1、前言
    鍋爐受熱面失效問題（一般也稱為“四管爆漏”）一直被列為火力發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)行中第一位的沒備事故。作為電網(wǎng)主力機(jī)組之一的300MWUP型直流鍋爐機(jī)組，由于設(shè)計、制造、施工、檢修、運(yùn)行和管理等諸多原因，自投運(yùn)以來鍋爐頻繁發(fā)生水冷壁超溫爆管、拉裂泄漏以及過熱器、再熱器超溫爆管和省煤器磨損等事故，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，華東電網(wǎng)1996年200MW以上機(jī)組共發(fā)生非計劃停機(jī)357臺次，累計停運(yùn)4  326. 7h，其中鍋爐事故1 98臺次，占總停運(yùn)小時的77.05%。因此，減少鍋爐四管爆漏次數(shù)，降低鍋爐強(qiáng)迫停運(yùn)時間，是提高鍋爐運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。
2、1025t/h UP直流鍋爐設(shè)計特點(diǎn)及存在的主要問題
2.1設(shè)計特點(diǎn)
    該鍋爐采用了單爐膛結(jié)構(gòu)，使鍋爐在燃燒、膨脹、密封和爐墻剛性等方面均獲得了改進(jìn)。整個爐膛水冷壁下輻射劃分為52個并聯(lián)的回路（包括四墻切角在內(nèi)），采用三級中間混合，爐膛水冷壁在下輻射各管屏進(jìn)口處原設(shè)計采用52只節(jié)流閥，作為調(diào)整爐膛水動力分配之用。
    在鍋爐水冷壁四周設(shè)置了剛性梁，其作用是防止?fàn)t膛受壓變形或破壞，并固定鍋妒膨脹中心，將地震時產(chǎn)生的載荷和風(fēng)載傳遞到鋼架上面去。SG l 025t/h直流爐爐膛壓力按6.695kPa考慮，剛性梁最大間距為1.9m。沿爐膛高度沒有3層導(dǎo)向裝置，標(biāo)高為50m、38m和14m。通過抗剪件與水冷壁連接在一起，以固定爐膛膨脹中心。
    過熱器受熱面按輻射-對流布置方式，其汽溫特性隨負(fù)荷變化比較平緩。本鍋爐的過熱器共有四級，即低溫過熱器、分隔屏過熱器、后屏過熱器和高溫過熱器，其主要設(shè)計特點(diǎn)；富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    (1)屏式過熱器受熱面布置為分隔屏、后屏串聯(lián)結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)使得屏式過熱器輻射特性好，汽溫特性平穩(wěn)。分隔屏沿爐寬在頂部均勻布置4片，使其能旋轉(zhuǎn)的煙氣上升到屏區(qū)時，分割煙氣旋流，達(dá)到均流的目的，從而改善爐膛出口的熱力偏差。分隔屏屬輻射式過熱器，后屏屬半輻射式過熱器，采用這樣二級受熱面，使輻射過熱器的每一級內(nèi)焙增減少，使之可以減少其熱偏差，使屏式過熱器工作更加安全可靠。
    (2)屏式過熱器與高溫過熱器采用典型的止幌結(jié)構(gòu)及管間滑動定位結(jié)構(gòu)。屏式過熱器的冷卻，采用了較高的工質(zhì)質(zhì)量流速以提高屏式過熱器的可靠性。在設(shè)計煤種100%負(fù)荷時的后屏過熱器的質(zhì)量流速為1004kg/m2s，比一般的鍋爐略高些。
    (3)過熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對流受熱面采用了大門徑管子以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性，減少飛灰磨損，降低蒸汽流通阻力。所有過熱管束均采用順列布置，并在尾部豎井煙道的管束兩端設(shè)置阻流板及定位管等以消除煙氣走廊，降低飛灰磨損。
2.2存在的主要問題
    目前該爐型存在的主要技術(shù)缺陷主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
    (1)水冷壁管由于采用小管徑，熱敏感性很大，這使鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時，容易引起管壁超溫。直流鍋爐各點(diǎn)溫度是由煤水比來控制的，隨著鍋爐負(fù)荷的減低，鍋爐受熱面內(nèi)工質(zhì)的速度也相應(yīng)地減慢，通過各段受熱面的時間增長，延遲增大，而使鍋爐的可控性變差。
    (2)鍋爐啟動旁路系統(tǒng)采用了外置式啟動分離器，這給鍋爐的啟動和停爐帶來了復(fù)雜的操作。
    (3)F輻射引入管上的節(jié)流調(diào)節(jié)閥，其調(diào)節(jié)管屏的工質(zhì)流量是按鍋爐帶基本負(fù)荷時，爐墻熱負(fù)荷分布的規(guī)律進(jìn)行的。但隨著鍋爐負(fù)荷的的降低，爐墻熱負(fù)荷的分布將更趨不均勻，且分布無一定規(guī)律可取，使管屏內(nèi)工質(zhì)流量不能與熱負(fù)荷相匹配。
