摘要：人们生活水平的提高，用电需求的不断增多，促进了我国电力产业的不断发展。超温爆管是锅炉运行事故中最常见的一种。锅炉管失效是材料、环境介质、温度、应力和运行工况等多种因素综合作用的结果。超温爆管只是锅炉受热面失效的主要机理之一。本文就电站锅炉过热器超温爆管原因展开探讨。
关键词：过热器；超温爆管；失效机理
引言
随着我国经济和基础设施的发展，国内的大型电站锅炉也受到了带动，而且，由于它在生活中的实用性，所以其可靠性和经济性就要得到相应的提高。但是，在电站锅炉工作工程中，由于过热器受热面积越来越大，锅炉蒸汽参数也不断提高，这样就会导致并联各管内的流量与吸热量发生差异，进而导致过热器超温。
1超温爆管的理论分析
超温爆管，主要是由于金属管壁的温度工况超过材质所允许的温度极限而引起的金属管子失效。故为寻求引起超温爆管的原因，首先得分析金属管壁的壁温。由文献可知：
式中：
tb——金属管壁的平均壁温，℃
tg——管内工质(蒸汽）温度，℃
q——热负荷(热流密度)，w/m2
α2——管内工质的对流换热系数，w/(m2•℃)
μ——热量均流系数，(μ＜1)
β——管子外径与内径之比
δ——管壁厚度，m
λ——金属管的导热系数，w/(m•℃)
从公式(1)中可知，影响金属管壁壁温的因素，可从两方面考虑，即蒸汽侧和烟气侧。在传热学上讲，它们主要体现在烟气侧的热负荷q及蒸汽侧的对流换热系数a2上。
2过热器直接爆管的原因
（1）焊接质量差。在制造或维修中由于焊接质量不过关，焊缝中存在气孔、夹渣、焊瘤等会导致频繁爆管。（2）受热面短期过热。锅炉受热面内部工质短时间内换热状况严重时，使得管壁温急剧上升，则钢材强度大幅度下降，会在短时间内造成金属过热引起爆管。（3）受热面长期过热。锅炉受热面管子由于热偏差、水动力偏差或积垢、堵塞、错用钢材等原因，管内工质换热较差，金属长期处于幅度不很大的超温状态下运行，管子金属在应力作用下发生管子胀粗，直到破裂。（4）炉膛选型不当。我国大容量锅炉的早期产品，除计算方法上存在问题外，缺乏根据燃料特性选择炉膛尺寸的可靠依据，使设计出的炉膛不能适应煤种多变的运行条件。炉膛结构不合理，导致过热器超温爆管。（5）飞灰磨损。实践表明，在锅炉的运行过程中过热器磨损严重。（6）计算方法不完善，导致材质选用不当。从原理上讲，在对过热器和再热器受热面作壁温校核时，应保证偏差管在最危险时的壁温也不超过所用材质的许用温度。而在实际设计中，由于对各种偏差的综合影响往往未能充分计及，导致校核点计算壁温比实际运行低，或者校核点的选择不合理，这样选用的材质就可能难以满足实际运行的要求，或高等级钢材未能充分利用。
3烟气侧热负荷q的影响
对于电站锅炉过热器来讲，影响烟气侧的热负荷的因素相当多，热负荷的变化是多种因素综合作用的结果，一般来讲，难以用一个准确的数学模型来衡量它们之间的因变关系。这里，仅作定性的分析，研究一下主要影响因素。（一）炉内燃烧工况。炉内燃烧工况的变化，主要是指运行时，炉内烟气动力场和温度场发生变化(如偏移)。究其原因既有结构设计上的原因，也有人为运行因素。（1）结构因素。我国大容量锅炉中应用最广泛的四角布置切圆燃烧技术，由于炉内烟气在到达屏过底部时，还存在残余旋转，因而产生烟气、蒸汽场偏置现象。对于右旋切圆燃烧方式，位于炉膛上部的辐射受热面(分隔屏过热器，后屏过热器)，沿炉膛宽度方向工质温升均呈左高右低的分布特性，对于左旋切圆燃烧方式，温升特性刚好相反。如汽水系统设计不合理，将可能导致出口汽温偏差，甚至爆管。由于残余旋流的存在，出现烟气速度场、流量场及温度场的偏置问题，将引起各个受热面的热流密度q的变化，从而影响局部地区管子的安全性。