一种减少锅炉水冷壁横向裂纹发生的方法

摘要

本发明涉及一种减少锅炉水冷壁横向裂纹发生的方法，进行至少一次从壁温监测到孔径扩大的操作：在锅炉及其水冷壁运行时，对四面水冷壁墙及各墙的水冷壁管的温度分别进行监测；根据测得的温度数据，绘制表现西面水冷壁墙中各水冷壁管温度分布的热偏差曲线，判断是否存在处于超温区域的水冷壁管；对与超温区域的水冷壁管对应的节流孔的孔径进行扩大；其中，在执行完任意一次操作的孔径扩大后，执行下一次操作的壁温监测及超温判断，并在判断仍存在处于超温区域的水冷壁管时，继续对仍存在处于超温区域的水冷壁管的对应节流孔孔径进行扩大。本发明大幅度降低水冷壁横向裂纹的发生面积和概率，提升了水冷壁的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及锅炉水冷壁领域，特别涉及一种减少锅炉水冷壁横向裂纹发生的方法。

背景技术

目前有一种4×660MW超超临界机组，使用4台HG-2000/26.15-YM3型的超超临界参数变压运行直流锅炉，采用的是П型布置、单炉膛、改进型低NOx PM主燃烧器和MACT型低NOx分级送风燃烧系统、墙式切圆燃烧方式，炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁、带再循环泵的启动系统、一次中间再热。

其中，炉膛水冷壁采用焊接膜式壁、内螺纹管垂直上升式；水冷壁下集箱采用φ219mm的小直径集箱，并将节流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，与集箱端三叉管连接的入口短管采用φ42×9的较粗管子，对其嵌焊入节流孔圈，再通过二次三叉管过渡的结构（如图1所示），与φ28.6的水冷壁管相接，这样节流孔圈的孔径允许采用较大的节流范围，可以保证孔圈有足够的节流能力，按照水平方向各墙的热负荷分配和结构特点，调节各回路水冷壁管中的流量，以保证水冷壁出口工质温度的均匀性，并防止个别受热强烈和结构复杂的回路与管段产生偏离核态沸腾（DNB）和出现壁温不可控制的干涸（DRO）现象。在申请号为201210434106.3的中国专利申请“用于水冷壁系统的三叉管”中，对上述三叉管做了详细描述。

炉膛中间混合集箱位于炉膛水冷壁的中部，当水冷壁管子内的工质流到炉膛中间混合集箱时，可以得到充分的混合，使炉膛中间混合集箱出口工质温度均匀，并使温度偏差带来的热应力减小。炉膛混合器分两级，炉膛一级混合器在前后左右四面墙各设置1个；炉膛二级混合器在四面墙各设置20个。水冷壁管子内的工质从下部水冷壁进入到炉膛中间入口集箱，经过初步混合后通过三通从底部进入到一级混合器中进行混合，一级混合器布置在锅炉和炉膛中心线上，然后通过炉膛二级混合器入口连接管道从底部进入到80个炉膛二级混合器中，经过再次混合后流入到上部水冷壁管屏。

然而，在实际运行后发现这种锅炉的水冷壁处，若干水冷壁管会存在横向裂纹，多位于前墙水冷壁中间集箱下部弯头处和弯头以下部位。类似的锅炉水冷壁横向裂纹泄漏问题，会造成机组被迫停运，影响机组的安全运行。裂纹产生的原因：（1）水冷壁节流孔设计不合理水冷壁温度场不均衡，燃烧热负荷分布与管内介质流量不匹配，造成水冷壁相邻管温度热偏差过大；（2）水冷壁中间联箱部位结构不合理、产生局部热应力；（3）“过热度”波动幅度过大和速率过高，尤其是在工况变动期间更为明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少锅炉水冷壁横向裂纹发生的方法，针对现存问题，通过增加水冷壁温度监视，进行水冷壁入口管道节流孔的改造，降低水冷壁热偏差，改善水冷壁的运行环境，结合燃烧调整等，使水冷壁安全性大幅度提高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种减少锅炉水冷壁横向裂纹发生的方法，进行至少一次从壁温监测到孔径扩大的操作；

