【摘要】某电厂超临界锅炉水冷壁同时发生后墙垂直段管两处爆管故障，经分析，认为爆管原因为锅炉升负荷过程中，水系统循环不良，形成了短时过热爆管，并提出改进建议及预防措施。
关键词：水冷壁；爆管；水循环
前言
某电厂660MW超临界机组配套锅炉为哈尔滨锅炉厂生产，一次中间再热、单炉膛、平衡通风、全封闭布置、固态排渣、全钢构架结构、三分仓回转式空预器、超临界变压运行螺旋管圈加垂直管直流燃煤锅炉，型号为：HG-2210/25.4-YM16；锅炉于2011年投产，2018年5月进行第二次大修，机组在大修后并网升负荷过程中，发生了锅炉水冷壁爆管故障，造成机组停运，爆管位置在水冷壁后墙垂直管段，同时发生两根管爆裂，专业人员对爆管进行分析处理。
一、水冷壁爆管位置特征
（一）爆管位置
超临界锅炉水冷壁由上下两部分组成，标高46M以下为内螺纹螺旋管（规格Ф38х7.3，15CrMoG），上部为垂直水冷壁管段（光管Ф31.8х6.2，15CrMoG），中间有水冷壁中间集箱连接，锅炉后墙螺旋水冷壁管共计116根，从上部均匀垂直插入水冷壁中间集箱（Φ219×60mm）（见示图1），水冷壁垂直管从中间集箱前后两侧接出，其中：外圈114根，内圈232根，出口共计346根管；爆管位置在锅炉后墙标高约50M处，左数第52和100排，同时发生两处爆管。
图1后墙水冷壁垂直段示图
（二）爆管外观形貌特征
52和100排两处爆口类似，外观形貌见图2：爆口在向火侧，呈不规则菱形状（纺锤形），大小分别为81*32mm和63*25mm，内壁光洁，管段略有胀粗，其管壁边缘明显减薄，仔细观察爆口内外部，未见有较厚氧化皮、裂纹、磨损、腐蚀等痕迹，爆管附近管有爆口吹损痕迹。从外观特征看，是典型的短时超温爆管的爆口。
图2 52和100排爆口外观图
二、爆管的取样试验检查
（一）对爆破管进行取样，材质鉴定，光谱复核，试验结果为 Cr、Mo，与设计材质相符。
（二）对泄漏管段取样做材料性能试验，数据见下表：
（三）对爆管段不同位置进行金相试验，结果见下表：
图3 52排爆口处下方0.5m处金相组织 (500×) 图4 100排爆口下方0.3m 金相组织 (500×)
（四）试验分析：爆管为原始安装管段，规格、材质与设计相符，组织及性能都没有异常，管材无磨损、腐蚀、老化现象，爆口形状特征呈现为短时超温爆口的特征。推断为管内汽水不畅，管壁温度短时期升高造成的爆管。
三、爆管原因分析
（一）爆管处设备结构：水冷壁垂直管是从后墙中间集箱前后两侧接出，其中：外圈114根，内圈232根，如图示1垂直管在中间集箱出口段各自有3段90°弯头，转为直管后垂直上升进入水冷壁后墙出口集箱（Φ273×65mm）长度5069mm，出口集箱用86根Φ63.5×14mm的后水冷壁悬吊管与水冷壁上联箱连接。此次爆管的52排管和100排管均为外圈管，与内圈管比，管长要长约1米，水循环略差于内圈管。
（二）堵管可能性分析：爆管区域为后墙水冷壁垂直管，该区域在大修防磨防爆检查中，未发现有磨损、腐蚀、冲刷等痕迹，未做任何处理。管道或联箱内，不会有杂物遗留，爆管后割管内窥镜检查，均未发现有任何杂物遗存物，管内清洁，产生堵管可能性不大。
（三）运行工况分析
爆管发生在机组并网后升负荷过程中，实时主汽压力22.07MPA，主汽流量1779t/h，主给水流量2014t/h，燃料量270t/h，过热度25℃左右，引风机开度83%，两台小机全部开启，机组负荷520MW。
调看启动过程运行参数，有个别水冷壁温点偏差大，但不超标，水冷壁过热度有偏高现象，其他无异常。由于后墙水冷壁垂直段未装温度测点，超温情况无法监视。
（四）炉内燃烧工况分析
检修后期，#2锅炉进行冷态动力场试验，对主燃烧器倾角检查、附加风水平偏转角检查和风门特性试验、一次风调平和二次风调平试验。当同层附加风开度一致时，同层风速的最大偏差均约为15m/s，造成消旋能力降低。4层附加风同层风门开度的偏差均在20%左右，用风控制精准性差。升温调整中，炉膛后墙中上区域的空气动力场状况较混乱，燃烧环境不理想。
（五）水冷壁水动力特性分析
直流锅炉低负荷变压运行时，水冷壁管内工质都处于汽、液两相流动状态。随着汽相份额增大，汽水混合物密度减小，流速增大，流动阻力减小，流量和压差呈现三次方的关系。后墙垂直管屏由于管子受热强度不同，汽相份额不同，各管段流速不同，但是管屏进出口联箱之间的压差不变，造成工质流速混乱，容易出现部分管段停滞和倒流现象，使管子冷却不良，引起传热恶化，导致的短时超温爆管。同时垂直管屏为光管，抵抗膜态沸腾的能力较差， 一旦出现工质滞流，管子很容易处于危险的工作状态。
锅炉在升温升压过程中，过热度是反应的是汽水饱和程度， 爆管发生时，工质的过热度为25.97℃左右，比表1正常的启动过程过热度偏高较大，说明了加热温度与气温升速的不匹配关系，加剧了后墙垂直水冷壁管子水循环恶化的风险。
表1 后墙垂直水冷壁管内工质过热度
（六）综合分析
两处爆管位置均处在#2角主燃烧器正上方13901mm和SOFA燃烧器右上方7985mm处，靠近炉膛出口处，热负荷较高，且空气动力场较乱，在升负荷过程中，增强了后墙垂直管段水冷壁加热的不均匀性。
在锅炉升温升压中，后墙垂直管段水冷壁内工质处于汽液两相流，加热温度的不均，流速的不均，升温速度变大，过热度的偏高，造成水动力不稳定，水循环不良，导致管内传热恶化，造成爆管故障。
四、结论
此次锅炉爆管主要原因为：锅炉升温升压过程中，后墙垂直水冷壁管受内外因素的影响，部分管段汽水滞留，局部严重超温，形成了短时过热爆管。
五、处理措施及建议
1、停炉检修期间，对爆管及吹损管进行更换处理，并逐根内窥检查，保证内部洁净。
2、对后墙垂直水冷壁第52、100、150、200、250、300根管，加装壁温测点，进行壁温监视。
3、建议机组启动升温升压操作时，注意燃烧调整和汽水系统过热度的控制，通过水煤比、烟气挡板等控制手段，实现受热面汽水系统温度均匀，防止受热面局部超温爆管。
4、判断锅炉受热面发生泄漏后，应积极采取降负荷和停炉的措施，避免受热面泄漏造成的相邻管间相互的吹损破坏，使事故扩大化。
参考文献：
1、周强泰.编著《锅炉原理》.北京 中国电力出版社2009-9-1.
2、王为术著.超（超）临界锅炉内螺纹水冷壁管流动传热与水动力特性.北京 中国电力出版社2012-8-1.
论文作者:贺卫国,高翔,王建
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/18
标签：水冷论文; 锅炉论文; 工质论文; 内圈论文; 负荷论文; 热度论文; 汽水论文; 《电力设备》2019年第8期论文;