超超臨界1000MW機組鍋爐壽命管理技術(shù)研究
點(diǎn)擊次數：2768 更新時(shí)間：2011-07-21
摘要：
華能玉環(huán)電廠(chǎng)超超臨界1000MW機組于2007年投運，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠(chǎng)引進(jìn)日本三菱重工技術(shù)制造，采用II型布置，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁。主蒸汽參數為27.56MPa/605℃／603℃。本文根據超超臨界1000MW機組鍋爐的設計、制造、安裝、運行特點(diǎn)，結合鍋爐材料特性，在線(xiàn)動(dòng)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(shí)時(shí)指導，可有效減少鍋爐管泄漏風(fēng)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據庫
華能玉環(huán)電廠(chǎng)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(guò)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(guò)熱器和再熱器則大量采用Su-per304H和HR3C，其中Super304H、HR3C、P92、P122等為國內電站使用材料。為了開(kāi)發(fā)鍋爐壽命評估模型，建立了所用材料性能數據庫，并對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)驗室檢測分析。
1.2高溫受熱面爐內溫度場(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點(diǎn)均裝在爐外，所測壁溫與爐內煙氣環(huán)境真實(shí)的管壁溫度差異較大。為了掌握爐內受熱面管的實(shí)際金屬壁溫，準確評定高溫爐管的壽命，需在爐內受熱面管壁上安裝熱電偶，進(jìn)行爐內外受熱面管壁溫比對試驗，以此開(kāi)發(fā)由爐外測點(diǎn)實(shí)時(shí)反推爐內受熱面管壁溫的算法。
1.3鍋爐動(dòng)態(tài)壽命計算模型
分別對高溫爐管、聯(lián)箱兩類(lèi)部件基于蠕變、疲勞、氧化等多種實(shí)際損傷機理的交互作用進(jìn)行研究，建立鍋爐管和鍋爐部件在線(xiàn)壽命計算模型，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取高溫鍋爐管和鍋爐部件的壁溫、壓力測點(diǎn)數據，結合部件的尺寸和材質(zhì)等工藝參數，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度、應力等關(guān)鍵狀態(tài)的評估：
?。?）通過(guò)分析過(guò)熱器、再熱器爐內溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)，以蠕變強度為基礎，結合疲勞強度和氧化速度，開(kāi)發(fā)鍋爐管壽命評估模型；
?。?）通過(guò)蠕變損傷和疲勞損傷計算，開(kāi)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；
?。?）分析起停機、變負荷以及平穩運行工況下各部件的壽命影響。
1.4高溫鍋爐管內壁氧化皮剝落或異物堵塞在線(xiàn)監測模型
高溫下運行中，爐管內壁氧化皮逐漸增厚并形成多層結構，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(shí)，爐管便會(huì )因為超溫而爆裂。同時(shí)，鍋爐入口聯(lián)箱中各爐管入口處裝有不同口徑的節流孔，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)捕獲壁溫數據異常特征模型的研發(fā)，起、停和平穩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(fēng)險監測及實(shí)現風(fēng)險報警并提供處理建議等。
1.5壁溫監測及多級超限統計模型
超超臨界機組鍋爐運行參數高，運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，加強受熱面的超溫監測和超限管理對鍋爐安全運行十分重要，因此設計了以下壁溫監測和管理模型：
?。?）受熱面壁溫實(shí)時(shí)預警和超溫風(fēng)險評估；
?。?）溫度場(chǎng)分布監測；
?。?）位置壁溫監測；
?。?）多級超限監測和統計；
?。?）運行超限考核管理。
二、超超臨界機組鍋爐壽命管理系統
在超超臨界機組鍋爐狀態(tài)監測模型、壽命評估模型、材料數據庫、氧化皮脫落預測模型等研究基礎上，結合華能玉環(huán)電廠(chǎng)的具體生產(chǎn)管理需求，開(kāi)發(fā)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統，實(shí)現鍋爐管和鍋爐部件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測和管理。
