超超临界1000MW机组锅炉寿命管理技术研究
点击次数：2718 更新时间：2011-07-21
摘要：
华能玉环电厂超超临界1000MW机组于2007年投运，锅炉由哈尔滨锅炉厂引进日本三菱重工技术制造，采用II型布置，炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁。主蒸汽参数为27.56MPa/605℃／603℃。本文根据超超临界1000MW机组锅炉的设计、制造、安装、运行特点，结合锅炉材料特性，在线动态评估锅炉高温炉管和高温部件的使用状态和剩余寿命，为运行和检修提供实时指导，可有效减少锅炉管泄漏风险，提高锅炉运行的安全性和可靠性。
一、关键技术研究
1.1建立新型耐热钢性能数据库
华能玉环电厂超超临界1000MW机组锅炉大量采用高等级的新型耐热钢，如末级过热器集箱、主蒸汽管道材料为P122，末级再热器集箱、热段再热蒸汽管道材料为P91，过热器和再热器则大量采用Su-per304H和HR3C，其中Super304H、HR3C、P92、P122等为国内电站使用材料。为了开发锅炉寿命评估模型，建立了所用材料性能数据库，并对Su-per304H、HR3C、P92、P122、P91等材料化学成分、力学性能、物理性能等进行了实验室检测分析。
1.2高温受热面炉内温度场分布
锅炉双切圆燃烧方式使各受热面的温度场与正常切圆燃烧锅炉受热面温度场相比发生了较大变化，并且由于炉管壁温测点均装在炉外，所测壁温与炉内烟气环境真实的管壁温度差异较大。为了掌握炉内受热面管的实际金属壁温，准确评定高温炉管的寿命，需在炉内受热面管壁上安装热电偶，进行炉内外受热面管壁温比对试验，以此开发由炉外测点实时反推炉内受热面管壁温的算法。
1.3锅炉动态寿命计算模型
分别对高温炉管、联箱两类部件基于蠕变、疲劳、氧化等多种实际损伤机理的交互作用进行研究，建立锅炉管和锅炉部件在线寿命计算模型，通过实时获取高温锅炉管和锅炉部件的壁温、压力测点数据，结合部件的尺寸和材质等工艺参数，进行实时温度、应力等关键状态的评估：
（1）通过分析过热器、再热器炉内温度场和应力场，以蠕变强度为基础，结合疲劳强度和氧化速度，开发锅炉管寿命评估模型；
（2）通过蠕变损伤和疲劳损伤计算，开发高温联箱轴向韧带、周向韧带、焊缝和蒸汽管道弯头等部位的评估模型；
（3）利用寿命预测概率分析方法为部件的检查、维护、修理及更换提供管理决策依据；
（4）分析起停机、变负荷以及平稳运行工况下各部件的寿命影响。
1.4高温锅炉管内壁氧化皮剥落或异物堵塞在线监测模型
高温下运行中，炉管内壁氧化皮逐渐增厚并形成多层结构，在锅炉温度和压力发生波动变化时，金属基体与氧化皮之间将产生较大的热应力，氧化皮逐渐剥落，并在下弯头处堆积，当堆积量达到一定程度严重影响蒸汽流量时，炉管便会因为超温而爆裂。同时，锅炉入口联箱中各炉管入口处装有不同口径的节流孔，极易发生异物堵塞引起超温爆管。为此，进行了实时捕获壁温数据异常特征模型的研发，起、停和平稳运行等不同工况下氧化皮剥落倾向的预测，锅炉管异物堵塞风险监测及实现风险报警并提供处理建议等。
1.5壁温监测及多级超限统计模型
超超临界机组锅炉运行参数高，运行炉管壁温接近材质的许用温度，水冷壁瞬时温度变化频繁，加强受热面的超温监测和超限管理对锅炉安全运行十分重要，因此设计了以下壁温监测和管理模型：
（1）受热面壁温实时预警和超温风险评估；
（2）温度场分布监测；
（3）位置壁温监测；
（4）多级超限监测和统计；
（5）运行超限考核管理。
二、超超临界机组锅炉寿命管理系统
在超超临界机组锅炉状态监测模型、寿命评估模型、材料数据库、氧化皮脱落预测模型等研究基础上，结合华能玉环电厂的具体生产管理需求，开发了超超临界机组锅炉寿命管理系统，实现锅炉管和锅炉部件的实时动态监测和管理。
