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)運行中第一位的沒備事故。作為電網(wǎng)主力機組之一的300MWUP型直流鍋爐機組，由于設(shè)計、制造、施工、檢修、運行和管理等諸多原因，自投運以來鍋爐頻繁發(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)重影響了機組的安全穩(wěn)定運行。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，華東電網(wǎng)1996年200MW以上機組共發(fā)生非計劃停機357臺次，累計停運4 326. 7h，其中鍋爐事故1 98臺次，占總停運小時的77.05%。因此，減少鍋爐四管爆漏次數(shù)，降低鍋爐強迫停運時間，是提高鍋爐運行可靠性和經(jīng)濟性的關(guān)鍵。
2、1025t/h UP直流鍋爐設(shè)計特點及存在的主要問題
2.1設(shè)計特點
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。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；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、
木屑顆粒機壓制的生物質(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，這使鍋爐在低負荷運行時，容易引起管壁超溫。直流鍋爐各點溫度是由煤水比來控制的，隨著鍋爐負荷的減低，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荷時，爐墻熱負荷分布的規(guī)律進行的。但隨著鍋爐負荷的的降低，爐墻熱負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)生大面積爆管是因為分隔屏集箱內(nèi)部隔板焊接強度不夠，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，給運行帶來了隱患；再者足因為運行等方面造成的受熱面失效，如運行人員經(jīng)驗不足、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年時間中受熱面運行情況進行了詳細的統(tǒng)計和分析，從而對H前電網(wǎng)中作為主力機組的300MW直流機組的可靠性有了個概況性的了解，也為接下來的試驗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口集箱引出管角焊縫發(fā)生泄漏，還有其中間集箱進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度不夠而泄漏。
4、直流鍋爐受熱面失效現(xiàn)象的試驗研究
作為研究工作的重點，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，得到了大量寶貴的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。具體的試驗項目及其主要研究結(jié)論見表1。研究過程中主要采用了基本于實測受熱面溫度場分布情況而進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。對受熱面來講，如何使其膨脹不受阻，機組運行過程中所受熱應(yīng)力在其許用應(yīng)力范圍內(nèi)，是保證鍋爐正常運行的前提，也是本文研究的重點。從各項試驗的結(jié)果來看，受熱面的熱偏差造成了受熱面膨脹的不均衡，運行過程中經(jīng)常會發(fā)生局部應(yīng)力遠遠大于許用應(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措施
經(jīng)過大量的試驗分析可知，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行改進以及對鍋爐運行的有關(guān)工況進行優(yōu)化調(diào)整是切實提高鍋爐受熱面可靠性的有效途徑。我們在試驗中發(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，再加上鍋爐運行過程巾因為設(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，可通過試驗和計算，了解受熱面結(jié)構(gòu)的受力情況，在滿足安全運行的前提下，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行。
由于要在平時生產(chǎn)過程中對鍋爐受熱面進行大規(guī)模的硬件改造，是不太現(xiàn)實的，所以在本文中，基于對受熱而的試驗分析，對失效率較高的典型受熱面基本上都實施了不同程度的局部改進。具體措施包括：對燃燒系統(tǒng)進行改造，將燃燒器一、二次風(fēng)噴口反切布置，改進爐內(nèi)流場分布；改進水冷壁剛性梁內(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行改進，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)年來所實施的一系列改進，常熟發(fā)電廠4臺直流鍋爐的運行已開始進入穩(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，大繁的試驗多次證實了這一點，鍋爐水冷壁在全負荷范圍內(nèi)末出現(xiàn)停滯、倒流或整體的脈動現(xiàn)象。由于直流爐對熱負荷的敏感較強，鍋爐啟停或升降負荷過程中南于磨煤機的切換引起爐胖內(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)的變工況運行直接加劇了水冷壁熱負荷分布的小均勻性，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壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