?。╨）基于電廠(chǎng)現有SIS和MIS平臺設計系統架構；
?。?）開(kāi)發(fā)基于B/S結構的超超臨界機組鍋爐管壽命管理系統，評估對象包括二級過(guò)熱器、三級過(guò)熱器、四級過(guò)熱器和二級再熱器；
?。?）開(kāi)發(fā)基于B/S結構的超超臨界機組鍋爐部件壽命管理系統，評估對象包括三級過(guò)熱器出口聯(lián)箱、四級過(guò)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主要包括以下4大功能模塊：
?。?）在線(xiàn)狀態(tài)監測與評佑通過(guò)實(shí)時(shí)獲取高溫部件的溫度、壓力、負荷等基礎測點(diǎn)數據，結合設備的結構、尺寸等設計參數，在線(xiàn)監測及評估設備運行狀態(tài)
其包括超溫風(fēng)險、蠕變損傷與疲勞損傷及當量金屬溫度、應力的監測與管理。
?。?）氧化皮脫落風(fēng)險監測根據不同材料氧化規律，獲取不銹鋼、低合金鋼等材料的氧化統計表達式，通過(guò)鍋爐管內壁氧化皮應變和壁溫的跟蹤監測，實(shí)現氧化皮脫落風(fēng)險預測和異物堵塞風(fēng)險監測。其包括：氧化皮（異物）堵塞和氧化皮脫落風(fēng)險預測。
?。?）設備壽命評估依據設備狀態(tài)（溫度、應力）的評估結果，綜合分析設備氧化、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(xiàn)和爐管殘余壽命報警及統計。
?。?）設備信．息管理對高溫設備的設計、制造、安裝、運行、檢驗、維修、經(jīng)濟性等方面的信息進(jìn)行管理，提供設備綜合風(fēng)險預測結果，提供檢驗與維修決策建議。其包括失效風(fēng)險預測與管理，失效原因分析與統計，結構、測點(diǎn)信息管理，維修、更換及檢驗建議。
三、結語(yǔ)
以華能玉環(huán)電廠(chǎng)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(jìn)行分析、建模?；陉P(guān)鍵技術(shù)的研究結果，結合電廠(chǎng)生產(chǎn)管理需求，開(kāi)發(fā)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統。該系統已在華能玉環(huán)電廠(chǎng)4臺機組上投入使用，運行穩定可靠，能有效減少鍋爐超溫超壓運行，降低爐管泄漏風(fēng)險。
華能玉環(huán)電廠(chǎng)超超臨界1000MW機組于2007年投運，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠(chǎng)引進(jìn)日本三菱重工技術(shù)制造，采用II型布置，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁。主蒸汽參數為27.56MPa/605℃／603℃。本文根據超超臨界1000MW機組鍋爐的設計、制造、安裝、運行特點(diǎn)，結合鍋爐材料特性，在線(xiàn)動(dòng)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(shí)時(shí)指導，可有效減少鍋爐管泄漏風(fēng)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據庫
華能玉環(huán)電廠(chǎng)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(guò)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(guò)熱器和再熱器則大量采用Su-per304H和HR3C，其中Super304H、HR3C、P92、P122等為國內電站使用材料。為了開(kāi)發(fā)鍋爐壽命評估模型，建立了所用材料性能數據庫，并對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)驗室檢測分析。
1.2高溫受熱面爐內溫度場(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點(diǎn)均裝在爐外，所測壁溫與爐內煙氣環(huán)境真實(shí)的管壁溫度差異較大。為了掌握爐內受熱面管的實(shí)際金屬壁溫，準確評定高溫爐管的壽命，需在爐內受熱面管壁上安裝熱電偶，進(jìn)行爐內外受熱面管壁溫比對試驗，以此開(kāi)發(fā)由爐外測點(diǎn)實(shí)時(shí)反推爐內受熱面管壁溫的算法。
1.3鍋爐動(dòng)態(tài)壽命計算模型