（l）基于电厂现有SIS和MIS平台设计系统架构；
（2）开发基于B/S结构的超超临界机组锅炉管寿命管理系统，评估对象包括二级过热器、三级过热器、四级过热器和二级再热器；
（3）开发基于B/S结构的超超临界机组锅炉部件寿命管理系统，评估对象包括三级过热器出口联箱、四级过热器出口联箱、二级再热器出口联箱、主蒸汽管道、热段再热蒸汽管道。
超超临界机组锅炉寿命管理系统主要包括以下4大功能模块：
（1）在线状态监测与评佑通过实时获取高温部件的温度、压力、负荷等基础测点数据，结合设备的结构、尺寸等设计参数，在线监测及评估设备运行状态
其包括超温风险、蠕变损伤与疲劳损伤及当量金属温度、应力的监测与管理。
（2）氧化皮脱落风险监测根据不同材料氧化规律，获取不锈钢、低合金钢等材料的氧化统计表达式，通过锅炉管内壁氧化皮应变和壁温的跟踪监测，实现氧化皮脱落风险预测和异物堵塞风险监测。其包括：氧化皮（异物）堵塞和氧化皮脱落风险预测。
（3）设备寿命评估依据设备状态（温度、应力）的评估结果，综合分析设备氧化、蠕变、疲劳、材料老化等关键因素对寿命的影响，预测设备残余寿命。其包括：氧化寿命、蠕变寿命和疲劳寿命预测与管理，管排残余寿命概率分布曲线和炉管残余寿命报警及统计。
（4）设备信．息管理对高温设备的设计、制造、安装、运行、检验、维修、经济性等方面的信息进行管理，提供设备综合风险预测结果，提供检验与维修决策建议。其包括失效风险预测与管理，失效原因分析与统计，结构、测点信息管理，维修、更换及检验建议。
三、结语
以华能玉环电厂超超临界1000MW机组锅炉为对象，对其寿命管理关键技术进行分析、建模。基于关键技术的研究结果，结合电厂生产管理需求，开发了超超临界机组锅炉寿命管理系统。该系统已在华能玉环电厂4台机组上投入使用，运行稳定可靠，能有效减少锅炉超温超压运行，降低炉管泄漏风险。
华能玉环电厂超超临界1000MW机组于2007年投运，锅炉由哈尔滨锅炉厂引进日本三菱重工技术制造，采用II型布置，炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁。主蒸汽参数为27.56MPa/605℃／603℃。本文根据超超临界1000MW机组锅炉的设计、制造、安装、运行特点，结合锅炉材料特性，在线动态评估锅炉高温炉管和高温部件的使用状态和剩余寿命，为运行和检修提供实时指导，可有效减少锅炉管泄漏风险，提高锅炉运行的安全性和可靠性。
一、关键技术研究
1.1建立新型耐热钢性能数据库
华能玉环电厂超超临界1000MW机组锅炉大量采用高等级的新型耐热钢，如末级过热器集箱、主蒸汽管道材料为P122，末级再热器集箱、热段再热蒸汽管道材料为P91，过热器和再热器则大量采用Su-per304H和HR3C，其中Super304H、HR3C、P92、P122等为国内电站使用材料。为了开发锅炉寿命评估模型，建立了所用材料性能数据库，并对Su-per304H、HR3C、P92、P122、P91等材料化学成分、力学性能、物理性能等进行了实验室检测分析。
1.2高温受热面炉内温度场分布
锅炉双切圆燃烧方式使各受热面的温度场与正常切圆燃烧锅炉受热面温度场相比发生了较大变化，并且由于炉管壁温测点均装在炉外，所测壁温与炉内烟气环境真实的管壁温度差异较大。为了掌握炉内受热面管的实际金属壁温，准确评定高温炉管的寿命，需在炉内受热面管壁上安装热电偶，进行炉内外受热面管壁温比对试验，以此开发由炉外测点实时反推炉内受热面管壁温的算法。
1.3锅炉动态寿命计算模型