具体对于右旋切向燃烧方式，由于残余旋流的存在，使得上炉膛左侧气室内烟气向炉后水平烟道运动阻力大于右侧，从而使左侧气室中烟气滞止、碰撞与残余旋流而形成烟气涡流，造成气流扰动，使得左侧烟气充满程度大于右侧气室，强化了对流换热。这样，如果在辐射情况等同的情况下，左侧热负荷就要高于右侧的热负荷。因而在同样的条件下，左侧受热面的工作条件较为恶劣。而对于水平烟道的对流过热器，由于屏区吸热不均而造成进入对流烟道的烟温呈现出右高左低，再则由于炉膛上部左右侧气流阻力不一，因而右侧流向的烟气流量会多于左侧，这样又会在水平烟道内出现沿炉宽方向热负荷分布呈现出右高左低的特性，就局部过热器管子而言，右侧管子安全性较差。（2）运行因素。运行因素对炉内工况的影响相当复杂。如燃烧调整不当、燃料成分(种类)的变化，都将引起过热器壁面热负荷的变化。如燃料的低位发热量提高时，由于理论燃烧温度和炉膛出口烟温升高，可能导致炉膛结渣，从而使过热器壁温热负荷增大。又如在燃料量不变、而水分增加时，则烟温降低，烟气体积增加，最终会导致过热器出口汽温上升。过热器热负荷发生变化。（二）高压加热器投入率。据调查显示，我国大容量机组的高加投入率普遍较低，有的机组甚至长期停运。高压加热器的停运会使锅炉给水温度大幅度降低。运行表明，对于300MW、600MW的机组，高加的投入将使给水温度升高约80~100℃，如停运高加势必影响锅炉负荷，为保证负荷需要往往加大燃料量。这样一方面机组运行的费用增加了，另一方面将引起过热器热负荷q的增大，从而引起管壁超温或减温水超限。因此高加的投入率偏低也往往容易引起过热器爆管。
4过热器管超温应采取的措施
（1）为了预防过热器管超温，在运行中，应严格按运行规程规定操作，锅炉启停时应该严格按照启停曲线进行，控制锅炉参数和过热器管壁温度在允许范围内；严密监视锅炉蒸汽参数、蒸发量及水位等主要指标，防止超温超压、满水、缺水事故发生；做好锅炉燃烧调整，防止火焰偏斜，注意控制煤粉细度，合理用风，防止结焦，减少热偏差，防止锅炉尾部再燃烧；加强吹灰和吹灰器管理，防止受热面严重积灰；保证锅炉给水品质正常及运行中汽水品质合格等。（2）建议对屏过热系统加装在线检测故障诊断系统,从而可在监视屏上即时显示受热面的壁温整体分布情况,便于进行运行调整,避免发生超温爆管事故。（3）另外，减少飞灰撞击管子的数量，速度或增加管子的抗磨性来防止飞灰磨损，如：通过加屏等方法改变流动方向和速度场；假设炉内除尘装置，杜绝局部烟速过高；在易磨损管子表面加装防磨盖板。还应选用适于煤种的炉型、改善煤粉细度，调整好燃烧，保证燃烧完全。（4）由于直流炉的受热面温度对运行工况较敏感,运行人员在操作时应多加注意。分隔屏的爆管与分隔屏入口温度有关,因此在平时运行中要尽量减少二级喷水量,应通过调节煤水比将分隔屏入口温度控制在400°C左右。
结语
实际情况中，很多原因都会造成大型电站锅炉过热器爆管，所以，必须要对过热器爆管的直接原因和根本原因进行综合分析，从根本上解决电站锅炉的爆管和过温问题，从而有效地防止锅炉过热器超温爆管事故的发生。
参考文献
[1]刘林华，王孟浩，杨宗煊.电站锅炉过热器和再热器管壁温度计算的一种新方法[J].动力工程学报，2015(2)：1-4.
[2]周响，王学生，门启明，等.水箱自然对流条件下非能动余热排出换热器的传热分析[J].华东理工大学学报，2015，41(1)：118-124.
论文作者:孙磊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
标签：锅炉论文; 烟气论文; 过热器论文; 炉膛论文; 管壁论文; 负荷论文; 温度论文; 《电力设备》2019年第2期论文;