防止高温再热器管壁超温的措施探讨

【摘 要】 电厂发电用锅炉使用时常会发生锅炉高温再热器爆管泄漏事故，爆管的原因大多数由于管壁超温所致。针对管壁超温采用双层耐高温不锈钢防磨瓦卷板进行隔热，根据运行的管壁温度情况进行添加隔热层直至达到理想效果，可以有效防止高温再热器管壁超温。

【关键词】 管壁超温 再热器 爆管 隔热

电厂发电用锅炉使用过程中常会发生锅炉高温再热器爆管泄漏事故，爆管的原因大多数由于管壁超温所致。本文针对广西柳州发电有限责任公司（柳电公司）装机容量为2×220MW超高压火电机组及武汉锅炉厂生产的WGZ670/13.7—3型超高压、一次中间再热、自然循环汽包煤粉炉，进行防止高温再热器管壁超温的技术改造措施探讨。

1 技改装置

1.1 锅炉结构

广西柳州发电有限责任公司（柳电公司）装机容量为2×220MW超高压火电机组，#1、#2机组分别于1994和1995年投产。锅炉为武汉锅炉厂生产的WGZ670/13.7—3型，超高压、一次中间再热、自然循环汽包煤粉炉，原设计煤种为山西西山、潞安混贫煤。锅炉采用直流式煤粉燃烧器，原设计为四角各一组呈对角单切圆布置，切圆800mm逆时针旋转。2011年两台机组完成供热改造，成功实现了热电联产。

锅炉的低温再热器和低温过热器布置于尾部竖井烟道中，高温过热器布置则布置在炉膛出口，其后是高温再热器。过热汽温主要以减温水调节为主，再热汽温以烟气挡板调节为主。

1.2 高温再热器结构布置

柳电公司#1、#2锅炉高温再热器一共有116排受热面，每排受热面有6根蛇形管，对应有一个进口和出口小集箱，蒸汽介质流向都是从A、B两侧大管箱进入，经过58+58排蛇形管加热，然后从大管两端输出，大管中间不连通，间汇合受热面管排内5圈管材为钢研102，外1圈管材为不锈钢1Cr18Ni9Ti，全部蛇形管进、出口均用一截1000mm左右的12Cr1MoV材质短管与小集箱连接。

根据金属材料使用说明要求，柳电公司锅炉高温再热器的金属壁温560°C时为报警温度，580°C时为极限温度。由于设计制造的原因，投产时只有部分管排受热面蛇形管出口和小集箱布置有温度测点，其中管排受热面蛇形管出口有16个壁温测点，小集箱有22个壁温测点，受金属材料耐温极限所限制，锅炉管壁温度的测点布置在炉外。

2 管壁超温成因分析

为了保证高温再热器管壁温度不超过报警值560°C，通过降低再热汽温运行来实现，但高温再热器出口汽温仅能维持在505°C左右，距离额定参数540°C相差很远，经济性非常差。因此，分析高温再热器管壁超温的真正原因，并针对原因采取相应的有效措施，在保证管壁不超温的情况下，提高高温再热器出口汽温，是一个亟待我们解决并且是迫在眉睫的课题。

2.1 烟气走廊

在运行当中，烟气流过受热面时，受多种因素影响在通道中很容易形成烟气走廊现象，这种现象极其容易造成局部受热面烟气流速过高。根据换热原理，烟气流速高的受热面换热量肯定比流速低的受热面高，在管内蒸汽介质流量不变的情况下，烟气流速高的受热面管壁温度肯定比流速低的高，而且成几何性增高，最终导致管壁超温。

形成烟气走廊的主要原因是锅炉炉膛四角切圆布置火嘴所致。当风粉在四角切圆布置的炉膛内燃烧时，就必定形成一个旋转的火球，火球一直旋转持续到炉膛出口，仍然有旋转残余。在炉膛出口处，如果是逆时针旋转的烟气由A侧旋到B侧，当烟气旋转到A侧时，就很容易被引风机吸力带走，而达到B侧出口的烟气就比较少，因此A侧的烟气量和烟温要比B侧要高得多，理论上A侧烟气流速比B侧高1-2倍左右；顺时针布置时则相反。