其中，每一次操作包含A-C项的过程：

A、在锅炉及其水冷壁运行时，对四面水冷壁墙及各墙的水冷壁管的温度分别进行监测；

B、根据测得的温度数据，绘制表现西面水冷壁墙中各水冷壁管温度分布的热偏差曲线，判断是否存在处于超温区域的水冷壁管；

C、对与超温区域的水冷壁管对应的节流孔的孔径进行扩大；

其中，在执行完任意一次操作的C项之后，执行下一次操作的A-B项，并在判断仍存在处于超温区域的水冷壁管时，继续执行所述下一次操作的C项；

任意一次操作中被判断为处于超温区域的水冷壁管，是指符合以下任意一种情况或同时符合以下多种情况：

测得的水冷壁温度高点超过为其设定的第一阈值时，具有温度最高点的水冷壁管处于超温区域；

测得的水冷壁温度变化速率超过为其设定的第二阈值时，与超过第二阈值所在范围对应的水冷壁管处于超温区域；

测得的水冷壁温度最大波动幅度超过为其设定的第三阈值时，与超过第三阈值所在范围对应的水冷壁管处于超温区域；

测得的水冷壁管温度大于所在水冷壁墙平均温度的数值，超过为该数值设定的第四阈值时，测得温度大于所在水冷壁墙平均温度的水冷壁管处于超温区域。

优选地，对水冷壁的前墙和后墙之中平均温度更高的一面水冷壁墙上处于超温区域的水冷壁管进行对应节流孔孔径的扩大。

优选地，当水冷壁的左墙和右墙之中任意一面水冷壁墙上存在处于超温区域的水冷壁管时，对该面水冷壁墙上处于超温区域的水冷壁管及在对面水冷壁墙上与超温区域位置对应的水冷壁管均进行对应节流孔孔径的扩大。

优选地，将任意一次操作中被判断为处于超温区域的水冷壁管分入第一区，在第一区内进一步划分第二区；

将这一次操作的监测中，水冷壁温度最高点所在的水冷壁墙称为第一墙面；将第一墙面的水冷壁温度首次同时超过其他各墙面的水冷壁温度时第一墙面对应的水冷壁管作为第二区始端的水冷壁管；第二区末端的水冷壁管与第二区末端的水冷壁管相同；

对第二区内处于超温区域的水冷壁管的对应节流孔孔径进行扩大。

优选地，当监测以不同标高同时进入混合器的任意两个相邻水冷壁管的温差超过为其设定的第五阈值时，执行至少一次所述操作。

优选地，第一阈值为440℃；

第二阈值为10～20℃/min或20℃以上；

第三阈值为100℃；

第四阈值为40℃；

所述第五阈值为50℃。

优选地，节流孔孔径扩大之后的锅炉运行时，控制二次风箱差压为1.0kpa。

优选地，节流孔孔径扩大之后的锅炉运行时，控制分离器出口温度变化率为2℃/min。

综上所述，本发明所述减少锅炉水冷壁横向裂纹发生的方法，通过改造节流孔，水冷壁温度分布明显趋于平缓，水冷壁温度沿炉墙宽度方向分布偏差明显减小。通过燃烧调整试验，改善燃烧工况，均衡炉内燃烧，使参数控制更趋于合理。增加分离器出口温度变化速率和过热度变化速率2℃/min监控参数，预判水冷壁温度变化趋势和速度，使运行人员能够提前做出调整。组织开展受热面防磨防爆检查并提前上水查漏，及时发现水冷壁漏点进行处理，一定程度上控制了水冷壁在运行中发生泄漏的概率。通过全面的治理工作水冷壁安全性得到大幅度的提高，大幅度降低水冷壁横向裂纹的发生面积和概率。

