基于大数据分析的电厂锅炉水冷壁失效研究

基于大数据分析的电厂锅炉水冷壁失效研究

王鑫忠

华电新疆哈密煤电开发有限公司

新疆维吾尔自治区  哈密市  839000

摘要：随着国民经济持续快速增长，发电负荷不断增加，电力市场缺电形势越来越严峻。通过研究发现，锅炉“四管”泄漏问题严重影响发电机组的安全经济运行。据不完全统计，作为“四管”之一的水冷壁泄漏问题是造成电厂锅炉泄漏最常见的故障因素。研究其失效具有现实意义。

        关键词：大数据分析；电厂锅炉；水冷壁；爆管；失效原因；研究

             1.电站锅炉水冷壁泄漏原因统计与分析

        由于造成电站锅炉水冷壁爆管的原因众多，现分为以下3类来研究：直接原因、间接原因和根本原因。（1）直接原因。该因素直接造成了水冷壁爆管，例如超温和化学腐蚀等。（2）间接原因。该因素是通过引发直接原因，进而引起爆管事故的，例如局部磨损、热负荷变动工况引起蒸发冷却周期疲劳和结垢堵塞等。（3）根本原因。该原因是引起爆管事故的罪魁祸首，是采取改进措施时需要优先考虑的因素，例如燃料粒度不均及燃烧方式不当、材质不良及结构不当、水质不良和焊接质量不良等。超温和化学腐蚀所占比例最大，说明这是造成水冷壁泄漏的两种最直接的原因，其他泄漏因素往往都是通过超温或者化学腐蚀来发挥作用的。随后是燃料粒度不均及燃烧方式不当和结垢堵塞，前者是通过对水冷壁外壁破坏来发挥作用的，是造成水冷壁泄漏的根本原因之一；后者是通过对水冷壁内壁造成破坏来发挥作用的，是水冷壁泄漏的一个间接原因，其往往由水质原因和焊接质量不良等引起，也会与超温共同作用加速水冷壁的泄漏。由于某些文献中根本原因和间接原因区分不大，所以造成统计的数据中，该两类原因所占比例差别不太大。

        2.电站锅炉水冷壁泄漏主要原因分析和失效机理

        2.1锅炉水冷壁泄漏的根本原因分析。
（1）燃料质量问题及燃烧方式调整不当。燃料质量不良包括燃料中各项成分含量不合格，其会引起水冷壁外壁的化学腐蚀，进而使水冷壁外壁变得薄厚不均，导致其受热不均，不同位置形成的温差就很容易引起水冷壁变形；另外，还包括燃料粒径大小不合格，其会增加飞灰、固体颗粒等燃烧产物对水冷壁外壁的冲刷作用，进而对水冷壁造成磨损腐蚀。水冷壁的变形和磨损又会进一步引起其受热不均，恶性循环，长时间作用下的结局只能是水冷壁泄漏。燃烧调节方式不当一方面造成燃烧不彻底，中间产物会对水冷壁外壁造成腐蚀以及冲刷作用，其影响机理同上面燃料质量不合格的作用机理；另一方面，会引起水冷壁外壁受热不均，不同位置存在温差，进而引起水冷壁变形。（2）水冷壁材料不良以及结构不当。水冷壁本身材料不合格会加速其腐蚀以及应力破裂。水冷壁结构设计不合理，会通过磨损以及受热不均等来威胁水冷壁的寿命。该因素在设计制造之初可以充分考虑，并且机组开始运行后，尽量不要轻易改变其最初设计制造时的很多运行条件。（3）水质不良。水质不良会引起水冷壁内壁的化学腐蚀以及结垢堵塞，进而使水冷壁受热不均，导致变形甚至泄漏。该因素通过严格控制给水各项化学指标来减小其影响。

