安全性和经济性。

本文提出应用锅炉高温管屏安全性在线监测系统,对电站锅炉过热器、再热器等管壁温度进行实时在线的有效监测分析,及时发现问题,调整有关运行,切实保障锅炉安全、经济运行。

1存在的问题

福建华电可门发电有限公司锅炉是由上海锅炉厂制造的sG-1913/25.4-M958型超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉,单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、I型露天布置、固态排渣、全钢架悬吊结构。锅炉自投运以来,实际燃煤和蒸汽参数均和设计值存在偏差。锅炉在运行过程中过热器曾发生过超温爆管的情况,主要原因是管内氧化皮的生成和脱落使工质流量减小。针对这种情况,为保证机组安全经济运行,需结合多年来在各种复杂多变环境条件下,高温受热面辐射、对流传热热负荷分布特殊规律性问题进行深入的分析研究和统计归纳,在深刻认识高温受热面结构、流动和传热规律的基础上,综合集成创建热偏差、流量偏差及高温受热面壁温计算方法,通过实炉考察改造统计所得的实际管壁积灰厚度作为壁温计算的重要依据,使计算结果更符合实际。锅炉高温管屏安全性在线监测系统通过采集公司实时运行监测的数据,经过以在线炉内汽温、壁温计算模块和在线寿命损耗计算模块为核心的计算,可以对锅炉运行的安全性、稳定性、经济性进行智能诊断,并根据诊断结果提供优化运行策略。

2改进措施

2.1沿炉膛宽度上烟气侧偏差的调整

根据沿炉宽布置的出口壁温(实际为出口蒸汽温度）测点,过滤掉沿锅炉宽度方向各屏蒸汽流量对炉外测点温度的影响,实时定量给出沿炉膛宽度烟气侧热负荷的吸热偏差的幅度及分布,及时反馈的燃烧信息便于运行人员调整燃烧,特别是在变负荷、变煤种等非标准工况下。

2.2沿炉膛深度上烟气侧偏差的调整

燃烧器动量上的差异引起沿炉膛深度方向上的差异,这种差异过大对于水冷壁、炉膛充满度及炉膛出口受热面都是不利的。系统从吸热量的差异情况计算出沿炉膛深度方向上烟气的偏差指数,为运行调整提供数据支持。

2.3屏式过热器的结渣指数情况分析

屏式过热器的严重结渣对于锅炉的安全运行也是一个威胁,特别是燃料多变的情况下更易发生问题。系统根据屏式过热器及其烟气下游受热面以时间为轴线的吸热变化情况可得一管结渣指数,以反映该屏的结渣严重程度,当该值过大时系统将报警提示运行人员采取措施,以免结渣严重引起安全事故。2.4炉膛出口烟温偏差的显示及分析

系统通过遍布于整个炉宽的炉外温度测点及炉内实时壁温计算值,反推得到最大烟温的偏差值,可以更加真实准确地表述炉膛出口烟温偏差,为运行提供帮助。

2.5高温管屏积灰程度分析

高温管屏的吹灰是通过高压蒸汽完成的,吹灰太频繁既浪费蒸汽也易吹损管子。系统根据积灰对各受热面吸热的影响,及时准确地将各屏的积灰指数显示出来,为现场运行人员优化吹灰的操作提供了参考。

2.6各高温管屏超温程度统计分析

通过实时显示高温管屏的超温情况,对各管屏各管段的超温情况进行记录和统计分析,这样就可以对各管段的超温时间和超温幅度有一个总体的掌握,便于在检修时对各管屏进行检修和处理。

2.7各高温管屏剩余寿命统计分析

基于高温管屏各管段的金属壁温及蒸汽压力等因素计算各管段的剩余寿命,随着时间的积累,就可将剩余寿命少的管子统计分析出来,使检修更有针对性,同时对少部分接近失效的管段在正常停炉检修时进行更换,防患于未然,避免非计划停机的隐患。

2.8异常温度测点的静态/动态筛查

温度测点的正确与否对判断管屏的超温情况至关重要,异常测点需要及时处理。当测点明显偏离预计数值时较易判断,可通过静态筛查进行解决:当某测点与其他测点的变化规律明显不同时,该测点也有可能发生诸如安装等方面的问题。系统可通过动态特性对测点进行筛查,对不符合负荷变化规律的测点进行筛除并提示筛除原因,方便了检修人员进行检查修理。

2.9预测管内氧化皮的生成厚度

管内氧化皮的生成与很多因素有关,包括管壁温度、蒸汽压力、时间及材料等,通过试验得到管内氧化皮生成的在线数学模型,以现场运行数据得到的管壁温度、蒸汽压力及材料结构对氧化皮的生成进行跟踪计算,可全面掌握当时各管段管内氧化皮生成厚度情况。

