超臨界機(jī)組鍋爐壽命管理技術(shù)研究

??????? 摘要

???????本文根據(jù)超臨界1000MW機(jī)組鍋爐的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合鍋爐材料特性，在線動(dòng)態(tài)評(píng)估鍋爐高溫爐管和高溫部件的使用狀態(tài)和剩余壽命，為運(yùn)行和檢修提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)，可有效減少鍋爐管泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和可靠性。

??????? 引言

　　華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機(jī)組于2007年投運(yùn)，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)日本三菱重工技術(shù)制造，采用II型布置，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁。主蒸汽參數(shù)為27.56MPa/605℃/603℃。本文根據(jù)超超臨界1000MW機(jī)組鍋爐的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合鍋爐材料特性，在線動(dòng)態(tài)評(píng)估鍋爐高溫爐管和高溫部件的使用狀態(tài)和剩余壽命，為運(yùn)行和檢修提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)，可有效減少鍋爐管泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和可靠性。

　　一、關(guān)鍵技術(shù)研究

　　1.1建立新型耐熱鋼性能數(shù)據(jù)庫(kù)

　　華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機(jī)組鍋爐大量采用高等級(jí)的新型耐熱鋼，如末級(jí)過熱器集箱、主蒸汽管道材料為P122，末級(jí)再熱器集箱、熱段再熱蒸汽管道材料為P91，過熱器和再熱器則大量采用Su-per304H和HR3C，其中Super304H、HR3C、P92、P122等為國(guó)內(nèi)電站首次使用材料。為了開發(fā)鍋爐壽命評(píng)估模型，建立了所用材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)Su-per304H、HR3C、P92、P122、P91等材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、物理性能等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析。

　　1.2高溫受熱面爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布

　　鍋爐雙切圓燃燒方式使各受熱面的溫度場(chǎng)與正常切圓燃燒鍋爐受熱面溫度場(chǎng)相比發(fā)生了較大變化，并且由于爐管壁溫測(cè)點(diǎn)均裝在爐外，所測(cè)壁溫與爐內(nèi)煙氣環(huán)境真實(shí)的管壁溫度差異較大。為了掌握爐內(nèi)受熱面管的實(shí)際金屬壁溫，準(zhǔn)確評(píng)定高溫爐管的壽命，需在爐內(nèi)受熱面管壁上安裝熱電偶，進(jìn)行爐內(nèi)外受熱面管壁溫比對(duì)試驗(yàn)，以此開發(fā)由爐外測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)反推爐內(nèi)受熱面管壁溫的算法。

　　1.3鍋爐動(dòng)態(tài)壽命計(jì)算模型

　　分別對(duì)高溫爐管、聯(lián)箱兩類部件基于蠕變、疲勞、氧化等多種實(shí)際損傷機(jī)理的交互作用進(jìn)行研究，建立鍋爐管和鍋爐部件在線壽命計(jì)算模型，通過實(shí)時(shí)獲取高溫鍋爐管和鍋爐部件的壁溫、壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合部件的尺寸和材質(zhì)等工藝參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度、應(yīng)力等關(guān)鍵狀態(tài)的評(píng)估：

　　(1)通過分析過熱器、再熱器爐內(nèi)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，以蠕變強(qiáng)度為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞強(qiáng)度和氧化速度，開發(fā)鍋爐管壽命評(píng)估模型;

　　(2)通過蠕變損傷和疲勞損傷計(jì)算，開發(fā)高溫聯(lián)箱軸向韌帶、周向韌帶、焊縫和蒸汽管道彎頭等部位的評(píng)估模型;

　　(3)利用壽命預(yù)測(cè)概率分析方法為部件的檢查、維護(hù)、修理及更換提供管理決策依據(jù);

　　(4)分析起停機(jī)、變負(fù)荷以及平穩(wěn)運(yùn)行工況下各部件的壽命影響。

　　1.4高溫鍋爐管內(nèi)壁氧化皮剝落或異物堵塞在線監(jiān)測(cè)模型

　　高溫下運(yùn)行中，爐管內(nèi)壁氧化皮逐漸增厚并形成多層結(jié)構(gòu)，在鍋爐溫度和壓力發(fā)生波動(dòng)變化時(shí)，金屬基體與氧化皮之間將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，氧化皮逐漸剝落，并在下彎頭處堆積，當(dāng)堆積量達(dá)到一定程度嚴(yán)重影響蒸汽流量時(shí)，爐管便會(huì)因?yàn)槌瑴囟选Ｍ瑫r(shí)，鍋爐入口聯(lián)箱中各爐管入口處裝有不同口徑的節(jié)流孔，極易發(fā)生異物堵塞引起超溫爆管。為此，進(jìn)行了實(shí)時(shí)捕獲壁溫?cái)?shù)據(jù)異常特征模型的研發(fā)，起、停和平穩(wěn)運(yùn)行等不同工況下氧化皮剝落傾向的預(yù)測(cè)，鍋爐管異物堵塞風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)及實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警并提供處理建議等。

