超超臨界1000MW機組鍋爐壽命管理技術(shù)研究
點擊次數(shù)：3010 更新時間：2011-07-21
摘要：
華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機組于2007年投運，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠引進日本三菱重工技術(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機組鍋爐的設(shè)計、制造、安裝、運行特點，結(jié)合鍋爐材料特性，在線動態(tài)評估鍋爐高溫爐管和高溫部件的使用狀態(tài)和剩余壽命，為運行和檢修提供實時指導，可有效減少鍋爐管泄漏風險，提高鍋爐運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
華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機組鍋爐大量采用高等級的新型耐熱鋼，如末級過熱器集箱、主蒸汽管道材料為P122，末級再熱器集箱、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等為國內(nèi)電站使用材料。為了開發(fā)鍋爐壽命評估模型，建立了所用材料性能數(shù)據(jù)庫，并對Su-per304H、HR3C、P92、P122、P91等材料化學成分、力學性能、物理性能等進行了實驗室檢測分析。
1.2高溫受熱面爐內(nèi)溫度場分布
鍋爐雙切圓燃燒方式使各受熱面的溫度場與正常切圓燃燒鍋爐受熱面溫度場相比發(fā)生了較大變化，并且由于爐管壁溫測點均裝在爐外，所測壁溫與爐內(nèi)煙氣環(huán)境真實的管壁溫度差異較大。為了掌握爐內(nèi)受熱面管的實際金屬壁溫，準確評定高溫爐管的壽命，需在爐內(nèi)受熱面管壁上安裝熱電偶，進行爐內(nèi)外受熱面管壁溫比對試驗，以此開發(fā)由爐外測點實時反推爐內(nèi)受熱面管壁溫的算法。
1.3鍋爐動態(tài)壽命計算模型
分別對高溫爐管、聯(lián)箱兩類部件基于蠕變、疲勞、氧化等多種實際損傷機理的交互作用進行研究，建立鍋爐管和鍋爐部件在線壽命計算模型，通過實時獲取高溫鍋爐管和鍋爐部件的壁溫、壓力測點數(shù)據(jù)，結(jié)合部件的尺寸和材質(zhì)等工藝參數(shù)，進行實時溫度、應力等關(guān)鍵狀態(tài)的評估：
（1）通過分析過熱器、再熱器爐內(nèi)溫度場和應力場，以蠕變強度為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞強度和氧化速度，開發(fā)鍋爐管壽命評估模型；
?。?）通過蠕變損傷和疲勞損傷計算，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估模型；
?。?）利用壽命預測概率分析方法為部件的檢查、維護、修理及更換提供管理決策依據(jù)；
（4）分析起停機、變負荷以及平穩(wěn)運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)測模型
高溫下運行中，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)生波動變化時，金屬基體與氧化皮之間將產(chǎn)生較大的熱應力，氧化皮逐漸剝落，并在下彎頭處堆積，當堆積量達到一定程度嚴重影響蒸汽流量時，爐管便會因為超溫而爆裂。同時，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，進行了實時捕獲壁溫數(shù)據(jù)異常特征模型的研發(fā)，起、停和平穩(wěn)運行等不同工況下氧化皮剝落傾向的預測，鍋爐管異物堵塞風險監(jiān)測及實現(xiàn)風險報警并提供處理建議等。
1.5壁溫監(jiān)測及多級超限統(tǒng)計模型
超超臨界機組鍋爐運行參數(shù)高，運行爐管壁溫接近材質(zhì)的許用溫度，水冷壁瞬時溫度變化頻繁，加強受熱面的超溫監(jiān)測和超限管理對鍋爐安全運行十分重要，因此設(shè)計了以下壁溫監(jiān)測和管理模型：
?。?）受熱面壁溫實時預警和超溫風險評估；
?。?）溫度場分布監(jiān)測；
?。?）位置壁溫監(jiān)測；
?。?）多級超限監(jiān)測和統(tǒng)計；
?。?）運行超限考核管理。
二、超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)
在超超臨界機組鍋爐狀態(tài)監(jiān)測模型、壽命評估模型、材料數(shù)據(jù)庫、氧化皮脫落預測模型等研究基礎(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)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)，實現(xiàn)鍋爐管和鍋爐部件的實時動態(tài)監(jiān)測和管理。
?。╨）基于電廠現(xiàn)有SIS和MIS平臺設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)；
?。?）開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的超超臨界機組鍋爐管壽命管理系統(tǒng)，評估對象包括二級過熱器、三級過熱器、四級過熱器和二級再熱器；