附图说明

图1是三叉管结构的示意图；

图2是示例的水冷壁热偏差曲线；

图3是水冷壁管进入混合器结构的示意图；

图4是左墙水冷壁节流孔改造前后的温度比对图；

图5是本发明所述方法中一个具体示例的实施流程示意图。

具体实施方式

下文以HG-2000/26.15-YM3型锅炉的水冷壁为例，说明本发明所述减少锅炉水冷壁横向裂纹发生的方法。

根据对水冷壁裂纹原因的分析，本发明中对水冷壁运行状态进行监测，通过对水冷壁运行壁温数据分析发现，运行中水冷壁金属不定期出现短时间超温和大幅温度波动现象，并且两种现象几乎同时出现。

图2所示的曲线，是温度监测后用以分析水冷壁热偏差的一个具体示例，前后左右四面墙的水冷壁温度均呈现“双波峰”状态分布：该示例中，锅炉水冷壁各墙的第50-150根管处，附近温度偏高，比平均温度高出60℃以上；特别是右墙温度偏高比较明显，工况变化时该部位超温几率较高，则会由于温度偏高导致局部应力较大。并且，前墙和左墙的水冷壁平均温度也高于后墙和右墙。对于水冷壁质量流速设计相同的左右墙来说，左墙水冷壁平均温度高说明炉内火焰存在一定偏斜，偏向左侧。因而，后续将对前左右墙的水冷壁管进行改造。

从水冷壁温度随时间波动的情况看，每面墙的温度变化趋势基本是一致的，但是波动幅度不尽相同。第168根管后面波动幅度小，波动幅度仅10℃ 左右；第74至106根波动幅度大，波动幅度为40至50℃，个别工况波动甚至达到100℃。相同时间内温度波动幅度不同，会造成管束之间膨胀存在差异，形成热应力反复拉扯造成水冷壁管热疲劳。

裂纹通常就集中产生在位于超温区域的水冷壁管处（本例中对应各墙的第50-150根管，尤其是右墙的这些位置）。为此，本发明需对水冷壁温度及其变化进行监测，查找出处在超温区域的水冷壁管进行改造：如，水冷壁温度在部分时间内大幅、快速波动，温度高点可能超过500℃，且温度升高后快速下降的情况。如超温工况下水冷壁温度变化速率较高，达到10～20℃/min甚至更高的情况；并且，多数超温过程中都伴随高温升速率。如根据计算短时间内部分水冷壁温升速率达到20℃/min，且最大波动幅度为140℃的情况。

如图3所示，当前水冷壁管进入混合器的结构存在问题：水冷壁管在中间集箱进入混合器不是在同一标高同时进入，进入混合器有高度差，每相邻2根管，一根已经经过混合，另一根没有经过混合。则在水冷壁50-150根管区域内，相邻两根管的温差很大，推算超过50℃，由于两根管膨胀不相同造成相互拉应力，在机组启停或升降负荷时，相互拉应力更大，拉应力反复拉扯造成水冷壁管疲劳，水冷壁中间联箱下部弯头处是横向裂纹缺陷发现较多部位。则，本发明可在水冷壁管监测每两个相邻管的温差超过设定值（如50℃）的情况下进行改造。

当前水冷壁节流孔的设计不合理：水冷壁入口节流孔需按照水平方向各墙的热负荷分配和结构特点，调节各回路水冷壁管中的流量，以保证水冷壁出口工质温度的均匀性，炉墙按不同区域安装的节流孔孔径大小不相同。然而从本例所示锅炉水冷壁运行的实际温度来看，水冷壁四面墙的水冷壁温度均呈现“双波峰”状态分布，水冷壁第50-150根管附近温度偏高，比平均温度高出60℃以上，明显反应出水冷壁第50-150根管相对应的节流孔孔径设计偏小，造成水冷壁管流量不足，冷却效果差。

对此，本发明需调整锅炉水冷壁的节流孔孔径。本例中进一步选择前左右三面墙上逆时针数的第24至37个节流孔，与各墙的第93至148根管相对应（第93根管基本对应于第一个波峰附近，温度最高点所在右墙温度超过其他各墙时的水冷壁管）。节流孔孔径的改造情况如下：

