郭敏鑒，胡旦華

（福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建福州 350003）

高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用

郭敏鑒，胡旦華

（福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建福州 350003）

超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐的高溫受熱面工作環(huán)境惡劣，很容易導(dǎo)致事故的發(fā)生，鍋爐高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，幫助相關(guān)工作人員及時(shí)調(diào)整鍋爐內(nèi)部的熱溫差，提高鍋爐運(yùn)行中的安全性，也保障了工作人員的人身安全，提高了工作效率，可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

高溫管屏爐內(nèi)壁溫；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)；應(yīng)用

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.50

1 項(xiàng)目背景及設(shè)計(jì)的必要性

超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐壓力和溫度高，管子和集箱的應(yīng)力大，而且沒(méi)有鍋筒，要求有高自控性能的運(yùn)行水平。如果控制系統(tǒng)與鍋爐的動(dòng)態(tài)特性配合不好，或者在突發(fā)性擾動(dòng)和煤水比控制不當(dāng)時(shí)，會(huì)發(fā)生出口汽溫飛升或過(guò)熱器中間點(diǎn)溫度波動(dòng)大，使?fàn)t內(nèi)管子成片受損并使集箱受到過(guò)大的內(nèi)外壁動(dòng)態(tài)溫差應(yīng)力，影響受壓件的使用壽命。相關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，煙道中煙溫偏差較大會(huì)導(dǎo)致鍋爐超溫和爆管，特別是對(duì)于對(duì)流吸熱偏差的前期設(shè)計(jì)與實(shí)際情況差距較大，更容易產(chǎn)生爆管現(xiàn)象。一旦爆管事故發(fā)生，設(shè)備管子則會(huì)大幅度的被破壞，形成安全隱患。因此，對(duì)于鍋爐爆漏事故的處理，一是小范圍的更換管子（但仍存在超溫隱患），二是投入巨資進(jìn)行改造。

高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用一套鍋爐過(guò)熱器再熱器熱偏差及管子壁溫的計(jì)算方法，為電廠研發(fā)出的解決方案，指導(dǎo)司爐進(jìn)行燃燒調(diào)整，避免爐內(nèi)管子壁溫超溫；對(duì)爐內(nèi)管子剩余壽命進(jìn)行量化評(píng)估，避免運(yùn)行中因超溫引起的爆管事故等，延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命，提高鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性；實(shí)現(xiàn)電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行“狀態(tài)檢修”和“壽命監(jiān)測(cè)”的高科技管理，隨時(shí)監(jiān)視和指導(dǎo)鍋爐的運(yùn)行情況，避免發(fā)生超溫、避免鍋爐降參數(shù)運(yùn)行，并指導(dǎo)鍋爐的檢修工作，延長(zhǎng)高溫部件的壽命，及時(shí)給用戶(hù)提供掌握設(shè)備在役情況和使用壽命的可量化的精確數(shù)據(jù)，為電廠適時(shí)安排機(jī)組檢修提供精確可靠的第一手資料。

超超臨界鍋爐高溫管屏運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)、再熱器存在嚴(yán)重的熱偏差帶來(lái)的爆管隱患，以及管內(nèi)氧化皮快速生成脫落，堵塞引起爆管的問(wèn)題，都是由于無(wú)法檢測(cè)到爐膛內(nèi)過(guò)熱器再熱器實(shí)時(shí)壁溫，造成部分管段運(yùn)行于超溫及氧化加劇狀態(tài)，同時(shí)大量管屏處于降參數(shù)運(yùn)行造成鍋爐運(yùn)行的不經(jīng)濟(jì)。高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施，可以避免鍋爐運(yùn)行中爐膛內(nèi)的超溫及降低鍋爐發(fā)電煤耗，減少二氧化碳和硫化物氮化物的排放，保障超超臨界鍋爐更加安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。利用鍋爐原有的爐外測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和鍋爐設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及鍋爐運(yùn)行參數(shù)，可2次/min顯示過(guò)熱器再熱器所有管子爐內(nèi)各點(diǎn)的汽溫、壁溫和壽命損耗等情況，可以在線查明鍋爐存在的設(shè)計(jì)和運(yùn)行缺陷，指導(dǎo)和優(yōu)化運(yùn)行，減小熱偏差，消除因超溫引起的爆管，延長(zhǎng)高溫部件的使用壽命和延緩管內(nèi)氧化皮生成速度。

