高温再热器管壁超温原因分析

   某热电公司3、4号锅炉自投产以来，其主要性能参数均能达到设计要求，运行情况良好，但高温再热器出口管组的管壁温度一直存在着超温现象，严重影响机组的安全运行。为此，针对3、4号锅炉高温再热器现场检查情况，进行了试验研究，分析了造成管壁超温的原因，提出了初步的解决措施。
1　设备概况
    该公司总装机容量1200MW，其中3、4号锅炉为北京巴威公司生产制造的B&WB-1025/18.3-M型锅炉。锅炉为露天布置，平衡通风，中间再热，亚临界参数自然循环锅炉，设计使用煤种为山西阳泉无烟煤，采用钢球磨中间储仓式热风送粉系统，W型火焰燃烧方式，前后墙各布置8个B&W公司标准的EI-XCL型旋流燃烧器。
    锅炉炉膛由膜式水冷壁构成，炉膛上部布置屏式过热器，炉膛折焰角上方布置二级过热器，在水平烟道二级过热器后部布置水平再热器，尾部竖井烟道由中隔墙分成前后两个烟道，前部布置水平再热器，后部为一级过热器和省煤器，在分烟道底部设置了烟气调节挡板装置，用来分流烟气量，以保持控制负荷范围内的再热蒸汽出口温度。烟气通过调节挡板后又汇集在一起，经两个尾部烟道引入左右各一的回转式空气预热器。
再热器来汽和回汽布置形式为双进双出方式，再热器流程为：从高压缸排出的蒸汽经由两根φ558.8×16.66的蒸汽管道引入再热器进口集箱，先通过布置在尾部竖井前部的4个水平管组，然后经过渡管组进入垂直管组，最后汇集到再热器出口集箱，由两端引出。紧急喷水减温器布置在锅炉两侧的再热蒸汽入口管道内。再热器水平管组3管圈并绕，沿炉宽布置186片，过渡管组6管圈并经沿炉宽93片，与垂直管组相对应。出口垂直管组有四种材质分别为12Cr1MoV、SA-213T22、SA-213T91、SA-213TP304H。
2　现场设备状况
    该公司为有效实时监测锅炉受热面管壁温度，将壁温实时监测传输到公司MIS网，从而发现3、4号炉高温再热器出口管壁超温频繁，持续时间长，且幅度较大，沿炉膛宽度方向，两侧管排与中间管排壁温差值在100--150℃之间,超温管子主要集中于锅炉中部。在3、4号炉停机时对受热面进行现场详细检查：
  （1）3号锅炉高温再热器出口管排第38、39、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56排第1根氧化皮较明显。在3号锅炉大修期间，对氧化皮较重的管子（材质为SA-213T22）送国电热工研究院进行实验室分析，向火面强度参数为445-450Mpa, 背火面强度参数为495-500Mpa,强度参数正常值为510Mpa，强度明显下降；材料韧性也明显下降。
  （2） 4号锅炉高温再热器出口管排第20--68排第一根管均出现氧化皮和变色现象，对第50、51排第1根进行了割管取样（材质均为SA-213T22），送省电科院进行检验，结果如下：机械性能结果：第50、51排第1根管向火面σS（屈服强度）均低于ASTMA213-85的下限，第50排第1根管向火面σb（抗拉强度）已接近下限，第51排第1根管向火面σb已低于下限，背火面σS已接近下限。标准见下表：
执行标准标准值σS标准值σb备注
ASTMA213-85≥205≥415SA-213T22
3　管壁超温原因分析
    引起高温再热器超温的原因较复杂，它与锅炉的燃烧调整、再热器系统结构布置、管材的选用和运行操作等因素有关。
3.1　锅炉燃烧调整对管壁温度的影响
    该公司为了揭示再热器管壁超温现象，获得超温原因，在2003年3号锅炉大修时，委托国电热工研究院做了再热器壁温试验，通过安装于炉内、炉外壁温测点分析锅炉在启动过程中及不同运行工况下再热器壁温状况。