2.10预测管内氧化皮的脱落概率

管内氧化皮的脱落是超临界锅炉面临的一大问题,氧化皮的脱落与氧化皮生成厚度、烟气温度变化、蒸汽温度变化及管子结构等因素都有关系。系统通过氧化皮脱落模型和计算得的氧化皮生成厚度,基于锅炉的各运行参数可求出氧化皮脱落的部位和程度,以预测氧化皮的脱落。

2.11氧化皮脱落的临界温度梯度

氧化皮脱落是由于氧化皮与基材的线膨胀系数存在较大差异,当二者在温度变化的非稳态条件下会产生热应力及其他附加应力,当该应力超过氧化皮的屈服应力时氧化皮就有可能脱落。系统可根据氧化皮已经生成的厚度,对其脱落的临界应力进行计算,再反推产生该临界应力时烟气或蒸汽侧的临界温度梯度,将该温度梯度反馈给运行人员,以调整锅炉的各参数变化。

3系统应用分析及效果

锅炉高温管屏安全性在线监测系统基于WindoWs系统,包括在线数据采集模块、实时壁温计算模块、实时汽温计算模块、实时寿命计算模块、实时烟温偏差计算模块。系统以在线炉内壁温计算模块和在线寿命损耗计算模块为核心,采用计算机在线动态实时显示技术,从sIs系统读取所需数据,结果以动态显示方式显示炉内每根管子沿长度各点的汽温、壁温、寿命损耗、高温管屏的烟温偏差以及沿烟道宽度的吸热偏差等。

(1）提供管屏应力超温和超氧化温度两种报警,能指导主、再汽温提高参数运行。根据PSSS系统运行数据,从氧化皮、超温情况、运行宽度吸热偏差、寿命损耗、出口各管金属壁温等几个方面进行统计分析,与实际运行过程中的炉内吸热偏差曲线、超温氧化的报警记录情况、寿命损耗及管内氧化皮的生成情况及锅炉停炉割管检查的情况进行比较,都与实际相吻合,如图1～4所示。

(2）对高温过热器、高温再热器进行整体换管,运行至同年11月底发现高过有较为严重的管内氧化皮堵管现象,11月30号停炉进行割管检查,发现某些管子堵塞较为严重。将割管检查情况与PSSS系统的管内氧化皮厚度分布统计情况进行对比,如图5所示。

从图中我们可以看到,割管检查的氧化皮堵塞分布情况(上部咖啡色点为割管检查堵塞的管子所对应的屏号）与PSSS系统末过氧化皮厚度自动统计的分布规律基本一致。

从近两个月的寿命损耗分布统计、管内氧化皮厚度分布统计、超温时长分布统计、停炉前后各时段高过的吸热偏差系数图可以看出,管内氧化皮的生成具有明显的规律性。

对于超临界机组来说,通常在中低负荷时,过、再热器汽温会相应偏低,而汽温降低会极大地影响汽轮机效率,影响机组煤耗。报警值的优化给予了运行人员更大的调整空间,提高了中低负荷机组效率。

(3）经济性分析:基于该系统进行设计优化并指导运行调整,锅炉主、再汽温能维持569℃/54l℃长期安全运行,且壁温仍保持一定裕量,避免了主、再汽温降参数运行。按避免降温运行,主蒸汽温度平均提高3～5C,再热汽温平均提高8～10℃以及延长高温管屏的使用寿命两个方面计算,可降低供电煤耗1.25g/kWh,以年发电110亿kWh计,节约标煤17400t,年节约燃料成本1200万元。同时,通过对高温管屏进行实时在线监测,避免了因无法监控而发生的过、再热器超温爆管。每减少一次非计划停炉（以负荷率80%、发电利润0.1元/kWh、停炉检修5天计),可减少损失2000万元以上。

4结语

目前,锅炉高温管屏安全性在线监测系统与实际相结合在华电可门电厂600MW超临界锅炉上的开发应用,为完善锅炉设计优化,提高主、再汽温安全运行裕量,实现受热面状态检修提供了科学、准确的依据:同时对指导锅炉燃烧调整优化运行,减小吸热偏差,控制受热面结渣,降低再热蒸汽减温水量等具有显著作用:另外,其还为提高锅炉运行管理专业化、标准化、自动化水平提供了指导依据,为及时发现设备异常和隐患提供了便利,同时具有较好的经济效益和社会效益。公司后续将结合机组检修,进一步对锅炉高温管屏安全性在线监测系统进行参数调整与优化,提高机组运行的安全性和可靠性。