運行因素造成的過熱器爆管原因案例分析

案例一:由于控制不當偏離設計工況引起的爆管

   一、概述

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

    IIK3的500MW超臨界直流鍋爐原設計燃用煙煤，II - 78型是以我國褐煤為設計煤種的燃褐煤鍋爐(單爐膛，T形布置)，采用風扇磨直吹式制粉系統，八角切圓燃燒方式。首臺鍋爐自1998年8月試運以來，一級屏式過熱器多次發生超溫爆管事故，爆管部位多發生在右側煙道一級屏式過熱器距頂棚3~5m標高處，負荷在350MW以上。此外，進爐膛檢查時發現，一級屏式過熱器的管屏和同屏中的一些管子變形嚴重。

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斯頓-I和三級屏式過熱器之間。

從水冷壁上輻射區來的蒸汽，依次流經一級對流過熱器、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、背火處分別取樣進行顯微組織分析，結果發現除破口邊緣顯微組織為不完全重結晶形態外，其余均為12Cr1MoV鋼鐵素體加珠光體組織形態，而且在破口邊緣還清楚地顯現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，即與主應力大體平行的走向，故顯微組織也具有“短期過熱”形態。

為了驗證管壁超溫現象，在一級屏式過熱器爆管位置上安裝了6點爐內壁溫測點。壁溫是將鎧裝熱點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荷增高而增高的趨勢(如圖3 - 73所示)，而且在70%負荷以上，壁溫超過了管材的極限使用溫度。

三、事故原因

由于爆管事故發生在機組投運初期，因而自然首先想到管內是否有雜物堵塞和運行控制不當偏離設計工況的問題。通過對7個管屏割管檢查表明，管內無雜質，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計特性來看，在額定負荷下入口煙溫為950℃，由于入口工質溫度(448℃)較低，質量流速[1400kg/(m2.s)〕比較高，所以采用12Cr1MoV管材應該是安全的。但是由于運行控制不當，爐膛煙溫分布偏離了設計工況。表3 - 35給出了鍋爐汽水系統各節點的運行參考和設計參數的對比情況。

由表3-35可知，水冷壁出口內置閥前的工質溫度，運行值明顯低于設計值，說明水冷壁的吸熱量偏小，而過熱器的吸熱量偏大，造成這種現象的主要原因是燃燒中心偏高，引起高比熱區相變點向過熱區域推移。此外，水冷壁下輻射區出口工質溫度運行也低于設計值，該點溫度是煤水比控制點，該點溫度偏低說明給水流量偏大，是造成相變點后移的主要原因。

圖3-74給出了超臨界壓力相變點的變動情況。從設計參數來看，在7000^-10000負荷范圍內，爐膛水冷壁的運行壓力為26~30MPa、由圖3-74可知，與此相對應的相變點溫度為390~410℃，亦即水冷壁上輻射區已處于過熱段。從1998年9月7日的運行記錄來看，一級屏式過熱器在70%負荷下的工質入口溫度僅為394℃，即相變點進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重變形也可以證實這一點。此外，由于蒸發受熱面吸熱量少，過熱器進口溫度偏低，致使出口汽溫達不到設計值。

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

此外，爆管事故均發生在右側煙道的一級屏式過熱器上，而且右側一級屏式過熱器爆管比左側嚴重得多，說明T形布置兩側煙道的熱負荷分布也是不均勻的，右側煙道灰斗中的灰量明顯大于左側也證實了這一點。

    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偏離設計工況引起的。在機組投運初期，燃燒系統尚未經過認真調整，飛灰的粒徑較粗，含碳量高，煤粉的細度不夠，燃燒不良造成火炬拉長燃燒中心抬高。此外，設計采用風扇磨直吹式制粉系統，每臺磨與一臺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。