运行因素造成的过热器爆管原因案例分析

案例一:由于控制不当偏离设计工况引起的爆管

   一、概述

    某发电厂装有2台俄罗斯制造的5ooMW超临界机组。该机组由波道尔斯克锅炉厂(IIK3)生产的IIII -1650 -25 -545bT CII一78)型锅炉和列宁格勒重型机器厂(JIM3) 生产的K一500一240型汽轮发电机组配套组成。

    IIK3的500MW超临界直流锅炉原设计燃用烟煤，II - 78型是以我国褐煤为设计煤种的燃褐煤锅炉(单炉膛，T形布置)，采用风扇磨直吹式制粉系统，八角切圆燃烧方式。首台锅炉自1998年8月试运以来，一级屏式过热器多次发生超温爆管事故，爆管部位多发生在右侧烟道一级屏式过热器距顶棚3~5m标高处，负荷在350MW以上。此外，进炉膛检查时发现，一级屏式过热器的管屏和同屏中的一些管子变形严重。

图3 -72给出了炉膛出口水平烟道和尾部对流竖井中受热面的布置情况。由图3 -72可见，一级屏式过热器位于水平烟道中费斯顿-I和三级屏式过热器之间。

从水冷壁上辐射区来的蒸汽，依次流经一级对流过热器、主蒸汽一级减温器、一级屏式过热器、二级屏式过热器、主蒸汽二级减温器、三级屏式过热器和二级对流过热器进入锅炉主蒸汽管道。一级屏式过热器为垂直单回路顺流布置，在左右两侧烟道各有30屏，每屏由14根U形管组成，管径为32mm ,壁厚为6mm，节距为576mm/38mm，管材为12Cr1MoV。表3-34给出了一级屏式过热器的主要热力特性。

二、爆管事故属性

从爆管外貌特性来看，破口呈喇叭口张开形，边缘减薄显著，管子除破口处以外没有胀粗，断裂口为塑性，属“短期过热”特性。

在接近破口边缘、背火处分别取样进行显微组织分析，结果发现除破口边缘显微组织为不完全重结晶形态外，其余均为12Cr1MoV钢铁素体加珠光体组织形态，而且在破口边缘还清楚地显现出破裂前剧烈塑变的组织纤维被拉伸伸长，方向与破口几乎垂直，即与主应力大体平行的走向，故显微组织也具有“短期过热”形态。

为了验证管壁超温现象，在一级屏式过热器爆管位置上安装了6点炉内壁温测点。壁温是将铠装热点偶用一小压块压在管壁上测量的，尽管存在一定的误差，但仍可明显反映出壁温随负荷增高而增高的趋势(如图3 - 73所示)，而且在70%负荷以上，壁温超过了管材的极限使用温度。

三、事故原因

由于爆管事故发生在机组投运初期，因而自然首先想到管内是否有杂物堵塞和运行控制不当偏离设计工况的问题。通过对7个管屏割管检查表明，管内无杂质，可以排除堵塞造成管壁超温这一因素。从一级屏式过热器的设计特性来看，在额定负荷下入口烟温为950℃，由于入口工质温度(448℃)较低，质量流速[1400kg/(m2.s)〕比较高，所以采用12Cr1MoV管材应该是安全的。但是由于运行控制不当，炉膛烟温分布偏离了设计工况。表3 - 35给出了锅炉汽水系统各节点的运行参考和设计参数的对比情况。

由表3-35可知，水冷壁出口内置阀前的工质温度，运行值明显低于设计值，说明水冷壁的吸热量偏小，而过热器的吸热量偏大，造成这种现象的主要原因是燃烧中心偏高，引起高比热区相变点向过热区域推移。此外，水冷壁下辐射区出口工质温度运行也低于设计值，该点温度是煤水比控制点，该点温度偏低说明给水流量偏大，是造成相变点后移的主要原因。

图3-74给出了超临界压力相变点的变动情况。从设计参数来看，在7000^-10000负荷范围内，炉膛水冷壁的运行压力为26~30MPa、由图3-74可知，与此相对应的相变点温度为390~410℃，亦即水冷壁上辐射区已处于过热段。从1998年9月7日的运行记录来看，一级屏式过热器在70%负荷下的工质入口温度仅为394℃，即相变点进入到一级屏式过热器，致使一级对流过热器和一级屏式过热器。”进水“，这是造成一级屏式过热器超温爆管事故的直接原因。从一级屏式过热器管屏和同屏中一些管子的严重变形也可以证实这一点。此外，由于蒸发受热面吸热量少，过热器进口温度偏低，致使出口汽温达不到设计值。

由于是“水塞”造成的爆管，所以有些爆管发生在一级屏式过热器的进口段，这里工质温度虽然较低，但入口烟温高。与国产大容量煤粉锅炉过热器、再热器爆管通常发生在下弯头处不同的是，一级屏式过热器的爆管均发生在距顶棚3~3. 5m标高处。这主要与水平烟道入口折焰角的设计有关，国产锅炉的倾角一般为30°，本炉为45°，所以炉膛上升气流转入水平烟道后偏向上部，即水平烟道中上部热负荷比下部高。

此外，爆管事故均发生在右侧烟道的一级屏式过热器上，而且右侧一级屏式过热器爆管比左侧严重得多，说明T形布置两侧烟道的热负荷分布也是不均匀的，右侧烟道灰斗中的灰量明显大于左侧也证实了这一点。

    综上所述，II -78型锅炉一级屏式过热器超温爆管事故主要是由于控制不当偏离设计工况引起的。在机组投运初期，燃烧系统尚未经过认真调整，飞灰的粒径较粗，含碳量高，煤粉的细度不够，燃烧不良造成火炬拉长燃烧中心抬高。此外，设计采用风扇磨直吹式制粉系统，每台磨与一台四层煤粉赫烧器相配，各层之间的粉量的分配不尽均匀也是爆管的原因之一。