分別對高溫爐管、聯(lián)箱兩類(lèi)部件基于蠕變、疲勞、氧化等多種實(shí)際損傷機理的交互作用進(jìn)行研究，建立鍋爐管和鍋爐部件在線(xiàn)壽命計算模型，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取高溫鍋爐管和鍋爐部件的壁溫、壓力測點(diǎn)數據，結合部件的尺寸和材質(zhì)等工藝參數，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度、應力等關(guān)鍵狀態(tài)的評估：
?。?）通過(guò)分析過(guò)熱器、再熱器爐內溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)，以蠕變強度為基礎，結合疲勞強度和氧化速度，開(kāi)發(fā)鍋爐管壽命評估模型；
?。?）通過(guò)蠕變損傷和疲勞損傷計算，開(kāi)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；
?。?）分析起停機、變負荷以及平穩運行工況下各部件的壽命影響。
1.4高溫鍋爐管內壁氧化皮剝落或異物堵塞在線(xiàn)監測模型
高溫下運行中，爐管內壁氧化皮逐漸增厚并形成多層結構，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(shí)，爐管便會(huì )因為超溫而爆裂。同時(shí)，鍋爐入口聯(lián)箱中各爐管入口處裝有不同口徑的節流孔，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)捕獲壁溫數據異常特征模型的研發(fā)，起、停和平穩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(fēng)險監測及實(shí)現風(fēng)險報警并提供處理建議等。
1.5壁溫監測及多級超限統計模型
超超臨界機組鍋爐運行參數高，運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，加強受熱面的超溫監測和超限管理對鍋爐安全運行十分重要，因此設計了以下壁溫監測和管理模型：
?。?）受熱面壁溫實(shí)時(shí)預警和超溫風(fēng)險評估；
?。?）溫度場(chǎng)分布監測；
?。?）位置壁溫監測；
?。?）多級超限監測和統計；
?。?）運行超限考核管理。
二、超超臨界機組鍋爐壽命管理系統
在超超臨界機組鍋爐狀態(tài)監測模型、壽命評估模型、材料數據庫、氧化皮脫落預測模型等研究基礎上，結合華能玉環(huán)電廠(chǎng)的具體生產(chǎn)管理需求，開(kāi)發(fā)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統，實(shí)現鍋爐管和鍋爐部件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測和管理。
?。╨）基于電廠(chǎng)現有SIS和MIS平臺設計系統架構；
?。?）開(kāi)發(fā)基于B/S結構的超超臨界機組鍋爐管壽命管理系統，評估對象包括二級過(guò)熱器、三級過(guò)熱器、四級過(guò)熱器和二級再熱器；
?。?）開(kāi)發(fā)基于B/S結構的超超臨界機組鍋爐部件壽命管理系統，評估對象包括三級過(guò)熱器出口聯(lián)箱、四級過(guò)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主要包括以下4大功能模塊：
?。?）在線(xiàn)狀態(tài)監測與評佑通過(guò)實(shí)時(shí)獲取高溫部件的溫度、壓力、負荷等基礎測點(diǎn)數據，結合設備的結構、尺寸等設計參數，在線(xiàn)監測及評估設備運行狀態(tài)
其包括超溫風(fēng)險、蠕變損傷與疲勞損傷及當量金屬溫度、應力的監測與管理。
?。?）氧化皮脫落風(fēng)險監測根據不同材料氧化規律，獲取不銹鋼、低合金鋼等材料的氧化統計表達式，通過(guò)鍋爐管內壁氧化皮應變和壁溫的跟蹤監測，實(shí)現氧化皮脫落風(fēng)險預測和異物堵塞風(fēng)險監測。其包括：氧化皮（異物）堵塞和氧化皮脫落風(fēng)險預測。
?。?）設備壽命評估依據設備狀態(tài)（溫度、應力）的評估結果，綜合分析設備氧化、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(xiàn)和爐管殘余壽命報警及統計。
?。?）設備信．息管理對高溫設備的設計、制造、安裝、運行、檢驗、維修、經(jīng)濟性等方面的信息進(jìn)行管理，提供設備綜合風(fēng)險預測結果，提供檢驗與維修決策建議。其包括失效風(fēng)險預測與管理，失效原因分析與統計，結構、測點(diǎn)信息管理，維修、更換及檢驗建議。
三、結語(yǔ)
以華能玉環(huán)電廠(chǎng)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(jìn)行分析、建模?；陉P(guān)鍵技術(shù)的研究結果，結合電廠(chǎng)生產(chǎn)管理需求，開(kāi)發(fā)了超超臨界機組鍋爐壽命管理系統。該系統已在華能玉環(huán)電廠(chǎng)4臺機組上投入使用，運行穩定可靠，能有效減少鍋爐超溫超壓運行，降低爐管泄漏風(fēng)險。