（1）前墙左数：第24至37个节流孔原设计孔圈孔径为11mm，重新改造后的孔圈孔径为12.5mm。

（2）左墙后数：第24至30个节流孔原设计孔圈孔径为9mm，重新改造后的孔圈孔径为10.5mm；31至37个节流孔原设计孔圈孔径为9mm，重新改造后的孔圈孔径11mm。

（3）右墙前数：第24至30个节流孔原设计孔圈孔径为9mm，重新改造后的孔圈孔径为10.5mm；31至37个节流孔原设计孔圈孔径为9mm，重新改造后的孔圈孔径为11mm。

在上述改造之后运行发现，水冷壁超温区域会发生变化，重新绘制冷壁热偏差的曲线；新的曲线中发现经改造的第93至148根管的温度明显下降，然而将导致第74至92根管的温度明显偏高，个别璧温超过470℃；为此，进一步对水冷壁管前左右三墙上逆时针数第18至23个节流孔的孔径进行调整，对应于各墙的第69至92根管（第69根管基本对应于重新绘制的曲线中温度最高点所在这一面墙的壁温超过其他各墙壁温时的位置）。改造情况如下：

（1）前墙左数：第18至23个节流孔原设计孔圈孔径为11mm，重新改造后的孔圈孔径为12.5mm。

（2）左墙后数：第18至23个节流孔原设计孔圈孔径为9mm，重新改造后的孔圈孔径为10mm。

（3）右墙前数：第24至30个节流孔原设计孔圈孔径为8.5mm，重新改造后的孔圈孔径为10mm。

通过第二次的水冷壁节流孔改造后，水冷壁温度分布明显趋于平缓，水冷壁温度沿炉墙宽度方向分布偏差明显减小。控制最高点不超过440℃，最高点与平均值只差在40℃之内。本例中改造前后最高管壁温度110从469℃降到422℃。图4中示出左墙节流孔改造前后的温度对比，改造后温度分布平缓，其中第96至146管的温度明显降低。

如图5所示，本发明所述方法， 即需要执行至少一次壁温监测至孔径扩大的操作：在水冷壁运行时进行温度监测，绘制水冷壁热偏差曲线，并对上文所述若干数据是否超出各自设定阈值进行判断，确定需改造的墙及其中的水冷壁管，对相应的节流孔孔径进行扩大。每次操作后，继续监测温度，判断是否不再出现超温区域，及温度最高点数值及其与平均值的差值是否满足相应设定阈值；若根据新绘制的曲线判断没有超温区域，且最高点及差值等不超出各自阈值，则不再执行孔径改造；否则，根据这一次监测得出的超温区域，对相应节流孔进行改造。

此外， 本发明中还需进一步做好水冷壁热偏差运行调节控制：通过控制二次风箱的差压，例如：提高二次风箱差压到1.0kpa左右，提高炉膛的充满度，这样水冷壁的受热将进一步均匀，可有效降低相邻水冷壁管之间的温差，减弱由于两根管膨胀不相同造成相互拉应力，达到控制水冷壁管疲劳裂纹平发的目的。

加强水冷壁温度控制，通过将分离器出口温度变化率纳入考核指标，控制升降负荷和加减煤的速度将分离器出口温度变化率控制在2℃/min，使水冷壁温度保持平稳，减弱水冷壁热疲劳的幅度和频率，通过控制燃料量变化率等手段，严格控制机组启停过程中分离器出口温度变化率控制在2℃/min，禁止锅炉强冷、快冷。结合进行一次风调平、二次风量标定、二次风小风门冷态调整试验，热态燃烧调整试验来合理分配氧量，控制入炉煤硫份，以减轻水冷壁高温腐蚀的发生。通过上述方法对燃烧方式进行调节，同时对锅炉进行合理配煤，使之符合锅炉运行要求，防止裂纹的产生。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。