    (4)當(dāng)燃燒發(fā)生擾動時，爐膛水冷壁內(nèi)工質(zhì)溫度反應(yīng)迅速，大幅度地波動使局部產(chǎn)牛熱應(yīng)力，造成部件和水冷壁損壞。
    (5)直流爐因無汽包進(jìn)行排污，因而對水質(zhì)的要求較高。
    (6)電廠燃煤管理的逐步放開，使各電廠的煤源增多，煤質(zhì)不再單一，因而經(jīng)常會使直流鍋爐偏離設(shè)計煤種運(yùn)行。
3、直流鍋爐受熱面失效情況統(tǒng)計分析
3.1鍋爐受熱面總體失效情況
    對300MW機(jī)組鍋爐受熱面總體情況的統(tǒng)計，由圖1可以發(fā)現(xiàn)：鍋爐受熱面的失效情況在1995年發(fā)生頻率比較高，到1 996年有所好轉(zhuǎn)，但從1997年開始，又呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢。究萁原因，主要是鍋爐設(shè)備在設(shè)計、制造和安裝等方面存在一些問題，如分隔屏在投產(chǎn)時發(fā)生大面積爆管是因?yàn)榉指羝良�箱�?nèi)部隔板焊接強(qiáng)度不夠，造成隔板傾倒，使分隔屏受熱面蒸氣短路過熱而爆管；其次是兇為鍋爐制造工藝的問題，如高溫過熱器等受熱面上千只中頻焊U不合格，給運(yùn)行帶來了隱患；再者足因?yàn)檫\(yùn)行等方面造成的受熱面失效，如運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)不足、快速熱態(tài)啟動等都是造成受熱面失效率較大的原因。
3.2鍋爐受熱面失效原因分析
    為了對受熱面失效的發(fā)生原因有一個理性和客觀的了解和評價，作者對常熟發(fā)電廠的4臺1 020t/h UP型直流鍋爐，從1994～1999年6年時間中受熱面運(yùn)行情況進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計和分析，從而對H前電網(wǎng)中作為主力機(jī)組的300MW直流機(jī)組的可靠性有了個概況性的了解，也為接下來的試驗(yàn)研究工作打好了基礎(chǔ)。從統(tǒng)計的結(jié)果來看，水冷壁的泄漏是造成直流鍋爐可靠性差的主要原因，其它依次是過熱器、再熱器以及其它承壓部件的失效。其中：
    (1)水冷壁的失效形式主要表現(xiàn)為由膨脹不暢引起的梳形板拉裂和鰭片拉裂，其中鰭片拉裂除了由水冷壁與包復(fù)的拼縫拉裂引起外，還有一些是由管屏間的鰭片拼縫拉裂所引起。
    (2)對于過熱器而言，頂棚過熱器、包復(fù)過熱器和高溫過熱器的泄漏發(fā)生率相對較高，且其失效形式在4臺鍋爐上具有典型性和普遍性。通常會在幾臺鍋爐上，在一個時間段中，先后產(chǎn)牛同樣的失效情況。頂棚過熱器的失效主要是其進(jìn)口集箱引出管角焊縫發(fā)生泄漏，還有其中間集箱進(jìn)出口管座角縫的泄漏；包復(fù)過熱器的失效主要有2種形式：一是與水冷壁拼縫拉裂導(dǎo)致包復(fù)管泄漏；二是包復(fù)環(huán)型集箱管座角焊縫裂紋泄漏；高溫過熱器的泄漏基本上只有一個情況，即是高溫過熱器進(jìn)口集箱出口管系管座角焊縫裂紋泄漏。
    (3)對于高溫再熱器和低溫再熱器，其失效的主要形式有2種：一是冉熱器穿頂?shù)母吖诿芊馀c再熱器管的密封焊縫拉裂，再熱器管造成泄漏，二是頂棚密封鰭片同再熱器管壁碰擦使得再熱器管壁強(qiáng)度不夠而泄漏。
4、直流鍋爐受熱面失效現(xiàn)象的試驗(yàn)研究
    作為研究工作的重點(diǎn)，作者對典型的受熱面失效現(xiàn)象丌展了一系列的熱力試驗(yàn)，得到了大量寶貴的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。具體的試驗(yàn)項(xiàng)目及其主要研究結(jié)論見表1。研究過程中主要采用了基本于實(shí)測受熱面溫度場分布情況而進(jìn)行的有限元計算和其它熱力計算方法；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要使用總參南京工程兵工程學(xué)院微機(jī)測控技術(shù)研究所的IDCN分布式智能數(shù)據(jù)測控網(wǎng)絡(luò)（893網(wǎng)絡(luò)），數(shù)據(jù)采集均由計算機(jī)控制。
    表1中，造成鍋爐各受熱面失效的原因幾乎都可以歸結(jié)為受熱面的膨脹問題，而鍋爐的熱態(tài)膨脹是一個無法回避的客觀事實(shí)。對受熱面來講，如何使其膨脹不受阻，機(jī)組運(yùn)行過程中所受熱應(yīng)力在其許用應(yīng)力范圍內(nèi)，是保證鍋爐正常運(yùn)行的前提，也是本文研究的重點(diǎn)。從各項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果來看，受熱面的熱偏差造成了受熱面膨脹的不均衡，運(yùn)行過程中經(jīng)常會發(fā)生局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力的情況，其后果就是使受熱面長期處于疲勞狀態(tài)，最終導(dǎo)致失效的發(fā)生。其次是受熱面結(jié)構(gòu)的設(shè)計災(zāi)合理，有戈設(shè)計裕最放得不夠，對鍋爐在變工況下運(yùn)行時受熱面所受熱應(yīng)力的變化幅值未給予充分的考慮。