2.2 管内结垢

锅炉炉膛出口烟气温度正常情况下都相当高，特别是四角火嘴切圆布置的锅炉，逆时针布置时A侧烟温比B侧要高得多，在运行当中A侧烟温要比B侧烟温高100-150°C左右，通常A侧烟温高达900°C以上；顺时针布置时则相反。在运行当中，如果受热面管壁热阻大导致热量无法及时散发（传热）到蒸汽介质中时，就会造成受热面管壁自身温度升高而超温。这种管壁超温的现象还无法在温度测点中体现出来，因此在日常运行当中无法监视。这一管壁超温的现象主要原因大多数是由于管内结垢所致，管内一旦结垢，热阻就变大，管壁与蒸汽介子之间就无法及时导热，所以管内结垢后运行起来几乎百分之百会爆管。

2.3 蒸汽流速不均匀

蒸汽在管道中流动时，在其它条件都不变的情况下如果管道出入口压差不一样则蒸汽流速就不一样，在相同时间内流经管道中的蒸汽量就会有大有小，与管道出入口压差成对应的正比关系。在换热量相同的情况下，蒸汽介质流量小的受热面势必会造成蒸汽介子和管壁温度升高。

2.4 锅炉升负荷速度过快

在锅炉升负荷过程中，当我们快速增加燃料量时，锅炉燃烧得到加强，燃料燃烧后发热量和烟气量同时增加，此时，大量的高温烟气快速流经各个受热面，烟气与受热面管内蒸汽对流换热得到加强。同时，水冷壁内的汽水混合物辐射吸热量增加，蒸发量相应提高，但是，水冷壁内蒸发增加的蒸汽还需要经过汽包、低温过热器、高温过热器、汽轮机高压缸、低温再热器等才能达到高温再热器，而烟气对流换热已经得到了加强，所以，单位面积内的高温再热器受热面吸热量得到大幅度增加，管壁和汽温相对升高，此时非常容易超温爆管，只有当新增加蒸汽到达高温再热器时，才能建立新的平衡点。

2.5 管内有杂物

锅炉在运行当中，为了能够及时控制蒸汽出口温度，通常设置有多套减温水装置。一般减温水装置内都有一个保护套管，套管的周围焊接有一些小铁片作为支撑，长时间运行以后，小铁片容易脱落，脱落之后就堵住蛇形管入口或者是出口。这样一来，被堵住的蛇形管就容易超温爆管。

2.6 蛇形管水塞

锅炉大小修后，为了检验受热面的检修情况，通常都做锅炉水压试验进行检查。通过了水压试验检查后，高温再热器蛇形管内肯定存有大量的积水，这些积水没有办法排出，形成一个U型“水塞”的现象，只能在点火升炉过程中会慢慢地蒸发消除。因此，如果在水压试验后，我们点火升炉的速度过快，在蛇形管中的水还没有全部蒸发完时，烟气温度太高，那么受U型“水塞”的影响，蛇形管中就没有蒸汽流通，管壁得不到冷却，很容易发生管壁超温爆管事故。

3 技术措施

3.1 主流解决措施

目前，针对烟气走廊的影响和蒸汽流速不均匀的影响，主流解决的措施有：（1）在锅炉制造时合理设计交叉布置管道走向，尽量做到蒸汽介质流量均匀。但是，无论是哪一种管道布置方式，在实际使用中还是存在受热面流量不均匀的问题。（2）通过精确计算，在部分阻力小的管道中加装节流孔板，以达到所有管道的流量均匀。经验证明这种方法实施困难，而且管道阻力不好计算，一旦控制不好反而成了爆管因素，因此，目前不宜采用。（3）针对超温的受热面蛇形管采取一定的隔热措施，合理减少其吸热量，同时提高其它受热面蛇形管的吸热量，以平衡各根蛇形管的蒸汽介子温度，最终达到提高再热汽温的目的。这个措施在安全性、经济性、可操作性、可逆性非常强，是目前最佳首选。唯一的要求是必须保证有足够的再热器换热面积。（4）应用更高等级的受热面管材来提高管壁耐受温度。这种方法是不错，但是安装造价高，而且再好的金属其耐热温度也是有限制的，所以我们要有选择性地应用。（5）为了消除烟气走廊的影响，将燃烧器顶层二次风或者是三次风进行反切布置，以此消除旋转残余从而减少形成烟气走廊的可能。这个技术措施是目前应用最广泛的措施，是消除烟气走廊形成的最佳方法。