（3）開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的超超臨界機組鍋爐部件壽命管理系統(tǒng)，評估對象包括三級過熱器出口聯(lián)箱、四級過熱器出口聯(lián)箱、二級再熱器出口聯(lián)箱、主蒸汽管道、熱段再熱蒸汽管道。
超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)主要包括以下4大功能模塊：
?。?）在線狀態(tài)監(jiān)測與評佑通過實時獲取高溫部件的溫度、壓力、負荷等基礎(chǔ)測點數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計參數(shù)，在線監(jiān)測及評估設(shè)備運行狀態(tài)
其包括超溫風險、蠕變損傷與疲勞損傷及當量金屬溫度、應力的監(jiān)測與管理。
?。?）氧化皮脫落風險監(jiān)測根據(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)計表達式，通過鍋爐管內(nèi)壁氧化皮應變和壁溫的跟蹤監(jiān)測，實現(xiàn)氧化皮脫落風險預測和異物堵塞風險監(jiān)測。其包括：氧化皮（異物）堵塞和氧化皮脫落風險預測。
?。?）設(shè)備壽命評估依據(jù)設(shè)備狀態(tài)（溫度、應力）的評估結(jié)果，綜合分析設(shè)備氧化、蠕變、疲勞、材料老化等關(guān)鍵因素對壽命的影響，預測設(shè)備殘余壽命。其包括：氧化壽命、蠕變壽命和疲勞壽命預測與管理，管排殘余壽命概率分布曲線和爐管殘余壽命報警及統(tǒng)計。
?。?）設(shè)備信．息管理對高溫設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝、運行、檢驗、維修、經(jīng)濟性等方面的信息進行管理，提供設(shè)備綜合風險預測結(jié)果，提供檢驗與維修決策建議。其包括失效風險預測與管理，失效原因分析與統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)、測點信息管理，維修、更換及檢驗建議。
三、結(jié)語
以華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機組鍋爐為對象，對其壽命管理關(guān)鍵技術(shù)進行分析、建模?；陉P(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果，結(jié)合電廠生產(chǎn)管理需求，開發(fā)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在華能玉環(huán)電廠4臺機組上投入使用，運行穩(wěn)定可靠，能有效減少鍋爐超溫超壓運行，降低爐管泄漏風險。
華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機組于2007年投運，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠引進日本三菱重工技術(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機組鍋爐的設(shè)計、制造、安裝、運行特點，結(jié)合鍋爐材料特性，在線動態(tài)評估鍋爐高溫爐管和高溫部件的使用狀態(tài)和剩余壽命，為運行和檢修提供實時指導，可有效減少鍋爐管泄漏風險，提高鍋爐運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
華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機組鍋爐大量采用高等級的新型耐熱鋼，如末級過熱器集箱、主蒸汽管道材料為P122，末級再熱器集箱、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等為國內(nèi)電站使用材料。為了開發(fā)鍋爐壽命評估模型，建立了所用材料性能數(shù)據(jù)庫，并對Su-per304H、HR3C、P92、P122、P91等材料化學成分、力學性能、物理性能等進行了實驗室檢測分析。
1.2高溫受熱面爐內(nèi)溫度場分布
鍋爐雙切圓燃燒方式使各受熱面的溫度場與正常切圓燃燒鍋爐受熱面溫度場相比發(fā)生了較大變化，并且由于爐管壁溫測點均裝在爐外，所測壁溫與爐內(nèi)煙氣環(huán)境真實的管壁溫度差異較大。為了掌握爐內(nèi)受熱面管的實際金屬壁溫，準確評定高溫爐管的壽命，需在爐內(nèi)受熱面管壁上安裝熱電偶，進行爐內(nèi)外受熱面管壁溫比對試驗，以此開發(fā)由爐外測點實時反推爐內(nèi)受熱面管壁溫的算法。
1.3鍋爐動態(tài)壽命計算模型
分別對高溫爐管、聯(lián)箱兩類部件基于蠕變、疲勞、氧化等多種實際損傷機理的交互作用進行研究，建立鍋爐管和鍋爐部件在線壽命計算模型，通過實時獲取高溫鍋爐管和鍋爐部件的壁溫、壓力測點數(shù)據(jù)，結(jié)合部件的尺寸和材質(zhì)等工藝參數(shù)，進行實時溫度、應力等關(guān)鍵狀態(tài)的評估：
（1）通過分析過熱器、再熱器爐內(nèi)溫度場和應力場，以蠕變強度為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞強度和氧化速度，開發(fā)鍋爐管壽命評估模型；