        2.2水冷壁泄漏的间接原因分析。
（1）局部磨损。局部磨损往往是由燃料质量不良以及燃烧方式不当、结垢堵塞等引起的。其表现方式为：①其物料颗粒具有粒径、浓度和表面硬度比较大等特性，对器壁磨损严重；②运行参数如温度过高和烟气流动过大等，会加速水冷壁的局部磨损；③局部堵塞后，高温蒸汽由于受阻，会加速对管壁冲刷作用；④在有裂口处，蒸汽量瞬间增大，增大其对管壁的冲刷，加速水冷壁管的泄漏。（2）热负荷变动工况蒸发冷却周期疲劳。该因素作用机理为，当炉内局部热负荷过高而造成水冷壁管发生膜态沸腾时，有大量气泡急剧产生而形成汽膜。一旦形成汽膜后，因热导率变低而产生局部过热，随后的瞬间汽膜消除，溶液又流向给水造成急冷。这样急冷急热反复交替，引起管壁温度周期性波动，造成很大的热应力，导致保护膜破坏、腐蚀加剧，使管壁的横向裂纹不断增生和扩展。（3）结垢堵塞。结垢堵塞往往是由燃料燃烧质量不良以及燃烧方式不当和水质不良等原因引起的。另外，水冷壁的异物堵塞和超温过热爆管又是相互影响的。一方面，管子长期超温过热运行，会伴随有涨粗现象，进而结垢堵塞；另一方面，异物堵塞引起管内工质流量减小，从而引起管子短期超温过热，这两种作用持续加剧，就会加剧水冷壁管子爆管。
2.3.水冷壁泄漏的直接原因分析。
（1）超温。引起超温的主要因素为：①电站锅炉由于失控超温导致锅炉过负荷运行，从而引起超温腐蚀；②电站锅炉水冷壁由于管内严重结垢，产生异物堵塞，从而造成汽水循环不良、蒸汽分配不均等问题，进而使水冷壁超温腐蚀；③煤质问题。有些煤的燃烧性能较低，大量未燃烬煤粉颗粒聚集在水冷壁附近，形成还原性气氛，造成高温腐蚀；④一些改造过的特殊燃烧器的影响等。（2）化学腐蚀。化学腐蚀分为内壁腐蚀和外壁腐蚀。内壁腐蚀往往是由水质不良等因素引起的，表现为锅炉水冷壁管内壁坑坑洼洼，薄厚不均，受热不均衡，最终破裂；外壁往往是燃料质量不良以及燃烧方式不当等因素引起的，表现为在水冷壁外壁形成硫化物、铁硫化物、氯化物等沉积物，使管外壁受热不均，加速泄漏。

         3改进措施

      3.1锅炉干态运行时给水控制方案

        一般通过控制煤水比来粗调主蒸汽温度，通过过热减温水来细调主蒸汽温度。要保证直流锅炉的过热汽温的稳定，根据机组燃煤量来对应锅炉给水量控制好煤水比，由于燃料进入炉膛后燃料发热响应时间长大概需要三分钟的时间，所以在燃料量后加三分钟延时模块，保证燃料发热前后给水量能够跟上，控制主汽温度。通过控制汽水流程中汽水分离器出口温度来控制主汽温度。由于该点位于整个汽水流程的前部，因此该点温度对煤水比失调的反应快，惯性和迟延时间均较小。当给水量或燃烧率扰动时，汽水流程中各点工质温度的动态特性相似；在锅炉的煤水比保持不变时，汽水流程中该点工质的温度就保持不变。对于定压运行锅炉，由于压力一定，分离器出口温度基本稳定在某值。对于滑压运行机组，由于压力变化范围很大，根据负荷的变化主汽压力随之变化，对应的中间点温度也变化，机组负荷对应的中间点温度不同。

         3.2防范措施

        首先，应认真排查其他同类型的焊缝是否存在焊接热裂纹的情况，发现问题及时处理。其次，结晶裂纹往往尺寸微小，现场无损检测一般难以有效检出，故应严格控制各级受热面的焊接工艺和焊接操作，保证受热面的焊接质量。再次，应优化运行方式，避免机组的频繁启停及快速、大幅值的负荷变化工况，以免再次发生类似泄漏事故。

        结束语

        （1）通过对锅炉水冷壁取样管宏观检查、沉积物分析、燃煤特性分析、贴壁气氛测试、金相组织分析，判断水冷壁管减薄的原因是硫化物型高温腐蚀。（2）通过控制燃用煤硫分、煤粉细度、还原性气氛浓度，使得该锅炉水冷壁高温腐蚀情况得以有效改善，避免了由于水冷壁腐蚀后减薄所导致的泄漏停机。

        参考文献

        [1]田平，罗昌福，李鹏辉，祁博武，杨博闻.330MW燃煤锅炉水冷壁爆管原因分析[J].青海电力，2019，38（04）：58-60.

        [2]桑山松.一起高压锅炉水冷壁爆管原因分析[J].工业加热，2019，48（06）：32-33+37.

          [3]王大福．锅炉水冷壁爆管泄漏原因分析.2019.