2 高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)

2.1 技術(shù)基礎(chǔ)

高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的主要依據(jù)是鍋爐過(guò)、再熱器的熱偏差以及內(nèi)壁溫的計(jì)算方式，除此之外，根據(jù)相關(guān)電廠每一臺(tái)鍋爐的實(shí)際情況，研究出符合要求的過(guò)熱器再熱器在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的核心部分是內(nèi)壁溫和設(shè)備壽命損耗的計(jì)算模塊。通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，從電廠設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，形成數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，方便以后的查找。如果發(fā)現(xiàn)有超溫情況，則發(fā)出報(bào)警提示信號(hào)，并顯示超溫的部位。整體而言，高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)具有功能廣、精度高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)是及時(shí)調(diào)整狀態(tài)檢修的有效方法。鍋爐在設(shè)計(jì)的時(shí)候，每個(gè)過(guò)熱器和再熱氣的管子都裝有爐外壁溫測(cè)點(diǎn)，這些溫測(cè)點(diǎn)顯示的結(jié)果，影響在線監(jiān)測(cè)對(duì)狀態(tài)檢修的調(diào)控。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用鍋爐上原有的爐外壁溫測(cè)點(diǎn)在線計(jì)算每根管子沿長(zhǎng)度各點(diǎn)的爐內(nèi)壁溫，算出沿?zé)煹缹挾鹊臒嶝?fù)荷偏差和同片各管熱偏差。計(jì)算管子壽命損耗的基礎(chǔ)是爐內(nèi)壁溫在線計(jì)算的準(zhǔn)確性。監(jiān)測(cè)軟件考慮實(shí)際運(yùn)行的蒸汽流量偏差和各種輻射和對(duì)流傳熱偏差等因素，經(jīng)過(guò)多年的電廠實(shí)踐，證實(shí)具有很高的計(jì)算精度。內(nèi)壁溫的準(zhǔn)確性影響在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，鍋爐的過(guò)熱器和再熱器運(yùn)行情況復(fù)雜，若鍋爐燒兩側(cè)的煙溫檢測(cè)點(diǎn)插入過(guò)少，只顯示結(jié)果便不能正確代表真正的溫差值。因此，鍋爐燒兩側(cè)的煙溫檢測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響著在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 技術(shù)原理

計(jì)算管子壽命損耗的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確計(jì)算管子的爐內(nèi)壁溫。每一點(diǎn)汽溫和壁溫的高低受到各種蒸汽流動(dòng)條件和輻射對(duì)流傳熱條件的影響。該計(jì)算軟件考慮實(shí)際運(yùn)行工況中各屏間和同屏各管間蒸汽流量的偏差、屏前、屏后、屏間及屏下輻射和對(duì)流傳熱偏差，以及管子阻力系數(shù)等9個(gè)偏差因素，給出數(shù)學(xué)模型，管組中任一個(gè)管段 i的焓增計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中 Di，Kr，Kh———蒸汽流量（kg/h），寬度和高度吸熱偏差系數(shù)

li，E0，d——計(jì)算管段長(zhǎng)度，面積折算系數(shù)和管子外徑（m）

qf，pi———屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負(fù)荷（W/m2）及偏差系數(shù)

qp，qd，ξ1i，ξ2i———屏間煙氣輻射和對(duì)流熱負(fù)荷（W/m2）及偏差系數(shù)

計(jì)算點(diǎn)的汽溫計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中 tj，R———管進(jìn)口溫度（℃）和蒸汽比熱，kJ/kg/℃