5、提高1025t／h直流鍋爐受熱面可靠性的改進(jìn)措施
    經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析可知，鍋爐熱偏差以及受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計欠合理是造成1025t/h直流鍋爐受熱面頻繁失效的二大主要原因。因此根據(jù)不同情況，對不同類型受熱面進(jìn)行改進(jìn)以及對鍋爐運(yùn)行的有關(guān)工況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整是切實(shí)提高鍋爐受熱面可靠性的有效途徑。我們在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鍋爐熱偏差與鍋爐本身的技術(shù)局限性有關(guān)，盡管通過空氣動力場以及水動力場的調(diào)整，可以使鍋爐滿足運(yùn)行，但這些冷態(tài)的調(diào)整本身也存在著各種技術(shù)上的不足，再加上鍋爐運(yùn)行過程巾因?yàn)樵O(shè)計原因所存在的流量分布不均勻和燃燒過程中產(chǎn)生的各種偏差，嚴(yán)重情況下就會產(chǎn)生受熱面失效，致使鍋爐受熱面爆管泄漏。對于受熱面結(jié)構(gòu)問題，可通過試驗(yàn)和計算，了解受熱面結(jié)構(gòu)的受力情況，在滿足安全運(yùn)行的前提下，通過有針對性的結(jié)構(gòu)改造·使受熱面的應(yīng)力分布趨于合理，保證受熱面的安全運(yùn)行。
    由于要在平時生產(chǎn)過程中對鍋爐受熱面進(jìn)行大規(guī)模的硬件改造，是不太現(xiàn)實(shí)的，所以在本文中，基于對受熱而的試驗(yàn)分析，對失效率較高的典型受熱面基本上都實(shí)施了不同程度的局部改進(jìn)。具體措施包括：對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，將燃燒器一、二次風(fēng)噴口反切布置，改進(jìn)爐內(nèi)流場分布；改進(jìn)水冷壁剛性梁內(nèi)綁帶結(jié)構(gòu)，消除上輻射梳形板拉裂；對水冷壁與包覆拼縫進(jìn)行改進(jìn)，以減少水平煙道的熱膨脹及由于拼縫兩側(cè)溫差造成的熱應(yīng)力；改進(jìn)包覆過熱器的結(jié)構(gòu)，消除系統(tǒng)熱應(yīng)力和接管根部角焊接應(yīng)力；改進(jìn)再熱器結(jié)構(gòu)，消除低溫再熱器管和省煤器懸吊管間的熱應(yīng)力等。
    通過數(shù)年來所實(shí)施的一系列改進(jìn)，常熟發(fā)電廠4臺直流鍋爐的運(yùn)行已開始進(jìn)入穩(wěn)定和高效期，各類受熱面失效的發(fā)生極為有限，鍋爐機(jī)組可靠性的提高是非常顯著的。
6、結(jié)論
    就總體而言，1025t/h直流鍋爐的水動力特性基本上是穩(wěn)定的，大繁的試驗(yàn)多次證實(shí)了這一點(diǎn)，鍋爐水冷壁在全負(fù)荷范圍內(nèi)末出現(xiàn)停滯、倒流或整體的脈動現(xiàn)象。由于直流爐對熱負(fù)荷的敏感較強(qiáng)，鍋爐啟�；蛏�降負(fù)荷過程中南于磨煤機(jī)的切換引起爐胖內(nèi)燃料量的突變，使水冷壁受熱面頻繁地承受了巨大的熱沖擊，運(yùn)行操作中在短時間內(nèi)出現(xiàn)的燃水比失調(diào)以及爐膛火焰偏斜更是加大了這種熱沖擊的力度，使燃燒系統(tǒng)的變工況運(yùn)行直接加劇了水冷壁熱負(fù)荷分布的小均勻性，反映到水冷壁的溫度變化上，就是水冷壁受熱面上的熱偏差和溫度波動非常嚴(yán)重。水冷壁出口的溫度偏差和波動不儀導(dǎo)致了頂棚過熱器入口集箱引出管系的熱偏差，而且從試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，這種溫度偏差和波動還波及了在流程后面的包復(fù)過熱器。可以這樣說，爐膛熱負(fù)荷分布的不均勻是鍋爐熱偏差發(fā)生、發(fā)展的主要根源。另外，由于鍋爐四角切圓燃燒，其所帶來的在爐膛出口有的煙氣不平衡特性，也直接導(dǎo)致和加劇了過熱器、再熱器受熱面的吸熱不均。熱偏差所造成的頻繁的巨大瞬間熱應(yīng)力成了過熱器、再熱器迅速失效的主要原因之一。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。