?。?）通過蠕變損傷和疲勞損傷計算，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估模型；
?。?）利用壽命預測概率分析方法為部件的檢查、維護、修理及更換提供管理決策依據(jù)；
（4）分析起停機、變負荷以及平穩(wěn)運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)測模型
高溫下運行中，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)生波動變化時，金屬基體與氧化皮之間將產(chǎn)生較大的熱應力，氧化皮逐漸剝落，并在下彎頭處堆積，當堆積量達到一定程度嚴重影響蒸汽流量時，爐管便會因為超溫而爆裂。同時，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，進行了實時捕獲壁溫數(shù)據(jù)異常特征模型的研發(fā)，起、停和平穩(wěn)運行等不同工況下氧化皮剝落傾向的預測，鍋爐管異物堵塞風險監(jiān)測及實現(xiàn)風險報警并提供處理建議等。
1.5壁溫監(jiān)測及多級超限統(tǒng)計模型
超超臨界機組鍋爐運行參數(shù)高，運行爐管壁溫接近材質(zhì)的許用溫度，水冷壁瞬時溫度變化頻繁，加強受熱面的超溫監(jiān)測和超限管理對鍋爐安全運行十分重要，因此設(shè)計了以下壁溫監(jiān)測和管理模型：
?。?）受熱面壁溫實時預警和超溫風險評估；
?。?）溫度場分布監(jiān)測；
?。?）位置壁溫監(jiān)測；
?。?）多級超限監(jiān)測和統(tǒng)計；
?。?）運行超限考核管理。
二、超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)
在超超臨界機組鍋爐狀態(tài)監(jiān)測模型、壽命評估模型、材料數(shù)據(jù)庫、氧化皮脫落預測模型等研究基礎(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)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)，實現(xiàn)鍋爐管和鍋爐部件的實時動態(tài)監(jiān)測和管理。
?。╨）基于電廠現(xiàn)有SIS和MIS平臺設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)；
?。?）開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的超超臨界機組鍋爐管壽命管理系統(tǒng)，評估對象包括二級過熱器、三級過熱器、四級過熱器和二級再熱器；
（3）開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的超超臨界機組鍋爐部件壽命管理系統(tǒng)，評估對象包括三級過熱器出口聯(lián)箱、四級過熱器出口聯(lián)箱、二級再熱器出口聯(lián)箱、主蒸汽管道、熱段再熱蒸汽管道。
超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)主要包括以下4大功能模塊：
?。?）在線狀態(tài)監(jiān)測與評佑通過實時獲取高溫部件的溫度、壓力、負荷等基礎(chǔ)測點數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計參數(shù)，在線監(jiān)測及評估設(shè)備運行狀態(tài)
其包括超溫風險、蠕變損傷與疲勞損傷及當量金屬溫度、應力的監(jiān)測與管理。
?。?）氧化皮脫落風險監(jiān)測根據(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)計表達式，通過鍋爐管內(nèi)壁氧化皮應變和壁溫的跟蹤監(jiān)測，實現(xiàn)氧化皮脫落風險預測和異物堵塞風險監(jiān)測。其包括：氧化皮（異物）堵塞和氧化皮脫落風險預測。
?。?）設(shè)備壽命評估依據(jù)設(shè)備狀態(tài)（溫度、應力）的評估結(jié)果，綜合分析設(shè)備氧化、蠕變、疲勞、材料老化等關(guān)鍵因素對壽命的影響，預測設(shè)備殘余壽命。其包括：氧化壽命、蠕變壽命和疲勞壽命預測與管理，管排殘余壽命概率分布曲線和爐管殘余壽命報警及統(tǒng)計。
?。?）設(shè)備信．息管理對高溫設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝、運行、檢驗、維修、經(jīng)濟性等方面的信息進行管理，提供設(shè)備綜合風險預測結(jié)果，提供檢驗與維修決策建議。其包括失效風險預測與管理，失效原因分析與統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)、測點信息管理，維修、更換及檢驗建議。
三、結(jié)語
以華能玉環(huán)電廠超超臨界1000MW機組鍋爐為對象，對其壽命管理關(guān)鍵技術(shù)進行分析、建模?；陉P(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果，結(jié)合電廠生產(chǎn)管理需求，開發(fā)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在華能玉環(huán)電廠4臺機組上投入使用，運行穩(wěn)定可靠，能有效減少鍋爐超溫超壓運行，降低爐管泄漏風險。