計(jì)算點(diǎn)的壁溫計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中 J，β，α2——熱均流系數(shù)、管徑比和管內(nèi)蒸汽對(duì)管壁的放熱系數(shù)，W（/m2K）

δ，λ———管壁厚度（m）和金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W（/mK）

2.3 系統(tǒng)功能

鍋爐高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是實(shí)時(shí)進(jìn)行爐內(nèi)汽溫、壁溫的計(jì)算，檢測(cè)的精度較高，爐內(nèi)壁溫計(jì)算精度可達(dá)到3～5℃。系統(tǒng)可記錄優(yōu)化運(yùn)行工況下，鍋爐的實(shí)時(shí)負(fù)荷、燃煤、配風(fēng)等100多個(gè)數(shù)據(jù)。運(yùn)行人員可借鑒此數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整，技術(shù)人員可借鑒此數(shù)據(jù)進(jìn)行超溫分析。采用此系統(tǒng)后可使鍋爐經(jīng)濟(jì)并且安全運(yùn)行，減少機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)，延長(zhǎng)高溫管屏壽命，主要優(yōu)勢(shì)：①可以防止過(guò)熱器、再熱器在運(yùn)行中發(fā)生因超溫引起的爆管；②實(shí)現(xiàn)高溫管屏爐內(nèi)管子壁溫在線監(jiān)測(cè)及超溫報(bào)警；③在線計(jì)算爐內(nèi)各管段的氧化皮形成和壽命損耗累積值，為高溫受熱面狀態(tài)檢修提供依據(jù)；高溫再熱器壽命損耗排序見(jiàn)表1④防止因部分管子超溫而被迫采取的降溫運(yùn)行，對(duì)降低機(jī)組發(fā)電煤耗、減少CO2，NOX，SO2等的排放提供間接經(jīng)濟(jì)效益；⑤系統(tǒng)可以提供鍋爐優(yōu)化運(yùn)行方案，減小熱偏差，提高集控運(yùn)行人員的操作技能、故障判斷處理能力和綜合分析能力，保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；⑥超溫點(diǎn)及超溫時(shí)段統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的歷史追憶及查詢(xún)；⑦與DAS，DCS，MIS或SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，方便網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)。

表1 高溫再熱器壽命損耗排序表

3 結(jié)論及評(píng)價(jià)

（1）動(dòng)態(tài)反映鍋爐過(guò)熱器、再熱器實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，及時(shí)形成直觀數(shù)據(jù)，為鍋爐運(yùn)行人員提供參考，確保鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（2）能提供準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并加以積累存儲(chǔ)，為以后鍋爐運(yùn)行分析、技術(shù)改造、計(jì)劃?rùn)z修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐“狀態(tài)檢修”，“壽命監(jiān)測(cè)”的現(xiàn)代化管理。

（3）提供優(yōu)化運(yùn)行工況和參數(shù)，為鍋爐運(yùn)行人員提供操作指導(dǎo)，避免由于操作不當(dāng)對(duì)鍋爐造成的損傷，縮短了運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)積累時(shí)間。

（4）降低非生產(chǎn)能源損失，實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能、安全創(chuàng)效，科學(xué)的提高電廠“反措”能力。

高溫管屏爐內(nèi)壁溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于超超臨界參數(shù)變壓直流爐，可大大減少非計(jì)劃停機(jī)等導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

［1］周江，俞明芳，楊卓軍.超超臨界1000MW機(jī)組鍋爐高溫受熱面壁溫變化規(guī)律分析［J］.熱力發(fā)電，2013（2）：45-49.

［2］杜保華，王大鵬，董雷，李耀君，王智微，傅望安，劉鴻國(guó).超超臨界1000MW機(jī)組鍋爐高溫受熱面爐內(nèi)壁溫測(cè)量及分析［J］.熱力發(fā)電，2013（7）：32-35.

［3］劉進(jìn)，丁士發(fā).超臨界參數(shù)鍋爐高溫受熱面管氧化皮生成評(píng)估研究［C］.中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)鍋爐專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2013年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2013.

TK223.3

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〔編輯 李 波〕