　　1.5壁溫監(jiān)測(cè)及多級(jí)超限統(tǒng)計(jì)模型

　　超超臨界機(jī)組鍋爐運(yùn)行參數(shù)高，運(yùn)行爐管壁溫接近材質(zhì)的許用溫度，水冷壁瞬時(shí)溫度變化頻繁，加強(qiáng)受熱面的超溫監(jiān)測(cè)和超限管理對(duì)鍋爐安全運(yùn)行十分重要，因此設(shè)計(jì)了以下壁溫監(jiān)測(cè)和管理模型：

　　(1)受熱面壁溫實(shí)時(shí)預(yù)警和超溫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;

　　(2)溫度場(chǎng)分布監(jiān)測(cè);

　　(3)位置壁溫監(jiān)測(cè);

　　(4)多級(jí)超限監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì);

　　(5)運(yùn)行超限考核管理。

　　二、超臨界機(jī)組鍋爐壽命管理系統(tǒng)

　　在超超臨界機(jī)組鍋爐狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型、壽命評(píng)估模型、材料數(shù)據(jù)庫(kù)、氧化皮脫落預(yù)測(cè)模型等研究基礎(chǔ)上，結(jié)合華能玉環(huán)電廠的具體生產(chǎn)管理需求，開發(fā)了超超臨界機(jī)組鍋爐壽命管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐管和鍋爐部件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理。

　　(l)基于電廠現(xiàn)有SIS和MIS平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu);

　　(2)開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的超超臨界機(jī)組鍋爐管壽命管理系統(tǒng)，評(píng)估對(duì)象包括二級(jí)過熱器、三級(jí)過熱器、四級(jí)過熱器和二級(jí)再熱器;

　　(3)開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的超超臨界機(jī)組鍋爐部件壽命管理系統(tǒng)，評(píng)估對(duì)象包括三級(jí)過熱器出口聯(lián)箱、四級(jí)過熱器出口聯(lián)箱、二級(jí)再熱器出口聯(lián)箱、主蒸汽管道、熱段再熱蒸汽管道。

　　超超臨界機(jī)組鍋爐壽命管理系統(tǒng)主要包括以下4大功能模塊：

(1)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)佑通過實(shí)時(shí)獲取高溫部件的溫度、壓力、負(fù)荷等基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)，在線監(jiān)測(cè)及評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

　　其包括超溫風(fēng)險(xiǎn)、蠕變損傷與疲勞損傷及當(dāng)量金屬溫度、應(yīng)力的監(jiān)測(cè)與管理。

　　(2)氧化皮脫落風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)根據(jù)不同材料氧化規(guī)律，獲取不銹鋼、低合金鋼等材料的氧化統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，通過鍋爐管內(nèi)壁氧化皮應(yīng)變和壁溫的跟蹤監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)氧化皮脫落風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和異物堵塞風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)。其包括：氧化皮(異物)堵塞和氧化皮脫落風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

　　(3)設(shè)備壽命評(píng)估依據(jù)設(shè)備狀態(tài)(溫度、應(yīng)力)的評(píng)估結(jié)果，綜合分析設(shè)備氧化、蠕變、疲勞、材料老化等關(guān)鍵因素對(duì)壽命的影響，預(yù)測(cè)設(shè)備殘余壽命。其包括：氧化壽命、蠕變壽命和疲勞壽命預(yù)測(cè)與管理，管排殘余壽命概率分布曲線和爐管殘余壽命報(bào)警及統(tǒng)計(jì)。

　　(4)設(shè)備信.息管理對(duì)高溫設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢驗(yàn)、維修、經(jīng)濟(jì)性等方面的信息進(jìn)行管理，提供設(shè)備綜合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果，提供檢驗(yàn)與維修決策建議。其包括失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與管理，失效原因分析與統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)、測(cè)點(diǎn)信息管理，維修、更換及檢驗(yàn)建議。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　??? 該系統(tǒng)已在華能玉環(huán)電廠4臺(tái)機(jī)組上投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能有效減少鍋爐超溫超壓運(yùn)行，降低爐管泄漏風(fēng)險(xiǎn)。