3.2 技改采用措施

（1）加强监视手段：目前，柳电公司锅炉高温再热器管壁温度测点布置较少，难以全面监视管壁是否超温运行，这个问题必须优先解决。因为无论是采用什么方法来降低受热面壁温，都需要通过温度显示提供依据。因此，柳电公司#1、#2锅炉高温再热器受热面蛇形管出口分别增加24个温度测点。

（2）消除烟气走廊的影响：综合考虑外厂经验，利用小修机会，调整锅炉顶层二次风反切角度调整至18°，为了不至于破坏燃烧，三次风全部调整为对冲布置，目的都是为了消除火焰残余旋转的影响，避免形成烟气走廊通道，除了对高温再热器壁温控制有利外，也有利于对高温过热器壁温的控制，同时可以控制A、B两侧烟温差。

（3）采用独创的隔热措施：柳电公司锅炉高温再热器前的烟气温度大约900°C左右，最高也不会超过1000°C，采用耐火温度1100°C的耐火泥材料就可以满足要求。不过，一般的耐火泥材料难以敷设到光滑的蛇形管上，即使是敷设以后也容易脱落，特别是吹灰时脱落最严重。本方案采用2.0mm厚的双层耐高温不锈钢防磨瓦卷板，制作时先在外卷板内侧先敷设耐火泥，然后用内卷板压制后焊接即可完成，内夹层耐火泥厚度约5mm，单块长度统一为1000mm。根据#1锅炉高温再热器蛇形管壁温的超温的具体情况，经过综合分析计算，采用相应数量长度夹有耐火泥的不锈钢防磨瓦卷板包裹在超温的蛇形管上，安装方法与防磨瓦相同。然后根据运行的管壁温度情况不断地作出调整，直到添加的隔热层达到理想效果。

4 技改成效

（1）据观察，在运行当中，开大或者关小顶层二次风时，可以明显观察到高温过热器A侧72点壁温和B侧74点壁温交替发生变化，特别是加强调节顶层二次风时，高温这再热器第15-29排蛇形管壁温可以很明显地降下来。结果表明，这就是反切二次风消除火焰旋转残余的影响，直接改变了烟气走廊危害的结果。

（2）#1、#2锅炉分别添加了500-800m2左右低温再热器受热面，取消了前、后屏区域卫燃带。技改后运行当中低温再热器侧烟气挡板开度为30%，低温过热器侧开度为100%，这为柳电公司应用隔热措施提供了一定的基础条件。

（3）初技改措施完成后，在所有管壁都不超过560°C的情况下，#1锅炉高温再热器出口温度基本上可以稳定在530-535°C运行，达到预期的目的。

5 下一步设想

（1）柳电公司#1、#2锅炉目前管壁温度测点仍然太少，无法全面监视管壁温度，高温再热器出口温度不可盲目提高，以免发生管壁超温爆管事故，下一步将继续增加高温再热器出口管壁温度测点数量。

（2）柳电公司#1锅炉顶层二次风初步调整时，受现场条件（构架）限制只能反切11.6°（设计为18°），下一步将调整到18°，在#1、#3角三次风进行对冲布置的基础上，#2、#4角三次风也要进行对冲布置，进一步消除烟气走廊的影响。

（3）柳电公司#1、#2锅炉高温再热器蛇形管出口直管段有一截1000mm左右12Cr1MoV的材料，耐温性能偏低，可以考虑更换成钢研102的材料，提高其整体的耐温性能。现在，#1锅炉低温过热器和再热器侧烟气挡板开度均为50%左右，说明柳电公司继续应用隔热措施提高再热汽温还有一定的基础条件，下一步柳电公司将不断完善调整隔热层数量，有针对性地减少超温管段的吸热量，大幅度提高其它管段的吸热量，在保证管壁不超温的情况下，最终达到高温再热器出口温度能够稳定在额定参数540°C运行。

（4）柳电公司#2锅炉也存在同样的高温再热器超温问题，目前，出口再热汽温仅能维持500°C左右，比#1锅炉还要低，根据#1锅炉取得的成果，解决相同问题的#2锅炉为期已经不远。

参考文献：

[1]吴非文.火力发电厂高温金属运行[M].北京：水利电力出版社1979.

[2]马建隆.宋之平.实用热工手册 [M ].北京：水利电力出版社1987.

[3]胡荫平.《电站锅炉手册》.中国电力出版社2005.

[4]章德龙.《锅炉设备及系统》.中国电力出版社2006.

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