分别对高温炉管、联箱两类部件基于蠕变、疲劳、氧化等多种实际损伤机理的交互作用进行研究，建立锅炉管和锅炉部件在线寿命计算模型，通过实时获取高温锅炉管和锅炉部件的壁温、压力测点数据，结合部件的尺寸和材质等工艺参数，进行实时温度、应力等关键状态的评估：
（1）通过分析过热器、再热器炉内温度场和应力场，以蠕变强度为基础，结合疲劳强度和氧化速度，开发锅炉管寿命评估模型；
（2）通过蠕变损伤和疲劳损伤计算，开发高温联箱轴向韧带、周向韧带、焊缝和蒸汽管道弯头等部位的评估模型；
（3）利用寿命预测概率分析方法为部件的检查、维护、修理及更换提供管理决策依据；
（4）分析起停机、变负荷以及平稳运行工况下各部件的寿命影响。
1.4高温锅炉管内壁氧化皮剥落或异物堵塞在线监测模型
高温下运行中，炉管内壁氧化皮逐渐增厚并形成多层结构，在锅炉温度和压力发生波动变化时，金属基体与氧化皮之间将产生较大的热应力，氧化皮逐渐剥落，并在下弯头处堆积，当堆积量达到一定程度严重影响蒸汽流量时，炉管便会因为超温而爆裂。同时，锅炉入口联箱中各炉管入口处装有不同口径的节流孔，极易发生异物堵塞引起超温爆管。为此，进行了实时捕获壁温数据异常特征模型的研发，起、停和平稳运行等不同工况下氧化皮剥落倾向的预测，锅炉管异物堵塞风险监测及实现风险报警并提供处理建议等。
1.5壁温监测及多级超限统计模型
超超临界机组锅炉运行参数高，运行炉管壁温接近材质的许用温度，水冷壁瞬时温度变化频繁，加强受热面的超温监测和超限管理对锅炉安全运行十分重要，因此设计了以下壁温监测和管理模型：
（1）受热面壁温实时预警和超温风险评估；
（2）温度场分布监测；
（3）位置壁温监测；
（4）多级超限监测和统计；
（5）运行超限考核管理。
二、超超临界机组锅炉寿命管理系统
在超超临界机组锅炉状态监测模型、寿命评估模型、材料数据库、氧化皮脱落预测模型等研究基础上，结合华能玉环电厂的具体生产管理需求，开发了超超临界机组锅炉寿命管理系统，实现锅炉管和锅炉部件的实时动态监测和管理。
（l）基于电厂现有SIS和MIS平台设计系统架构；
（2）开发基于B/S结构的超超临界机组锅炉管寿命管理系统，评估对象包括二级过热器、三级过热器、四级过热器和二级再热器；
（3）开发基于B/S结构的超超临界机组锅炉部件寿命管理系统，评估对象包括三级过热器出口联箱、四级过热器出口联箱、二级再热器出口联箱、主蒸汽管道、热段再热蒸汽管道。
超超临界机组锅炉寿命管理系统主要包括以下4大功能模块：
（1）在线状态监测与评佑通过实时获取高温部件的温度、压力、负荷等基础测点数据，结合设备的结构、尺寸等设计参数，在线监测及评估设备运行状态
其包括超温风险、蠕变损伤与疲劳损伤及当量金属温度、应力的监测与管理。
（2）氧化皮脱落风险监测根据不同材料氧化规律，获取不锈钢、低合金钢等材料的氧化统计表达式，通过锅炉管内壁氧化皮应变和壁温的跟踪监测，实现氧化皮脱落风险预测和异物堵塞风险监测。其包括：氧化皮（异物）堵塞和氧化皮脱落风险预测。
（3）设备寿命评估依据设备状态（温度、应力）的评估结果，综合分析设备氧化、蠕变、疲劳、材料老化等关键因素对寿命的影响，预测设备残余寿命。其包括：氧化寿命、蠕变寿命和疲劳寿命预测与管理，管排残余寿命概率分布曲线和炉管残余寿命报警及统计。
（4）设备信．息管理对高温设备的设计、制造、安装、运行、检验、维修、经济性等方面的信息进行管理，提供设备综合风险预测结果，提供检验与维修决策建议。其包括失效风险预测与管理，失效原因分析与统计，结构、测点信息管理，维修、更换及检验建议。
三、结语
以华能玉环电厂超超临界1000MW机组锅炉为对象，对其寿命管理关键技术进行分析、建模。基于关键技术的研究结果，结合电厂生产管理需求，开发了超超临界机组锅炉寿命管理系统。该系统已在华能玉环电厂4台机组上投入使用，运行稳定可靠，能有效减少锅炉超温超压运行，降低炉管泄漏风险。