  （1）管壁超温与燃烧器投运方式有关。试验中，对不同的工况投运不同的燃烧器，再热器管壁温度的变化相差很大。启动过程中，当投运燃烧器过分集中，燃料增加太快时，炉内中部再热器管壁温度上升明显，可达680℃。机组负荷低于260MW时，若投运燃烧器集中于中部，炉内中部再热器管壁温可达到600-660℃；若减少中部燃烧器投运数量，增加两侧的燃烧器数量，再热器管壁温度可下降约40℃，缓解再热器超温。但在机组负荷较高时，由于16只燃烧器全投，没有有效的调节手段来调节再热器壁温，发生管壁超温。
  （2）对比测点位置，安装测点的炉外再热器壁温比炉内壁温低38-78℃。炉外壁温尚属正常时，炉内再热器管外壁温已经达到甚至超过T22材料壁温上限。实际运行中，由于壁温测点安装在炉外，运行调整以炉外的壁温测点为依据进行调整。
3.2　再热器系统结构布置对壁温的影响
    W型燃烧火焰锅炉沿炉膛宽度热负荷分布不均匀，中间热负荷高于两侧，再热器结构布置上为双进双出的H型布置，设计上讲是合理的，但与炉膛热负荷分布相对应时，却加剧了炉膛热负荷分布的不均匀性：两侧管排蒸汽流速快，换热快，中间管排蒸汽流速慢，换热慢，与炉两侧烟温低，中间烟温高相互作用，使炉膛中部烟温更高。再热器管排设计上沿介质流动方向无中间联箱使蒸汽混合或交叉，会使低温段再热器和高温段再热器各自的热偏差形成叠加，加剧了管排间热偏差。再热器管排设计上沿炉膛宽度方向未考虑热负荷偏差和流量偏差。
3.3　再热器管材选用不合适
管材SA213-T22的推荐使用温度≤590℃。北京巴威公司设计计算高温再热器最高壁温为599℃，在运行中实测表明：炉外465～585℃，炉内(试验装测点)560～612℃。在锅炉启动时，再热器无冷却汽源，壁温(炉外)往往高于600℃，甚至达620℃以上，高温再热器采用SA213-T22是不合适的。
3.4　其它
    由于目前电煤市场紧张，燃烧的煤质达不到设计煤种，煤质较差，灰分增加，也导致再热器壁温明显增加。
4　防止超温的措施
    从上述分析可看出，锅炉燃烧调整只能缓解再热器管壁超温，不能彻底解决。要解决管壁超温问题，重在考虑改善再热器管内蒸汽流量分配、提高管材等级等方案。
4.1　改进系统结构设计，减小热偏差
    在低温再热器和高温再热器之间增设混合联箱，进行左右交叉，并在中间管排管口上增加节流孔。按照理论分析，采取该项措施后，可大大减小管屏间的热偏差，从而减小管子的壁温偏差，降低中间管排壁温。
4.2　提高管材等级
    再热器运行压力低，在未改善管内蒸汽流量分配的前提下，用抗氧化温度更高的材料来代换T22材料是必要的。首选的材料是SA231—T91，它的抗氧化温度上限为650℃，主要用于电站锅炉过热器、再热器管。其主要特点是高温持久性能、蠕变性能优异，冲击韧性好，用于金属壁温≤625℃的高温过热器和金属壁温≤650℃的高温再热器管排及超临界锅炉高温集箱和主蒸汽管道；具有良好的冷加工性能和传热性能。高一档材料是SA213—TP304H，它的抗氧化温度上限为704℃，但其成本更高。就现阶段来看，提高管材等级，采用抗氧化温度更高的材料，是防止高温再热器超温的最直接而有效的措施。阳光公司已对3、4号炉氧化严重的部分管子更换为SA213—TP304H管材，目前运行良好。
综上所述，引起高温再热器管壁超温的原因诸多，还需要从再热器的结构设计、管材的选用、运行操作调整等多方面综合考虑，方能彻底解决再热器管壁超温，保障锅炉的安全可靠运行。